新教材适用2023_2024学年高中物理第2章电磁感应3涡流电磁阻尼和电磁驱动课件新人教版选择性必修第二册

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第二章　电磁感应3．涡流、电磁阻尼和电磁驱动目标体系构建 1．了解感生电场及其作用，知道感生电动势产生的原因。2．了解涡流现象和涡流在生产、生活中的应用。3．理解电磁阻尼和电磁驱动，了解它们在实际生活中的应用。 1．物理观念：通过实验，了解电磁阻尼和电磁驱动。2．科学思维：了解感生电场，知道感生电动势产生的原因。会判断感生电动势的方向，并会计算它的大小。3．科学探究：通过实验了解涡流现象，知道涡流是怎样产生的，了解涡流现象的利用和危害。4．科学态度与责任：通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生产生活中的应用。课前预习反馈 1．感生电场磁场变化时会在空间激发一种_________，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。2．感生电动势磁场变化时，感应电动势是由_______________产生的，它也叫感生电动势。3．感生电场的方向感生电场的方向，可用安培定则判断，磁场增大时，大拇指指向磁场反方向，四指环绕方向就是感生电场方向，反之也是。电场电荷感生电场1．定义在变化的磁场中的导体内产生的_______________，就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。2．涡流的特点若金属的电阻率小，涡流往往_________，产生的热量_________。3．涡流的应用(1)涡流热效应的应用：如__________________、____________。(2)涡流磁效应的应用：如____________、____________。感应电流很强很多真空冶炼炉电磁炉探雷器安检门4．涡流的防止电动机、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：用相互绝缘的____________叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。电阻率硅钢片『判一判』(1)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。(　 　)(2)涡流有热效应，但没有磁效应。(　 　)(3)电磁灶是在金属锅体中产生热效应，从而达到加热和烹饪食物的目的。(　 　)(4)制造变压器用的铁芯是利用了涡流。(　 　)√×√×『选一选』(多选)(2023·内蒙古高二期中)关于物理知识在生产生活中的应用，下列说法中正确的是(　 　)A．真空金属冶炼炉的线圈中必须接交流电，金属材料中才能产生焦耳热B．真空金属冶炼炉的原理是电流的磁效应C．电磁炉的原理是电磁感应D．普通陶瓷砂锅也可以利用电磁炉来煲汤AC解析：真空金属冶炼炉的原理是电磁感应，真空金属冶炼炉的线圈中必须接交流电，金属材料中才能产生涡流，A正确，B错误；电磁炉的原理是：电磁感应现象，电磁炉的炉面采用了耐热陶瓷板。通以交变电流时陶瓷板下面的线圈会产生强弱和方向变化的磁场，导致电磁炉上方的铁锅产生感应电流，让锅底马上发热，就可以快速的加热食物，C正确；普通陶瓷砂锅没有自由电子，无法形成涡流，所以普通陶瓷砂锅不可以利用电磁炉来煲汤，D错误。『想一想』金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器(如图)，除了用于探测有金属外壳或金属部件的地雷之外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。你能说明其工作原理吗？解析：金属探测器是利用涡流工作的。交变电流通过金属探测器的线圈时，会产生的磁场。如果探测器周围有金属，金属内便产生涡流，涡流本身又会产生磁场反过来影响原有的磁场。这样就会引发探测器发出鸣叫声。1．概念当导体在磁场中运动时，_________电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是_________导体的运动。2．应用磁电式仪表中利用_______________使指针迅速停止摆动，便于读数。交流感应电动机。感应阻碍电磁阻尼『判一判』(5)发生电磁驱动时，导体与磁场的速度应相同。(　 　)×课内互动探究探究电磁感应现象中的感生电场情|境|导|入如图所示，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，哪种作用力扮演电源中非静电力的角色？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。要|点|提|炼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。依据实验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。3．对感生电场的理解(1)变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关。如果在变化的磁场中放一个闭合电路，电路中的自由电荷在感生电场作用下，做定向移动，形成电流。在这种情况下所谓的非静电力就是感生电场的作用。(2)感生电场是电场的一种形式，是客观存在的一种特殊物质。(3)感生电场可用电场线形象描述，但感生电场的电场线是闭合曲线，所以感生电场又称为涡旋电场。这一点与静电场不同，静电场的电场线不闭合。(4)感生电场可以对带电粒子做功，可使带电粒子加速和偏转。典|例|剖|析 著名物理学家费曼曾设计这样一个实验装置：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(　 　)DA．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会引起圆板向相同方向转动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解析：线圈接通电源瞬间，变化的磁场产生的电场，导致带电小球受到电场力，使其转动，故A错误；不论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，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，圆盘转动方向与线圈中电流流向相同，故D正确。