人教版高中物理选择性必修第二册第二章电磁感应2-3涡流、电磁阻尼和电磁驱动课件

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第二章　电磁感应3　涡流、电磁阻尼和电磁驱动知识点一 　电磁感应现象中的感生电场1.如图所示,当磁体相对闭合导体运动时,导体中的电子做定向移动,为什么?若把闭合导体换成一内壁光滑的绝缘环形管,管内有直径略小于环内径的带正电的小球,则磁体相对管运动的过程中,带正电的小球会做定向运动,为什么?以上现象说明什么?答案:当磁体相对闭合导体运动时,导体内产生感应电动势,电子由于受到电场力的作用做定向移动.磁体相对环形管运动过程中,带电小球会做定向运动,这是由于小球仍然受到电场力.以上现象说明空间磁场变化,就会产生感生电场,与有没有闭合导体无关.2.麦克斯韦认为, 变化时会在空间激发一种电场.这种电场与静电场不同,它不是由 产生的,我们把它叫作感生电场.3.感生电动势:由 产生的感应电动势.磁场电荷感生电场知识点二　涡流1.在电磁炉上分别放一小铁锅和一玻璃杯,用来给相同质量的水加热.通电一段时间后,会有什么现象发生?答案:小铁锅内的水温度会升高,而玻璃杯中的水温度不变.2.涡流:由于 ,在导体中产生的像水中的漩涡一样的感应电流.3.特点:若金属的电阻率 ,涡流往往很大,产生的热量很多.电磁感应小4.应用.(1)涡流 的应用,如真空冶炼炉、电磁炉等.(2)涡流 的应用,如探雷器、安检门.5.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)增大铁芯材料的 .(2)用互相绝缘的 叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯.热效应磁效应电阻率硅钢片知识点三　电磁阻尼1.弹簧上端固定,下端悬挂一根磁体.将磁体托起到某一高度后放开,磁体能上下振动较长时间才停下来.如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈,使磁体上下振动时穿过它(如图所示),磁体就会很快停下来.请尝试解释这个现象.答案:当磁体相对固定的闭合线圈运动时,在闭合线圈中会产生感应电流,根据楞次定律,感应电流的磁场会阻碍磁体靠近或远离线圈,磁体振动时除了受到空气阻力外,还受到线圈的磁场力,磁体的机械能损失较快,因而会很快停下来.2.电磁阻尼:当导体在磁场中运动时, 会使导体受到安培力,安培力的方向总是 导体的运动的现象.感应电流阻碍知识点四　电磁驱动1.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 ,这种作用常常称为电磁驱动.2.交流感应电动机就是利用 的原理工作的.感应电流运动起来电磁驱动1.麦克斯韦认为,磁场变化时会在空间激发一种电场.( )2.涡流是一种感应电流.( )3.利用涡流冶炼金属的优点是可以冶炼高质量的合金.( )4.电磁阻尼和电磁驱动不遵循楞次定律.( )5.机场、车站和重要活动场所的安检门是利用涡流工作的.( )6.电磁驱动时,被驱动的导体中有感应电流.( )√√√×√√探究一　电磁感应现象中的感生电场电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备.它的基本原理如图甲所示,上、下为电磁铁的两个磁极,磁极之间有一个环形真空室,电子在真空室中做圆周运动.1.图甲中,真空室处在一个什么方向的磁场中?如果从上向下看,电子沿逆时针方向运动(图乙),感生电场的方向如何?2.根据楞次定律,为使真空室中产生1中的感生电场,磁场应该如何变化?答案:磁场应该由弱变强.也就是说,为使电子沿逆时针方向运动,电磁铁线圈中的电流应该由小变大.答案:从图甲中可以看到,磁场方向由下向上.如果从上向下看,电子沿逆时针方向运动,电子带负电,它在电场中受力的方向与电场方向相反,所以产生的电场应沿顺时针方向.对麦克斯韦电磁场理论的理解.麦克斯韦认为,磁场变化时会在空间激发一种电场.如图所示,在变化的磁场中放一个闭合电路,电路中就会产生感应电流.麦克斯韦认为该现象的实质是变化的磁场产生了电场(跟闭合电路是否存在无关),自由电荷在电场的作用下发生了定向移动从而形成电流.