人教版高中物理选择性必修第二册第2章电磁感应3涡流、电磁阻尼和电磁驱动课件

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第二章3　涡流、电磁阻尼和电磁驱动1.了解涡流、电磁阻尼和电磁驱动的概念,会用其解释自然现象,解决实际问题。(物理观念)2.了解涡流的原理,能在问题情境中应用其性质进行分析,获得结论。(科学思维)3.观察电磁阻尼和电磁驱动现象,了解电磁阻尼和电磁驱动的原理及其在生活、生产中的应用。(科学思维)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引 学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、电磁感应现象中的感生电场一个闭合回路静止于磁场中,由于磁场强弱的变化,闭合电路内将会产生感应电动势。1.感生电场:磁场　　　　时会在空间激发一种电场,我们把它叫作感生电场。与空间是否存在闭合回路无关 2.感生电动势:由　　　　　产生的感应电动势。 3.感生电场的方向:与所产生的感应电流的方向相同,可根据　　　　　和　　　　　判断。 变化 感生电场楞次定律安培定则二、涡流1.涡流:由于电磁感应,在导体中产生的像水中漩涡样的　　　　电流。 2.特点:若金属电阻率很小,则涡流往往　　　,产生的热量　　　　。 3.应用(1)热效应:　　　　　　,　　　　　。 (2)磁效应:　　　　,　　　　　。 4.防止:电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量,损坏电器。(1)途径一:增大铁芯材料的　　　　　。 (2)途径二:用互相绝缘的　　　　叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。 感应很强很多真空冶炼炉电磁炉探雷器安检门电阻率硅钢片三、电磁阻尼和电磁驱动1.电磁阻尼(1)电磁阻尼:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到　　　　,安培力总是阻碍导体的运动,这种现象称为电磁阻尼。 安培力是阻力 (2)应用:磁电式电流表中利用　　　　　使指针迅速停止到某位置,便于读数。 安培力电磁阻尼2.电磁驱动(1)电磁驱动:如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生　　　　　,感应电流使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来,这种作用常常称为电磁驱动。 安培力是动力 (2)应用:交流感应电动机。 感应电流情境链接 用导线把电流表的两个接线柱连在一起后,晃动电流表时,表针摆动的幅度为什么比没连接接线柱时的小?提示 用导线把电流表的两个接线柱连接起来后,就形成了闭合回路,晃动电流表时,产生感应电流阻碍表针的相对运动,即发生电磁阻尼现象。教材拓展如图为电磁炉加热原理图。电磁炉为什么用平底铁锅做锅具?提示 线圈中变化的磁场使平底铁锅底部产生涡流,从而使得锅底温度升高,起到加热做饭或炒菜的作用。易错辨析(1)如果空间不存在闭合电路,变化的磁场周围不会产生感生电场。(　　)(2)感生电场是由磁场的变化产生的。(　　)(3)涡流跟平时常见的感应电流一样,都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的。(　　)(4)只有在导体中才能产生涡流现象。(　　)× 提示 麦克斯韦认为,磁场的变化在空间激发一种电场,这种电场与是否存在闭合电路无关。√ √ √ (5)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。(　　)(6)电磁阻尼是由于电磁感应中安培力阻碍导体与磁场的相对运动产生的,而电磁驱动是由于电磁感应现象中安培力增强磁场与导体间的相对运动产生的。(　　)√ 提示 电磁阻尼、电磁驱动都是由于磁通量的变化引起的,所以都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。× 提示 电磁感应现象中,安培力总是阻碍引起感应电流的磁场与导体间的相对运动。重难探究·能力素养全提升探究点一　电磁感应现象中的感生电场如图所示,B增强,那么就会在空间激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体,导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动,而产生感应电流。(1)感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系?如何判断感生电场的方向?(2)上述情况下,哪种作用力扮演了电源中非静电力的角色? 要点提示 (1)感应电流的方向与正电荷移动的方向相同,感生电场的方向与正电荷受力的方向相同,因此,感生电场的方向与感应电流的方向相同,感生电场的方向可以用楞次定律判定。(2)感生电场对自由电荷的作用力。1.产生:如图所示,当磁场变化时,产生感生电场。感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线。2.方向:闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就表示感生电场的电场方向。依据实际存在的或假定存在的回路结合楞次定律判定感生电场的方向。特别提示　感生电场力虽然是电场力但不是静电力。它是一种非静电力。【例1】 著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验装置:一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动,在圆板的中部有一个线圈,圆板的四周固定着一圈带电的金属小球,如图所示。