人教版选修32 4.9　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 学案.doc

学案9涡流、电磁阻尼和电磁驱动学习目标定位 1.知道涡流的产生原因及涡流的防止和应用.2.知道电磁阻尼和电磁驱动的原理和应用1楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化2根据楞次定律的扩展含义，感应电流所受安培力总是阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动概括为“来拒去留”一、涡流1当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，在附近导体中产生像水中旋涡样的感应电流，所以把这种感应电流叫做涡流2应用：真空冶炼、探测地雷、机场安检等3防止：将电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器因此，我们要想办法减小涡流途径之一是增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大另一个途径就是用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯二、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，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼三、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，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，这种作用常称为电磁驱动2应用：交流感应电动机.一、涡流问题设计 1如图1所示，当磁场变化时，导体中就会产生感应电流，那么导体中的电荷为什么会定向移动而形成电流？图1答案根据麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场会在其周围空间产生感生电场，感生电场对导体中的自由电荷产生的电场力会使电荷定向移动，从而形成电流2.如果磁场是用变化的电流来获取的，导体用整块铁代替，如图2所示请问铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？图2答案有变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感生电场，感生电场在铁块中产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流要点提炼 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，形成的涡流就越大二、电磁阻尼和电磁驱动问题设计 1电磁阻尼弹簧上端固定，下端悬挂一根磁铁将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它(如图3所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象图3答案当磁铁穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁铁靠近或离开线圈，也就使磁铁振动时除了受空气阻力外，还有线圈的磁场力作为阻力，克服阻力需要做的功较多，弹簧振子的机械能损失较快，因而会很快停下来2电磁驱动一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图4所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕oo轴转动当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动，当磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动根据以上现象，回答下列问题：图4(1)蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量是否变化？(2)线圈转动起来的动力是什么力？线圈的转动速度与磁铁的转动速度相同吗？答案(1)变化(2)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线圈的转速小于磁铁的转速要点提炼 电磁阻尼与电磁驱动的区别与联系：1电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动；电磁驱动中导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动2电磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能；电磁驱动中由于电磁感应，磁场能转化为电能，通过安培力做功，电能转化为导体的机械能而对外做功3电磁阻尼与电磁驱动现象中安培力的作用效果均为阻碍相对运动，应注意电磁驱动中导体的运动速度要小于磁场的运动速度一、涡流的理解与应用例1如图5所示是高频焊接原理示意图线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热，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5a电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高的越快b电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高的越快c工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小d工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大解析交流电频率越高，则产生的感应电流越强，升温越快，故a项对工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故d项对答案ad针对训练光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图6所示，抛物线的方程是yx2，下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是ya的直线(图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物线上yb(ba)处以初速度v沿抛物线下滑假设抛物线足够长，金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是 ()图6amgb b.mv2cmg(ba) dmg(ba)mv2思路点拨金属块进出磁场时，由于涡流现象产生焦耳热而使机械能减少解答本题首先应明确金属块的初、末状态，然后根据金属块机械能的变化确定所产生的焦耳热总量答案d解析金属块进出磁场时，会产生焦耳热，损失机械能而使金属块所能达到的最高位置越来越低，当金属块所能达到的最高位置为ya时，金属块不再进出磁场，不再产生焦耳热金属块的机械能不再损失，而在磁场中做往复运动由于金属块减少的动能和重力势能全部转化为内能，所以q epe mg(ba)mv2.