高二物理（人教版）教学课件 选择性必修二 第二章 第3节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动

涡流、电磁阻尼和电磁驱动(强基课—逐点理清物理观念)第3节课标要求学习目标1.通过实验,了解涡流现象。2.能举例说明涡流现象在生产生活中的应用。1.了解感生电场的概念,了解电子感应加速器的工作原理。2.理解涡流的产生原理,了解涡流在生产和生活中的应用。3.理解电磁阻尼和电磁驱动的原理,了解其在生产和生活中的应用。1逐点清(一)电磁感应现象中的感生电场2逐点清(二)涡流3逐点清(三)电磁阻尼和电磁驱动4课时跟踪检测CONTENTS目录逐点清(一)电磁感应现象

中的感生电场

多维度理解变化感生电场感生电场电流(1)静电场是由电荷激发而产生的,感生电场是由变化的磁场激发而产生的。(2)静电场的电场线不是闭合的,而感生电场的电场线是闭合的。1.(多选)关于感生电场,下列说法中正确的是

(

)A.感生电场由变化的磁场产生B.恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场C.感生电场的方向可以用楞次定律来判定D.感生电场的电场线是闭合曲线,其方向一定是沿逆时针方向解析:磁场变化时在空间激发感生电场,其方向与所产生的感应电流方向相同,可由楞次定律判断,A、C正确,B、D错误。全方位练明√√2.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,这可能是原磁场

(

)A.沿AB方向且在迅速减弱B.沿AB方向且在迅速增强C.沿BA方向且恒定不变D.沿BA方向且在迅速减弱√解析:感生电场的方向从上向下看是顺时针,假设在平行于感生电场的方向上有闭合回路,则回路中的感应电流方向从上向下看也是顺时针,由右手螺旋定则可知,感应电流的磁场沿AB方向,根据楞次定律可知,原磁场有两种可能:原磁场沿AB方向且在迅速减弱,或原磁场沿BA方向且在迅速增强,A正确。3.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,图甲为侧视图,上、下为电磁铁的两个磁极;图乙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,改变电磁铁线圈中电流的大小可使电子加速。则下列判断正确的是

(

)A.真空室中产生的感生电场沿逆时针方向B.通入电磁铁线圈的电流在增强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由静电力提供的√解析:电子在电子感应加速器中沿逆时针方向加速,电子带负电,电场方向与电子受力的方向相反,所以真空室中产生的感生电场沿顺时针方向,由安培定则可知,感生电场产生的磁场与原磁场方向相反,根据楞次定律,原磁场应该变强,即电磁铁线圈中的电流应该增强,故A错误,B正确;电磁铁线圈中的电流在真空室中产生磁场,电子在洛伦兹力的作用下做圆周运动,D错误;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静电力,C错误。逐点清(二)涡流1.涡流:当某线圈中的______随时间变化时,由于电磁感应,这个线圈附近的任何导体,如果穿过它的磁通量发生变化,导体内都会产生___________,如果用图表示这样的感应电流,看起来就像水中的漩涡,所以把它叫作涡电流,简称涡流。多维度理解电流感应电流2.涡流的应用与防止(1)应用:_____________、_________、_________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_______做铁芯材料,或者用相互绝缘的_________叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。真空冶炼炉探雷器安检门硅钢硅钢片1.涡流的本质:电磁感应现象。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。

√

/方法技巧/(1)金属块进出匀强磁场时,产生焦耳热,损失机械能。(2)金属块整体在匀强磁场中运动时,其机械能不再损失,在磁场中做往复运动。(3)金属块整体在非匀强磁场中运动时,金属块内部有涡流产生,金属块的机械能仍转化为电能。1.(多选)涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示,线圈中通以一定频率的正弦交流电,靠近待测工件时,工件内会产生涡流,同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法正确的是

(

)A.涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化B.涡流的频率等于通入线圈的交流电的频率C.通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力D.待测工件可以是塑料或橡胶制品全方位练明√√√解析:涡流是感应电流,涡流的磁场总是阻碍穿过工件的磁通量的变化,而且涡流的频率与线圈中交流电的频率相等,A、B正确;因待测工件中的涡流与通电线圈中的电流具有相同频率,因此二者间必有周期性变化的作用力,C正确;涡流只能在金属制品中产生,D错误。2.(选自沪科版教材课后练习)强大的涡电流在金属内流动时,会释放大量的热能。工业上利用这种热效应,制成高频电磁感应电炉来冶炼金属,其结构原理图如图所示。请分析它的工作原理。提示:线圈中的高频电流产生变化的磁场,变化的磁场产生感应电场,感应电场产生感应电流——涡流,涡流产生热效应来冶炼金属。逐点清(三)电磁阻尼和电磁驱动1.电磁阻尼当___________________时,感应电流会使导体受到安培力作用,安培力总是______导体的运动,这种现象称为电磁阻尼。2.电磁驱动(1)如果_____________________,在导体中会产生感应电流,感应电流使导体受到________的作用,________

