2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 教学设计 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 【教学目标】 1.了解感生电场，知道感生电动势的产生原因。会判断感生电动势的方向，并会计算它的大小。 2.通过是实验了解涡流现象，知道涡流是怎样产生的，了解涡流现象的利用和危害。 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。 4.了解电磁阻尼和电磁驱动。 【教学重难点】 教学重点：判断感生电场的方向，了解涡流的应用。 教学难点：理解电磁阻尼和电磁驱动。 【教学过程】 教学 环节 教师活动 学生活动 设计 意图 课堂导入 回顾： 1.电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电能的装置。干电池中非静电力是什么？ 2.线圈中磁场方向向上且磁感应强度在增强，线圈中是否有感应电流产生？ 3.感应电流的方向如何？（俯视图） 1.化学作用 2.有，因为线圈中磁通量发生了变化. 3.原磁场的方向向上且增强，根据楞次定律（增反减同），可得感应电流的磁场和原磁场方向相反，根据右手定则，可得感应电流方向为顺时针方向. 电磁感应现象中的感生电场 像上面这种产生感应电流周围必然存在电场，这样的电场称为感生电场。 学生阅读教材得出以下信息： 1.麦克斯韦认为变化的磁场能在周围空间激发电场，这种电场叫作感生电场。 2.由感生电场产生的电动势叫感生电动势. 3.感生电动势大小： 4.电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备，当线圈中电流的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速。 思考与讨论： 1.如图所示，B增强时，就会在空间激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流. （1）感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系？如何判断感生电场的方向？ 感生电场的方向与感应电流的方向相同，感生电场的方向可以用楞次定律来判定. （2）在上述情况下，哪种力扮演了非静电力的角色？ 感生电场对自由电荷的作用力. （3）麦克斯韦的解释： 2.感生电场有哪些特点？ （1）变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关. （2）感生电场是涡旋场，电场线是闭合的，静电场电场线不闭合. （3）感生电场可以对带电粒子做功. 3.感生电动势与动生电动势的对比 感生电动势 动生电动势 产生原因 磁场变化 导体切割磁感线运动 非静电力 电场力 洛伦兹力沿导体的分力 电源 处于变化磁场中的电源 做切割磁感线运动的导体 判断方向 楞次定律 右手定则或楞次定律 计算 归纳总结： 什么叫做感生电场？什么叫做感应电动势？感生电场的方向？感生电动势的大小？ 总结提升： 闭合回路（假定其存在）的感应电流方向就表示感生电场的方向.判断思路如下： 课堂巩固： 1.现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备.如图所示，上面为侧视图，上、下为电磁体的两个磁极；下面为磁极之间真空室的俯视图.若从上往下看电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动，改变电磁体线圈中电流的大小可使电子加速.则下列判断正确的是B A.真空室中产生的感生电场沿逆时针方向 B.通入电磁体线圈的电流在增强 C.电子在轨道中加速的驱动力是洛伦兹力 D.电子在轨道中做圆周运动的向心力是电场力 2.英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发感生电场.如图所示，一个半径为r的绝缘细圆环水平放置，环内存在竖直向上的匀强磁场，环上套一带电荷量为＋q的小球，已知磁感应强度B随时间均匀增加，其变化率为k，若小球在环上运动一周，则感生电场对小球的作用力所做功的大小是D A.0 B. C. D. 涡流 观察与思考： 电磁炉的工作原理——涡流（教师参考用书P54）。 1.涡流：当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，线圈附近的任何导体，如果穿过它的磁通量发生变化，导体内都会产生感应电流，用图表示这样的感应电流，就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流. 涡流的产生条件：块状金属放在变化的磁场中+块状金属进出磁场或在变化的磁场中运动 2.涡流的热效应：（冶炼炉采用的热效应） 像其他电流一样，涡流也要产生热量。若金属的电阻率小，则涡流很强产生的热量很多。 （1）应用：真空冶炼炉（炉外线圈通入反复变化的电流，炉内金属中产生涡流，涡流产生的热量使金属融化。有点：真空中进行防止杂质进入。）、探雷器、高频焊接、安检门、电磁炉等。 （2）防止：电动机、变压器线圈中铁芯发热，就会浪费能量且可能损坏电器。 减少涡流的方法：增大回路的电阻。为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。以减少涡流和电能的损耗，同时避免破坏绝缘层。 思考与讨论： 1.在电磁炉的炉盘下有一个线圈。电磁炉工作时，它的盘面并不发热，在炉盘上面放置铁锅，铁锅会发热.你知道这是为什么吗？ 电磁炉的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上变化极快的电流时，在线圈周围产生迅速变化的磁场，变化的磁场使锅底产生涡流，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量. 2.涡流大小的决定因素？ 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，形成的涡流越大。 