当线圈接通电源后,将有图示方向的电流流过,则下列说法正确的是(　　)A.接通电源瞬间,圆板不会发生转动B.线圈中电流的增大或减小都会引起圆板向与线圈中电流方向相同的方向转动C.接通电源后,保持线圈中电流不变,圆板转动方向与线圈中电流流向相同D.若金属小球带负电,接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相同D 解析 线圈接通电源瞬间,变化的磁场产生电场,从而导致带电小球受到电场力,使其转动,故A错误;线圈中电流增大或减小都会引起磁场的变化,从而产生电场,使小球受到电场力,从而转动,但由于电场力与电荷带正负电有关,故B错误;接通电源后,保持线圈中电流不变,则磁场不变,不会产生电场,小球不受到电场力,故C错误;接通电源瞬间小球受到电场力作用而转动,由于金属小球带负电,故圆盘转动方向与线圈中电流流向相同,故D正确。方法技巧　判断感生电场方向的思路 1.现代科学研究中常用到高速电子,电子感应加速器就是利用感生电场加速电子的设备,如图甲。电子感应加速器主要有上、下电磁铁磁极和环形真空盒组成。当电磁铁绕组通以变化的电流时,产生变化的磁场,穿过真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化,这时真空盒空间内就产生感应涡旋电场,电子将在涡旋电场作用下加速。如图乙所示(上图为侧视图、下图为真空盒的俯视图),若电子被“约束”在半径为R的圆周上运动,当电磁铁绕组通有图中所示的电流时(　　)乙 甲A.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速B.若电子沿顺时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速C.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流减小时,电子将加速D.被加速时电子做圆周运动的周期不变答案 A 解析 当电磁铁绕组通有题图中所示的电流时,由安培定则可知将产生向上的磁场,当电磁铁绕组中电流增大时,根据楞次定律和安培定则可知,这时真空盒空间内产生顺时针方向的感生电场,电子沿逆时针运动,电子将加速,选项A正确,选项B、C错误;由于电子被“约束”在半径为R的圆周上运动,被加速时电子做圆周运动的周期减小,选项D错误。探究点二　涡流高考考场用的金属探测器是一根长的黑色扁棒,使用时监考教师手持探测器,在考生前后左右和容易藏东西的部位划过,如藏有金属物品,即便是一粒金属纽扣,探测器也会鸣响。金属探测器的原理是什么? 要点提示 金属探测器通过其通有交变电流的探测线圈,在隐蔽金属中产生涡流,涡流的磁场又影响探测线圈,从而改变原交变电流的大小和相位,从而起到探测作用。1.对涡流的理解 2.产生涡流的两种情况(1)块状金属放在变化的磁场中。(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。特别提示　(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵循法拉第电磁感应定律。(2)磁场变化越快( 越大),导体的横截面积S越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越强。【例2】 (多选)高频焊接原理示意图如图所示,线圈通以高频交变电流,金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热,将焊缝熔化焊接,要使焊接处产生的热量较大可(　 　)A.增大交变电流的电压B.增大交变电流的频率C.增大焊接缝的接触电阻D.减小焊接缝的接触电阻ABC解析 增大交变电流的电压和交变电流的频率均可使电流的变化率增大,由E=n 知,感应电动势和涡流均增大,焊接处的发热功率增大,若增大焊接缝的接触电阻,则焊接处的电压、功率分配就增大,产生的热量就会增大,故A、B、C正确,D错误。2.(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中,如图所示为一手持式封口机,它的工作原理是:当接通电源时,内置线圈产生磁场,当磁感线穿过封口铝箔材料时,瞬间产生大量小涡流,致使铝箔自行快速发热,熔化复合在铝箔上的溶胶,从而粘贴在待封容器的封口处,达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是(　　)A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔B.该封口机可用干电池作为电源以方便携带C.封口过程中温度过高,可适当减小所通电流的频率D.该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口,但不适用于金属容器CD解析 由于封口机利用了电磁感应原理,故封口材料必须是金属类材料,而且电源必须是交流电源,A、B错误;减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量,即控制温度,C正确;封口材料应是金属类材料,但对应被封口的容器不能是金属,否则同样会被熔化,只能是玻璃、塑料等材质,D正确。探究点三　电磁阻尼和电磁驱动如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴转动。(1)如果将磁铁拿走,轻转线圈,观察线圈的转动,若安装上磁铁,用同样的力转动线圈,你会观察到两次现象有什么不同,为什么?要点提示 观察到没有磁铁时线圈转动的时间比有磁铁时转动的时间长很多。有磁铁时,线圈转动会产生感应电流,感应电流的安培力阻碍线圈的转动。(2)先让线圈静止,转动磁铁,观察线圈有什么现象发生,为什么? 要点提示 观察到线圈随着磁铁的转动会慢慢转动起来。