使导体运动起来,这种作用常常称为电磁驱动。多维度理解导体在磁场中运动阻碍磁场相对于导体转动安培力安培力(2)交流感应电动机就是利用__________的原理工作的,把______转化成________。电磁阻尼与电磁驱动的对比分析

电磁阻尼电磁驱动不同点成因由于导体在磁场中运动而产生感应电流,从而使导体受到安培力由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力电磁驱动电能机械能不同点效果安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动导体受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动能量转化导体克服安培力做功,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,从而对外做功相同点两者都是电磁感应现象,都遵循楞次定律,都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动续表1.(多选)如图所示,是电表中的指针和电磁阻尼器,下列说法中正确的是

(

)A.2是磁体,在1中产生涡流B.1是磁体,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稳定下来全方位练明√√解析:当电表的指针摆动时,金属框1在蹄形磁体2中转动,金属框中的磁通量发生变化,则产生感应电流——涡流,金属框在磁场中所受的安培力阻碍其间的相对运动,使指针很快稳定下来,故A、D正确。2.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,当蹄形磁体逆时针转动时

(

)A.线圈将逆时针转动,转速与磁体相同B.线圈将逆时针转动,转速比磁体小C.线圈将逆时针转动,转速比磁体大D.线圈静止不动√解析:当蹄形磁体转动时,穿过线圈的磁通量发生变化,从而产生感应电流,线圈受到安培力,故线圈一定会转动,由楞次定律可知,线圈将与磁体同向转动,但转速一定小于磁体的转速,B正确,A、C、D错误。3.(选自鲁科版教材课后练习)如图所示,有一个铜盘,轻轻拨动它,能长时间地绕轴自由转动。如果在转动时把U形磁铁放在铜盘边缘,但并不与铜盘接触,则铜盘

(

)A.不受影响,和原先一样转动B.很快停下来C.比原先需要更长时间停下来D.比原先更快地转动

解析:铜盘由于受到电磁阻尼的作用而很快停下来,故B正确,A、C、D错误。√课时跟踪检测1234567891011121314A级——基础达标1.在下列所示的四种磁场中,能产生恒定感生电场的是(

)√67891011121314

1234515678910111213142.以下现象没有利用电磁阻尼现象的是

(

)2341567891011121314A.图1中,线圈能使振动的条形磁铁快速停下来B.图2中,无缺口的铝管比有缺口的铝管能更快使强磁铁匀速运动C.图3中,U形磁铁可以使高速转动的铝盘迅速停下来D.图4中,转动把手时下面的闭合铜线框会随U形磁铁同向转动解析:振动的条形磁铁使线圈中产生感应电流,感应电流对磁铁与线圈间的相对运动有阻碍作用,能使振动的条形磁铁快速停下来,这是利用了电磁阻尼现象,A不符合题意;234√1567891011121314磁铁通过无缺口的铝管时产生的感应电流较大,较大的感应电流对磁铁与铝管间的相对运动有较大的阻碍作用,能更快使强磁铁匀速运动,这是利用了电磁阻尼现象,B不符合题意;U形磁铁可以在高速转动的铝盘中产生感应涡电流,感应涡电流对铝盘与磁铁间的相对运动有阻碍作用,能使铝盘迅速停下来,这是利用了电磁阻尼现象,C不符合题意;转动把手时下面的闭合铜线框随U形磁铁同向转动,这是利用了电磁驱动现象,D符合题意。23415678910111213143.某同学搬运如图所示的磁电式电流表时,发现表针晃动剧烈且不易停止。按照老师建议,该同学在两接线柱间接一根导线后再次搬运,发现表针晃动明显减弱且能很快停止。下列说法正确的是

