高中物理 第四章 电磁感应 7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动课件 新人教版选修32.pptVIP

自主学习 基础知识 7涡流 电磁阻尼和电磁驱动 学习目标 1 了解涡流是怎样产生的 2 了解涡流现象的利用和危害 3 通过对涡流实例的分析 了解涡流现象在生活和生产中的应用 重点 4 了解电磁阻尼和电磁驱动 难点 合作探究 重难疑点 解题技巧 素养培优 1 概念 由于 在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流 2 特点 整块金属的电阻率很小 涡流往往 产生的热量 电磁感应 很强 很多 3 应用 1 涡流热效应的应用 如 2 涡流磁效应的应用 如 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 用相互绝缘的 叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯 真空冶炼炉 探雷器 安检门 电阻率 硅钢片 北京奥运会期间 观众入场前都要接受安全检查 如图4 7 1是一种手持式安全检查报警器 一靠近金属体 它就会发出报警声 这是为什么呢 图4 7 1 提示 在报警器内有一线圈 线圈中通有高频电流 因此线圈周围有着高频的变化磁场 当报警器靠近金属体时 线圈的磁场在金属体中感应出涡电流 涡电流的产生 又影响原线圈中的高频电流 从而使相关的电子线路产生报警声 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的产生 3 变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流 1 电磁阻尼 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 导体运动的现象 2 应用 磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速 便于读数 感应 阻碍 停止摆动 2 电磁驱动 1 概念 磁场相对于导体转动时 导体中产生感应电流 感应电流使导体受到 的作用 使导体 的现象 2 应用 交流感应电动机 安培力 安培力 运动起来 电磁驱动现象中 导体在安培力作用下的运动速度总要比磁场的运动速度慢一些 原因是什么 提示 如果导体速度和磁场速度一样 则两者相对速度为零 感应电流便不会产生 这时的电磁驱动作用就会消失 所以导体速度总要比磁场速度慢一些 1 在电磁阻尼与电磁驱动中安培力所起的作用相同 2 在电磁阻尼现象中的能量转化是导体克服安培力做功 把其他形式的能转化为电能 最终转化为内能 3 交流感应电动机利用了电磁阻尼的原理 预习完成后 请把你认为难以解决的问题记录在下面的表格中 学生分组探究一对涡流的理解第1步探究 分层设问 破解疑难1 在哪些情况下可以产生涡流 提示 把金属块放在变化的磁场中 让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动 2 涡流发生时 伴随着哪些能量发生转化 提示 其他形式的能转化为电能 最终转化为内能 第2步结论 自我总结 素能培养1 涡流的产生涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象 当导体处在变化的磁场中 或者导体在非匀强磁场中运动时 导体内部可以等效成许许多多的闭合电路 当穿过这些闭合电路的磁通量变化时 在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流 即导体内部产生了涡流 2 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 如果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 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 3 涡流的防止和利用 1 为了减少涡流 变压器 电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成的 而是用薄薄的硅钢片叠合而成 2 用来冶炼合金钢的真空冶炼炉 炉外有线圈 线圈中通入反复变化的电流 炉内的金属中产生涡流 涡流产生的热量使金属熔化 第3步例证 典例印证 思维深化 2014 江苏高考 多选 如图4 7 2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 图4 7 2 a 增加线圈的匝数b 提高交流电源的频率c 将金属杯换为瓷杯d 取走线圈中的铁芯 解析 考查涡流现象 影响感应电动势大小的因素及分析问题的能力 增大线圈的匝数 可以增大通过金属杯的磁通量及磁通量的变化率 从而增大金属杯中产生感应电流的大小 增大加热功率 缩短加热时间 a正确 提高交流电的频率 最大磁通量不变 但交替变化快也能提高磁通量的变化率 产生更大的感应电流 达到缩短加热时间的目的 b正确 瓷杯是绝缘体 不能产生感应电流 不能加热 c错误 取走铁芯 金属杯中的磁通量变小 磁通量的变化率也变小 从而导致加热功率变小 加热时间加长 d错误 答案 ab 第4步巧练 精选习题 落实强化1 多选 如图4 7 3所示是高频焊接原理示意图 线圈中通以高频交变电流时 待焊接的金属工件中就产生感应电流 感应电流通过焊缝处产生大量热量 将金属熔化 把工件焊接在一起 而工件其他部分发热很少 以下说法正确的是 图4 7 3 a 交流电的频率越高 焊缝处的温度升高得越快b 交流电的频率越低 焊缝处的温度升高得越快c 工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小d 工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 解析 交变电流的频率越高 它产生的磁场的变化就越快 根据法拉第电磁感应定律 在待焊接工件中产生的感应电动势就越大 感应电流就越大 而放出的热量与电 流的平方成正比 