2019-2020学年高中物理第4章电磁感应第7节涡流电磁阻尼和电磁驱动课件 人教版选修3-2

2019-2020学年高中物理第4章电磁感应第7节涡流电磁阻尼和电磁驱动课件 人教版选修3-2

第 7 节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 1 ．概念：由于电磁感应，在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流． 2 ．特点：整块金属的电阻很小，涡流往往 ________ ，产生的热量 ________. 要点一　涡流 很强　 课前教材预案 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 __________ 、 __________. 真空冶炼炉　 探雷器　 安检门　 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) 防止途径一：增大铁芯材料的 __________. (2) 防止途径二：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　 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停下来，便于读数． 感应　 要点二　电磁阻尼 阻碍　 1 ．概念：如果磁场相对于导体运动，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 ____________ 的现象． 2 ．应用：交流感应电动机． 安培力　 要点三　电磁驱动 安培力　 运动起来　 课堂深度拓展 考点一　涡流现象 本质 电磁感应现象 条件 穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身可自行构成闭合回路 特点 整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大 本质 电磁感应现象 产生 (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 应用 应用涡流在回路中产生的热量冶炼金属的真空冶炼炉 防止 电动机、变压器的铁芯要减小涡流，防止损坏电器 利用涡流现象的小型装置：在车站、机场进行安检的探测器，用来探测旅客是否带有金属制品，如刀、枪之类的危险物品． 【例题 1 】　 ( 多选 ) 高频焊接原理示意图，如图所示，线圈通过高频交流电，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多可采用 ( 　　 ) A ．增大交变电流的电压　 B ．增大交变电流的频率 C ．增大焊接缝的接触电阻　 D ．减小焊接缝的接触电阻 思维导引： 涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循发生电磁感应现象的规律． 答案 　 ABC 　 在交变电压和频率相同的条件下，产生的感应电动势相同，增大焊接缝处的接触电阻，接触电阻处的电压、功率分配就越大，产生的热量就会越大，选项 C 正确；减小焊接缝处的接触电阻，由选项 C 分析知热量不会增大，选项 D 错误． 【变式 1 】　 安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈中通有变化的电流．如果金属物品通过安检门，金属中会被感应出涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警，关于安检门的说法正确的是 ( 　　 ) A ．安检门能检查出毒贩携带的毒品 B ．安检门能检查出旅客携带的水果刀 C ．如果“门框”的线圈中通上恒定电流，安检门也能正常工作 D ．安检门工作时，主要利用了电流的热效应原理 答案　 B 　 解析　 安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品的原理：线圈中的交变电流产生交变的磁场，会在金属物品中产生交变的感应电流，而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，引起线圈中交变电流发生变化，从而被探测到，则安检门不能检查出毒贩携带的毒品，选项 A 错误； 安检门能检查出旅客携带的水果刀，选项 B 正确；如果 “ 门框 ” 的线圈中通上恒定电流，安检门不能正常工作，选项 C 错误；安检门工作时，主要利用了电磁感应原理，选项 D 错误． 电磁驱动和电磁阻尼的比较 考点二　电磁驱动和电磁阻尼 电磁驱动 电磁阻尼 不 同 点 成因 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 由于导体在磁场中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 效果 导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动 导体所受安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍物体运动 电磁驱动 电磁阻尼 不 同 点 能量 转化 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 导体克服安培力做功，其他形式能转化为电能，最终转化为内能 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 对于电磁阻尼和电磁驱动有如下规律：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． 