2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动-第一课时-涡流-【物理优课PPT】高中物理选择性必修第二册同步PPT课件（人教版2019）

人教版（2019） 高中物理 选择性必修第二册 第二章：电磁感应 授课老师：物理优课PPT Vortex, electromagnetic damping and electromagnetic drive 新课引入 升温快 热效率高 无明火 无烟尘 无有害气体 对周围环境不产生热辐射 体积小巧 安全性好 …… 电磁炉优点 但是电磁炉工作时，它的盘面并不发热，上面放置的铁锅会发热，这是为什么? 学习目标 1 了解感生电场，知道感生电动势产生的原因。会判断感生电动势的方向，并会计算它的大小。 2 通过实验了解涡流现象，知道涡流是怎样产生的，了解涡流现象的利用和危害。 4 了解电磁阻尼和电磁驱动。 3 通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生产生活中的应用。 复习与回顾：电源 + + + - - - + + + + + + + + + 非静电力 每一种电动势都对应有一种非静电力 这种转化的本领用电动势来描述 非静电 力做功 其它形式的能 电能 电流的方向在电源内部由负极→正极 干电池：化学作用 非静电力 复习与回顾：哪部分相当于电源？ 部分导体切割磁感线 动生电动势 由导体运动引起的电动势： 开关闭合（断开）,或改变滑片的位置 感生电动势 由磁场变化引起的电动势： 导体棒AB相当于电源 线圈B相当于电源 想一想：上下两种情况下，哪一种作用扮演了非静电力的角色？ 1.电磁感应现象中的感生磁场 2.涡 流 3.课后练习 新课引入 穿过闭合回路磁通量发生了变化，回路中产生感应电动势。产生感应电动势那部分导体相当于电源 磁场变强 思考：如图所示，一个闭合电路静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，闭合电路内产生了感应电动势。这种情况下，哪一种作用扮演了非静电力的角色？ 新课引入 I 如图所示，闭合导体环处于磁场越来越强的磁场中，环的半径为R，磁感应强度的变化率为△B/△t. - - - - - - - - B E感 B感 导体环中的感应电流的方向？ 导体中自由电子做怎样的定向移动？ 是什么作用使自由电子做定向移动？ 感生电场 由变化的磁场激发； 电场线呈闭合状，形同漩涡，叫涡旋电场； 涡旋面与磁场方向垂直； 与感应磁场方向满足右手螺旋。 新课引入 如图所示，开口导体环处于磁场越来越强的磁场中，环的半径为R，磁感应强度的变化率为△B/△t. - - - - - - - + - 环中的自由电荷还会定向移动吗？将在哪一端聚集？哪一端相当于电源的正极？ 感生电动势大小的计算： 如果环有个小缺口而不闭合有感生电场吗？ E感 新课引入 E感 一 一 一 一 一 一 一 一 一 B原 思考2：如果是塑料环，有感应电流吗？ 有感应电动势吗？有感生电场吗？ 无感应电流，无感应电动势，有感生电场。 思考1：没有导体，有感生电场吗？导体有何作用？ 有感生电场，导体提供了自由电荷。 电磁感应现象中的感生磁场 (1) 定义：变化的磁场在周围空间激发的电场叫感生电场(涡旋电场)。 (3) 电场线：是闭合的曲线。 1.感生电场 (2) 方向：就是感生电流的方向，用楞次定律判断。 2.感生电动势： (1) 定义：由感生电场产生的感应电动势。 (2) 感生电动势大小： 感生电场对自由电荷的作用 非静电力 电磁感应现象中的感生磁场 感生电场：变化的磁场在周围空间激发的电场叫感生电场(涡旋电场) 感生电场 感生电场力 感生电动势 （非静电力） 电磁感应现象中的感生磁场 楞次定律+右手螺旋定则 假定一个闭合回路 回路磁通量的变化 线圈感应电流方向 判断感生电场方向 楞次定律 安培定则 思考：电场是有方向的，如何判断感生电场（感生电动势）的方向呢？ （感生电场与感应电流的同向） 感生电场和静电场的区别 静电场 E0 感生电场 Ek 起源 由静止电荷激发 由变化的磁场激发 电场线形状 电场线为非闭合曲线 电场线为闭合曲线 Ek 静电场为有源场 感生电场为无源场 共性：具有场物质形式的所有共性；均对电荷有力的作用，且场强定义相同；在导体中，感生电场可引起电荷的积累从而建立静电场。 应用实例：电子感应加速器 思考：当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，电流的大小应该怎样变化才能使电子沿图示方向加速运动？（俯视图） 应用实例：电子感应加速器 穿过真空室内磁场的方向？ 由图知电子沿什么方向运动？ 要使电子沿此方向加速，感生电场的方向如何？ 由感生电场引起的磁场方向如何？ 竖直向上 逆时针 顺时针 向下 原磁场在增强，即电流在增大。 应用实例：电子感应加速器 它的柱形电磁铁在两极间产生磁场。在磁场中安置一个环形真空管道作为电子运行的轨道。当磁场发生变化时，就会沿管道方向产生感生电场。射入其中的电子就受到感生电场的持续作用而不断加速。 回 顾 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 （James Clerk Maxwell） 麦克斯韦认为 磁场变化时会在周围空间激发一种电场——感生电场（涡旋电场） 闭合导体中的自由电荷在这种电场中做定向运动 产生感应电流（感生电动势） 感生电场的方向就是感生电流的方向。 ——安培定则 感生电动势的非静电力是感生电场对自由电荷的作用力。 