高中物理-渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)教案

1、4.7 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)一學(xué)問(wèn)與技能1知道渦流是如何產(chǎn)生的；2知道渦流對(duì)我們有不利和有利的兩方面,以及如何利用和防止 3知道電磁阻尼 和電磁驅(qū)動(dòng)；二過(guò)程 與方法 培育同學(xué)客觀、全面地熟悉事物的科學(xué)態(tài)度；三情感、態(tài)度與價(jià)值觀 培育同學(xué)用辯證唯物主義的觀點(diǎn)熟悉問(wèn)題；教學(xué) 1渦流的概念及其應(yīng)用；2電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析；教學(xué)難點(diǎn) 電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析；教學(xué)方法 通過(guò)演示試驗(yàn),引導(dǎo)同學(xué)觀看現(xiàn)象、分析試驗(yàn) 新課導(dǎo)學(xué)一渦流定義塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中,或讓它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),金屬塊內(nèi)有感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生,從而形成閉合回路,這時(shí)感生電場(chǎng)力可以在整塊金屬內(nèi)部引起閉合 做渦電流；“ 渦電流” 簡(jiǎn)稱渦

2、流；二渦流的熱效應(yīng)渦旋狀的感應(yīng)電流,所以叫當(dāng)變壓器的線圈中通過(guò)交變電流時(shí),在鐵芯內(nèi)部有變化的磁場(chǎng),因而產(chǎn)生感 生電場(chǎng),引起渦流；渦流在通過(guò)電阻時(shí)也要放出焦耳熱；1應(yīng)用：利用的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱的方法稱為感應(yīng)加熱；而渦流的大小和磁通量變化率成正比,磁場(chǎng)變化的頻率越高,導(dǎo)體里的渦流也越大；實(shí)際上 如：A高頻焊接：,一般使用高頻溝通電激發(fā)渦流；線圈中通以高頻溝通電時(shí),待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流渦電流；由于焊縫 處的接觸電阻很大,放出的焦耳熱很多,致使溫度升得很高,將金屬熔化,焊接在一起；我 國(guó)產(chǎn)生的自行車架就是用這種方法焊接的；B高頻感應(yīng)爐專心愛心專心1 高頻感應(yīng)爐利用渦流來(lái)熔化金屬；圖是冶煉金屬

3、的感應(yīng)爐的示意圖冶煉鍋內(nèi)裝入被冶煉的金屬, 線圈通上高頻交變電流,這時(shí)被冶煉的金屬中就產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流,從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化 這種冶煉方法速度快,屬中,因此適于冶煉特種合金和特種鋼三渦流的磁效應(yīng)1電磁阻尼現(xiàn)象：溫度簡(jiǎn)單掌握, 并能防止有害雜質(zhì)混入被冶煉的金把銅板做成的擺放到電磁鐵的磁場(chǎng)中,當(dāng)電磁鐵未通電時(shí),擺要往復(fù)多次,擺才能停止下來(lái)假如電磁鐵通電,磁場(chǎng)在搖擺的銅板中產(chǎn)生渦流；渦流受磁場(chǎng)作用力的方向與搖擺方向相反,因而增大了擺的阻尼,擺很快就能停止下來(lái)；這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼；2應(yīng)用：電磁外表中的電磁阻尼器就是依據(jù)渦流磁效應(yīng)制作的,在磁電式測(cè)量外表中,常把使指針偏轉(zhuǎn)的線圈繞在閉合鋁框上,當(dāng)測(cè)

4、量電流流過(guò)線圈時(shí),鋁框隨線圈指針一起在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng), 這時(shí)鋁框內(nèi)產(chǎn)生的渦流將受到磁場(chǎng)作用力,抑止指針的搖擺,使指針較快地穩(wěn)固在指示位置上；此外,電氣機(jī)車的電磁制動(dòng)器也是依據(jù)這一效應(yīng)制作的； 四 渦流的機(jī)械效應(yīng)-電磁驅(qū)動(dòng)在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)導(dǎo)體一起 運(yùn)動(dòng),這種作用稱為“ 電 磁驅(qū)動(dòng)” 作用；當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),依據(jù)楞次定律此時(shí)在圓盤上將產(chǎn)生渦流,受到磁場(chǎng)的作用力將產(chǎn)生一個(gè)促使金屬圓盤按磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩；但是假如圓盤的轉(zhuǎn)速到達(dá)了與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速一樣,就兩者的相對(duì)速度為零, 感應(yīng)電流便不會(huì)產(chǎn)生,這時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)作用便消逝；所以在電磁驅(qū)動(dòng)作用下,金屬圓盤的轉(zhuǎn)速總要比磁鐵或磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速小,或者說(shuō)兩者的轉(zhuǎn)速總是異步的；