【例题 2 】　 磁悬浮列车的原理如图所示，在水平面上，两根平行直导轨间有在竖直方向等距离的磁场 B 1 和 B 2 ，导轨上有金属框 abcd . 当匀强磁场 B 1 和 B 2 同时以 v 沿直导轨向右运动时，金属框也会沿直导轨运动．设直导轨间距为 L ＝ 0.4 m ， B 1 ＝ B 2 ＝ 1 T ，磁场运动的速度为 v ＝ 5 m/s. 金属框的电阻 R ＝ 2 Ω ，问： (1) 金属框为什么会运动？若金属框不受阻力，金属框如何运动？ (2) 当金属框始终受到 F f ＝ 1 N 的阻力时，金属框能达到的最大速度是多少？ (3) 当金属框始终受到 1 N 的阻力时，要使金属框维持最大速度，每秒钟需消耗多少能量？这些能量是谁提供的？ 思维导引： 当匀强磁场 B 1 和 B 2 同时以速度 v 向右运动时，线框总有两条边在切割磁感线，产生了两个电动势，相当于两个电源串联，则总电动势须相加．在分析安培力时不要忘记两条边均受同方向的安培力，该力正是磁悬浮列车的电磁驱动力． 解析　 (1) 当匀强磁场 B 1 和 B 2 向右运动时，金属框相对磁场向左运动，于是在金属框 abcd 中产生了沿逆时针方向的感应电流，同时受到方向向右的安培力，故金属框跟随匀强磁场向右运动，金属框开始受到安培力作用做加速运动，由楞次定律知产生的安培力阻碍金属框和磁场相对运动，而不是阻止，故金属框的速度将无限接近 5 m/s. 答案　 (1) 见解析　 (2)1.875 m/s 　 (3)5 J 　磁场 【变式 2 】 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左右振动的衰减最有效的方案是 ( 　　 ) 答案　 A 　 解析　 施加磁场来快速衰减 STM 的微小振动，其原理是电磁阻尼，在振动时通过紫铜薄板的磁通量变化，紫铜薄板中产生感应电动势和感应电流，则其受到安培力作用，该作用阻碍紫铜薄板振动，即促使其振动衰减．方案 A 中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，通过它的磁通量都发生变化； 方案 B 中，当紫铜薄板上下振动时，通过它的磁通量可能不变；方案 C 中，紫铜薄板左右振动、上下振动时，通过它的磁通量可能不变；方案 D 中，当紫铜薄板上下振动时，紫铜薄板中磁通量可能不变．综上可知，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的是方案 A ． 1 ．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 　 课末随堂演练 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，所以选项 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，所以选项 D 正确． 2 ． ( 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 ．将金属杯换为瓷杯　 D ．取走线圈中的铁芯 答案 　 AB 　 解析　 该装置的工作原理是线圈内变化的电流产生变化的磁场，从而使金属杯体内产生涡流，再把电能转化为内能，使杯内的水发热．交流电源的频率一定时，线圈产生的磁场越强，杯体内磁通量变化就越快，产生的涡流就越大，增加线圈的匝数会使线圈产生的磁场增强，而取走线圈中的铁芯会使线圈产生的磁场减弱，故选项 A 正确， D 错误．交流电源的频率增大，杯体内磁通量变化加快，产生的涡流增大，故选项 B 正确．瓷为绝缘材料，不能产生涡流，故选项 C 错误． 3 ． ( 多选 ) 如图所示，光滑水平桌面的左半部分处于竖直向下的匀强磁场内，当有阻值一定的环形导线圈以某一初速度在此水平桌面上向右滑行时 ( 　　 ) A ．若整个线圈在磁场内，线圈一定做匀速运动 B ．线圈从磁场内滑到磁场外的过程中，必做加速运动 C ．线圈从磁场内滑到磁场外的过程中，必做减速运动 D ．线圈从磁场内滑到磁场外的过程中，必定放热 答案 　 ACD 　 解析　 当整个线圈在磁场内时，无感应电流，故其不受安培力，线圈做匀速运动，选项 A 正确；线圈滑出磁场的过程中，产生感应电流，受到阻碍它运动的安培力，故线圈做减速运动，机械能转化为内能，选项 B 错误， C 、 D 正确． 4 ． 如图所示，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 答案　 C 　 解析　 当磁铁转动时，由楞次定律可知，线圈中有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，即感应电流的方向必定是使其受到的力矩的方向与磁铁转动方向相同，以阻碍磁通量的增加，因而线圈跟着转起来，但转速小于磁铁的转速，故选项 C 正确． 5 ． 如图所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环 1 竖直，环 2 水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．两环都向右运动 B ．两环都向左运动 C ．环 1 静止，环 2 向右运动 D ．两环都静止 答案　 C 　 解析　 条形磁铁向右运动时，环 1 中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止；环 2 中磁通量变化，根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流的效果使环 2 向右运动．