2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（人教版2019）

电磁感应 第3节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 第二章 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 1.了解感生电场的概念。 2．知道涡流、电磁驱动和电磁阻尼的概念。 　　了解涡流、电磁驱动和电磁阻尼的原理，能在问题情境中应用其性质进行分析。 　　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。 　　了解电磁驱动和电磁阻尼在生活、生产中的应用。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 必备知识 自主学习 一、电磁感应现象中的感生电场 2．感生电动势 由感生电场产生的电动势叫感生电动势。 3．电子感应加速器 电子感应加速器是利用________使电子加速的设备，当电磁铁线圈中____的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速。 感生电场 电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 必备知识 自主学习 二、涡流 1．定义：当某线圈中的电流随时间变化时，由于________，在线圈附近的导体中产生的像水中漩涡样的____电流。 2．应用 (1)涡流热效应：如__________。 (2)涡流磁效应：如______、______。 电磁感应 真空冶炼炉 感应 探雷器 安检门 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 必备知识 自主学习 3．防止：电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器。常见的减小涡流的途径有以下两种： (1)增大铁芯材料的______； (2)用互相绝缘的______叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。 电阻率 硅钢片 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 必备知识 自主学习 三、电磁阻尼和电磁驱动 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 必备知识 自主学习 (物理与生活)如图所示的是电磁炉原理示意图，使用时，加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生一交变磁场，于是锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 必备知识 自主学习 (1)只要磁场变化，即使没有电路，在空间也将产生感生电场。(　　 　　) (2)处于变化磁场中的铁磁性材料锅底，其内部自由电荷定向移动，是由于受到感生电场的作用。(　　 　　) (3)涡流跟其他感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的。(　　 　　) (4)铁磁性材料锅底中有涡流时，没有和其他元器件组成闭合回路，也会发热。(　　 　　) (5)在电磁阻尼与电磁驱动中安培力所起的作用相同。(　　 　　) √ × √ √ √ 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 探究点一 对感生电场的理解 如图所示，磁感应强度B增强时，就会在空间中激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在静电力的作用下定向移动，从而产生感应电流。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [问题设计] (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？ (2)上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？ 答案：(1)感应电流的方向与正电荷定向移动的方向相同，感生电场的方向与正电荷受力的方向相同，因此，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判定。 (2)感生电场对自由电荷的作用。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 对感生电场的理解 (1)变化的磁场周围产生感生电场，与是否存在闭合电路无关。 (2)感生电场可用电场线形象描述。感生电场是一种漩涡电场，电场线是闭合的，而静电场的电场线是不闭合的。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 【例1】 (多选)下列说法正确的是(　　) 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. 感生电场的方向也同样可以用楞次定律和安培定则来判定 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 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 磁场变化时在空间激发感生电场，其方向与所产生的感应电流方向相同，可由楞次定律和安培定则判断，A、C正确，B、D错误。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [练1] (多选)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，有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系，下列描述正确的是(　　) AD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 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 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 感生电场中磁场的方向用楞次定律来判定，原磁场向上且磁感应强度在增大，在周围有闭合导线的情况下，感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反，即感应电流的磁场方向向下，再由右手螺旋定则知感应电流的方向即感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向；同理可知，原磁场方向向上且磁感应强度减小时，感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向，A、D正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 探究点二 对涡流的理解 如图所示，在导体外部绕有线圈，当在线圈中通有随时间变化的电流时： 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [问题设计] 导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ 答案：有。变化的电流产生磁场，变化的磁场产生感生电场，使导体中的自由电子发生定向移动，产生感应电流，它的形状像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 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，根据公式P＝I2R可知，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。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 2．产生涡流的两种情况 (1)金属块放在变化的磁场中。 (2)金属块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 (1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能。 (2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 4．涡流的应用与防止 (1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等。 (2)防止：为了减小电动机、变压器的铁芯上的涡流，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。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 【例2】 (多选)下图中的四个图都与涡流有关，下列说法正确的是(　　) ABD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置 B．金属探测器是利用被测金属中产生的涡流来进行探测的 C. 电磁炉工作时在它的面板上产生涡流加热食物 D．变压器的铁芯用互相绝缘的硅钢片叠合而成是为了减小涡流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 真空冶炼炉是利用线圈中的电流做周期性变化，在金属中产生涡流，从而产生大量的热量，熔化金属的，A正确；金属探测器中通有变化的电流，遇到金属物体时，被测金属中产生涡流，涡流的磁场反过来影响探测器中的电流，从而进行探测，B正确；电磁炉工作时，在锅体中产生涡流，加热食物，C错误；当变压器中的电流变化时，在其铁芯中将产生涡流，使用硅钢片制成的铁芯可以减小涡流，从而减小能量损失，D正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [练2] 下列关于涡流的说法中正确的是(　　) A．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 B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流 C．涡流有热效应，但没有磁效应 D．在硅钢片中不能产生涡流 A 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 涡流是一种特殊的电磁感应现象，它是感应电流，既有热效应，又有磁效应。硅钢片中能产生涡流，但电流较小，A正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 探究点三 对电磁阻尼与电磁驱动的理解 如图甲、乙两个小实验。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [问题设计] (1)如图甲所示，两个相同的磁体，都用弹簧悬挂到天花板上，其中一个磁体下端放一闭合的线圈，然后将两磁体在同一高度由静止释放，结果下端放有闭合线圈的磁体很快停止振动，而另一个磁体则能振动较长时间，如何解释这个现象？ (2)如图乙所示，蹄形磁铁可通过把手在装置中旋转，装置中放置一个可绕竖直轴转动的闭合矩形金属线圈，当顺时针或逆时针转动蹄形磁体时线圈会怎样转动？使线圈转动起来的动力是什么？ 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 答案：(1)题图甲中下端放有闭合线圈的磁体振动时除了受空气阻力外，还受到线圈的磁场阻力，所以很快停下来。 (2)当蹄形磁铁顺时针转动时，线圈也顺时针转动；当蹄形磁铁逆时针转动时，线圈也逆时针转动。线圈内产生感应电流，线圈受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 电磁阻尼与电磁驱动的比较 项目 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由于导体在磁场中运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力 由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力 效果 导体所受安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动 导体所受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 项目 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 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 由于电磁感应，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 联系 都属于电磁感应现象，其中的安培力都阻碍导体与磁体间的相对运动 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 【例3】 (多选)如图所示为某种售货机硬币识别系统简图。虚线框内存在磁场，从入口A进入的硬币沿斜面滚落，通过磁场区域后，由测速器测出速度大小，若速度在某一合适范围，挡板B自动开启，硬币就会沿斜面进入接收装置；否则挡板C开启，硬币进入另一个通道拒绝接受。下列说法正确的是(　　) BCD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 A．磁场能使硬币的速度增大得更快 B．由于磁场的作用，硬币的机械能不守恒 C．硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力 D．如果没有磁场，则测速器示数会更大一些 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 根据题意可知，硬币进入磁场和离开磁场时，穿过硬币的磁通量发生变化，硬币中产生感应电流，感应电流会阻碍硬币的相对运动，即硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力，若磁场阻力大于硬币重力沿斜面的分力，硬币将做减速运动，若磁场阻力等于硬币重力沿斜面的分力，硬币将匀速进入磁场，若磁场阻力小于硬币重力沿斜面的分力，硬币继续加速运动，但速度增加变慢，综上所述，磁场能使硬币的速度增大变慢，A错误，C正确；根据题意可知，硬币进入磁场和离开磁场时，穿过硬币的磁通量发生变化，硬币中 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 产生感应电流，感应电流会阻碍硬币的相对运动，对硬币做负功，使硬币的机械能减小，B正确；如果没有磁场，对硬币没有阻碍作用，由动能定理可知，硬币到达测速器位置时速度更大一些，D正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [练3] 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 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 当蹄形磁体转动时，线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电流，产生安培力，故线圈一定会转动，由楞次定律可知，线圈将与磁体同向转动，但转速一定小于磁体的转速，如两者的转速相同，磁感线与线圈处于相对静止状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，B正确，A、C、D错误。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 探究点四 解决实际问题 [练4] (科技情境)四川三星堆新发现6个祭祀坑。挖掘之前考古人员用图示金属探测器在地面上进行探测定位，探测器中的发射线圈产生磁场，在地下的被测金属物中感应出电流，感应电流的磁场又影响线圈中的电流，使探测器发出警报。则(　　) D 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 A．发射线圈产生的磁场是恒定磁场 B．被测金属物中产生的电流是恒定电流 C. 探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱无关 D. 探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 探测器中的发射线圈产生磁场，在地下的被测金属物中感应出电流，所以发射线圈产生的磁场是变化的磁场，A错误；感应电流的磁场又影响线圈中的电流，说明感应电流产生的磁场是变化的，在线圈中又产生了感应电流，从而发出警报，B错误；探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱有关。