(

)A.未接导线时,表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势B.未接导线时,表针晃动剧烈是因为表内线圈受到安培力的作用C.接上导线后,表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势D.接上导线后,表针晃动减弱是因为表内线圈受到安培力的作用234√1567891011121314解析:未接导线时,表针晃动过程中表内线圈中产生感应电动势,但不构成闭合回路,故表内线圈中不产生感应电流,不受安培力作用,A、B错误;接上导线后,表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势,在闭合回路中产生感应电流,受到安培力的作用,是电磁阻尼的表现,C错误,D正确。23415678910111213144.(2024·湖北高考)《梦溪笔谈》中记录了一次罕见的雷击事件:房屋被雷击后,屋内的银饰、宝刀等金属熔化了,但是漆器、刀鞘等非金属却完好(原文为:有一木格,其中杂贮诸器,其漆器银扣者,银悉熔流在地,漆器曾不焦灼。有一宝刀,极坚钢,就刀室中熔为汁,而室亦俨然)。导致金属熔化而非金属完好的原因可能为

(

)A.摩擦

B.声波

C.涡流

D.光照解析:雷击时,瞬时非均匀变化的电场产生变化的磁场,变化的磁场在金属内产生涡流,发热使金属熔化,C正确。234√15678910111213145.纯电动汽车是一种节能、环保的交通工具,它的制动能量回收系统通过能量回收再利用,可提高汽车对能量的利用效率。制动能量回收的原理是利用线圈在磁场中转动,将车辆制动时的部分动能转化为其他形式的能存储起来。关于制动能量回收,下列说法正确的是

(

)A.制动能量回收利用了电磁感应现象B.制动能量回收利用了电流的热效应C.制动能量回收时,将车辆制动时的全部动能转化为内能D.制动能量回收时,将车辆制动时的部分动能转化为重力势能234√1567891011121314解析:汽车在制动刹车过程中,动能减小,减小的动能一部分以电能的形式存储,因此制动能量回收利用了电磁感应现象,将车辆的部分动能转化为电能,A正确。23415678910111213146.(2024·江苏南通期末)如图所示,把一铁块放入通电线圈内部,一段时间后,铁块就会“烧”得通红。下列说法中正确的是

(

)A.铁块中产生了涡流B.线圈接的是干电池C.如果将木块放在线圈内部,木块可能会燃烧D.铁块是否会“烧”得通红与线圈中电流是否变化无关234√1567891011121314解析:当线圈通入变化的电流时,在线圈内部会产生变化的磁场,而铁块放在线圈内部,则变化的磁场会在铁块内部形成涡流,而根据电流的热效应,铁块会被“烧”得通红,故A正确;干电池提供的是直流电,当线圈接干电池时,线圈中的电流恒定,将产生恒定的磁场,而根据电磁感应原理可知,恒定的磁场不能产生电场,则铁块中不能产生涡流,铁块也不会被“烧”得通红,故B、D错误;由于木块不是导体,因此木块放在线圈内部时,木块中不会有感应电流产生,木块也不可能会燃烧,故C错误。23415678910111213147.(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中,如图所示为一手持式封口机,它的工作原理是:当接通电源时,内置线圈产生磁场,当磁感线穿过封口铝箔材料时,瞬间产生大量小涡流,致使铝箔自行快速发热,熔化复合在铝箔上的溶胶,从而粘贴在承封容器的封口处,达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是

(

)2341567891011121314A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔B.该封口机内置线圈中流过的是直流电C.封口过程中温度过高,可适当减小所通电流的频率来解决D.该封口机适用于玻璃、塑料等材质的容器封口但不适用于金属容器234√√1567891011121314解析:由于封口机利用了电磁感应原理,故封口材料必须是金属类材料,内置线圈流过的是交流电,A、B错误;减小内置线圈中所通过电流的频率可以降低封口过程中产生的热量,即控制温度,C正确;封口材料应是金属类材料,但对应被封口的容器不能是金属,否则使金属容器发生涡流现象,使容器内温度升高,对容器内物体可能造成破坏,D正确。23415678910111213148.安装在公路上的测速装置如图所示,在路面下方间隔一定距离埋设有两个通电线圈,线圈与检测抓拍装置相连。车辆从线圈上方通过时,线圈中会产生脉冲感应电流,检测装置根据两个线圈产生的脉冲信号的时间差计算出车速大小,从而对超速车辆进行抓拍。下列说法正确的是