二、对电磁阻尼的理解例2在水平放置的光滑绝缘导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图7所示现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的a点以某一初速度向磁铁滑去各滑块在向磁铁运动的过程中()图7a都做匀速运动 b甲、乙做加速运动c甲、乙做减速运动 d乙、丙做匀速运动解析甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受电磁阻尼作用，做减速运动，丙则不会产生涡流，只能匀速运动答案c三、对电磁驱动的理解例3位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管，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水平穿过，如图8所示，在此过程中()图8a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，管中将产生感应电流，由楞次定律知该电流产生的磁场的作用力阻碍磁铁的运动同理，磁铁穿出时该电流产生的磁场的作用力也阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，b项对而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右，这个安培力使小车向右运动，且一直做加速运动，c项对答案bc1(涡流的理解)下列做法中可能产生涡流的是 ()a把金属块放在匀强磁场中b让金属块在匀强磁场中做匀速运动c让金属块在匀强磁场中做变速运动d把金属块放在变化的磁场中答案d解析涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化而a、b、c中磁通量不变化，所以a、b、c错误；把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以d正确2(涡流的应用)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，从而引起报警以下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如果这个“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，a错，b对若“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，c错安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应，d对3(电磁阻尼的理解与应用)如图9所示，条形磁铁从高h处自由下落，中途穿过一个固定的空心线圈，开关s断开时，至落地用时t1，落地时速度为v1；开关s闭合时，至落地用时t2，落地时速度为v2.则它们的大小关系正确的是 ()图9at1t2，v1v2bt1t2，v1v2ct1t2，v1v2dt1t2，v1v2答案d解析开关s断开时，线圈中无感应电流，对磁铁无阻碍作用，故磁铁自由下落，ag；当s闭合时，线圈中有感应电流，对磁铁有阻碍作用，故ag.所以t1t2，v1v2.4. (电磁驱动的理解与应用)如图10所示，磁极远离和靠近圆环时产生的现象正确的是 ()图10a图中磁铁n极接近a环时，a环被吸引，而后被推开b图中磁铁n极远离a环时，a环被排斥，而后随磁铁运动c用磁铁n极接近b环时，b环被排斥，远离磁铁运动d用磁铁的任意一磁极接近a环时，a环均被排斥答案d解析根据楞次定律，感应电流在回路中产生的磁通量总是反抗(或阻碍)原磁通量的变化，所以用磁铁的任意一磁极接近a环时，a环均被排斥；由于b环不是闭合回路，因此没有感应电流题组一涡流的理解与应用1下列仪器是利用涡流工作的有()a电磁炉 b微波炉c金属探测器 d真空冶炼炉答案acd2下列关于涡流的说法中正确的是()a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b涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流c涡流有热效应，但没有磁效应d在硅钢中不能产生涡流答案a解析涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流，只不过是由金属块自身构成回路，它既有热效应，也有磁效应，所以a正确，b、c错误；硅钢中产生的涡流较小，d错误3.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图1所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被治炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，因此适于冶炼特种金属那么该炉的加热原理是()图1a利用线圈中电流产生的焦耳热b利用线圈中电流产生的磁场c利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流d给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电答案c4变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这是为了()a增大涡流，提高变压器的效率b减小涡流，提高变压器的效率c增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量d增大铁芯中的电阻，以减小发热量答案bd解析不使用整块硅钢而是采用很薄的硅钢片，这样做的目的是增大铁芯中的电阻，减少电能转化成铁芯的内能，提高效率，而且是为了防止涡流而采取的措施5磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈围绕在铝框上，这样做的目的是()a防止涡流而设计的 b利用涡流而设计的c起电磁阻尼的作用 d起电磁驱动的作用答案bc解析线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，也就是涡流涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来所以，这样做的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用6.如图2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分别是()图2a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、玻璃杯答案c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，在空间产生感应电场，铁锅是导体，感应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，而玻璃不是导体，所以玻璃杯中的水不会升温7.如图3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，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质的锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害关于电磁炉，以下说法中正确的是()图3a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产生涡流，使含铁质的锅底迅速升温，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电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的答案b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的锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物，故选项a、d错误，b正确；而选项c是微波炉的加热原理，c错误8人造卫星绕地球运行时，轨道各处地磁场的强弱并不相同，因此，金属外壳的人造地球卫星运行时，外壳中总有微弱的感应电流试分析这一现象中的能量转化情况，它对卫星的运动可能产生怎样的影响？答案见解析解析当穿过人造卫星的磁通量发生变化时，外壳中会有涡流产生，这一电能的产生是由机械能转化来的它会导致卫星机械能减少，会使轨道半径减小，造成卫星离地高度下降题组二对电磁阻尼的理解与应用9如图4所示，a、b为大小、形状均相同且内壁光滑、但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度两个相同的磁性小球，同时从a、b管上端的管口无初速度释放，穿过a管比穿过b管的小球先落到地面下面对于两管的描述中可能正确的是()图4aa管是用塑料制成的，b管是用铜制成的ba管是用铝制成的，b管是用胶木制成的ca管是用胶木制成的，b管是用塑料制成的da管是用胶木制成的，b管是用铝制成的答案ad10.如图5所示 ，金属球(铜球)下端有通电的线圈，今把金属球向上拉离平衡位置后释放，此后金属球的运动情况是(不计空气阻力)()图5a做等幅振动b做阻尼振动c振幅不断增大d无法判定答案b解析金属球在通电线圈产生的磁场中运动，金属球中产生涡流，故金属球要受到安培力作用，阻碍它的相对运动，做阻尼振动11如图6所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是()图6a2是磁铁，1中产生涡流b1是磁铁，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下来答案ad解析当指针摆动时，1随之转动，2