2024-2025学年高中物理第4章电磁感应7涡流电磁阻尼和电磁驱动学案新人教版选修3-2

PAGE8-7涡流、电磁阻尼和电磁驱动[学习目标]1.[物理观念]了解涡流的产生过程．2.[物理观念]了解涡流现象的利用和危害．3.[科学看法与责任]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.[物理观念]了解电磁阻尼、电磁驱动．(难点)一、涡流1．定义：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：若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量许多．3．应用(1)涡流热效应：如真空冶炼炉．(2)涡流磁效应：如探雷器、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奢侈能量，损坏电器．(1)途径一：增大铁芯材料的电阻率．(2)途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯．二、电磁阻尼和电磁驱动1．电磁阻尼(1)概念：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运动的现象．(2)应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针快速停止到某位置，便于读数．2．电磁驱动(1)概念：磁场相对导体转动时，导体中产生感应电流，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的现象．(2)应用：沟通感应电动机．1．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(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． (√)(3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流． (√)(4)在电磁阻尼与电磁驱动中安培力所起的作用相同． (×)(5)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． (√)2．(多选)如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通沟通电源，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．提高沟通电源的频率C．将金属杯换为瓷杯D．取走线圈中的铁芯AB[考查涡流现象、影响感应电动势大小的因素及分析问题的实力．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更率，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；提高沟通电的频率，最大磁通量不变，但电流交替变更加快也能提高磁通量的变更率，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，磁通量的变更率也变小，从而导致加热功率变小，加热时间加长，D错误．]3．(多选)如图所示，是电表中的指针和电磁阻器，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AD[当电表的指针摇摆时，金属框1在蹄形磁铁2中同时转动，则1中产生感应电流——即涡流，磁场对涡流产生安培力阻碍其指针的相对运动，使指针很快稳定下来，故A、D正确．]对涡流的理解及应用1.涡流的特点当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强，依据公式P＝I2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大．2．涡流中的能量转化涡流现象中，其他形式的能转化成电能，并最终在金属块中转化为内能．假如金属块放在变更的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；假如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．留意：(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)磁场变更越快eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(ΔB,Δt)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．【例1】光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，抛物线的方程为y＝x2，其下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线(如图中的虚线所示)．一个小金属块从抛物线上y＝b(b>a)处以速度v沿抛物线下滑，假设曲面足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是()A．mgbB.eq\f(1,2)mv2C．mg(b－a)D．mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2D[由初状态到末状态(金属块在磁场区域内往复运动)能量守恒．初状态机械能E1＝mgb＋eq\f(1,2)mv2，末状态机械能E2＝mga，焦耳热Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2.]上例中，若将匀强磁场改为非匀强磁场，其他条件不变，那么金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是多少？提示：Q＝eq\f(1,2)mv2＋mgb求解此题应把握以下两点：(1)金属块进出磁场时，产生焦耳热，损失机械能．(2)金属块整体在磁场中运动时，其机械能不再损失，在磁场中做往复运动．eq\O([跟进训练])1．(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，从而粘贴在待封容器的封口处，达到快速封口的目的．下列有关说法正确的是()A．封口材料可用一般塑料来代替铝箔B．