高中物理教科版 (2019)选择性必修 第二册第二章 电磁感应及其应用3 涡流 电磁阻尼 电磁驱动背景图课件ppt

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1.涡流(1)定义:由于　　　　　　,在大块金属中形成的像水的漩涡的　　　　电流。 (2)特点:金属块中的涡流会释放出大量的　　　　。 (3)应用:　　　　　　　　、电磁炉。 (4)防止:电动机、变压器等设备应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量,损坏电器。为降低涡流造成的损耗,用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合成的铁芯代替整块金属的铁芯。
2.电磁阻尼和电磁制动(1)电磁阻尼:当闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时,导体中会产生感应电流,感应电流使导体受到　　　 　　　,安培力总是　 　　　导体的运动,这种现象叫作电磁阻尼。　安培力是阻力(2)电磁阻尼的应用:磁电式电表中利用　　　　　　使指针能很快稳定指到读数位置上,便于读数。磁电式电表在携带搬运过程中将____________　　　　　　　　短路,既可避免指针因摆动剧烈而变形,又减小轴承处的磨损。 
与电磁阻尼本质相同(3)电磁制动:列车制动时将电动机与电源断开,并把电动机的线圈与制动电路连接成闭合回路,列车前进时带动电动机线圈转动,而产生感应电流,磁场对它的安培力起着制动的作用。(4)电磁制动的优点:减少机械磨损并将列车的动能转化为电能给蓄电池充电。3.电磁驱动(1)概念:　　　　　　受到安培力使物体运动的现象。 (2)应用:　　　　　　　　。 (3)优点:可控性强、驱动力输出精度高、能量损耗小。
情境链接如图所示,电磁炉没有明火却能达到加热的效果,深受人们喜爱。电磁炉的工作原理是利用高频交变电流通过线圈产生磁场,交变的磁场在铁锅底部产生无数小涡流,使铁质锅自身生热而直接加热锅内的食物。锅的材质必须为铁质或合金钢,为什么不能用其他材质呢?
提示 其他材质的炊具由于材料电阻率过大或过小,会造成无法形成涡流或电磁炉负荷异常而启动自动保护,不能正常工作。
教材拓展阅读教材P47“发展空间”——《摆式电涡流调谐质量阻尼器》一文,回答:阻尼器的作用是什么?它的工作原理是什么?
提示 给建筑物减振。质量块和吊索构成一个巨型复摆,建筑产生晃动时,它与主体结构做相同的晃动,由于阻尼系统的作用,这种晃动会在质量块中产生涡流,受到电磁阻尼作用,抵消大楼晃动,减少质量块的振幅,消耗输入的能量。
易错辨析(1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象,不遵从电磁感应定律。(　　)(2)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流。(　　)(3)在电磁阻尼与电磁驱动中,安培力所起的作用相同。(　　)(4)在电磁阻尼现象中的能量转化是导体克服安培力做功,把机械能转化为电能,最终转化为内能。(　　)
探究点一　涡流的理解和应用
如图所示,高考考场用的金属探测器是用来探测金属的仪器,考生身上只要有金属物品,当探测器靠近时,探测器就会鸣响,其工作原理是什么?
提示 金属探测器探测金属时,探测器内的探测线圈会产生变化的磁场,被测金属中产生了涡流,涡流的磁场又影响探测线圈,起到探测作用。
1.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。2.产生涡流时的能量转化(1)金属块在变化的磁场中,磁场能转化为电能,最终转化为内能。(2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动,由于克服安培力做功,金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能。3.涡流的热效应当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时,由于整块金属的电阻很小,涡流往往很强,根据公式P=I2R知,热功率的大小与电流的二次方成正比,故金属块的发热功率很大。
【例1】 (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,下列情况中能使焊接处消耗的电功率增大的是(　　)
A.其他条件不变,增大交变电流的电压B.其他条件不变,增大交变电流的频率C.感应电流相同的条件下,增大焊缝的接触电阻D.感应电流相同的条件下,减小焊缝的接触电阻
解析 其他条件不变,增大交变电流的电压,则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,焊接处消耗的电功率越大,故B正确;感应电流相同的条件下,增大焊缝的接触电阻,焊接处消耗的电功率增大,故C正确,D错误。
对点演练1如图所示是一种电加热装置,把一铁块放入线圈中且不接触线圈,稍等片刻,铁块就会烧得通红,小明同学由此做出以下一些猜想,其中正确的是(　　)A.若把一干燥的木棍伸入线圈中,木棍会被烧着B.线圈内部一定通有随时间变化的电流C.线圈内部一定通有强度很大的恒定电流D.铁块是否会变红与线圈中电流是否变化无关
解析 由题意可知这是电磁感应现象,木棍不能形成涡流,故木棍不会烧着,A错误;变化的电流能产生变化的磁场,变化的磁场可在铁块内部产生涡流,由于电流的热效应才把铁块烧红,C、D错误,B正确。
探究点二　电磁阻尼与电磁驱动
(1)如图甲所示,将磁铁从同一高度释放,下端放有闭合线圈的那块磁铁很快停止振动,而另一块磁铁能振动较长时间,如何解释这个现象?(2)如图乙所示,当顺时针或逆时针转动蹄形磁铁时,线圈怎样转动?使线圈转动起来的动力是什么力?
