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

人教版（2019）物理（选择性必修二） 3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 【课标要求】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。 【学习目标】 1．知道涡流是如何产生的,涡流的本质是感应电流。 2．知道涡流对我们有有利和不利的两方面,以及如何利用和防止。 3．知道电磁阻尼和电磁驱动,其本质是涡流所受到的安培力阻碍导体与磁场的相对运动。 【学习重难点】 重点：1．涡流的概念建立及其应用。 2．利用涡流、电磁阻尼和电磁驱动的相关知识解释物理现象和生活实例。 难点：1．电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。 2．电磁阻尼和电磁驱动的本质是涡流所受到的安培力阻碍导体与磁场的相对运动。 课本导练 必备知识 一、电磁感应现象中的感生电场 1．麦克斯韦认为______________，这种电场叫作感生电场。 2．__________________叫感生电动势。 3．电子感应加速器是___________________的设备，当________________时，产生的感生电场使电子加速。 4．感生电场的方向根据_______________，感生电动势的大小由____________计算。 二、涡流 1．涡流：_____________________________________________________所以把它叫作涡电流，简称涡流。 三、电磁阻尼 ____________________________________________这种现象称为电磁阻尼。 四、电磁驱动 1.__________________________________________这种作用常常称为电磁驱动。 2．交流感应电动机是利用_______________工作的，把_______转化成_______。 1．有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动。如果在转动时把蹄形磁铁的两极放在铜盘的边缘，但并不与铜盘接触，铜盘就能在较短的时间内停止。分析这个现象产生的原因。 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．在科技馆中常看到这样的表演：一根长1m左右的空心铝管竖直放置（图甲），把一枚磁性比较强的小圆柱形永磁体从铝管上端放入管口，圆柱直径略小于铝管的内径。根据一般经验，小圆柱自由下落1m左右的时间不会超过0.5s，但把小圆柱从上端放入管中后，过了许久它才从铝管下端落出。小圆柱在管内运动时，没有感觉到它跟铝管内壁发生摩擦，把小圆柱靠着铝管，也不见它们相互吸引。是什么原因使小圆柱在铝管中缓慢下落呢？如果换用一条有裂缝的铝管（图乙），圆柱在铝管中的下落就变快了。这又是为什么？ 2．人造卫星绕地球运行时，轨道各处地磁场的强弱并不相同，因此，金属外壳的人造地球卫星运行时，外壳中总有微弱的感应电流。分析这一现象中的能量转化情形，它对卫星的运动可能产生怎样的影响？ 3．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。 【课堂探究】 一、电磁感应现象中的感生电场和感生电动势 思维探究 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？ （2）上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？ 感生电场的产生 1．___________________________________________________ 2．___________________________________________________ 例1． 如图所示，abcd是边长为l、总电阻为R的正方形导体框，其外接圆内充满着均匀变化的磁场，磁场方向垂直于纸面向外，磁感应强度大小 （ ），则下列说法正确的是（ ） A． 时刻ab边产生的感应电动势为 B． 时刻ab边受到的安培力大小为 C． 时间内通过cd边的电荷量为 D．撤去导体框，圆上a处的电场强度为零 变式训练1． 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（ ） A．0 B． C． D． 变式训练2． 现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备，它的基本原理如图甲所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室．当电磁铁线圈通入如图乙所示的正弦式交变电流时，真空室中产生磁场，电子在真空室中做圆周运动．以图甲中所示电流方向为正方向，俯视看在0~ 和 ~T两个时间段内电子的运动，下列说法正确的是（ ） A．电子都沿逆时针做加速圆周运动 B．0~ 内电子沿逆时针做加速圆周运动， ~T内电子沿逆时针做减速圆周运动 C．0~ 内电子沿逆时针做减速圆周运动， ~T内电子沿逆时针做加速圆周运动 D．0~ 内电子沿逆时针做加速圆周运动， ~T内电子无法做圆周运动 思路总结： 感生电场的判断 1．感生电场的方向根据楞次定律用右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律 计算． 2．判断思路： 假设存在垂直磁场方向的闭合回路→ 回路中感应电流的方向→感生电场的方向。 那么感生电动势和动生电动势之间存在着怎样的关系？ 