物理人教版高中選擇性必修二（2019年新編）2-3渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動 課件

第3節(jié)渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動第二章電磁感應(yīng)知識點電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場感生電場：磁場變化時會在空間激發(fā)一種電場，我們把這種電場叫感生電場。磁場變化時閉合電路中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，感生電場對自由電荷的作用“扮演”了非靜電力的角色。1新知探究知識點電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場感生電場的方向判斷1新知探究知識點電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場感生電動勢：感生電場使導(dǎo)體中產(chǎn)生的電動勢叫感生電動勢。產(chǎn)生感生電動勢的導(dǎo)體在電路中的作用是充當(dāng)電源，其電路就是內(nèi)電路，它與外電路連接就對會外電路供電。1新知探究知識點渦流定義當(dāng)線圈中的電流隨時間變化時，線圈附近的任何導(dǎo)體中都會產(chǎn)生感應(yīng)電流．電流在導(dǎo)體內(nèi)自成閉合回路，很像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡稱渦流．2新知探究知識點渦流渦流產(chǎn)生的條件渦流的本質(zhì)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，渦流產(chǎn)生的條件是穿過導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，并且導(dǎo)體本身可自行構(gòu)成閉合回路．同時，因為整個導(dǎo)體回路的電阻一般很小，所以感應(yīng)電流很大，就像水中的旋渦．2新知探究知識點渦流可以產(chǎn)生渦流的兩種情況(1)把塊狀金屬放在變化的磁場中．(2)讓塊狀金屬進(jìn)出磁場或在非勻強磁場中運動．2新知探究知識點渦流渦流的特點當(dāng)電流在金屬塊內(nèi)自成閉合回路時(產(chǎn)生渦流時)，由于整塊金屬的電阻很小，故渦流往往很強，根據(jù)公式P＝I2R知，熱功率的大小與電流的平方成正比，故金屬塊的發(fā)熱功率很大．2新知探究知識點渦流能量轉(zhuǎn)化伴隨著渦流現(xiàn)象，其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．如果金屬塊放在了變化的磁場中，則磁場能轉(zhuǎn)化為電能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；如果金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強磁場中運動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．2新知探究知識點渦流渦流的危害、防止及利用(1)渦流的危害在各種電機、變壓器中，渦流是非常有害的．首先它會使鐵芯的溫度升高，從而危及線圈絕緣材料的壽命，嚴(yán)重時會使材料報廢；其次渦流發(fā)熱要消耗額外的能量，使電機、變壓器的效率降低．2新知探究知識點渦流渦流的危害、防止及利用(2)渦流的防止為了減少渦流，變壓器、電機里的鐵芯不是由整塊的鋼鐵制成的，而是用薄薄的硅鋼片疊合而成的．一方面硅鋼片的電阻率比一般鋼鐵的要大，從而減少損耗；另一方面，每層硅鋼片之間都是絕緣的，阻斷了渦流的通路，進(jìn)一步減小了渦流的發(fā)熱．計算表明：渦流的損耗與硅片的厚度的平方成正比．2新知探究知識點渦流(3)渦流的利用用來冶煉合金的真空冶煉爐，爐外有線圈，線圈中通入反復(fù)變化的電流，爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的熱量使金屬熔化并達(dá)到很高的溫度．利用渦流冶煉金屬的優(yōu)點是整個過程能在真空中進(jìn)行，這樣就能防止空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入金屬，可以冶煉高質(zhì)量的合金．為了增大渦流，達(dá)到快速熔化金屬的目的，在線圈中通入高頻交變電流，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電流變化快，得到的感應(yīng)電動勢就大，渦流就強．家用電磁爐也是利用渦流工作的．2新知探究知識點渦流2新知探究知識點渦流對渦流現(xiàn)象的進(jìn)一步理解(1)可以產(chǎn)生渦流的兩種情況①把塊狀金屬放在變化的磁場中。②讓塊狀金屬進(jìn)出磁場或在非勻強磁場中運動。2新知探究知識點渦流對渦流現(xiàn)象的進(jìn)一步理解(2)能量轉(zhuǎn)化伴隨著渦流現(xiàn)象,其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。如果金屬塊放在了變化的磁場中,則磁場能轉(zhuǎn)化為電能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;如果是金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強磁場中運動,則由于克服安培力做功,金屬的機械能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2新知探究知識點渦流例如:如圖所示,在O點正下方有一個具有理想邊界的磁場,銅球在A點由靜止釋放向右擺至最高點B。不考慮空氣阻力,銅球也回不到原來的高度,即A點一定高于B點,這是什么原因呢?銅球由A點運動至B點的過程中,在穿進(jìn)穿出磁場兩個階段銅球中產(chǎn)生渦流,將銅球的一部分機械能轉(zhuǎn)化為電能,最終產(chǎn)生了焦耳熱,所以銅球的機械能減小,也就回不到原來的高度了。2新知探究知識點渦流【例題1】如圖所示,在勻強磁場中,金屬球從曲面上h高處滾下,又沿曲面的另一側(cè)上升。設(shè)球的初速度為零,摩擦不計,則金屬球在另一側(cè)滾上的高度(選填“大于”“小于”或“等于”)h。