提示 (1)下端放有闭合线圈的磁铁振动时除了受空气阻力外,还受到线圈磁场的阻力,所以很快停下来。(2)当蹄形磁铁顺时针转动时,线圈也顺时针转动;当蹄形磁铁逆时针转动时,线圈也逆时针转动。线圈内产生感应电流,受到安培力的作用,安培力作为动力使线圈转动起来。
电磁阻尼与电磁驱动的比较
特别提示　电磁阻尼与电磁驱动的理解(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)在电磁阻尼、电磁驱动现象中,安培力的作用效果都是阻碍相对运动,应注意电磁驱动阻碍的结果中,导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度。(3)在实际生活中,电磁驱动的应用很广,家庭中用的电能表、汽车上用的电磁式速度表以及感应电动机等,都是利用电磁驱动原理制成的。
【例2】 一根上端固定的弹簧,下端挂一条形磁铁,使磁铁上下振动,振动幅度几乎保持不变。如图所示,若在磁铁振动过程中把一导电线圈靠近磁铁下方,则关于磁铁的振幅,下列说法正确的是(　　)A.S闭合时振幅迅速减小,S断开时振幅几乎不变B.S闭合时振幅迅速增大,S断开时振幅几乎不变C.S闭合或断开,振幅变化相同D.S闭合或断开,振幅都几乎不发生变化
解析 S闭合时,由于磁铁的上下振动,穿过线圈的磁通量不断变化,在线圈中产生感应电流,即有电能产生,消耗机械能,所以振幅逐渐减小;S断开时,线圈中无电能产生,不消耗机械能,故振幅不变,B、C、D错误,A正确。
对点演练2(多选)位于光滑水平面上的小车上水平固定一螺线管,一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v水平穿入螺线管,并最终穿出, 如图所示,在此过程中(　　)A.磁铁做匀速直线运动B.磁铁做减速运动C.小车向右做加速运动D.小车先加速后减速
解析 磁铁水平穿入螺线管时,螺线管中将产生感应电流,由楞次定律可知,产生的感应电流将阻碍磁铁的运动;同理,磁铁穿出时,由楞次定律可知,产生的感应电流将阻碍磁铁的运动,故整个过程中,磁铁做减速运动,A错误,B正确。对于小车上的螺线管来说,螺线管受到的安培力方向始终为水平向右,这个安培力使螺线管和小车向右运动,且一直做加速运动,C正确,D错误。
1.(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
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。
2.(电磁阻尼)(2023吉林长春第二中学高二期末)太空单车是利用电磁阻尼的一种体育锻炼器材。某同学根据电磁学的相关知识,设计了这样的单车原理图:在铜质轮子的外侧有一些磁铁(与轮子不接触),人在健身时带动轮子转动,磁铁会对轮子产生阻碍,磁铁与轮子间的距离可以改变,则下列说法正确的是(　　)A.轮子受到的阻力大小与其材料的电阻率无关B.若轮子用绝缘材料替换,也能保证相同的效果C.轮子受到的阻力主要来源于铜制轮内产生的感应电流受到的安培力D.磁铁与轮子间距离不变时,轮子转速越大,受到的阻力越小
解析 轮子在磁场中做切割磁感线的运动,会产生感应电动势和感应电流,因此不能用绝缘材料替换,B错误;轮子在磁场中做切割磁感线运动,产生感应电动势和感应电流,根据楞次定律可知,磁场会对运动的轮子产生阻力,以阻碍轮子与磁场之间的相对运动,所以轮子受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力,安培力大小与电阻率有关,故A错误,C正确;磁铁与轮子间的距离不变时,轮子转速越大,产生的感应电流越大,轮子受到的阻力越大,D错误。
3.(电磁驱动)如图所示,将一空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上,在“冂”型木框两侧各固定一个强铷磁铁,用电钻控制木框匀速转动,发现木框虽然不与易拉罐接触,但易拉罐也会随木框转动。下列说法正确的是(　　)A.木框的转速总比易拉罐的大B.易拉罐与木框的转动方向相反C.易拉罐与木框保持相同的转速同方向转动D.两个磁铁必须异名磁极相对
解析 根据电磁驱动原理,易拉罐与木框的转动方向相同,木框的转速总比易拉罐的大,A正确,B、C错误;两个磁铁异名磁极或同名磁极相对均可,在磁极附近的易拉罐导体中都会产生涡流,使易拉罐受到安培力跟着木框转动起来,D错误。
4.(电磁阻尼)(2023贵州高二联考)某铜盘处于匀强磁场中,在图甲中,磁场垂直于铜盘,面积小于铜盘面积;在图乙中,磁场垂直于铜盘,面积大于铜盘面积;在图丙中,磁场垂直于铜盘,处于铜盘的下半部;在图丁中,磁场平行于铜盘,处于铜盘的下半部。忽略空气以及摩擦阻力,现给铜盘一个初速度,铜盘能最快停下来的是(　　)
A.图甲B.图乙C.图丙D.图丁
解析 甲、乙两图中,铜盘磁通量没有发生变化,没有感应电流产生;图丙中,铜盘切割磁感线产生感应电流,产生电磁阻尼作用,铜盘在安培力的作用下快速停下来;图丁中,铜盘未切割磁感线,没有感应电流产生。故选C。
5.(涡流、电磁阻尼)(2023北京石景山模拟)汽车使用的电磁制动原理示意图如图所示,当导体在固定通电线圈产生的磁场中运动时,会产生涡流,使导体受到阻碍运动的制动力。下列说法正确的是(　　)
A.制动过程中,导体不会发热B.制动力的大小与导体运动的速度无关C.改变线圈中的电流方向,导体就可获得动力D.制动过程中,导体获得的制动力逐渐减小