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

nullnullnull 第二章 电磁感应 高中物理《课标》要求 第二章 电磁感应 高中物理《课标》要求 2.1 探究影响感应电流方向的因素，理解楞次定律。 2.2 通过实验理解法拉第电磁感应定律。 2.3 通过实验了解自感现象和涡流现象，能举例说明自感现象和涡流现象在生产生活中的应用。 第3节 涡流 电磁阻尼和电磁驱动 《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。 (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。 02 03 01 主题(二) 涡流 主题(一) 感生电场 目录 CONTENTS 主题(三) 电磁阻尼 04 第3节 涡流 电磁阻尼和电磁驱动 主题(四) 电磁驱动 B I 这种电流就像水中的漩涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流。 新课引入：如果穿过闭合线圈的磁场持续增强会发生什么？ 如果将闭合线圈换成一个圆盘会发生什么？ 这个电流是什么力推动电荷跑起来的？即电动势是什么力提供的？ 变化的 磁场 激发 感生 电场 力 自由电荷 形成 闭合 导体 感应 电流 (非静电力) 产生 电动势 认为 由感生电场施加电场力，产生的电动势叫作感生电动势。 新课引入：如果穿过闭合线圈的磁场持续增强会发生什么？ B I 这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的。 麦克斯韦(1831 -1879：英国物理学家、数学家，经典电动力学创始人，统计物理学奠基人之一。 导体棒切割，由洛伦兹力产生的电动势叫做动生电动势 E 第一部分 感生电场 对应的非静电力就是感生电场对自由电荷的作用. 3.特点: 1.定义: 2.方向: 变化的磁场在周围空间激发的电场(涡旋电场). 感应电流的方向. 变强 I B + + + + + 电场线是闭合的曲线. 静电场的电场线不闭合. 注意: 4.感生电动势: 由感生电场产生的电动势. 注意： 5.应用实例 ---电子感应加速器 一、感生电场（induced electric field） E 思考：如果是塑料环，有感应电流吗？有感生电动势吗？有感生电场吗？ 有E感、无I感 一、感生电场（induced electric field） 5.应用实例 ---电子感应加速器 铁芯 电子束 环形真 空管道 线圈 一、感生电场（induced electric field） 5.应用实例 铁芯 电子束 环形真 空管道 线圈 思考：如左图的俯视图，电子的运动方向为逆时针，磁场方向垂直纸面向外，为了使电子加速试判断线圈中电流在增强还是减弱？ 持续增强 ---电子感应加速器 【典例1】如图,10匝线圈电阻r=1Ω，两端与两个电阻都为R=2Ω的小灯泡相连.线圈内有指向纸内方向磁场,线圈中的磁通量在按图乙所示规律变化。(1) 小灯泡两端的电压应该等于多少？(2) 请在线圈位置上标出感生电场的方向和等效电源的正负极(3)求0.1s内通过每个小灯泡的电量 0.10 0.15 0 0.1 Φ/Wb t/s 解:(1) =5V ＋ — (3) =2.5V 得:q灯=0.125C q总=I总Δt =0.25C 典例分析：感生电动势 思考1:导体切割磁感线产生感应电动势是什么力推动？ A B V + f洛 - 导体棒切割磁感线靠什么非静电力推动电荷呢？ I感 + V/ f洛 V合 洛伦兹力的分力推动电荷形成电流. 洛伦兹力的另一个分力即为安培力， 做 功 做 功 安培力可以做功，但洛伦兹力永远不做功. 负 正 思考2:导体棒一直切割,电荷是否会一直聚集越来越多？ 自由电荷不会一直运动下去。因为 C、D 两端聚集电荷越来越多，在 CD 棒间产生的电场越来越强，当电场力等于洛伦兹力时，自由电荷不再定向运动。 f洛 F电 + + 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变化 闭合回路的任何部分都不动，空间磁场变化导致回路中磁通量变化 原因 由于S变化引起回路中变化 由于B变化引起回路中变化 非静电力是洛仑兹力的分力，由洛仑兹力的分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感生电场，非静电力是感生电场力，由感生电场力对电荷做功而产生电动势 方向 楞次定律 楞次定律或右手定则 非静电力得来源 【典例2】水平面上静止放置两根光滑的金属导轨M、N。间距L=0.1m,有磁感应强度B=1T的磁场竖直向下。其上放置两根金属棒a、b 。求 (1)v1=v2=1m/s时整个回路的电动势 (2)v1=1m/s，v2=2m/s时整个回路电动势 (3)v1=1m/s，v2=2m/s且方向相反时整个回路的电动势 v2 解:(1) E=0 V M N v1 a b (2)E= BLV2-BLV1 =0.1V (3)E= BLV2+BLV1 =0.3V 典例分析：动生电动势 【典例3】一个足够长的竖直放置的磁铁结构如图所示．在图1中磁铁的两个磁极分别为同心的圆形和圆环形．在两极之间的缝隙中，存在辐射状的磁场，磁场方向水平向外．用一个细金属丝制成的圆形单匝线圈，从某高度被无初速释放，在磁极缝隙间下落的过程中，线圈平面始终水平且保持与磁极共轴．线圈被释放后（　　） A．线圈磁通量不变，所以线圈没有感应电流 B．有感应电流，在图1俯视图中，感应电流沿 逆时针方向 C．线圈有最大速度 D．线圈无最大速度， 做自由落体运动 C v M N v 典例分析：动生电动势 第二部分 涡流 二、涡流（eddy current） 二、涡流（eddy current） 1.定义：变化的磁场在块状导体内产生的感应电流 2.公式： 若金属电阻率很小，则涡流往往很强，产生的热量很多。 3.能量变化： 磁场能转化为电能，最终转化为内能。 4.应用 : ①热效应 ①热效应 电磁炉通过往炉盘下的线圈中通入交流电，使炉盘上的金属锅中产生涡流，从而产生热量，加热食物。 (1)电磁炉 二、涡流（eddy current） 4.应用 : (1)电磁炉 二、涡流（eddy current） 4.应用 : ①热效应 电磁炉的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量，将饭菜煮熟。 