判断感生电场方向的思路 英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发感生电场。如图所示，一个半径为r的绝缘细圆环水平放置，环内存在竖直向上的匀强磁场B，环上套一带电荷量为＋q的小球，已知磁感应强度B随时间均匀增加，其变化率为k，若小球在环上运动一周，试求感生电场对小球的作用力所做功的大小。探究对涡流的理解情|境|导|入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？提示：涡流金属探测器通过其通有交流电的探测线圈，在隐蔽金属中产生涡流，涡流的磁场又影响探测线圈，从而改变原交流电的大小和相位，从而起到探测作用。要|点|提|炼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。3．产生涡流时的能量转化：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。(1)金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能。(2)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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。4．涡流的应用与防止(1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等。(2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。典|例|剖|析 (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，线圈中通有交变电流，关于其工作原理，以下说法正确的是(　 　)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．人在由线圈中的交变电流产生的变化的磁场里运动时，金属物品中产生感应电流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BD解析：安检门利用涡流探测金属物品的工作原理：线圈中的交变电流产生交变磁场，使金属物品中产生涡流，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到。 (多选)如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有(　 　)A．增加线圈的匝数B．提高交流电源的频率C．将金属杯换为陶瓷杯D．取走线圈中的铁芯AB解析：当电磁铁接通交流电源时，金属杯处在变化的磁场中产生涡流发热，使水温升高。要缩短加热时间，需增大涡流，即增大感应电动势或减小电阻。增加线圈匝数、提高交变电流的频率都可以增大感应电动势，陶瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致磁性减弱而减小感应电动势。探究电磁阻尼与电磁驱动情|境|导|入有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动，如果在转动时将蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触(如图所示)，铜盘就能在较短的时间内停止，请思考这是什么原因。提示：铜盘转动时如果加上磁场，则在铜盘中产生涡流，磁场对这个涡流的作用力阻碍它的转动，故在较短的时间内铜盘停止转动。要|点|提|炼1.电磁驱动和电磁阻尼的形成原因当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化。例如，线圈处于如图所示的初始状态时，穿过线圈的磁通量为零。当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来。从动力学的观点来看，线圈中产生的感应电流受到的安培力是使线圈转动起来的动力，对线圈而言是电磁驱动；而线圈对磁铁的作用力对磁铁的转动起阻碍作用，对磁铁而言是电磁阻尼，因此电磁驱动和电磁阻尼是相对的两个方面，不可分割。2．电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的效果是阻碍相对运动，应注意电磁驱动中导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度。典|例|剖|析 (2023·江苏扬州高二期中)零刻度在表盘正中间的电流计，非常灵敏，通入电流后，线圈所受安培力和螺旋弹簧的弹力作用达到平衡时，指针在示数附近的摆动很难停下，使读数变得困难。在指针转轴上装上的扇形铝框或扇形铝板，在合适区域加上磁场，可以解决此困难。下列方案合理的是(　 　)D解析：如图所示，A、C中当指针向左偏转时，铝框或铝板可能会离开磁场，产生不了涡流，起不到电磁阻尼的作用，指针不能很快停下，A、C方案不合理，A、C错误；B图是铝框，磁场在铝框中间，当指针偏转角度较小时，铝框不能切割磁感线，不能产生感应电流，起不到电磁阻尼的作用，指针不能很快停下，B方案不合理，B错误；D图是铝板，磁场在铝板中间，无论指针偏转角度大小，都会在铝板上产生涡流，起到电磁阻尼的作用，指针会很快稳定的停下，便于读数，D方案合理，D正确。 (2022·广东高州市高二月考)如图所示，一轻质绝缘横杆两侧各固定一金属环，横杆可绕中心点自由转动，老师拿一条形磁铁插向其中一个小环，后又取出插向另一个小环，同学们看到的现象及现象分析正确的是(　 　)A．磁铁插向左环，横杆发生转动B．磁铁插向右环，横杆不发生转动C．磁铁插向左环，左环中不产生感应电动势和感应电流D．磁铁插向右环，右环中产生感应电动势和感应电流D解析：磁铁插入金属环，金属环磁通量发生变化，产生感应电动势。但左环未闭合，不产生感应电流，不形成感应磁场，不会发生转动。右环是闭合环，磁通量变化时，会产生感应电流，形成磁场，与磁铁相互作用，发生转动。故A、B、C错误，D正确。课堂小结核心素养提升感生电动势与动生电动势的对比 如图所示，两根相距为L＝1 m的足够长的平行光滑金属导轨，位于水平的xOy平面内，一端接有阻值为R＝6 Ω的电阻。