(

)2341567891011121314A.汽车通过通电线圈上方时,两线圈产生的脉冲电流信号时间差越长,车速越大B.汽车通过通电线圈上方时,汽车底盘的金属部件中会产生感应电流C.当汽车从通电线圈上方匀速通过时,线圈中不会产生感应电流D.以上说法都不对234√1567891011121314解析:汽车通过线圈上方时,线圈中产生脉冲电流信号,车速越大,汽车通过两线圈间的距离所用的时间越短,即两线圈产生的脉冲电流信号时间差越短,故A错误;汽车通过通电线圈上方时,汽车底盘的金属部件通过线圈所产生的磁场,汽车底盘的金属部件的磁通量发生变化,在汽车底盘的金属部件中产生感应电流;当汽车从通电线圈上方匀速通过时,线圈中的磁通量发生变化,线圈中会产生感应电流,故B正确,C、D错误。23415678910111213149.如图所示是一个水平放置的玻璃圆环形小槽,槽内光滑,槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中,让它获得一初速度v0,与此同时,有一变化的磁场垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所对应的圆面,磁感应强度的大小随时间成正比例增大,方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变,则

(

)2341567891011121314A.小球受到的向心力大小不变B.小球受到的向心力大小不断增大C.洛伦兹力对小球做了功D.小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比234√1567891011121314解析:当磁感应强度随时间均匀增大时,将产生一恒定的感生电场,由楞次定律结合安培定律知,感生电场的方向和小球初速度的方向相同,因小球带正电,电场力对小球做正功,小球速度逐渐增大,向心力也随着增大,A错误,B正确;洛伦兹力对运动电荷(小球)不做功,C错误;小球所受洛伦兹力F=qBv,随着速率的增大而增大,同时B∝t,则F和t不成正比,D错误。234156789101112131410.

(多选)如图所示是某同学自制的简易磁力传动装置,铝制圆盘放置在可旋转底座上,圆盘正上方悬挂条形磁铁。关于该装置,从上往下看,说法正确的是

(

)2341567891011121314A.当条形磁铁顺时针转动时,铝制圆盘顺时针转动B.当条形磁铁顺时针转动时,铝制圆盘逆时针转动C.当条形磁铁的转速变快时,铝制圆盘转速也变快D.当条形磁铁停止转动,铝制圆盘会立即停止运动234√√1567891011121314解析:根据电磁驱动的原理可知,当条形磁铁顺时针转动时,铝制圆盘也顺时针转动,当磁铁的转速变快时,铝制圆盘转速也变快,故A、C正确,B错误;当条形磁铁停止转动,由于惯性铝制圆盘会继续转动,由于铝制圆盘转动过程中仍产生感应电流,所以圆盘会逐渐减速直至停止转动,D错误。2341567891011121314B级——综合应用11.扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图所示。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是(

)2341567891011121314234解析:在A图中,系统振动时,紫铜薄板随之上下、左右振动,在磁场中的部分有时多、有时少,穿过紫铜薄板的磁通量发生变化,紫铜薄板产生感应电流,受到的安培力阻碍系统的振动;在B、D图中,紫铜薄板只有左右振动才产生感应电流,而上下振动无电流产生;在C图中,无论紫铜薄板上下振动还是左右振动,都不会产生感应电流。故选A。√156789101112131412.

如图所示,一根长1m左右的无缝空心铝管竖直放置,把一枚磁性比较强的小圆柱形永磁体从铝管上端放入管口,圆柱直径略小于铝管的内径。让磁体从管口处由静止下落,磁体在管内运动时,没有跟铝管内壁发生摩擦。有关磁体在铝管中下落的过程,下列说法可能正确的是

(

)2341567891011121314A.磁体做自由落体运动B.磁体受到铝管中涡流的作用力方向先向上后向下C.磁体受到的合力方向一直向下D.磁体的机械能先增大后减小解析:由于是无缝空心铝管,故磁体下落时,会产生电磁感应,出现涡流,根据楞次定律可知,会产生阻力阻止磁体的下落。234√1567891011121314开始时,磁体的速度较小,受到的阻力小于重力,合力向下,当磁体的速度逐渐增大时,磁体所受阻力也增大,加速度减小。当空心铝管足够长时,磁体会先做加速度逐渐减小的加速运动,达到最大速度时,磁体所受阻力等于重力,做匀速直线运动,因此磁体不可能做自由落体运动,且磁体受到铝管中涡流的作用力方向一直向上,故A、B错误;当铝管长度有限时,磁体可能达不到最大速度就穿过了铝管,即该过程中磁体的合力方向一直向下,故C可能正确;由于一直