【典例4】电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物。下列相关的说法中正确的是(　　) A.锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关 B.电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作 C.金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物 D.电磁炉的上表面一般都是用金属材料制成，以加快热传递、减少热损耗 A 典例分析：涡流 (2)真空冶炼炉 抽真空 冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。 利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行，这样就能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。 二、涡流（eddy current） 4.应用 : ①热效应 (1)电磁炉 交流电源 焊 接 处 待焊接元件 线圈导线 (3)高频焊接 线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就会产生感应电流，焊缝处电阻很大，感应电流通过焊缝处会产生很多热量，将金属熔化，把工件焊接在一起。 (2)真空冶炼炉 二、涡流（eddy current） 4.应用 : ①热效应 (1)电磁炉 二、涡流（eddy current） 二、涡流（eddy current） 【典例5】(多选)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会产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生很多热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是(　 　) A.电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高的越快 B.电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高的越快 C.工件上只有焊缝处温度升的很高是 因为焊缝处的电阻小 D.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大 AD 典例分析：涡流 金属探测器 探雷器的长柄线圈中，通有变化的电流，在其周围就产生变化的磁场 埋在地下的金属物品，由于电磁感应而形成涡流 涡流的磁场反过来又作用于线圈，使仪器报警 ②磁效应 二、涡流（eddy current） 4.应用 : ①热效应 28 安检门 安检门可以探测人身携带的金属物品，道理是一样的。（涡流） 金属探测器 ②磁效应 二、涡流（eddy current） 4.应用 : ①热效应 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。 ①危害: 二、涡流（eddy current） 5.危害与防止 : 变压器 涡流 烧坏的电机： ①危害: 二、涡流（eddy current） 5.危害与防止 : ②防止: (1)增大铁芯材料的电阻率，常用的材料是硅钢。 ①危害: 二、涡流（eddy current） 5.危害与防止 : ②防止: (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。 交变电流 交变电流 整块铁芯 彼此绝缘的硅钢片 ①危害: 二、涡流（eddy current） 5.危害与防止 : ②防止: (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。 交变电流 彼此绝缘的硅钢片 第三部分 电磁阻尼 v F安 F安 三、电磁阻尼 F安 F安 金属块向左运动 金属块转动 阻碍金属块相对磁场的运动 1.定义：线框或金属块进出磁场或在磁场中转动或在非匀强磁场中平动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动的现象。 2.能量变化： 导体克服安培力做功，使E机转化为E电。 三、电磁阻尼 三、电磁阻尼 思考3：如图所示，磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，指针也固定在铝框上。在运输仪表的过程中由于车的晃动，指针会跟着乱摆，有没有办法可以减小这种摆动呢？ 用一根导线连接正负接线柱。 思考4：磁式电流表为什么用铝框做线圈骨架？ 1、轻便 2、产生电磁阻尼 三、电磁阻尼 3.应用： ①运输磁电式电表。 三、电磁阻尼 3.应用： ①运输磁电式电表。 ②电气机车的电磁制动 【典例6】如图，金属球从曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设球的初速度为零，摩擦不计，曲面处在图示磁场中，则(　　 ) A．若是匀强磁场，球滚上的高度小于h B．若是匀强磁场，球滚上的高度等于h C．若是非匀强磁场，球滚上的高度等于h D．若是非匀强磁场，球滚上的高度小于h BD 典例分析：电磁阻尼 典例分析：电磁阻尼 【典例7】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,其下半部分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(重力加速度为g) (　　) A.mgb　　　　　　　　 B.mv2 C.mg(b-a) D.mg(b-a)+mv2 D 思考：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? mgb+mv2 【典例8】扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图4所示。无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是(　　) A 典例分析：电磁阻尼 思考5 : 观看视频，总结其中的原理? 第四部分 电磁驱动 磁场转动 v F安 磁场向右平动 F安 四、电磁驱动 F安 F安 金属块被带着跟磁场运动 1.定义：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的现象。 