在x>0的一侧存在垂直纸面向里的磁场，磁感应强度B只随t的增大而增大，且它们间的关系为B＝kt，其中k＝4 T/s。一质量为m＝0.5 kg的金属杆与金属导轨垂直，可在导轨上滑动，当t＝0时金属杆静止于x＝0处，有一大小可调节的外力F作用于金属杆，使金属杆以恒定加速度a＝2 m/s2沿x轴正向做匀加速直线运动。除电阻R以外其余电阻都可以忽略不计。求：当t＝4 s时施加于金属杆上的外力为多大。答案：513 N课堂达标检测一、电磁感应现象中的感生电场1．(多选)某空间出现了如图所示的一组闭合电场线，方向从上向下看是顺时针的，这可能是(　 　)A．沿AB方向磁场在迅速减弱B．沿AB方向磁场在迅速增强C．沿BA方向磁场在迅速增强D．沿BA方向磁场在迅速减弱AC解析：由安培定则可知，感应电场产生的磁场方向竖直向下，如果磁场方向沿AB，则感应磁场与原磁场方向相同，由楞次定律可知，原磁场在减弱，A正确，B错误；如果磁场沿BA方向，则感应磁场方向与原磁场方向相反，由楞次定律可知，原磁场在增强，C正确，D错误，故选AC。2．(2022·浙江舟山高二期末)现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。如图所示，上面为侧视图，上、下为电磁体的两个磁极；下面为磁极之间真空室的俯视图。若从上往下看电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动，改变电磁体线圈中电流的大小可使电子加速。则下列判断正确的是(　 　)BA．真空室中产生的感生电场沿逆时针方向B．通入电磁体线圈的电流在增强C．电子在轨道中加速的驱动力是洛伦兹力D．电子在轨道中做圆周运动的向心力是电场力解析：电子沿逆时针方向加速，则电子所受电场力沿逆时针方向，所以感生电场的方向沿顺时针方向，A错误；当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，若电流增大，根据楞次定律，可知涡旋电场的方向为顺时针方向，电子将沿逆时针方向做加速运动，B正确；由于感生电场使电子加速，即电子在轨道中加速的驱动力是电场力，C错误；电子在轨道中做圆周运动的向心力是洛伦兹力，D错误。二、涡流3．高频焊接原理示意图如图所示，线圈通以高频交流电，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，下列措施不可采用是(　 　)A．减小焊接缝的接触电阻B．增大焊接缝的接触电阻C．增大交变电流的电压D．增大交变电流的频率A解析：增大电阻，在相同电流下，焊缝处热功率大，温度升得很高，B正确，不符合题意；A错误，符合题意；当增大交变电流的电压时，线圈中交变电流增大，则磁通量变化率增大，因此产生的感应电动势增大，感应电流也增大，所以焊接时产生的热量也增多，C正确，不符合题意；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就产生感应电流，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，焊缝处的温度升高得越快，D正确，不符合题意。4．(2023·福建南靖县高二期中)如图所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采用电磁感应原理产生涡流加热的，电磁炉工作时产生的电磁波，是由线圈内高频变化的电流产生的且完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害。关于电磁炉，以下说法正确的是(　 　)CA．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B．电磁炉和电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的C．电磁炉是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的D．目前家庭购买的电磁炉加热食物时通常用的是铁质锅，不用铝锅的原因是铝锅放在电磁炉上锅底不会产生涡流解析：电磁炉是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的，故涡流是由于锅底中的电磁感应产生的，C正确，A、B错误；铝锅放在电磁炉上也会形成涡流，所以不用铝锅的原因并不是铝锅放在电磁炉上锅底不会产生涡流，D错误。三、电磁阻尼5．如图所示是电流表的内部结构，以下说法正确的是(　 　)A．为了测量电流时更加灵敏，框架应该用塑料框B．因为磁场是辐向磁场，所以框架在转动的过程中穿过框架的磁通量没有改变C．框架在转动的过程中有感应电流产生，感应电流方向与外界的电流方向相反D．电表在运输的过程中不需要做任何的处理C解析：电流表的内部线圈绕在闭合的铝框上，当线圈在磁场中转动时，导致穿过铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动，使得测量电流时更加灵敏，A错误；因为磁场是辐向磁场，所以框架在转动的过程中线圈平面总是与磁场平行，但磁通量变化率不为零，则线圈转动过程中穿过框架的磁通量会发生改变，B错误；框架在转动的过程中磁通量要发生改变，所以有感应电流产生；因为外界电流使线圈转动，而转动时又产生感应电流，分别根据左手定则和右手定则可知，感应电流方向与外界的电流方向相反，C正确；在运输过程中，将接线柱用导线连在一起，相当于把电表的线圈电路组成闭合电路，在指针摆动过程中线圈切割磁感线产生感应电流，利用电磁阻尼原理，阻碍指针摆动，防止指针因撞击而变形，D错误。四、电磁驱动6．(2023·广州高二期末)电磁驱动技术在生活生产、科研和军事中应用广泛。如图所示为一电磁驱动模型，在水平面上固定有两根足够长的平行轨道。轨道左端接有阻值为R的电阻，轨道电阻不计、间距为L，虚线区域内有匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直轨道平面向下。长度为L，质量为m、电阻为r的金属棒ab静置于导轨上，金属棒与导轨间的最大静摩擦力大小为Ff，当磁场以速度v水平向右匀速移动时，下列说法中正确的是(　 　)DA．金属棒中感应电流的方向为从b到aB．金属棒被驱动后做水平向右的匀加速直线运动C．金属棒受到安培力所做的功等于回路中产生的焦耳热D．若磁场区域足够大，金属棒最终在磁场中达到稳定状态时的速度小于v