所以交变电流的频率越高 焊缝处放出的热量越多 焊缝处与其他地方的电流大小一样 根据q i2rt 工件上只有焊缝处温度升得高 是因为焊缝处电阻很大 故a d选项正确 答案 ad 2 2014 镇海中学高二检测 如图4 7 4所示 在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水 给线圈通入电流 一段时间后 一个容器中水温升高 则通入的电流与水温升高的是 a 恒定直流 小铁锅b 恒定直流 玻璃杯c 变化的电流 小铁锅d 变化的电流 玻璃杯图4 7 4 解析 通入恒定直流时 所产生的磁场不变 不会产生感应电流 通入变化的电流 所产生的磁场发生变化 在空间产生感生电场 铁锅是导体 感生电场在导体内产生涡流 电能转化为内能 使水温升高 涡流是由变化的磁场在导体内产生的 玻璃杯是绝缘体 所以玻璃杯中的水不会升温 答案 c 学生分组探究二电磁阻尼与电磁驱动第1步探究 分层设问 破解疑难1 如何用楞次定律解释电磁阻尼和电磁驱动 提示 两种现象中都遵循楞次定律 都是安培力阻碍引起感应电流的磁场与导体间的相对运动 2 导体受到的安培力方向与导体运动方向是否相同 提示 不一定相同 第2步结论 自我总结 素能培养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4 7 5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是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矛盾的两个方面 不可分割 2 电磁阻尼与电磁驱动的比较 第3步例证 典例印证 思维深化如图4 7 6所示 蹄形磁铁的两极之间放置一个线圈abcd 磁铁和线圈都可以绕oo 轴转动 当磁铁按图示方向绕oo 轴转动时 线圈的运动情况是 a 俯视 线圈顺时针转动 转速与磁铁相同b 俯视 线圈逆时针转动 转速与磁铁相同 c 线圈与磁铁转动方向相同 但转速小于磁铁的转速d 线圈静止不动 解析 当磁铁转动时 由楞次定律知 线圈中有感应电流产生 以阻碍磁通量的增加 即线圈将与磁铁的转动方向相同 以阻碍磁通量的增加 但转速一定小于磁铁的转速 如果两者转速相同 则线圈与磁铁处于相对静止 线圈不切割磁感线 无感应电流产生 答案 c 由楞次定律的推广可知 线框的运动只是阻碍两者间的相对运动 所以线圈转速必小于磁铁的转速 否则不是阻碍而是阻止 第4步巧练 精选习题 落实强化1 如图4 7 7所示 在光滑绝缘水平面上 有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场 则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中 磁场宽度大于金属球的直径 小球 a 整个过程都做匀速运动b 进入磁场过程中做减速运动 穿出过程做加速运动c 整个过程都做匀减速运动 d 穿出时的速度一定小于初速度 解析 金属球进 出磁场时 都有涡流产生 都会受到阻力 金属球会克服安培力做功消耗机械能 故穿出时的速度一定小于初速度 d正确 因为金属球进出磁场时 产生的不是恒定电流 由f bil知 产生的安培力不是恒力 故不是做匀减速运动 故c错误 穿入和穿出过程都做减速运动 在磁场中做匀速运动 故a b错误 答案 d 2 多选 如图4 7 8所示是电表中的指针和电磁阻尼器 下列说法中正确的是 a 2是磁铁 在1中产生涡流b 1是磁铁 在2中产生涡流c 该装置的作用是使指针能够转动d 该装置的作用是使指针能很快地稳定 解析 这是涡流的典型应用之一 当指针摆动时 1随之转动 2是磁铁 那么在1中产生涡流 2对1的安培力将阻碍1的转动 总之1向哪个方向转动 2对1的效果总起到阻尼作用 所以它能使指针很快地稳定下来 答案 ad 电磁感应现象中能量问题的处理技巧能量转化和守恒定律是自然界中的一条普遍规律 电磁感应现象也不例外 法拉第电磁感应定律本质上就是能量守恒定律在电磁感应中的具体表现 1 电磁感应现象的实质是不同形式的能量相互转化的过程产生和维持感应电流存在的过程就是其他形式的能量转化为电能的过程 2 导体中产生的感应电流与磁场相互作用产生一个阻碍导体与磁场相对运动的安培力 安培力做正功的过程是电能转化为其他形式能量的过程 安培力做多少正功 就有多少电能转化为其他形式能量 克服安培力做功的过程是其他形式能量转化为电能的过程 克服安培力做多少功 就有多少其他形式能量转化为电能 2015 嘉兴高二检测 多选 如图4 7 9所示 一闭合的小金属环用一根绝缘细杆挂在固定点o处 使金属环在竖直线oo 的两侧来回摆动的过程中穿过水平方向的匀强磁场区域 磁感线的方向水平 和绝缘细杆摆动的竖直面垂直 若悬点摩擦和空气阻力不计 且摆动过程中金属环不翻转 则 a 金属环每次进入和离开磁场区域都有感应电流 完全进入磁场区域后无感应电流图4 7 9 b 金属环进入磁场区域后越靠近oo 线时速度越大 而且产生的感应电流越大c 金属环开始摆动后 摆角会越来越小 摆角小到某一值后不再减小d 金属环在摆动过程中 机械能将全部转化为金属环中的电能 解析 金属环进入和离开磁场区域时 穿过金属环的磁通量发生变化 产生感应电流 当金属环完全进入磁场区域后 磁通量不再发生变化 则无感应电流产生 故选项a正确 b错误 金属环进入和离开磁场区域的过程中产生感应电流 而感应电流要产生焦耳热 根据能量转化与守恒 金属环的机械能要减少 所以金属环上升的最大高度不断降低 摆角不断减小 最后恰好不穿出磁场区域 以某一恒定摆角做往复性运动永不停止 故选项c正确 金属环最后的摆角不为零 即仍保留一部分机械能 并没有全部转化为金属环的电能 故选项d错误 答案 ac 先看名师指津 1 用能量转化和守恒的观点解决电磁感应能量问题 只需要从全过程考虑 不涉及电流产生过程的具体的细节 可以使计算方便 解题简便 2 对于电磁感应中的能量转化问题 应弄清在过程中有哪些能量参与了转化 什么能量减少了 什么能量增加了 由能量转化和守恒定律即可求出转化的能量 能量的转化和守恒是通过做功来实现的 电磁感应现象中安培力做功是联系电能与其他形式的能相互转化的桥梁 再演练应用 在水平放置的光滑导轨上 沿导