2.能量变化： 安培力做正功，E电转化为金属块的E机。 四、电磁驱动 3.应用： 交流感应电动机 1.定义：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的现象。 2.能量变化： 安培力做正功，E电转化为金属块的E机。 四、电磁驱动 3.应用： 交流感应电动机 注意：电磁阻尼是导体相对于磁场运动，电磁驱动是磁场相对于导体运动。 安培力的作用都是阻碍它们的相对运动。 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 由磁场运动形成 效果 安培力的方向与导体运动方向相反，为阻力 安培力的方向与导体运动方向相同，为动力 能量转化 导体克服安培力做功，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 相同点 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的相对运动 【典例9】(多选)如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动。从上向下看，当磁铁逆时针转动时，则(　　) A.线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同 B.线圈将逆时针转动，转速比磁铁小 C.线圈转动时将产生大小、方向周期性变化的电流 D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda BC 典例分析：电磁驱动 《思维导图·电势能和电势》 课堂小结 法拉第电磁感应定律 涡流 感生电场 电磁阻尼 电磁驱动 变化的磁场在周围空间激发的电场(涡旋电场). 变化的磁场在块状导体内产生的感应电流 电磁阻尼是导体相对于磁场运动，电磁驱动是磁场相对于导体运动。 【练习1】(多选)关于感生电场,下列说法中正确的是 (　　) A.感生电场由变化的磁场产生 B.恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场 C.感生电场的方向可以用楞次定律来判定 D.感生电场的电场线是闭合曲线,其方向 一定是沿逆时针方向 AC 巩固提高 【练习2】某空间出现了如图所示的一组闭合电场线,方向从上向下看是顺时针,这可能是原磁场 (　　) A.沿AB方向且在迅速减弱 B.沿AB方向且在迅速增强 C.沿BA方向且恒定不变 D.沿BA方向且在迅速减弱 A 巩固提高 【练习4】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,图甲为侧视图,上、下为电磁铁的两个磁极;图乙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,改变电磁铁线圈中电流的大小可使电子加速。则下列判断正确的是 (　　) A.真空室中产生的感生电场沿逆时针方向 B.通入电磁铁线圈的电流在增强 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由静电力提供的 巩固提高 B 【练习5】(多选)涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示,线圈中通以一定频率的正弦交流电,靠近待测工件时,工件内会产生涡流,同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法正确的是 ( 　　) A.涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化 B.涡流的频率等于通入线圈的交流电的频率 C.通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力 D.待测工件可以是塑料或橡胶制品 ABC 巩固提高 【练习6】(多选)如图所示,是电表中的指针和电磁阻尼器,下列说法中正确的是 (　　) A.2是磁体,在1中产生涡流 B.1是磁体,在2中产生涡流 C.该装置的作用是使指针能够转动 D.该装置的作用是使指针能很快稳定下来 AD 巩固提高 【练习7】如图所示,蹄形磁体和矩形线圈均可绕竖直轴OO'转动。从上向下看,当蹄形磁体逆时针转动时 (　　) A.线圈将逆时针转动,转速与磁体相同 B.线圈将逆时针转动,转速比磁体小 C.线圈将逆时针转动,转速比磁体大 D.线圈静止不动 B 巩固提高 【练习8】如图所示,有一个铜盘,轻轻拨动它,能长时间地绕轴自由转动。如果在转动时把U形磁铁放在铜盘边缘,但并不与铜盘接触,则铜盘 (　　) A.不受影响,和原先一样转动 B.很快停下来 C.比原先需要更长时间停下来 D.比原先更快地转动 B 巩固提高 【练习9】下列关于电磁现象的说法中，正确的是（　　） A．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成是为了增大涡流 B．搬运电流表时将正负接线柱用导线 连在一起是利用了电磁阻尼的原理 C．机场用于安全检查的安全门能够检 查出毒贩携带的毒品 D．摇动手柄使蹄形磁铁转动时，铝框会和磁铁同向转动且转得比磁铁快 B 巩固提高 【练习10】电磁炉（图甲）是目前家庭常用的炊具，具有无明火、无污染、高效节能等优点。某同学依据电磁炉原理自己制作了一个简易电磁炉，其结构简图如图乙所示。在线圈上放置一盛有冷水的金属杯，接通交流电源，一段时间后杯内的水就会沸腾起来。 下列说法正确的是（　　） A．家用电磁炉工作时，利用其面 板产生的涡流来加热食物 B．家用电磁炉的锅用铁而不用陶 瓷材料，主要是因为陶瓷的导热性能较差 C．简易电磁炉工作时，利用自感产生的电流来加热水 D．仅增大简易电磁炉所接交流电源的频率，可以缩短从开始加热到水达到沸腾的时间 C 巩固提高 【练习11】如图所示，“中国第一高楼”上海中心大厦上的阻尼器，该阻尼器首次采用了电涡流技术，底部附着永磁铁的质量块摆动通过导体板上方时，导体板内产生涡流。关于阻尼器，下列说法正确的是（    ） A．阻尼器摆动时产生的涡流源于外部电源供电 B．阻尼器最终将机械能转化为内能 C．风速越大，导体板中磁通量变化率越小 D．阻尼器摆动时产生的涡流源于电流的磁效应现象 B 巩固提高 谢 谢 观 看 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$