2新知探究知識點渦流點撥:渦流的產(chǎn)生條件有兩個,一是穿過金屬球的磁通量發(fā)生變化,二是金屬球必須是自行組成閉合的回路。解析:由于金屬球處于勻強磁場中,在從一側(cè)滾上另一側(cè)的過程中,穿過金屬球的磁通量沒發(fā)生變化,所以金屬球內(nèi)無渦流產(chǎn)生,也就沒有機械能的損失,在另一側(cè)就能滾上原來的高度。答案:等于2新知探究知識點渦流2新知探究題后反思渦流的本質(zhì)是感應(yīng)電流,緊扣感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件是解決這類問題的關(guān)鍵。觸類旁通例題1中若金屬球處于非勻強磁場中,結(jié)論又會怎樣?答案:小于。因為此時滾動過程中穿過金屬球的磁通量發(fā)生變化,金屬球內(nèi)有渦流產(chǎn)生,最終轉(zhuǎn)化為金屬球的焦耳熱。即金屬球的機械能有損失,所以在另一側(cè)就滾不上原來的高度。知識點電磁阻尼定義閉合回路的部分導(dǎo)體在做切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流時，導(dǎo)體在磁場中就要受到磁場力的作用，根據(jù)楞次定律，磁場力總是阻礙導(dǎo)體的運動，這就是電磁阻尼．3新知探究知識點電磁阻尼應(yīng)用電磁阻尼有不少應(yīng)用．例如：使用磁電式電表進(jìn)行測量時，總希望指針擺到所示值的位置時便迅速地穩(wěn)定下來，以便讀數(shù)．由于指針轉(zhuǎn)軸的摩擦力矩很小，若不采取其他措施，線圈及指針將會在所示值附近來回擺動，不易穩(wěn)定下來．為此，許多電表把線圈繞在閉合的鋁框上，當(dāng)線圈擺動時，在閉合的鋁框中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得電磁阻尼力矩，以使線圈迅速穩(wěn)定在所示值的位置．電氣列車中的電磁制動器也是根據(jù)電磁阻尼這一道理制成的．3新知探究知識點電磁阻尼【例題2】如圖所示,彈簧上端固定,下端掛一只條形磁鐵,使磁鐵上下振動,磁鐵的振動幅度不變。若在振動過程中把線圈靠近磁鐵,觀察磁鐵的振幅將會發(fā)現(xiàn)()A.S閉合時振幅逐漸減小,S斷開時振幅不變B.S閉合時振幅逐漸增大,S斷開時振幅不變C.S閉合或斷開,振幅變化相同D.S閉合或斷開,振幅都不發(fā)生變化3新知探究知識點電磁阻尼點撥:產(chǎn)生感應(yīng)電流的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程。解析:S斷開時,磁鐵振動穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,線圈中無感應(yīng)電流,振幅不變;S閉合時有感應(yīng)電流,有電能產(chǎn)生,磁鐵的機械能越來越小,振幅逐漸減小,選項A正確。答案:A題后反思渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動其實都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,產(chǎn)生的電流都是感應(yīng)電流,根據(jù)楞次定律可知,阻礙的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程。3新知探究知識點電磁驅(qū)動定義磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運動起來，這種作用稱為電磁驅(qū)動．應(yīng)用交流感應(yīng)電動機．4新知探究知識點電磁驅(qū)動電磁驅(qū)動的形成原因如圖，當(dāng)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量就發(fā)生變化，例如線圈處于如圖所示的初始狀態(tài)時，穿過線圈的磁通量為零，當(dāng)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量就增加了，根據(jù)楞次定律，此時線圈中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，以阻礙磁通量的增加，因而線圈在安培力作用下會跟著一起轉(zhuǎn)動起來．4新知探究知識點電磁驅(qū)動【例題3】如圖所示,兩個相同的輕質(zhì)鋁環(huán)套在一根水平光滑絕緣桿上,當(dāng)一條形磁鐵向左運動靠近兩環(huán)時,兩環(huán)的運動情況是()A.同時向左運動,間距變大B.同時向左運動,間距變小C.同時向右運動,間距變小D.同時向右運動,間距變大4新知探究知識點電磁驅(qū)動解析:本題考查了楞次定律和電磁驅(qū)動現(xiàn)象。當(dāng)條形磁鐵向左運動靠近兩環(huán)時,將使穿過兩環(huán)中的磁通量都增加,根據(jù)楞次定律,兩環(huán)的運動都要阻礙磁鐵相對環(huán)的運動,即阻礙“靠近”,那么兩環(huán)都向左運動。又由于兩環(huán)中的感應(yīng)電流方向相同,兩平行的同向電流間有相互吸引的磁場力,因而兩環(huán)間的距離要減小,故B選項正確。答案:B題后反思從導(dǎo)體和磁體相對運動的角度來看,感應(yīng)電流總要阻礙它們的相對運動,用這種方法來判斷產(chǎn)生感應(yīng)電流的導(dǎo)體的運動方向比較簡單。