人教版(新教材)高中物理选择性必修2学案3：2 3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE12.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动〖学习目标〗1．知道感生电动势的产生以及与感生电场的联系，会判断感生电动势的方向并计算其大小。2．了解涡流的产生过程。3．了解涡流现象的利用和危害。4．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。5．了解电磁阻尼和电磁驱动及应用。〖自主学习〗知识点一电磁感应现象中的感生电场〖新知导入〗电磁感应现象中的感生电场与电荷周围的静电场从产生机理上看有什么区别？〖知识梳理〗1．感生电场麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发一种电场，它与静电场不同，不是由电荷产生的，我们把它叫作感生电场。2．感生电动势由感生电场产生的感应电动势。3．感生电动势中的非静电力就是感生电场对自由电荷的作用。4．感生电场的方向判断由磁场的方向和强弱变化，根据楞次定律判断。〖小试牛刀〗1．判断正误。(1)感生电场线是闭合的。()(2)磁场变化时，可以产生感生电场，并不需要电路闭合这一条件。()(3)感生电场是产生感生电动势的原因。()(4)感生电动势与动生电动势一样都是由于磁场变化产生的。()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的,这可能是()A．沿AB方向磁场在迅速减弱 B．沿AB方向磁场在迅速增强C．沿BA方向磁场恒定不变 D．沿BA方向磁场在迅速减弱知识点二涡流〖新知导入〗在一铁块的外面绕有如图所示的线圈，当线圈通有如图所示的交变电流时，请问铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？〖知识梳理〗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，把它叫作涡电流，简称涡流。2．涡流的特点及产生(1)特点：金属块中的涡流会产生热量。(2)产生：用来冶炼合金钢的真空冶炼炉(如图)，炉外有线圈，线圈中通入迅速变化的电流，炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化。(3)利用涡流冶炼金属的优点是，整个过程可以在真空中进行，能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。3．应用(1)涡流热效应：如真空冶炼炉、电磁炉。(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浪费能量，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。〖小试牛刀〗1．判断正误。(1)涡流也是一种感应电流。()(2)导体中有涡流时，导体本身会产热。()(3)利用涡流制成的探雷器可以探出“石雷”。()(4)真空冶炼炉是炉体发热使金属熔化。()2．如图所示，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、琉璃杯C．变化的电流、小铁锅 D．变化的电流、玻璃杯知识点三电磁阻尼电磁驱动〖新知导入〗(1)如图甲所示，将磁铁在同一高度释放，下端放有闭合线圈的那块磁铁很快停止振动，而另一个磁铁能振动较长时间，如何解释这个现象？(2)如图乙所示，当顺时针或逆时针转动蹄形磁铁时线圈怎样转动？使线圈转动起来的动力是什么力？〖知识梳理〗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迅速停止到某位置，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：交流感应电动机。〖小试牛刀〗1．判断正误。(1)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律。()(2)电磁阻尼发生的过程中，存在机械能向内能的转化。()(3)磁电式仪表的线圈用铝框做骨架的目的是利用电磁阻尼。()(4)灵敏电流计在运输时总要用导体把两个接线柱连在一起。()2．如图所示，甲是闭合铜线框，乙是有缺口的铜线框，丙是闭合的塑料线框，它们的正下方都放置一薄强磁铁，现将甲、乙、丙拿至相同高度H处同时释放(各线框下落过程中不翻转)，则以下说法正确的是()A．三者同时落地 B．甲、乙同时落地，丙后落地C．甲、丙同时落地，乙后落地 D．乙、丙同时落地，甲后落地〖课堂探究〗一、对感生电场的理解探究1：如图，一个闭合电路静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，闭合电路内产生了感生电动势，产生了感生电流，你知道原理吗？〖要点归纳〗1．感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的。2．感生电场的方向可由楞次定律判断。如图所示，当磁场增强时，产生的感生电场是与磁场方向垂直且阻碍磁场增强的电场。3．感生电场的存在与是否存在闭合电路无关。例1如图所示，在一水平光滑绝缘塑料板上有一环形凹槽，有一质量为m、电荷量为q的带正电小球，在槽内沿顺时针方向做匀速圆周运动，现加一竖直向上且磁感应强度均匀减小的磁场，则()A．小球速度变大 B．小球速度变小C．小球速度不变 D．小球速度可能变大也可能变小感生电场与静电场的区别静电场感生电场产生条件由电荷激发由变化的磁场激发电场线特点静电场的电场线，总是始于正电荷，终止于负电荷，不闭合、不相交、也不相切感生电场的电场线是闭合曲线，没有终点和起点电场对电荷做功单位正电荷在静电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功为零单位正电荷在感生电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功不为零电场方向的判断方法静电场方向与正电荷所受电场力方向一致，沿电场线的切线方向感生电场方向是根据磁场的变化情况由楞次定律判断的二、对涡流的理解及应用探究2：利用高频交变电流焊接自行车零件的原理如图所示。