感生电动势和动生电动势的区别 动生电动势 感生电动势 特点 磁场不变，闭合电路的整体或局部在磁场中运动导致回路中磁通量的变化 闭合回路的任何部分都不动，空间磁场发生变化导致回路中磁通量变化 原因 由于 S 的变化引起回路中  变化 由于 B 的变化引起回路中  变化 非静电力就是洛仑兹力，由洛仑兹力对运动电荷作用而产生电动势 变化磁场在它周围空间激发涡旋电场，非静电力就是感生电场力，由感生电场力对电荷作功而产生电动势 方向 的来源 非静电力 一般用楞次定律判断 一般用右手定则判断 练习 『判一判』 (1)如果空间不存在闭合电路，变化的磁场周围不会产生感生电场。 (　　) (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)感生电场就是感应电动势。 (　　) (4)动生电动势(切割磁感线产生的电动势)产生的原因是导体内部的自由电荷受到洛伦兹力的作用。 (　　) (5)产生动生电动势时，洛伦兹力对自由电荷做了功。 (　　) ×　 √　 ×　 √　 ×　 练习 【课堂训练1】 1.关于感生电场，下列说法正确的是（ ） A.感生电场产生的原因是变化的磁场 B.产生感生电动势的非静电力是洛伦兹力 C.感生电场产生的原因是变化的电场 D.产生感生电动势的非静电力是电场力 AD 练习 【课堂训练2】 2．关于电磁感应现象中产生的感生电场。下列说法正确的是（　 　） A．感生电场不同于静电场其电场线是闭合曲线 B．感生电场的存在跟空间是否有闭合电路有关 C．感生电场的方向同样可以用楞次定律和右手定则来判定 D．电子感应加速器是利用感生电场对电子加速的设备 ACD 练习 【课堂训练3】 (多选)如图所示，一个闭合电路静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，而使电路中产生了感应电动势，下列说法中正确的是( 　　) A.磁场变化时，会在空间激发一个电场 B.使电荷定向移动形成电流的力是磁场力 C.使电荷定向移动形成电流的力是电场力 D.以上说法都不对 AC 练习 【课堂训练4】 某空间出现了如图所示的磁场，当磁感应强度变化 时，在垂直于磁场的方向上会产生感生电场，下列有关磁感 应强度的变化与感生电场的方向关系的描述正确的是( 　　) A．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 B．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 C．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 D．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 AD 1.电磁感应现象中的感生磁场 2.涡 流 3.课后练习 情境导入 既没火苗，也没黑烟，锅底也不变黑，为什么一个大大的线圈就能让电磁炉工作，使锅里的水很快就烧开？ 想一想 1) 在感生电场中放入单匝线圈能否产生感应电流？若能，感应电流的形状如何？ 导体中自由电荷 感生电场力 感应电流 涡流 像漩涡一样 的闭合曲线 磁场增强 感生电场( 涡旋电场 ) 变化的磁场在周围空间激发的电场 2) 在感生电场中放入金属圆盘能否产生感应电流？若能，感应电流的形状如何？ 涡流 2、本质：电磁感应。涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场 中运动时，导体内部可以等效 成许许多多的闭合电路，当穿 过这些闭合电路的磁通量变化 时，在导体内部的这些闭合电 路中将产生感应电流。即导体 内部产生了涡流。 1、定义：当线圈中的电流随时间变化时,这个线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的旋涡，故叫涡电流，简称涡流。 涡流 3、条件： （1）穿过导体（金属块）的磁通量发生变化 （2）导体（金属块）本身可自行构成闭合回路 4、产生涡流的两种情况： （1）当导体（块状金属）处在变化的磁场中 磁场能→电能→内能 （2）让导体（块状金属）进出磁场或在非匀强磁场中运动 机械能（克服安培力做功）→电能→内能 涡流 注意：(1) 涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。 5、说明： （1）涡流的特点 金属块中的涡流也要产生热量,如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强，根据公式知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大。 （2）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。如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能最终转化为内能；如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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。 (2) 磁场变化越快（ 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。 30 对涡流本质的理解 磁通量发生变化 导体内部等效许多闭合电路 涡流 产生感应电动势 电流随时间变化 导体进出磁场或在非匀强磁场中运动 2.