2.3 自感现象与涡流（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版2019）

第3节　自感现象与涡流 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 栏目索引 必备知识 自主学习 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 必备知识 自主学习 电流 电流 相反 相同 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 阻碍 自感 自感电动势 形状 横截面积 长短 亨 H 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 √ × × 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 旋涡 较大 电磁炉 电阻率 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 × √ √ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 ≪ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 谢谢观看！ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第2章　电磁感应及其应用 核 心 素 养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.能理解楞次定律和法拉第电磁感应定律的内涵，了解自感现象和涡流现象；能说明自感现象与涡流现象在生产生活中的应用，能运用电磁感应定律等解释生产生活中的电磁技术应用。 2.具有与电磁感应定律等相关的比较清晰的相互作用观念和能量观念。 1.了解自感系数的意义和决定因素。 2.掌握分析通电自感和断电自感现象的方法。 3.能在问题情境中应用涡流原理进行分析。 了解涡流及其应用，能运用电磁感应的有关知识分析、解决一些简单问题，学以致用。了解涡流现象的利弊以及对它们进行预防和利用的方法，培养学生全面认识问题和科学对待事物的态度。 知识点一 自感现象、自感电动势 1.自感现象：由线圈自身的______变化所产生的电磁感应现象。 2.自感电动势 (1)定义：由线圈自身______变化所产生的感应电动势。 (2)方向：原电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向______；原电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向______。 (3)作用：自感电动势总是要______导体自身的电流发生变化❶。 (4)大小：E＝L eq \f(ΔI,Δt) ，其中L为线圈的自感系数，简称______或电感。 3.自感系数 (1)物理意义：表征线圈产生_______________本领的大小； (2)决定因素：线圈的______、____________、______、匝数等； (3)单位：国际单位是亨利，简称___，符号是___。 1.自感现象属于电磁感应现象。(　 　) 2.自感电动势的方向一定与原电流的方向相反。(　 　) 3.通过线圈的电流增大得越来越快，则自感系数变大。(　 　) 知识点二 涡流及其应用 1.概念：由于磁通量发生变化，在金属块内部形成的像______一样的感应电流❷。 2.特点：金属块的电阻较小，涡流往往______。 3.应用与防止 (1)涡流热效应的应用：如_________。 (2)涡流的防止❸：电动机、变压器等设备中为防止铁芯中因涡流损失能量❹，常用增大铁芯材料的_________和用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯。 1.涡流是整块导体发生的电磁感应现象，不遵从电磁感应定律。(　 　) 2.通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流。(　 　) 3.变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(　 　) 批注❶：“阻碍”不是“阻止”，原电流仍在变化，只是使原电流变化的时间变长，即总是起着推迟电流变化的作用。 批注❷：(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象，因为金属块自身构成闭合电路，同样遵循法拉第电磁感应定律。 (2)磁场变化越快，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。 批注❸：防止涡流途径 (1)增大铁芯材料的电阻率。 (2)用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯。 批注❹：涡流中的能量转化 涡流现象中，其他形式的能转化成电能，并最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果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。 探究点一　自感现象的分析　(科学思维之提升) ►情境探究 1.如图所示，L1、L2是规格完全一样的灯泡。闭合开关S，调节滑动变阻器R，使L1、L2亮度相同，再调节R1，使两灯正常发光，然后断开开关S。 2.如图所示，L3、L4是规格完全一样的灯泡。闭合开关S，调节滑动变阻器R2，使L3、L4正常发光，电路中满足RL<RL3。 试回答下列问题： (1)情景1中重新闭合开关S，请描述观察到的现象。 (2)情景1中为什么会出现这种现象？ (3)情景2中开关S断开时，可以看到什么现象？ (4)情景2中灯泡闪亮一下，说明了什么？后来为什么会慢慢变暗？ 提示：(1)灯泡L2立刻正常发光，而跟线圈L串联的灯泡L1逐渐亮起来。 (2)接通电路的瞬间，电流增大，穿过线圈的磁通量也增加，在线圈中产生了感应电动势，由楞次定律可知，它将阻碍原电流的增大，所以L1中的电流只能逐渐增大，L1逐渐亮起来。 (3)灯L4立即熄灭，灯L3先闪亮，后逐渐变暗。 (4)开关断开时，线圈中的电流减小而导致穿过线圈的磁通量减小，线圈中产生感应电动势阻碍原电流的减小，这样，线圈L和灯泡L3形成闭合回路，L中的电流逐渐减小，流过L3的电流由IL3变为IL，然后从IL逐渐减小到零，又因为RL<RL3，即IL>IL3，所以灯L3先闪亮一下，然后逐渐熄灭。 RL≪RLA ►探究归纳 　对通电自感和断电自感的比较 通电自感 断电自感 电路图 器材要求 L1、L2同规格，R＝RL，L较大 L很大(有铁芯)， 现象 在S闭合瞬间，L2立即亮起来，L1逐渐变亮，最终一样亮 在开关S断开瞬间，LA突然闪亮一下后逐渐熄灭 通电自感 断电自感 原因 开关闭合时，流过电感线圈的电流增大，使线圈产生自感电动势，阻碍电流的增大，使流过L1的电流比流过L2的电流增加得慢 断开开关S时，流过线圈L的电流减小，产生自感电动势，阻碍电流的减小，使电流继续存在一段时间；在S断开后，通过L的电流反向通过灯LA，且由于RL RLA，有IL>IA，使得流过LA的电流在开关断开瞬间突然增大 能量转化情况 电能转化为磁场能 磁场能转化为电能 ►对点例练 A．