5、感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)就是依據(jù)這個(gè)原理制成的；電磁驅(qū)動(dòng)作用可用來(lái)制造測(cè)量轉(zhuǎn)速的電表,這類轉(zhuǎn)速表常稱為磁性式轉(zhuǎn)速表； 用磁性式轉(zhuǎn)速表測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí),將被測(cè)機(jī)器的轉(zhuǎn)軸通過(guò)連接器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)速表中的 永久磁鐵的轉(zhuǎn)軸相連,永久磁鐵一般是由一 塊充以四個(gè)極的磁鋼制成,這便形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)； 在永久磁鐵的上方有一個(gè)金屬圓盤,稱為感應(yīng)片； 感應(yīng)片與永久磁鐵間有很小的氣隙,兩者互不接觸；當(dāng)永久磁鐵隨著機(jī)器的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),感應(yīng)片上將產(chǎn)生渦流；這渦流又將受到這旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用力,結(jié)果感應(yīng)片被驅(qū)動(dòng),從而沿永久磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)；感應(yīng)片的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)與感應(yīng)片轉(zhuǎn)軸相連的彈簧,將其扭緊,從而產(chǎn)生彈性復(fù)原轉(zhuǎn)矩；最終, 當(dāng)感應(yīng)片轉(zhuǎn)過(guò)肯定的

6、角度, 由電磁驅(qū)動(dòng)作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩剛巧與彈性復(fù)原的轉(zhuǎn)矩抵消時(shí),便到達(dá)一個(gè)暫專心 愛心 專心 2 時(shí)平穩(wěn)狀態(tài)； 由機(jī)器帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的永久磁鐵轉(zhuǎn)速越快,感應(yīng)片受到的電磁驅(qū)動(dòng)作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩越大,因而指針的偏轉(zhuǎn)角度就越大；這樣,便可通過(guò)指針的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)顯示機(jī)器的轉(zhuǎn)速；【例題解析】【例題 1】用絲線懸掛閉合金屬環(huán),懸于O 點(diǎn),虛線左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng),右邊沒有磁場(chǎng)；會(huì)金屬環(huán)的搖擺會(huì)很快停下來(lái)；試說(shuō)明這一現(xiàn)象；假設(shè)整個(gè)空間都有向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),有這種現(xiàn)象嗎？分析： 只有左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng),金屬環(huán)在穿越磁場(chǎng)邊界時(shí),由于磁通量發(fā)生變化,有感應(yīng)電流產(chǎn)生,于是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng),搖擺很快停下來(lái),這就是電磁阻尼現(xiàn)象；空間都有勻強(qiáng)磁場(chǎng),穿

7、過(guò)金屬環(huán)的磁通量反而不變化了,因此不產(chǎn)生感應(yīng)電流,不會(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)；【同類變式】 如下圖,掛在彈簧下端的條形磁鐵在閉合線圈內(nèi)振動(dòng),假如空氣阻力不計(jì),就：A磁鐵的振幅不變B磁鐵做阻尼振動(dòng)C線圈中有逐步變?nèi)醯闹绷麟奃線圈中逐步變?nèi)醯臏贤姟纠} 2】如下圖, abcd 是一閉合的小金屬線框,用一根絕緣的細(xì)桿掛在固定點(diǎn) O,使金屬線框在豎直平面內(nèi)來(lái)回?fù)u擺的過(guò)程穿過(guò)水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,磁感線方向跟線框平面垂直,假設(shè)懸點(diǎn)摩擦和空氣阻力不計(jì),就 A. 線框進(jìn)入或離開磁場(chǎng)區(qū)域時(shí),都產(chǎn)生感應(yīng)電流,而且電流的方向相反B.線框進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域后,流也越大越靠近 OO 線時(shí)速度越大, 因而產(chǎn)生的感應(yīng)電C.線框開頭搖