【典例1】(2022·广东珠海)(多选)如图所示,一个闭合线圈静止于磁场中,由于磁场强弱的变化,而使线圈中产生了感应电动势,下列说法正确的是(　　)A.使电荷定向移动形成电流的力是磁场力B.磁场变化时,会在空间激发一个电场C.从上往下看,当磁场增强时,线圈中有逆时针方向的感应电流D.使电荷定向移动形成电流的力是电场力解析:麦克斯韦的电磁场理论:变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场;所以磁场变化时,会在空间激发一个电场,因线圈处于激发的电场中,电场力使电荷定向移动,从而产生了感应电流,故选项A错误,选项B、D正确;根据楞次定律,假如磁场变强,则感应电流的磁场方向向下,可知在俯视时感应电流方向为顺时针,选项C错误.答案:BD探究二　涡流如图所示,当线圈中的电流随时间变化时,由于电磁感应,这个线圈附近的任何导体都会产生感应电流,也就是涡流.1.什么是涡流?涡流的产生条件是什么?答案:涡流是发生电磁感应现象时,导体中产生的像水中的漩涡的感应电流.涡流的产生条件:(1)导体本身能够形成闭合回路.(2)穿过导体的磁通量发生变化.2.块状金属在匀强磁场中运动时,能否产生涡流?为什么?答案:块状金属在匀强磁场中运动时不能产生涡流,因为穿过该金属块的磁通量不发生变化.3.我们可以通过哪些方式使金属块中产生涡流?分析金属块产生涡流的过程中能量是如何转化的.答案:方式一:使金属块处在变化的磁场中.金属块产生涡流的过程中,磁场能转化为电能,最终转化为内能.方式二:使金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动.金属块产生涡流的过程中,由于要克服安培力做功,金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能.1.产生涡流的条件:穿过金属块的磁通量发生变化,并且金属块本身可自行构成闭合回路.2.涡流的本质:涡流是由于电磁感应产生的,它仍然遵循感应电流的产生条件,特殊之处在于涡流产生于块状导体中,是整块导体内部发生的电磁感应现象.3.涡流的特点:磁场变化越快,导体横截面积越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流越大.4.能量转化:伴随着涡流现象,其他形式的能转化成电能,最终在金属块中转化为内能.【典例2】(多选)高频焊接原理示意图如图所示,线圈中通入高频交流,金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热,将焊缝熔化焊接.下列情况能使焊接处消耗的电功率增大的是(　 )A.增大交变电流的电压,其他条件不变B.增大交变电流的频率,其他条件不变C.感应电流相同的条件下,增大焊接缝的接触电阻D.感应电流相同的条件下,减小焊接缝的接触电阻答案: ABC　解析:增大交变电流的电压,其他条件不变,线圈中交变电流增大,磁通量变化率增大,因此产生的感应电动势增大,感应电流也增大,那么焊接处消耗的电功率增大,故选项A正确.高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场,在焊接的金属工件中产生感应电流,根据法拉第电磁感应定律分析可知,电流变化的频率越高,磁通量变化频率越高,产生的感应电动势越大,感应电流越大,焊缝处消耗的电功率越大,故选项B正确.在感应电流相同的条件下,增大焊接缝的接触电阻,焊缝处消耗的电功率增大,故选项C正确,选项D错误.探究三 电磁阻尼一个单匝线圈落入磁场中,如图甲所示;磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架,把线圈绕在铝框上,指针也固定在铝框上,如图乙所示.甲乙1.分析图甲中线圈在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向.安培力对线圈的运动有什么影响?答案:由右手定则可知,线圈下面的一边产生的感应电流方向自左向右,由左手定则可知,安培力的方向竖直向上.安培力起到阻碍线框向下运动的作用.2.假定图乙所示的磁电式仪表工作时指针向右转动,铝框中的感应电流沿什么方向?铝框受到的安培力沿什么方向?