下列做法中线圈可能产生涡流吗? A．放在匀强磁场中 B．块放在变化的磁场中 C．在匀强磁场中做匀速运动 D．在匀强磁场中做变速运动 E．在非匀强磁场中做匀速运动 F．在非匀强磁场中做匀速运动，线圈有缺口 G . 进入或离开（匀强或非匀强）磁场中 1.图中磁场垂直加在圆盘上不能产生涡流的是 31 涡流 6、涡流的应用——涡流的热效应 涡流 该处电阻大还是小？ 真空冶炼炉 高频焊接 电磁炉 低频或直流不行？ 32 涡流热效应的应用 涡流的热效应：金属块中的涡流要产生热量，如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。 真空冶炼炉 电磁炉 高频焊接机 33 涡流的应用——涡流的磁效应 金属探测仪 地雷探测仪 安检门 门框 ~ 交流电 报警电路 线圈 （互感）反作用于线圈使仪器报警 产生感应电动势 磁通量发生变化 导体内部等效许多闭合电路 涡流 电流随时间变化 34 涡流磁效应的应用 涡流的磁效应：涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。 线圈 探雷器 金属探测仪 安检门 35 涡流的危害——防止 危害：电动机和变压器的工作原理都跟电磁感应现象有关，内部都有铁芯结构，线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热,浪费了能量，还可能损坏电器。 36 涡流的危害——防止 在各种电动机、变压器中，涡流是非常有害的。 它会使铁芯的温度升高，从而危及线圈绝缘材料的寿命，严重时会使材料报废。 其次涡流发热要消耗额外的能量，会使电动机、变压器的效率降低。 涡流如何防止？ 涡流的危害： 37 涡流的危害——防止 在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器 减少涡流的途径 （1）增大铁芯材料的电阻率，常用的材料是硅钢 （2）用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯 38 涡流的危害——防止 变压器铁芯中的涡流损耗及改善措施 39 涡流的危害——防止 40 1.电磁感应现象中的感生磁场 2.涡 流 3.课后练习 课后练习 【易错辨析】 (1) 涡流跟平时常见的感应电流一样,都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的。 ( ) (2) 涡流有热效应,但没有磁效应。 ( ) (3) 在硅钢中不能产生涡流。 ( ) √ × × 42 课后练习 【课后练习2】 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、磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上 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 CD 43 课后练习 【课后练习3】 如图所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其它部分发热很少，以下说法正确的是(　 　) A．交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快 B．交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小 D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 AD 交流电频率越高，则产生的感应电流越强，升温越快，工件电流相同，即电阻大，温度高，放热多 44 课后练习 【课后练习4】 (多选)下列图中，A图是真空冶炼炉可以冶炼高质量的合金；B图是充电器工作时绕制线圈的铁芯中会发热；C图是安检门可以探测人身是否携带金属物品；D图是工人穿上金属丝织成的衣服可以高压带电作业。属于涡流现象的是 ( 　 ) ABC 　 45 课后练习 【课后练习5】 （多选）下列器具的工作原理与涡流有关的是（　 　） A．家用电磁炉 B．家用洗衣机 C．变压器的铁芯用多块相互绝缘硅钢片叠加在一起 D．风扇转动时扇叶与空气摩擦发热 AC 　 46 课后练习 【课后练习6】 电磁炉又名电磁灶，是现代厨房革命的产物，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。是一种高效节能厨具，完全区别于传统所有的有火或无火传导加热厨具。如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是 (　 　) A.电磁炉通电线圈加直流电,电流越大,电磁炉加热效果越好 B.电磁炉的原理是通电线圈加交流电后,在锅底产生涡流,进而发热工作 C.在锅和电磁炉中间放一绝缘物质,电磁炉不能起到加热作用 D.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要原因是这些材料的导热性能较差 B 47 人教版（2019） 高中物理 选择性必修第二册 第二章：电磁感应 授课老师：物理优课PPT Vortex, electromagnetic damping and electromagnetic drive Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) $$