该封口机可用干电池作为电源以便利携带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、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器CD[由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必需是金属类材料，而且电源必需是沟通电源，A、B错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，即限制温度，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，否则同样会被熔化，只能是玻璃、塑料等材质，D正确．]电磁阻尼与电磁驱动的理解电磁阻尼电磁驱动不同点成因由导体在磁场中运动形成由磁场运动形成效果安培力的方向与导体运动方向相反，为阻力安培力的方向与导体运动方向相同，为动力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相同点两者都是电磁感应现象，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场的相对运动【例2】(多选)如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动．从上向下看，当磁铁逆时针转动时，则()A．线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同B．线圈将逆时针转动，转速比磁铁小C．线圈转动时将产生感应电流D．线圈转动时感应电流的方向始终是abcdaBC[当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生感应电流，故C正确；线圈相对磁铁转过90°时，其感应电流方向不再是abcda，D错误；由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁极同向转动，但转动的角速度肯定小于磁铁转动的角速度，假如两者的角速度相同，磁感线与线圈会处于相对静止状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，A错误，B正确．]【例3】如图所示，条形磁铁用细线悬挂在O点，O点正下方固定一个水平放置的铝线圈．让磁铁在竖直面内摇摆，下列说法中正确的是()A．磁铁左右摇摆一次，线圈内感应电流的方向变更2次B．磁铁始终受到感应电流磁场的斥力作用C．磁铁所受到的感应电流对它的作用力始终是阻力D．磁铁所受到的感应电流对它的作用力有时是阻力有时是动力C[磁铁向下摇摆时，依据楞次定律，线圈中产生逆时针方向感应电流(从上面看)，并且磁铁受到感应电流对它的作用力为阻力，阻碍它靠近；磁铁向上摇摆时，依据楞次定律，线圈中产生顺时针方向感应电流(从上面看)，磁场受感应电流对它的作用力仍为阻力，阻碍它远离，所以磁铁在左右摇摆一次过程中，电流方向变更3次，感应电流对它的作用力始终是阻力，C项正确．]1电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象，均可以依据楞次定律和左手定则分析导体的受力状况.2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，应留意电磁驱动中，主动部分的速度或角速度大于被动部分的速度或角速度.eq\O([跟进训练])2．如图所示，上端开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置．小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部，则小磁块()A．在P和Q中都做自由落体运动B．在两个下落过程中的机械能都守恒C．在P中的下落时间比在Q中的长D．落至底部时在P中的速度比在Q中的大C[小磁块下落过程中，在铜管P中产生感应电流，小磁块受到向上的磁场力，不做自由落体运动，而在塑料管Q中只受到重力，在Q中做自由落体运动，故选项A错误；依据功能关系知，在P中下落时，小磁块机械能削减，在Q中下落时，小磁块机械能守恒，故选项B错误；在P中加速度较小，在P中下落时间较长，选项C正确；由于在P中下落时要克服磁场力做功，机械能有损失，故落至底部时在P中的速度比在Q中的小，选项D错误．][物理观念]涡流、电磁驱动、电磁阻尼．[科学思维]通过电磁驱动和电磁阻尼的实例分析，体会电磁驱动和电磁阻尼的产朝气制，能分析电磁驱动和电磁阻尼的作用．1．下列关于涡流的说法中正确的是()A．涡流跟平常常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变更而产生的B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特别电流C．涡流有热效应，但没有磁效应D．在硅钢片中不能产生涡流A[涡流是一种特别的电磁感应现象，它是感应电流，既有热效应，又有磁效应．硅钢片中能产生涡流，但电流较小，故选项A正确．]2．电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟，无废气，“火力”强劲，平安牢靠．如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是()A．当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好B．电磁炉通电线圈加沟通电后，在锅底产生涡流，进而发热工作C．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用D．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要缘由是这些材料的导热性能较差B[锅体中的涡流是由变更的磁场产生的，所加的电流是沟通，不是直流，故A错误．依据电磁炉的工作原理可知，电磁炉通电线圈加沟通电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，故B正确．在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，故C错误．金属锅自身产生多数小涡流而干脆加热于锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流，故D错误．]3．(多选)如图所示，在O点正下方有一个具有志向边界的磁场，铜环在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是()A．A、B两点在同一水平线上B．A点高于B点C．A点低于B点D．铜环最终将做等幅摇摆BD[铜环在进入和穿出磁场的过程中，穿过环的磁通量发生变更，环中有感应电流产生，将损耗肯定的机械能，所以A点高于B点．铜环的摆角会越来越小，最终出不了磁场，而做等幅摇摆．]4．如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个