安培力对铝框的转动产生什么影响?答案:仪表工作时指针向右转动,铝框切割磁感线产生感应电流,由右手定则可知,铝框中感应电流的方向右侧垂直于纸面向里,左侧垂直于纸面向外.由左手定则可知,铝框右侧受到的安培力方向向上,左侧受到的安培力方向向下.安培力对铝框的转动有阻碍作用.3.取一只微安表,用手晃动表壳,观察表针相对表盘摆动的情况.用导线把微安表的两个接线柱连在一起,如图所示,再次晃动表壳.两种情况下表针相对表盘的摆动有什么不同?怎样解释这种不同?为什么灵敏电流表在运输时总要用导线把两个接线柱连在一起?答案:连接接线柱前指针摆动较剧烈.把两个接线柱用导线连接起来后,由于形成了回路,产生的感应电流使线圈受安培力的作用,安培力阻碍了线圈的转动,故摆动明显减弱.灵敏电流表在运输时总要用导体把两个接线柱连在一起,目的是形成回路产生感应电流,从而使线圈受安培力的作用,安培力阻碍线圈的转动.这样做可以减小指针摆动角度,以免碰弯指针,损坏电表.电磁阻尼中的能量转化.电磁阻尼中需要克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能.【典例3】如图所示,上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置.小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放,并落至底部.若不计空气阻力,则小磁块 (　　)A.在P和Q中都做自由落体运动B.在两个下落过程中的机械能都守恒C.在P中的下落时间比在Q中的长D.落至底部时在P中的速度比在Q中的大解析:小磁块在内壁光滑的塑料管Q中,由静止释放做自由落体运动,机械能守恒;小磁块在内壁光滑的铜管P中下落时,会产生电磁阻尼阻碍小磁块的运动,比在Q中下落时间长,选项C正确,选项A错误.在P中下落时由于电磁阻尼产生焦耳热,机械能不守恒,选项B错误.由于在P中下落时机械能有损失,落至底部时的速度比在Q中的小,选项D错误.答案:C探究四 电磁驱动如图所示,一个铝框放在蹄形磁体的两个磁极间,可以绕支点自由转动.转动磁体,观察铝框的运动.1.怎样解释铝框的运动?答案:观察到铝框会跟随着磁体转动.其原因是磁体转动,穿过铝框的磁通量发生变化,根据楞次定律,铝框中会产生感应电流,铝框受到安培力的作用,在安培力的驱动下,铝框跟随着磁体转动.2.铝框转动的角速度等于磁体转动的角速度吗?答案:不等于.根据楞次定律,感应电流阻碍磁体与铝框的相对运动,但不能阻止这种相对运动,所以铝框转动的角速度一定小于磁体转动的角速度.1.对电磁驱动的理解.(1)电磁驱动中导体的运动速度小于磁场的运动速度.(2)电磁驱动中导体所受安培力的方向与导体运动方向相同,安培力做功,推动导体运动,电能转化为机械能.人们利用电磁驱动发明了交流感应电动机.2.电磁阻尼与电磁驱动的比较.【典例4】如图所示,使一个水平放置的铜盘绕其竖直轴OO'匀速转动,转动过程中阻力不计.现把一个蹄形磁体移近铜盘,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.铜盘的转动速度是否变化,由磁体的上下两端的极性来决定解析:方法1:当一个蹄形磁体移近铜盘时,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受的安培力阻碍铜盘转动,所以铜盘的转动将变慢.方法2: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.答案:A课堂评价1.如图所示,A、B两图表示带绝缘层的线圈绕在软铁上,C、D两图表示带绝缘层的线圈绕在有机玻璃上,则能产生涡流的是 (　　)ABCD答案:A解析:只有穿过导体的磁通量发生变化,导体中才产生涡流.2.(多选)关于电磁阻尼,下列说法正确的是 (　　)A.当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体运动的现象称为电磁阻尼B.磁电式仪表利用电磁阻尼原理使指针迅速停下来,从而便于读数C.电磁阻尼是导体因感应电流受到的安培力对导体做负功的现象,阻碍导体运动D.