课堂巩固： 3.如图所示是车站、机场等场所用于安全检查的安检门，“门框”内有线圈，线圈中通有变化的电流.如果金属物品通过安检门，金属中会被感应出涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警.下列关于安检门的说法正确的是B A.安检门能检查出毒贩携带的毒品 B.安检门能检查出旅客携带的金属水果刀 C.安检门工作时，主要利用了电流的热效应原理 D.如果“门框”的线圈中通上恒定电流，安检门也能正常工作 4.（多选）“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，它的工作原理是：在封口机工作时，套在瓶口上的封口头内的线圈有电流通过，致使靠近线圈(但与线圈绝缘)的铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在被封容器的瓶口处，达到迅速封口的目的.下列有关说法正确的是CD A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔 B.该封口机可用干电池作为电源以方便携带 C.封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决 D.该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器 电磁阻尼与电磁驱动 电磁阻尼 观察与思考： 1.线圈落入磁场中，分析它在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向，安培力对线圈的运动有什么影响？ 感应电流的方向沿逆时针方向，所受安培力的方向向上。安培力对线圈运动起阻碍作用. 2.磁电式仪表，工作时指针向右转动，铝框中的感应电流沿什么方向？安培力是沿什么方向的？安培力对铝框的转动产生什么影响？ 归纳总结： 当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力作用，安培力总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。 思考与讨论： 在运输微安表的表头时为何应该把两个接线柱连在一起？ 电流表正负接线柱短接后与线圈组成闭合电路，由于指针和线圈是固定在一起的，所以指针摆动时会带动线圈在磁场中做切割磁感线运动，从而在线圈中产生感应电流，而感应电流会产生阻碍线圈转动的效果，从而有效减轻了指针的摆动。 电磁驱动： 观看感应电动机的原理视频 1.如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动. 2.交流感应电动机是利用电磁驱动的原理工作的，把电能转化成机械能.（铝框放在蹄形磁体的两个磁极间，可以绕支点自由转动。转动磁铁，铝框随磁铁一起转动且方向相同。） （安培力与运动方向相同作枕共，但安培力作用均阻碍导体与磁场的相对运动。所以磁场能转化为内能，部分内能通过安培力作用转化为机械能） 电磁阻尼与电磁驱动 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由导体在磁场中运动形成的 由磁场运动而形成的 效果 安培力方向与导体运动方向相反，为阻力 安培力方向与导体运动方向相同，为动力 能量转化 克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能 磁场能转化为电能，通过安培力做功，电能转化为导体的机械能 共同点 两者都是电磁感应现象，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动 课堂巩固： 5.（课后第2题）如图所示，弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁。将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈。使磁极上下振动时穿过它，磁铁就会很快地停下来。分析这个现象的产生原因，并说明此现象中能量转化的情况。 答：当条形磁体的N极靠近线圈时，线圈中向下的磁通量增加，根据楞次定律可得，线圈中感应电流的磁场应该向上，再根据右手螺旋定则，判断出线圈中的感应电流方向为逆时针方向（自上而下看）。感应电流的磁场对条形磁体N极的作用力向上，阻碍条形磁体向下运动。当条形磁体的N极远离线圈。线圈中向下的磁通量减小，根据楞次定律可得，线圈中感应电流的磁场应该向下，再根据右手螺旋定则，判断出线圈中的感应电流方向为顺时针方向（自上而下看）。感应电流的磁场对条形磁体N极的作用力向下，阻碍条形磁体向上运动。因此，无论条形磁体怎样运动，都将受到线圈中感应电流磁场的阻碍作用，所以条形磁体较快地停了下来，在此过程中，弹簧和磁体的机械能转化为线圈中的电能。 6.（课后第5题）如图所示，水平放置的绝缘桌面，上有一个金属圆环，圆心的正上方有一个竖直的条形磁铁。请通过分析形成以下结论：把条形磁铁向水平方向移动时，金属圆环将受到水平方向运动的驱动力，驱动力的方向跟条形磁铁运动的方向相同。 答案：当条形磁体向右移动时，金属圆环中的磁通量减小，圆环中将产生感应电流，金属圆环将受到条形磁体向右的作用力。这个力实际上就是条形磁体的磁场对感应电流的安培力，这个安培力将驱使金属圆环向右运动。 7.在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图。现有铁、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去。各物块在碰上磁铁前的运动情况是BD A、都做匀速运动 B、甲做加速运动 C、乙做匀速运动 D、丙做匀速运动 （铁块会被磁化在，与磁铁相互吸引。铝块不会被磁化，形成涡流，与磁铁相互排斥。） 【本课小结 1.感生电场的产生机理、感生电动势的大小、方向。 2.涡流的产生条件、大小决定因素、应用与防止。 3.电磁阻尼与电磁驱动。 【课后作业】 【板书设计】 1 学科网（北京）股份有限公司 $$