发射线圈中的电流越强，其产生的磁场也越强，其探测的深度就越深，C错误；因为探测器产生的磁场是变化的，所以探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报，D正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [练5] (生活情境)(多选)健身车的磁控阻力原理如图所示， 在铜质飞轮的外侧有一些磁铁(与飞轮不接触)，人在健身时 带动飞轮转动，磁铁会对飞轮产生阻碍，拉动控制拉杆可以 改变磁铁与飞轮间的距离。则(　　) A．飞轮受到的阻力大小与其材料密度有关 B．飞轮受到的阻力大小与其材料电阻率无关 C．飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，其受到的阻力越大 D．磁铁与飞轮间距离不变时，飞轮转速越大，其受到的阻力越大 CD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 飞轮在磁场中做切割磁感线运动，所以会产生感应电动势和感应电流，根据楞次定律可知，磁场会对运动的飞轮产生阻力，以阻碍飞轮与磁场之间的相对运动，所以飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力，而安培力的大小与其材料的电阻率有关，与其密度无关，A、B错误；磁铁越靠近飞轮，飞轮处的磁感应强度越强，所以在飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大，飞轮受到的阻力越大，C正确；磁铁和飞轮间的距离一定时，根据法拉第电磁感应定律可知，飞轮转速越大，则飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大，那么飞轮受到的阻力越大，D正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 1. (多选)如图所示，一个闭合线圈静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，而使线圈中产生了感应电动势，下列说法正确的是(　　) A．使电荷定向移动形成电流的力是磁场力 B．磁场变化时，会在空间激发一个电场 C．从上往下看，当磁场增强时，线圈中有 逆时针方向的感应电流 D．使电荷定向移动形成电流的力是静电力 素养训练 学业评价 BD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 麦克斯韦的电磁场理论：变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场，所以磁场变化时，会在空间激发一个电场，因线圈处于激发的电场中，静电力使电荷定向移动，从而产生了感生电流，A错误，B、D正确；根据楞次定律，假如磁场变强，则感应电流的磁场的方向向下，可知在俯视时感应电流的方向为顺时针，C错误。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 2．(多选)金属探测器已经广泛应用在考场检测、车站安检等领域，其利用的是电磁感应原理：探测器内的线圈中通以大小与方向快速变化的电流从而产生快速变化的磁场，该磁场会在金属物体内部感应出涡流。涡流会产生磁场，从而影响原始磁场，导致探测器发出蜂鸣声而报警。下列说法正确的是(　　) 素养训练 学业评价 BD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 A．欲使待检测物内部产生涡流，探测器需在待检测物上方不停地晃动 B．探测器静止在待检测物上方，待检测物内部仍然可以产生涡流 C．若待检测物为塑料则不能报警，因为检测区域内没有磁通量变化 D．若待检测物为塑料则不能报警，因为待检测物中没有能够自由移动的带电粒子或很少 素养训练 学业评价 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 因为金属探测器中通的是大小与方向快速变化的电流，以致产生快速变化的磁场，故即使探测器静止在待检测物的上方，待检测物中依然有感应电流产生，A错误，B正确；因为塑料制品近乎绝缘体，导电性能极差，所以检测区域中并非没有磁通量变化，而是因为塑料内部没有可自由移动的带电粒子或极少，而使得待检测物中无感应电流或电流太小不能引起报警，C错误，D正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 3．下列四个图中，图甲、丙中为铝管，图乙、丁中为塑料管，图甲、乙中小磁铁竖直放置，图丙、丁中小磁铁水平放置，让小磁铁由静止释放，磁铁下落过程中不发生翻转，且不与管相碰，不计空气阻力，则小磁铁穿过管过程中加速度小于重力加速度的有(　　) 素养训练 学业评价 C 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 A．甲、乙、丙、丁 B．甲、丙、丁 C．甲、丙 D．甲 素养训练 学业评价 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 题图甲、丙中磁铁在下落过程中，均会在铝管中产生涡流，阻碍磁铁向下运动，因此磁铁下落过程中的加速度均小于重力加速度；题图乙、丁中为塑料管，则磁铁下落过程中不会产生涡流，则磁铁不受阻碍作用，加速度为重力加速度，C正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 4．如图所示，将一空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上，在“冂”形木框两侧各固定一个强铷磁铁，用电钻控制木框匀速转动，发现木框虽然不与易拉罐接触，但易拉罐也会随木框转动。则下列说法正确的是(　　) 素养训练 学业评价 A 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 A．木框的转速总比易拉罐的大 B．易拉罐与木框的转动方向相反 C．易拉罐与木框保持相同的转速同方向转动 D．两个磁铁必须异名磁极相对 素养训练 学业评价 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 根据电磁驱动原理，易拉罐与木框的转动方向相同，木框的转速总比易拉罐的大，A正确，B、C错误；两个磁铁异名磁极或同名磁极相对均可，在磁极附近的易拉罐导体中都会产生涡流，在磁场中受安培力使易拉罐跟着木框转动起来，D错误。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 5．关于教材中的四幅插图，下列说法正确的是(　　) 素养训练 学业评价 D 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 A.图甲，摇动手柄使磁铁转动，铝框不动 B．图乙，真空冶炼炉可以接高电压的恒定电流 C．图丙，铜盘转动时，穿过铜盘的磁通量不变，铜盘中没有感应电流 D．图丁，微安表在运输时把正、负接线柱用导线连在一起，对电表起到了保护作用 素养训练 学业评价 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 根据电磁驱动原理，图甲中，摇动手柄使磁铁转动，铝框会同向转动，A错误；图乙是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，铁块中产生涡流，铁块中产生大量热量，从而冶炼金属，真空冶炼炉不可以接高电压的恒定电流，B错误；当转动铜盘时，导致铜盘切割磁感线，从而产生感应电流，出现安培力，由楞次定律可知，产生的安培力将阻碍铜盘切割磁感线运动，则铜盘转动将变慢，C错误；图丁是微安表的表头，在运输时要把两个正、负接线柱用导线连在一起，可以减小电表指针摆动角度，这是为了保护电表指针，利用了电磁阻尼的原理，D正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 课时梯级训练（15） 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 (3)感生电场的方向可以根据楞次定律以及右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝n计算。 $$