人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學案：2 3 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE13渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動〖學習目標〗1.了解感生電場的概念，了解電子感應加速器的工作原理.2.理解渦流的產(chǎn)生原理，了解渦流在生產(chǎn)和生活中的應用.3.理解電磁阻尼和電磁驅(qū)動的原理，了解其在生產(chǎn)和生活中的應用．一、電磁感應現(xiàn)象中的感生電場1．感生電場麥克斯韋認為，磁場變化時會在空間激發(fā)一種電場，這種電場叫作感生電場．2．感生電動勢由感生電場產(chǎn)生的電動勢叫感生電動勢．3．電子感應加速器電子感應加速器是利用感生電場使電子加速的設備，當電磁鐵線圈中電流的大小、方向發(fā)生變化時，產(chǎn)生的感生電場使電子加速．二、渦流1．渦流：當線圈中的電流隨時間變化時，線圈附近的任何導體中都會產(chǎn)生感應電流，用圖表示這樣的感應電流，就像水中的漩渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流．2．金屬塊中的渦流會產(chǎn)生熱量，利用渦流產(chǎn)生的熱量可以冶煉金屬．三、電磁阻尼當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體的運動，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼．四、電磁驅(qū)動若磁場相對于導體轉(zhuǎn)動，在導體中會產(chǎn)生感應電流，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來，這種作用常常稱為電磁驅(qū)動．判斷下列說法的正誤．(1)只要磁場變化，即使沒有電路，在空間也將產(chǎn)生感生電場．(√)(2)處于變化磁場中的導體，其內(nèi)部自由電荷定向移動，是由于受到感生電場的作用．(√)(3)渦流跟其他感應電流一樣，都是因為穿過導體的磁通量變化而產(chǎn)生的．(√)(4)導體中有渦流時，導體沒有和其他元件組成閉合回路，故導體不會發(fā)熱．(×)(5)電磁阻尼和電磁驅(qū)動均遵循楞次定律．(√)(6)電磁阻尼發(fā)生的過程，存在機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化．(√)(7)電磁驅(qū)動中有感應電流產(chǎn)生，電磁阻尼中沒有感應電流產(chǎn)生．(×)一、電磁感應現(xiàn)象中的感生電場導學探究如圖1所示，B增強時，就會在空間激發(fā)一個感生電場E.如果E處空間存在閉合導體，導體中的自由電荷就會在電場力的作用下做定向移動，產(chǎn)生感應電流．圖1(1)感生電場的方向與感應電流的方向有什么關(guān)系？如何判斷感生電場的方向？(2)上述情況下，哪種作用扮演了非靜電力的角色？〖答案〗(1)感應電流的方向與正電荷定向移動的方向相同．感生電場的方向與正電荷受力的方向相同，因此，感生電場的方向與感應電流的方向相同，感生電場的方向可以用楞次定律來判定．(2)感生電場對自由電荷的作用．知識深化1．變化的磁場周圍產(chǎn)生感生電場，與閉合電路是否存在無關(guān)．如果在變化的磁場中放一個閉合電路，自由電荷在感生電場的作用下發(fā)生定向移動．2．感生電場可用電場線形象描述．感生電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的，而靜電場的電場線不閉合．3．感生電場的方向根據(jù)楞次定律用右手螺旋定則判斷，感生電動勢的大小由法拉第電磁感應定律E＝neq\f(ΔΦ,Δt)計算．(多選)某空間出現(xiàn)了如圖2所示的磁場，當磁感應強度變化時，在垂直于磁場的方向上會產(chǎn)生感生電場，有關(guān)磁感應強度的變化與感生電場方向的關(guān)系，下列描述正確的是()圖2A．當磁感應強度均勻增大時，感生電場的電場線從上向下看應為順時針方向B．當磁感應強度均勻增大時，感生電場的電場線從上向下看應為逆時針方向C．當磁感應強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應為順時針方向D．當磁感應強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應為逆時針方向〖答案〗AD〖解析〗感生電場中磁場的方向用楞次定律來判定，原磁場向上且磁感應強度在增大，在周圍有閉合導線的情況下，感應電流的磁場方向應與原磁場方向相反，即感應電流的磁場方向向下，再由右手螺旋定則知感應電流的方向即感生電場的方向從上向下看應為順時針方向；同理可知，原磁場方向向上且磁感應強度減小時，感生電場的方向從上向下看應為逆時針方向，所以A、D正確．閉合回路(可假定其存在)的感應電流方向就表示感生電場的方向．判斷思路如下：eq\x(假設存在垂直磁場方向的閉合回路)→eq\x(回路中的磁通量變化)eq\o(→,\s\up7(楞次定律),\s\do5(安培定則))eq\x(回路中感應電流的方向)→eq\x(感生電場的方向)二、渦流導學探究如圖3所示，線圈中的電流隨時間變化時，導體中有感應電流嗎？