线圈中产生感应电流,感应电流的安培力阻碍线圈相对磁铁的运动,即使线圈慢慢随磁铁转动起来。电磁阻尼与电磁驱动的比较 特别提示　(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律。(2)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动,应注意电磁驱动中阻碍的结果。若磁铁运动,线圈中产生感应电流的结果是安培力的方向与磁铁运动方向相同,即电磁驱动;若磁场不动,线圈运动,则产生感应电流的结果是阻碍线圈运动,即电磁阻尼。【例3】 如图所示,弹簧上端固定,下端挂一个条形磁体,使磁体上下振动,磁体的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁体,观察磁体的振幅将会发现(　　)A.S闭合时振幅逐渐减小,S断开时振幅不变B.S闭合时振幅逐渐增大,S断开时振幅不变C.S闭合或断开,振幅变化相同D.S闭合或断开,振幅都不发生变化A解析 S断开时,磁体振动,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中无感应电流,振幅不变;S闭合时有感应电流,有电能产生,磁体的机械能越来越少,振幅逐渐减小。选项A正确。3.(多选)如图所示,条形磁体位于固定的半圆光滑轨道的圆心位置。一半径为R、质量为m的金属球从半圆轨道的一端沿半圆轨道由静止下滑。重力加速度大小为g。下列说法正确的是(　　)A.金属球会运动到半圆轨道的另一端B.由于金属球没有形成闭合电路,所以金属球中不会产生感应电流C.金属球受到的安培力做负功D.系统产生的总热量为mgRCD解析 在金属球运动的过程中,穿过金属球的磁通量不断变化,在金属球内形成闭合回路,产生涡流,金属球受到的安培力做负功,金属球产生的热量不断增加,机械能不断减少,直至金属球停在半圆轨道的最低点,C正确,A、B错误;根据能量守恒定律得系统产生的总热量为mgR,D正确。学以致用·随堂检测全达标123451.(电磁感应中的感生电场)在如图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是(　　) C解析 恒定的感生电场由均匀变化的磁场产生,C正确。 123452.(电磁驱动)内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上,环内有一带负电的小球,整个装置处在竖直向下的磁场中,如图所示。当磁场突然增强时,小球(　　)A.沿顺时针方向运动B.沿逆时针方向运动C.在原位置附近往复运动D.仍保持静止状态A解析 磁场突然增强时,激发出逆时针方向的感生电场,对负电荷的作用力为顺时针,故小球沿顺时针方向运动。123453.(电磁阻尼)如图所示,使一个铜盘绕其竖直的轴OO'转动,且假设摩擦等阻力不计,转动是匀速的。现把一个蹄形磁铁移近铜盘,则(　　)A.铜盘转动将变慢B.铜盘转动将变快C.铜盘仍以原来的转速转动D.铜盘转动速度是否变化,要根据磁铁的上、下两端的极性来决定A解析 当一个蹄形磁铁移近铜盘时,铜盘转动切割磁感线,产生感应电流,由楞次定律可知感应电流所受的安培力阻碍其相对运动,所以铜盘转动将变慢。本题也可以从能量守恒的角度去分析,因为铜盘转动切割磁感线,产生感应电流,铜盘的机械能不断转化成电能,铜盘转动会逐渐变慢。选项A正确。123454.(涡流)(多选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品。安检门中接有线圈,线圈中通以交变电流,关于其工作原理,下列说法正确的是(　　)A.人身上携带的金属物品会被地磁场磁化,在线圈中产生感应电流B.人体在通有交变电流的线圈产生的磁场中运动,产生感应电动势并与金属物品构成回路产生感应电流C.线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流D.金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流CD12345解析 地磁场很弱,即使金属物品被磁化,磁性也很弱,作为导体的人体电阻很大,且一般不会与金属物品构成回路,选项A、B错误;安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是线圈中的交变电流产生交变磁场,使金属物品中产生涡流,选项C正确;该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流,而线圈中交变电流的变化可以被检测,选项D正确。123455.(涡流)电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟无废气,电磁“火力”强劲,安全可靠。如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图,下列说法正确的是(　　)A.当恒定电流通过线圈时,会产生恒定磁场,恒定磁场越强,电磁炉加热效果越好B.电磁炉通电线圈加交流电后,在锅底产生涡流,进而发热工作C.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要原因是这些材料的导热性能较差D.在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用B12345解析 电磁炉是采用涡流感应加热的,其内部电子线路板组成部分产生交变磁场。当把铁质锅具底部放置在炉面时,锅具底部金属部分产生涡流,而产生热量,从而达到煮食的目的,故A错误,B正确;电磁炉工作时需要在锅底产生感应电流,陶瓷锅或耐热玻璃锅不属于金属导体,不能产生感应电流,C错误;通电线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅底,在锅底产生感应电流,利用电流的热效应起到加热作用,D错误。