8、擺后, 擺角會(huì)越來(lái)越小, 擺角小到某一值后將不再減小 D.線框搖擺過(guò)程中,機(jī)械能完全轉(zhuǎn)化為線框電路中的電能【解析】線框在進(jìn)入和離開磁場(chǎng)的過(guò)程中磁通量才會(huì)變化,也可以看做其部分在切割磁感線,因此有感應(yīng)電流,且由楞次定律或右手定就可確定進(jìn)入和離開磁場(chǎng)時(shí)感應(yīng)電流方向是相反的,故 A 項(xiàng)正確；當(dāng)線圈整體都進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后,磁通量就保持不變了,此段過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,故B 錯(cuò)誤,但提示一下的是此時(shí)仍是有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的假如是非勻強(qiáng)磁場(chǎng),就又另當(dāng)別論了；當(dāng)線框在進(jìn)入和離開磁場(chǎng)的過(guò)程中會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生,就回路中有機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,專心愛心專心3 或者說(shuō)當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做相對(duì)磁場(chǎng)的切割運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的同時(shí),肯

9、定會(huì)有安培 “ 阻力 ”阻礙其相對(duì)運(yùn)動(dòng), 故線框的擺角會(huì)減小,但當(dāng)線框最終整體都進(jìn)入磁場(chǎng)中后,并只在磁場(chǎng)中搖擺時(shí),沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生,就機(jī)械能保持守恒,擺角就不會(huì)再變化,故 C 項(xiàng)正確,而 D項(xiàng)錯(cuò)誤 .綜上所述,正確答案是 AC 穩(wěn)固練習(xí)1. 以下哪些措施是為了防止渦流的危害A、電磁爐所用的鍋要用平厚底金屬鍋B、磁電式電表的線圈經(jīng)常用鋁框做骨架,把線圈繞在鋁框上C、變壓器的鐵芯不做成整塊,而是用很多電阻率很大的硅鋼片疊合 而成 D、變壓器的鐵芯每片硅鋼片外表有不導(dǎo)電的氧化層2如下圖,水平方向的磁場(chǎng)垂直于光滑曲面,閉合小金屬環(huán)從高 h 的曲面上端無(wú)初速滑下,又沿曲面的另一側(cè)上升,就 A假設(shè)是勻強(qiáng)磁

10、場(chǎng),環(huán)在左側(cè)上升的高度小于 h B假設(shè)是勻強(qiáng)磁場(chǎng),環(huán)在左側(cè)上升的高度大于 h C假設(shè)是非勻強(qiáng)磁場(chǎng),環(huán)在左側(cè)上上升度等于 h D假設(shè)是非勻強(qiáng)磁場(chǎng),環(huán)在左側(cè)上升的高度小于 h 3.如下圖, 是稱為阻尼擺的示意圖在輕質(zhì)桿上固定一金屬薄片,輕質(zhì)桿可繞上端 O 為軸在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),一水平磁場(chǎng)穿過(guò)金屬薄片當(dāng)薄片是一整塊時(shí)和開有很多槽時(shí) 如虛線所示,使它們都從偏離豎直方向的同一位置釋放,兩者搖擺情形有何不同？為什么？4光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線,如下圖,拋物線的方程是 y=x 2,下半部處在一個(gè)水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁 場(chǎng)的上邊界是 y=a 的直線圖中的虛線所示.一個(gè)小金屬塊從拋物線上 y=bba處以速度 v 沿拋物線下滑 .假設(shè)拋物線足夠長(zhǎng),金屬塊沿拋物線下滑后產(chǎn)生的焦耳熱總量是多少 . 5.地球是一個(gè)龐大的磁體,具有金屬外殼的人造地球衛(wèi)星圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),假設(shè)不能忽視所經(jīng)之處地磁場(chǎng)的強(qiáng)弱差異,就 A. 運(yùn)行速率將越來(lái)越小 B運(yùn)行周期將越來(lái)越小C. 軌道半徑將越來(lái)越小D向心加速度將越來(lái)越小6、如下圖, A、 B 為大小、外形均相同且內(nèi)壁光滑,但用不同材料制成的圓管,豎直固定在相同高度；兩個(gè)相同的磁性小球,同時(shí)從A、B 管上端的管口無(wú)初速釋放,穿過(guò)A 管比B 4 穿過(guò) B 管的小球先落到地面；下面對(duì)于兩管的描述這可能正確的選項(xiàng)是：A 、A 管是用塑料制成的,B