如果有，它的形狀像什么？圖3〖答案〗有．變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生感生電場，使導體中的自由電子發(fā)生定向移動，產(chǎn)生感應電流，它的形狀像水中的漩渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流．知識深化1．產(chǎn)生渦流的兩種情況(1)塊狀金屬放在變化的磁場中．(2)塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動．2．產(chǎn)生渦流時的能量轉(zhuǎn)化(1)金屬塊在變化的磁場中，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．(2)金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，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．3．渦流的應用與防止(1)應用：真空冶煉爐、探雷器、安檢門等．(2)防止：為了減小電動機、變壓器鐵芯上的渦流，常用電阻率較大的硅鋼做材料，而且用相互絕緣的硅鋼片疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯．(多選)高頻焊接原理示意圖如圖4所示，線圈通以高頻交變電流，金屬工件的焊縫中就產(chǎn)生大量焦耳熱，將焊縫熔化焊接，要使焊接處產(chǎn)生的熱量較大，可通過()圖4A．增大交變電流的電壓B．增大交變電流的頻率C．增大焊接縫的接觸電阻D．減小焊接縫的接觸電阻〖答案〗ABC〖解析〗增大交變電流的電壓和交變電流的頻率均可使電流的變化率增大，由E＝neq\f(ΔΦ,Δt)知，感應電動勢和渦流均增大，焊接處的發(fā)熱功率增大，若增大焊接縫的接觸電阻，則焊接處的電壓、功率分配就增大，產(chǎn)生的熱量就會增大，故A、B、C正確，D錯誤．針對訓練(多選)下列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．探雷器的線圈中要通變化著的電流C．變壓器的鐵芯不做成整塊，而是用許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表面有不導電的氧化層〖答案〗CD〖解析〗電磁爐是采用電磁感應原理，在金屬鍋上產(chǎn)生渦流，使鍋體發(fā)熱從而加熱食物的，屬于渦流的應用，故A錯誤；探雷器的線圈中有變化的電流，如果地下埋著金屬物品，金屬中會感應出渦流，使儀器報警，這屬于渦流的應用，故B錯誤；變壓器的鐵芯不做成整塊，而是用許多電阻率很大的硅鋼片疊合而成，是為了減小變壓器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的渦流，屬于渦流的防止，故C正確；變壓器的鐵芯每片硅鋼片表面有不導電的氧化層，是為了減小變壓器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的渦流，屬于渦流的防止，故D正確．三、電磁阻尼和電磁驅(qū)動導學探究彈簧上端固定，下端懸掛一個磁體．將磁體托起到某一高度后放開，磁體能上下振動較長時間才停下來．如果在磁體下端放一個固定的閉合線圈，使磁體上下振動時穿過它(如圖5所示)，磁體就會很快停下來，解釋這個現(xiàn)象．圖5〖答案〗當磁體穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產(chǎn)生感應電流，感應電流的磁場會阻礙磁體靠近或離開線圈，也就使磁體振動時除了受空氣阻力外，還要受到線圈的磁場阻力，克服阻力需要做的功較多，機械能損失較快，因而會很快停下來．知識深化電磁阻尼和電磁驅(qū)動的比較電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點成因由導體在磁場中運動形成的由磁場運動而形成的效果安培力方向與導體運動方向相反，為阻力安培力方向與導體運動方向相同，為動力能量轉(zhuǎn)化克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導體的機械能共同點兩者都是電磁感應現(xiàn)象，導體受到的安培力都是阻礙導體與磁場間的相對運動(2017·全國卷Ⅰ)掃描隧道顯微鏡(STM)可用來探測樣品表面原子尺度上的形貌．為了有效隔離外界振動對STM的擾動，在圓底盤周邊沿其徑向?qū)ΨQ地安裝若干對紫銅薄板，并施加磁場來快速衰減其微小振動，如圖6所示．無擾動時，按下列四種方案對紫銅薄板施加恒磁場；出現(xiàn)擾動后，對于紫銅薄板上下及左右振動的衰減最有效的方案是()圖6〖答案〗A〖解析〗感應電流產(chǎn)生的條件是閉合回路中的磁通量發(fā)生變化．在A圖中，系統(tǒng)振動時，紫銅薄板隨之上下及左右振動，都會使穿過紫銅薄板的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應電流，受到安培力，阻礙系統(tǒng)的振動，故A正確；在B、D圖中，只有紫銅薄板左右振動才產(chǎn)生感應電流，而上下振動無感應電流產(chǎn)生，故B、D錯誤；在C圖中，無論紫銅薄板上下振動還是左右振動，都不會產(chǎn)生感應電流，故C錯誤．