4新知探究知識點電磁驅(qū)動4新知探究楞次定律的一種理解是阻礙相對運動，從而阻礙磁通量的增加，磁鐵轉(zhuǎn)動時，相對于線圈轉(zhuǎn)動，所以線圈也同方向轉(zhuǎn)動，從而“阻礙”這種相對運動，電磁驅(qū)動也可以用楞次定律來解釋．名師指點電磁阻尼與電磁驅(qū)動的比較電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點成因由于導(dǎo)體在磁場中運動而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力由于磁場運動引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力效果安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相反，阻礙物體運動導(dǎo)體受安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相同，推動導(dǎo)體運動能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)體克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能由于電磁感應(yīng)，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機械能，從而對外做功相同點兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都遵循楞次定律，都是安培力阻礙引起感應(yīng)電流的導(dǎo)體與磁場間的相對運動名師指點電磁阻尼與電磁驅(qū)動的比較(1)電磁阻尼、電磁驅(qū)動都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都遵循楞次定律；(2)電磁阻尼、電磁驅(qū)動現(xiàn)象中安培力的作用效果都是阻礙相對運動，應(yīng)注意電磁驅(qū)動中阻礙的結(jié)果，導(dǎo)體的運動速度仍要小于磁場的運動速度.1．在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實驗中，可拆變壓器如圖所示。為了減小渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量，鐵芯是由相互絕緣的硅鋼片平行疊成。硅鋼片應(yīng)平行于______。A．平面abcd B．平面abfe C．平面abgh D．平面aehd課堂訓(xùn)練【答案】D【詳解】變壓器的正視圖如圖：所以要減小渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量，硅鋼片應(yīng)平行于平面aehd。故選D。課堂訓(xùn)練2．高頻焊接原理示意圖如圖所示，線圈通以高頻交流電，金屬工件的焊縫中就產(chǎn)生大量焦耳熱，將焊縫融化焊接，要使焊接處產(chǎn)生的熱量較大，下列措施不可采用是（）A．減小焊接縫的接觸電阻B．增大焊接縫的接觸電阻C．增大交變電流的電壓D．增大交變電流的頻率課堂訓(xùn)練【答案】A【詳解】AB．增大電阻，在相同電流下，焊縫處熱功率大，溫度升的很高，故B正確，不符合題意，A錯誤，符合題意。C．當(dāng)增大交變電流的電壓，線圈中交流電流增大，則磁通量變化率增大，因此產(chǎn)生感應(yīng)電動勢增大，感應(yīng)電流也增大，所以焊接時產(chǎn)生的熱量也增大，故C正確，不符合題意；課堂訓(xùn)練【答案】A【詳解】D．高頻焊接利用高頻交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場，在焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律分析可知，電流變化的頻率越高，磁通量變化頻率越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大，感應(yīng)電流越大，焊縫處的溫度升高的越快，故D正確，不符合題意。故選A。課堂訓(xùn)練3．如圖所示，磁電式電流表的線圈常用鋁框作骨架，把線圈繞在鋁框上，鋁框的兩端裝有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸的兩邊各有一個螺旋彈簧（繞制方向相反），關(guān)于磁電式電流表下列說法正確的是（）A．線圈通電后，由于螺旋彈簧的彈力作用，可以使指針盡快穩(wěn)定下來B．線圈通電后，由于鋁框中的電磁阻尼作用，可以使指針盡快穩(wěn)定下來C．線圈骨架換成塑料，通電后也可以使指針盡快穩(wěn)定下來D．在運輸時要把正負(fù)接線柱用導(dǎo)線連在一起，主要是為了增強鋁框中的電磁阻尼作用課堂訓(xùn)練【答案】B【詳解】AB．常用鋁框做骨架，當(dāng)線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)致鋁框的磁通量變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，出現(xiàn)安培阻力，使其很快停止擺動，利用了鋁框的電磁阻尼作用，故A錯誤，B正確；C．塑料做骨架因不能導(dǎo)電則達(dá)不到電磁阻尼的作用，故C錯誤；D．在運輸時要把正負(fù)接線柱用導(dǎo)線連在一起，是接通回路能產(chǎn)生鋁框中的電磁阻尼作用，而不能增強，故D錯誤；故選B。課堂訓(xùn)練4．如圖所示，蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉(zhuǎn)動。從上向下看，當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，則（）A．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速