图中M是高频交流线圈，N是自行车零件，a是待焊接口。当线圈M中通入高频电流时，把a的两端相接触，接口便会被自动焊接起来。这是为什么？〖要点归纳〗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，根据公式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。例2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．mgb B．eq\f(1,2)mv2C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2规律方法(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，金属块内部因有涡流产生，金属块的机械能转化为内能。三、电磁阻尼与电磁驱动的理解探究3：如图所示装置，可以用来演示电磁阻尼现象。把铜片悬挂在电磁铁的两极间，形成一个摆。在电磁铁线圈(图中未画出)未通电时，铜片可以自由摆动，要经过较长时间才会停下来。而电磁铁线圈通电后，铜片会很快稳定并停下来。为什么？〖要点归纳〗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3〖多选〗位于光滑水平面的小车上水平固定一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v0水平穿入螺线管，并最终穿出，如图所示，在此过程中()A．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．小车先加速后减速规律方法电磁阻尼与电磁驱动的理解(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，都遵循楞次定律。(2)在电磁阻尼、电磁驱动现象中，安培力的作用效果都是阻碍相对运动，应注意电磁驱动阻碍的结果中，导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度。(3)在实际生活中，电磁驱动的应用很广，家庭中用的电能表、汽车上用的电磁式速度表以及感应电动机等，都是利用电磁驱动原理制成的。四、涡流在生产、生活中的应用涡流加热、无明火、无烟、无废气，但火力强劲，安全可靠，在生产生活中得到了广泛的应用。例4〖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，一手持式封口机如图所示，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，达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是()A．封口材料可用普通塑料来代替铝箔B．该封口机可用干电池作为电源以方便携带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

▁▃▅▇█参*考*答*案█▇▅▃▁〖自主学习〗知识点一电磁感应现象中的感生电场〖新知导入〗电磁感应现象中的感生电场是由变化的磁场激发产生的，静电场是由电荷激发产生的。〖小试牛刀〗1．√√√×2．〖答案〗A〖解析〗感生电场的方向从上向下看是顺时针的，假设在平行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应该是顺时针的，由右手螺旋定则可知，感应电流的磁场方向向下，根据楞次定律可知，原磁场有两种可能：原磁场方向向下且沿AB方向减弱或原磁场方向向上且沿BA方向增强。所以A正确。知识点二涡流〖新知导入〗铁块中有感应电流，它的形状像水中的旋涡。〖小试牛刀〗1．√√××2．〖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；涡流是变化的磁场在导体内产生的感应电流，所以玻璃杯中的水不会升温。故C项正确。知识点三电磁阻尼电磁驱动〖新知导入〗(1)图甲中下端放有闭合线圈的磁铁振动时除了受空气阻力外，还受到线圈的磁场阻力，所以很快停下来。(2)当蹄形磁铁顺时针转动时,线圈也顺时针转动；当蹄形磁铁逆时针转动时,线圈也逆时针转动。线圈内产生感应电流,线圈受到安培力的作用,安培力作为动力使线圈转动起来。〖小试牛刀〗1．√√√√2．〖答案〗D〖解析〗甲是铜线框，在下落过程中产生感应电流，所受的安培力阻碍它的下落，故所需的时间长；乙没有闭合回路，丙是塑料线框，都不会产生感应电流，它们做自由落体运动，故D正确。〖课堂探究〗探究1：导体中的自由电荷在感生电场作用下做定向运动，产生感应电流。例1〖答案〗B〖解析〗磁场的变化使空间内产生感生电场，由楞次定律知感生电场的方向为逆时针，带正电小球受到的电场力与运动方向相反，故小球速度减小，B正确。探究2：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，由于焊缝口的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升的很高，将金属熔化，焊接在一起。例2〖答案〗D〖解析〗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，D正确。探究3：当电磁铁被励磁之后，由于穿过运动的铜片的磁通量发生变化，铜片内将产生感应电流。根据楞次定律，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。因此，铜片的摆动便因受到阻力而迅速停止，这就是电磁阻尼作用的结果。例3〖答案〗BC〖解析〗磁铁水平穿入螺线管时，螺线管中将产生感应电流，由楞次定律可知，产生的感应电流将阻碍磁铁的运动；同理，磁铁穿出时，由楞次