如圖7所示，蹄形磁體和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉(zhuǎn)動．從上向下看，當蹄形磁體逆時針轉(zhuǎn)動時()圖7A．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁體相同B．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁體小C．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁體大D．線圈靜止不動〖答案〗B〖解析〗當蹄形磁體轉(zhuǎn)動時，線圈的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應電流，產(chǎn)生安培力，故線圈一定會轉(zhuǎn)動，由楞次定律可知，線圈將與磁體同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)速一定小于磁體的轉(zhuǎn)速，如兩者的轉(zhuǎn)速相同，磁感線與線圈處于相對靜止狀態(tài)，線圈不切割磁感線，無感應電流產(chǎn)生，B正確，A、C、D錯誤．電磁阻尼、電磁驅(qū)動都是楞次定律“阻礙”的體現(xiàn)．阻礙磁通量的變化，阻礙導體與磁場的相對運動．1.(感生電場)如圖8所示，在內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于圓環(huán)口徑的帶正電的小球，正以速率v0沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動．若在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應強度B隨時間成正比例增加的變化磁場，若運動過程中小球的帶電荷量不變，那么()圖8A．磁場力對小球一直做正功B．小球受到的磁場力不斷增大C．小球先沿逆時針方向做減速運動，過一段時間后，沿順時針方向做加速運動D．小球仍做勻速圓周運動〖答案〗C〖解析〗因為玻璃圓環(huán)所在處有均勻變化的磁場，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的感應電場，電場力對帶正電的小球做功，由楞次定律可判斷感生電場方向為順時針方向，在電場力作用下，小球先沿逆時針方向做減速運動，后沿順時針方向做加速運動，選項C正確，D錯誤；磁場力方向始終與小球做圓周運動的線速度方向垂直，所以磁場力對小球不做功，選項A錯誤；小球的速率先減小到零后增大，開始時B＝0，F(xiàn)＝0，小球速率為零時，F(xiàn)＝0，可知小球受到的磁場力不是不斷增大的，選項B錯誤．2．(渦流)(多選)(2020·江蘇蘇州期末)圖9中的四個圖都與渦流有關(guān)，下列說法正確的是()圖9A．真空冶煉爐是利用渦流來熔化金屬的裝置B．金屬探測器是利用被測金屬中產(chǎn)生的渦流來進行探測的C．電磁爐工作時在它的面板上產(chǎn)生渦流加熱食物D．變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊合而成是為了減小渦流〖答案〗ABD〖解析〗真空冶煉爐是利用線圈中的電流做周期性變化，在金屬中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生大量的熱量，熔化金屬的，故A正確；金屬探測器中通有變化的電流，遇到金屬物體時，被測金屬中產(chǎn)生渦流，渦流的磁場反過來影響探測器中的電流，從而進行探測，故B正確；電磁爐工作時，在鍋體中產(chǎn)生渦流，加熱食物，故C錯誤；當變壓器中的電流變化時，在其鐵芯中將產(chǎn)生渦流，使用硅鋼片制成的鐵芯可以減小渦流，從而減小能量損失，故D正確．3．(電磁阻尼)(2020·北京平谷二模)如圖10甲所示是一個電磁阻尼現(xiàn)象演示裝置，銅鋸條上端固定在支架上，下端固定有強磁鐵，將磁鐵推開一個角度釋放，它會在豎直面內(nèi)擺動較長時間；如圖乙所示，若在其正下方固定一銅塊(不與磁鐵接觸)，則擺動迅速停止．關(guān)于該實驗，以下分析與結(jié)論正確的是()圖10A．如果將磁鐵的磁極調(diào)換，重復實驗將不能觀察到電磁阻尼現(xiàn)象B．用閉合的銅制線圈替代銅塊，重復實驗將不能觀察到電磁阻尼現(xiàn)象C．在圖乙情況中，下擺和上擺過程中磁鐵和鋸條組成的系統(tǒng)機械能均減少D．在擺動過程中銅塊不受磁鐵的作用力〖答案〗C〖解析〗此實驗的原理是：當磁鐵在銅塊正上方擺動時，在銅塊中產(chǎn)生渦流，渦流的磁場阻礙磁鐵的運動，如果將磁鐵的磁極調(diào)換，重復實驗仍能觀察到電磁阻尼現(xiàn)象，選項A錯誤；用閉合的銅制線圈替代銅塊，仍能在線圈中產(chǎn)生感應電流，從而對磁鐵的運動產(chǎn)生阻礙作用，則重復實驗仍能觀察到電磁阻尼現(xiàn)象，選項B錯誤；在題圖乙情況中，磁鐵下擺和上擺過程中，銅塊均會產(chǎn)生渦流，從而消耗機械能，則磁鐵和鋸條組成的系統(tǒng)機械能均減少，選項C正確；在擺動過程中，銅塊對磁鐵有阻礙作用，同時銅塊也要受磁鐵的作用力，選項D錯