人教版(新教材)高中物理选择性必修2学案：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PAGEPAGE13涡流、电磁阻尼和电磁驱动〖学习目标〗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．一、电磁感应现象中的感生电场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，这种电场叫作感生电场．2．感生电动势由感生电场产生的电动势叫感生电动势．3．电子感应加速器电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备，当电磁铁线圈中电流的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速．二、涡流1．涡流：当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，用图表示这样的感应电流，就像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流．2．涡流大小的决定因素：磁场变化越快(eq\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．三、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．四、电磁驱动若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，这种作用常常称为电磁驱动．判断下列说法的正误．(1)只要磁场变化，即使没有电路，在空间也将产生感生电场．(√)(2)处于变化磁场中的导体，其内部自由电荷定向移动，是由于受到感生电场的作用．(√)(3)涡流跟其他感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的．(√)(4)导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热．(×)(5)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律．(√)(6)电磁阻尼发生的过程，存在机械能向内能的转化．(√)(7)电磁驱动中有感应电流产生，电磁阻尼中没有感应电流产生．(×)一、电磁感应现象中的感生电场导学探究如图1所示，B增强时，就会在空间激发一个感生电场E.如果E处空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流．图1(1)感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系？如何判断感生电场的方向？(2)上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？〖答案〗(1)感应电流的方向与正电荷定向移动的方向相同．感生电场的方向与正电荷受力的方向相同，因此，感生电场的方向与感应电流的方向相同，感生电场的方向可以用楞次定律来判定．(2)感生电场对自由电荷的作用．知识深化1．变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关．如果在变化的磁场中放一个闭合电路，自由电荷在感生电场的作用下发生定向移动．2．感生电场可用电场线形象描述．感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的，而静电场的电场线不闭合．3．感生电场的方向根据楞次定律用右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝neq\f(ΔΦ,Δt)计算．(多选)某空间出现了如图2所示的一组闭合的电场线，这可能是()图2A．沿AB方向的磁场在迅速减弱B．沿AB方向的磁场在迅速增强C．沿BA方向的磁场在迅速增强D．沿BA方向的磁场在迅速减弱〖答案〗AC闭合回路(可假定其存在)的感应电流方向就表示感生电场的方向．判断思路如下：eq\x(假设存在垂直磁场方向的闭合回路)→eq\x(回路中的磁通量变化)eq\o(→,\s\up7(楞次定律),\s\do5(安培定则))eq\x(回路中感应电流的方向)→eq\x(感生电场的方向)如图3甲所示，线圈总电阻r＝0.5Ω，匝数n＝10，其端点a、b与R＝1.5Ω的电阻相连，线圈内磁通量变化规律如图乙所示．下列关于a、b两点电势φa、φb的关系及两点电势差Uab的选项，正确的是()图3A．φa>φb，Uab＝1.5VB．φa<φb，Uab＝－1.5VC．φa<φb，Uab＝－0.5VD．φa>φb，Uab＝0.5V〖答案〗B〖解析〗从题图乙可知，线圈内的磁通量是增大的，根据楞次定律和右手螺旋定则可知，线圈中感应电流的方向为顺时针方向．在回路中，线圈相当于电源，由于电流的方向是顺时针方向，所以a相当于电源的负极，b相当于电源的正极，所以a点的电势低于b点的电势．根据法拉第电磁感应定律得：E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝10×eq\f(0.08,0.4)V＝2V，I＝eq\f(E,R总)＝eq\f(2,1.5＋0.5)A＝1A．a、b两点的电势差等于电路中的路端电压，所以Uab＝－1.5V，故B正确．二、涡流导学探究如图4所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？图4〖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，使导体中的自由电子发生定向移动，产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流．知识深化1．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．2．产生涡流时的能量转化(1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能．(2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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．涡流的应用与防止(1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等．(2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯．如图5所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上方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()图5A．恒定直流、小铁涡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，故A、B错误；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；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温，故C正确，D错误．针对训练(多选)下列哪些措施是为了防止涡流的危害()A．电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅B．探雷器的线圈中要通变化着的电流C．变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成D．变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层〖答案〗CD〖解析〗电磁炉是采用电磁感应原理，在金属锅上产生涡流，使锅体发热从而加热食物的，属于涡流的应用，故A错误；探雷器的线圈中有变化的电流，如果地下埋着金属物品，金属中会感应出涡流，使仪器报警，这属于涡流的应用，故B错误；变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止，故C正确；变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止，故D正确．三、电磁阻尼和电磁驱动导学探究弹簧上端固定，下端悬挂一个磁体．将磁体托起到某一高度后放开，磁体能上下振动较长时间才停下来．如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈，使磁体上下振动时穿过它(如图6所示)，磁体就会很快停下来，解释这个现象．图6〖答案〗当磁体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体靠近或离开线圈，也就使磁体振动时除了受空气阻力外，还要受到线圈的磁场阻力，克服阻力需要做的功较多，机械能损失较快，因而会很快停下来．知识深化电磁阻尼和电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动不同点成因由导体在磁场中运动形成的由磁场运动而形成的效果安培力方向与导体运动方向相反，为阻力安培力方向与导体运动方向相同，为动力能量转化克服安培力做功，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共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间的相对运动(2017·全国卷Ⅰ)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7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()图7〖答案〗A〖解析〗感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化．在A图中，系统振动时，紫铜薄板随之上下及左右振动，都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力，阻碍系统的振动，故A正确；在B、D图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流，而上下振动无感应电流产生，故B、D错误；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C错误．如图8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()图8A．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〖答案〗B〖解析〗当蹄形磁体转动时，线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电流，产生安培力，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，如两者的转速相同，磁感线与线圈处于相对静止状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，B正确，A、C、D错误．电磁阻尼、电磁驱动都是楞次定律“阻碍”的体现．阻碍磁通量的变化，阻碍导体与磁场的相对运动．1.(感生电场)如图9所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于圆环口径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动．若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，若运动过程中小球的带电荷量不变，那么()图9A．磁场力对小球一直做正功B．小球受到的磁场力不断增大C．小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动D．小球仍做匀速圆周运动〖答案〗C〖解析〗因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的感应电场，电场力对带正电的小球做功，由楞次定律可判断感生电场方向为顺时针方向，在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动，选项C正确，D错误；磁场力方向始终与小球做圆周运动的线速度方向垂直，所以磁场力对小球不做功，选项A错误；小球的速率先减小到零后增大，开始时B＝0，F＝0，小球速率为零时，F＝0，可知小球受到的磁场力不是不断增大的，选项B错误．2．(涡流)(多选)对变压器和电动机中的涡流的认识，下列说法正确的是()A．涡流会使铁芯温度升高，减少线圈绝缘材料的寿命B．涡流发热，要损耗额外的能量C．为了不产生涡流，变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯D．涡流产生于线圈中，对原电流起阻碍作用〖答案〗AB〖解析〗变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量，同时会减少线圈绝缘材料的寿命，选项A、B正确；变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻，减小涡流，而不是不产生涡流，选项C错误；涡流产生于铁芯中，对原电流无阻碍作用，选项D错误．3．(电磁阻尼)(多选)如图10所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法正确的是()图10A．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地稳定〖答案〗AD〖解析〗当指针摆动时，1随之转动，2是磁体，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动；总之不管1向哪个方向转动，2对1的效果总起到阻尼作用，所以它能使指针很快地稳定下来，选项A、D正确．4.(电磁驱动