闭合开关S时，LA、LB同时达到最亮，且LB更亮一些 B．闭合开关S时，LA、LB均慢慢亮起来，且LA更亮一些 C．断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB马上熄灭 D．断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭 (1)分析自感电流的大小时，应注意“L的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计”这一关键语句 eq \o(；,\s\do4(　,)) (2)电路接通瞬间，自感线圈相当于断路； (3)电路断开瞬间，回路中的电流从流经线圈L的电流开始减小 eq \o(。,\s\do4(　,)) D　解析：由于灯泡LA与线圈L串联，灯泡LB与电阻R2串联，当S闭合的瞬间，通过线圈的电流突然增大，线圈产生自感电动势，阻碍电流的增加，所以LB比LA先亮，A、B错误；由于LA所在的支路电阻阻值偏小，故稳定时电流大，即LA更亮一些，当S断开的瞬间，线圈产生自感电动势，两灯组成串联电路，线圈中的感应电流开始减小，即从IA减小，故LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭，C错误，D正确。 [练1] (2021·北京朝阳区高二期末)在如图所示的电路中，灯泡A与一个带铁芯的电感线圈L并联。闭合开关S，稳定后通过灯泡A的电流为I1，通过线圈L的电流为I2。断开开关S，此后通过灯泡A的电流记为i，规定通过灯泡的电流向右为正，下列四幅图中能正确反映i随时间t变化的图像是(　　) D　解析：当开关断开时，灯泡中原来的电流I1立即消失，但是L由于自感现象要阻碍自身电流的减小，L中的电流由I2逐渐减小，由于L与灯泡组成回路，L中的电流要经过灯泡，所以灯泡中的电流突然变为I2且电流为反方向，然后逐渐减小到0，由于规定通过灯泡的电流向右为正，所以此时流过灯泡的电流方向为负，且在稳定时I2大于I1，D正确。 自感现象的“三种状态”“一个特点” (1)三种状态 ①线圈通电瞬间可把线圈看成断路； ②断电时自感线圈相当于电源； ③电流稳定时，自感线圈相当于导体，理想线圈电阻为零，相当于短路。 (2)一个特点 在发生自感现象时，电流不发生“突变”。 探究点二　涡流的理解与应用　(科学思维之提升) ►情境探究 电磁炉是一种加热效率较高的新型灶具，已广泛进入家庭使用，如图所示。 涡流的产生条件是什么？电磁炉的锅具为什么用平底的铁锅？ 提示：涡流的产生条件有：①金属块本身能够形成闭合回路；②穿过金属块的磁通量发生变化。若是铝锅，因铝锅电阻小产生涡流太大，此感应电流又起到阻碍作用，反而“压制”电磁炉的功率输出；而平底的铁锅底部产生涡流，由于其内部电阻大，从而使得锅底温度升高，产生的热量即用于做饭或炒菜。 ►探究归纳 1.对涡流的理解 (1)本质：电磁感应现象。 (2)条件：穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身构成闭合回路。 (3)特点：整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大，故金属块的发热功率很大。 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。 ►对点例练 A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置 B．家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的 C．阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动 D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流 B　解析：真空冶炼炉是利用涡流产生热量来熔化金属的，A正确；要想产生涡流，必须是变化的磁场，因为变化的磁场才能产生电场，产生涡流，B错误；根据楞次定律可知，阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，C正确；涡流会造成能量的损失，所以变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，减小了涡流造成的能量损失，D正确。 [练2] 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，假设曲面足够长，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． eq \f(1,2) mv2 C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋ eq \f(1,2) mv2 D　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＋ eq \f(1,2) mv2，末状态机械能E2＝mga，焦耳热Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋ eq \f(1,2) mv2。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3] (科技情境)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左右振动的衰减最有效的方案是(　　) A　解析：感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化。在A图中，系统振动时，紫铜薄板随之上下及左右振动，都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力，阻碍系统的振动，A正确；在B、D图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流，而上下振动无感应电流产生，B、D错误；在C图中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，都不会产生感应电流，C错误。 [练4] (科技情境)(2021·广东汕头高二期末)下列物理情景不属于电磁阻尼应用的是(　　) D　解析：磁电式电表选用铝框做骨架，当线圈在磁场转动时，导致铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动，属于电磁阻尼现象，A选项不符合题意；运输过程中的震动颠簸，可能会损坏指针、线圈及游丝，短路后，电表内部产生感应电流，根据楞次定律，安培力阻碍了指针、线圈及游丝的摆动，属于电磁阻尼现象，B选项不符合题意；磁铁在下落时，导致铝管内的磁通量发生变化，从而产生感应电流，会产生安培力进而阻碍磁铁的下落，属于电磁阻尼现象，C选项不符合题意；电磁铁的原理是用低压控制电路控制高压工作电路，属于电流磁效应现象，D选项符合题意。 电磁阻尼 电磁驱动 不 同 点 成因 由导体在磁场中的运动形成 由磁场的运动形成 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 $$