电磁阻尼现象实质上不是电磁感应现象,但分析时同样遵循楞次定律答案:ABC解析:根据电磁阻尼的定义知,当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体运动的现象称为电磁阻尼,选项A正确;磁电式仪表利用电磁阻尼原理使指针迅速停下来,从而便于读数,选项B正确;电磁阻尼是导体因感应电流受到的安培力对导体做负功的现象,阻碍导体运动,选项C正确;电磁阻尼现象实质上是电磁感应现象,分析时不仅遵循楞次定律,同样也遵循法拉第电磁感应定律,选项D错误.3.(多选)安检门是一个用于安全检查的“门”,“门框”内有线圈,线圈里通有交变电流,交变电流在“门”内产生交变磁场,金属物品通过“门”时能产生涡流,涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流,从而引起报警.下列关于这个安检门的说法正确的是(　　)A.这个安检门也能检查出毒品携带者B.这个安检门只能检查出金属物品携带者C.这个“门框”的线圈中通上恒定电流,也能检查出金属物品携带者D.这个安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应答案:BD解析:这个安检门是利用涡流工作的,因而只能检查出金属物品携带者,选项A错误,选项B正确.“门框”的线圈中通上恒定电流,只能产生恒定磁场,它不能使块状金属产生涡流,因而不能检查出金属物品携带者,选项C错误.安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应,选项D正确.4.如图所示,蹄形磁体和矩形线圈均可绕竖直轴OO'转动.从上向下看,若磁体逆时针转动,则 (　　)A.线圈将逆时针转动,转速与磁体的相同B.线圈将逆时针转动,转速比磁体的大C.线圈转动时将产生感应电流D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda解析:当磁体逆时针转动时,相当于磁体不动而线圈顺时针转动切割磁感线,线圈中产生感应电流,故选项C正确.当线圈相对磁体转过90°时,电流方向不再是abcda,选项D错误.由楞次定律的推广含义可知,线圈将与磁极同向转动,但转动的角速度一定小于磁体转动的角速度.若二者的角速度相同,磁体与线圈相对静止,线圈不切割磁感线,无感应电流产生.选项A、B错误.答案:C5.如图所示,一个铜质圆环无初速度地自位置Ⅰ下落到位置Ⅱ.若圆环下落时其轴线与磁体悬线重合,圆环面始终水平.位置Ⅰ与位置Ⅱ的高度差为h,则下落时间(　 )  答案:B6.如图所示,一狭长的铜片能绕O点在纸面内摆动,有界磁场的方向垂直于纸面向里,铜片在摆动时受到较强的阻尼作用,很快就停止摆动.如果在铜片上开几个长缝,铜片可以在磁场中摆动较多的次数后才停止摆动,这是为什么?答案:没有开长缝的铜片在磁场中摆动时,铜片内将产生较大的涡流,涡流在磁场中所受的安培力总是阻碍铜片的摆动,因此铜片很快就停止摆动.如果在铜片上开几条长缝,就可以把涡流限制在缝与缝之间的各部分铜片上,较大地削弱了涡流,阻力随之减小,所以铜片可以摆动多次后才停止摆动.情境　高频电磁炉的工作原理示意图如图所示,它是利用电磁感应原理产生涡流加热的,它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场,当变化的磁场通过含铁质锅的底部时,会产生无数小涡流,锅体本身自行迅速升温,加热锅内食物.新高考 新考向问题　关于电磁炉,下列说法正确的是 (　　)A.电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的B.电磁炉是利用变化的磁场,使含铁质锅底产生涡流迅速升温,进而对锅内食物加热的C.电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的D.电磁炉跟电炉子一样,都是利用电流通过电阻丝产生的热量来加热食物的解析:电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场,变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流,锅体温度迅速升高后加热食物的,选项A、D错误,选项B正确.C项是微波炉的加热原理,选项C错误.答案:B