第2章 第5节 涡流现象及其应用（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理选择性必修第二册（粤教版2019）

第五节　涡流现象及其应用 核心素养导学 物理观念 (1)了解涡流现象及涡流的热效应。 (2)了解电磁驱动和电磁阻尼的概念。 (3)了解涡流的磁效应及应用。 科学思维 通过涡流实例的分析，理解涡流在生产中的应用。 科学探究 探究磁场中涡流的机械效应，了解电磁阻尼和电磁驱动的原理。 一、涡流现象 涡流的热效应 1．涡流：由于电磁感应，在导体内部产生的感应电流，看起来就像水中的旋涡。 2．涡流现象：整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象。 3．涡流的热效应：高频感应炉、电磁炉等。 二、涡流的机械效应 涡流的磁效应 1．实验与探究 (1)实验装置：铝笼置于蹄形磁铁的两个磁极之间，铝笼可以绕支点自由转动。 (2)实验过程和结论：让磁铁转动，可以观察到铝笼也随之同向转动。 2．电磁驱动 (1)定义：当磁场相对于导体运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，安培力使导体运动起来的现象。 (2)应用：磁性式转速表。 3．电磁阻尼 (1)定义：当导体在磁场中运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，并且安培力总是阻碍导体的运动的现象。 (2)应用：磁电式电表指针转动时，铝框中产生涡流，由于电磁阻尼作用，铝框很快停止摆动。 4．涡流的磁效应 (1)概念：涡流产生磁场的现象。 (2)应用：金属探测器。 1.(1)块状金属在匀强磁场中运动时，能否产生涡流？ 提示：不能。块状金属在匀强磁场中运动时，穿过金属块的磁通量不变，所以金属块中不产生涡流。 (2)利用涡流加热时，为什么使用高频交流电源？ 提示：涡流就是感应电流，使用高频交流电源，能产生高频变化的磁场，磁场中导体内的磁通量的变化更迅速，产生的感应电流更大，加热效果更好。 2．磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，工作效应比靠摩擦力刹车更稳定，如图为该新型装置的原理图(从后面朝前看)：过山车的两侧装有铜片，停车区的轨道两侧装有强力磁铁，当过山车进入停车区时铜片与磁铁的相互作用能使过山车很快停下来。 这种刹车装置的原理是什么？ 提示：这种刹车装置是电磁阻尼的一种应用。 3.如图是用涡电流金属探测器探测地下金属物的示意图。判断下列说法的正误。 (1)探测器内的探测线圈会产生交变磁场。(√) (2)探测器只能探测到有磁性的金属物。(×) (3)探测器能探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡电流。(×) 新知学习(一) [重点释解] 1．涡流的本质：电磁感应现象。 2．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。 3．产生涡流时的能量转化 伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能。 (1)金属块放在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能。 (2)如果是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。 [典例体验] [典例]　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，假设滑动的时间足够长，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．mv2 C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2 [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＋mv2，末状态机械能E2＝mga，焦耳热Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋mv2，D正确。 [答案]　D [拓展]　对应[典例]中的情境，若虚线下方的磁场为非匀强磁场，则金属块在曲面上滑动时产生的焦耳热总量是多少？ [解析]　由于虚线下方的磁场为非匀强磁场，则金属块最终停止于最低点O处，由能量守恒定律可知，产生的焦耳热总量Q＝mgb＋mv2。 [答案]　mgb＋mv2 /方法技巧/ (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，金属块内部有涡流产生，金属块的机械能仍转化为电能。　 　　 [针对训练] 1.某手持式考试金属探测器如图所示，它能检查出考生违规携带的电子通信储存设备。工作时，探测环中的发射线圈通以正弦式电流，附近的被测金属物中产生感应电流，感应电流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流，使探测器发出警报。则(　 ) A．被测金属物中产生的是恒定电流 B．被测金属物中产生的是交变电流 C．探测器与被测金属物相对静止时不能发出警报 D．违规携带的手机只有发出通信信号时才会被探测到 解析：选B　工作中的探测器靠近金属物体时，在金属物体中就会产生涡流