二、涡流 思维探究 如图所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ 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，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． 涡流的应用与防止 1．应用：_______________________________________________。 2．防止：_______________________________________________。 例2． 工业上常利用感应电炉冶炼合金，装置如图所示．当线圈中通有交变电流时，下列说法正确的是（ ） A．金属中产生恒定感应电流 B．金属中产生交变感应电流 C．若线圈匝数增加，则金属中感应电流减小 D．若线圈匝数增加，则金属中感应电流不变 变式训练1． 电磁炉利用电磁感应产生的涡流，使锅底发热从而加热食物，下列有关说法正确的是（ ） A．锅底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．环保绝缘材料制成的锅底都可以利用电磁炉来烹饪食物 D．电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递减少热损耗 变式训练2． 如图所示，将绝缘导线绕在柱形铁块上，导线内通以交变电流，铁块内就会产生感应电流，即涡流．当线圈内部空间的磁感线方向竖直向上，在铁块内产生（自上而下观察）沿虚线顺时针方向的涡流方向时，下列说法正确的是（ ） A．绝缘导线中的电流正在减小 B．绝缘导线中的电流由b流向a C．为减小涡流，可以增大交变电流的频率 D．为减小涡流，可以把铁块沿纵向切成很薄的铁片，涂上绝缘层后叠放起来 思路总结： （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; （2）金属自身能够形成闭合回路，形成涡流; （3）磁场变化越快，导体的横截面积越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流越强 三、电磁阻尼 思维探究 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，使磁铁上下振动时穿过它（如图所示），磁铁就会很快停下来，解释这个现象． 电磁阻尼现象的产生 1．___________________________________________________ 2．___________________________________________________ 例3． 如图甲所示，一轻质弹簧上端固定，下端悬挂一个体积很小的磁铁，在小磁铁正下方桌面上放置一个闭合铜制线圈．将小磁铁从初始静止的位置向下拉到某一位置后放开，小磁铁将做阻尼振动，位移x随时间t变化的示意图如图乙所示（初始静止位置为原点，向上为正方向，经t0时间，可认为振幅A衰减到0）．不计空气阻力，下列说法正确的是（ ） A．x＞0的那些时刻线圈对桌面的压力小于线圈的重力 B．x=0的那些时刻线圈中没有感应电流 C．更换电阻率更大的线圈，振幅A会更快地衰减到零 D．增加线圈的匝数，t0会减小，线圈产生的内能不变 变式训练1． 一弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁，让磁铁上下振动，若要使磁铁很快停下，下列铝框放置方式效果最明显的是（ ） A． B． C． D． 变式训练2． 如图所示，挂在弹簧下端的条形磁铁在闭合线圈上端振动，空气阻力不计，则磁铁振动过程中（ ）． A．磁铁的振动幅度不变 B．磁铁的振动幅度逐渐增大 C．线圈中产生大小改变、方向不变的感应电流 D．线圈中产生大小和方向都改变的感应电流 四、电磁驱动 思维探究 一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕轴转动．当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动；蹄形磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动． （1）蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量是否变化？ （2）线圈转动起来的动力是什么力？线圈的转动速度与磁铁的转动速度之间有什么关系？ 电磁阻尼与电磁驱动的比较 1．___________________________________________________ 2．___________________________________________________ 例3． 如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴 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．线圈将逆时针转动，转速比磁铁大 D．只有线圈位置与磁场垂直时，线圈才会转动 变式训练1． 如图是一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极之间．铝框可以绕支点自由转动，先使铝框和磁铁静止，转动磁铁，观察铝框的运动，可以观察到（ ） A．铝框与磁铁转动方向相反 B．铝框始终与磁铁转动的一样快 C．铝框是因为受到安培力而转动的 D．当磁铁停止转动后，如果没有空气阻力和摩擦阻力，铝框将保持匀速转动 变式训练2． 如图所示，导体小球A在光滑的绝缘水平圆形轨道上处于静止状态，现在使小球正上方的条形磁铁在轨道正上方做匀速圆周运动，转速为n．关于小球的运动，下列说法正确的是（ ） A．磁铁转动过程中远离小球时小球加速，靠近小球时小球减速 B．安培力对小球做的功大于小球动能的增加 C．安培力对小球做的功等于小球内部产生的焦耳热和小球动能的增量 D．运动稳定后，小球的转速最后等于n 思路总结： 电磁阻尼、电磁驱动都是楞次定律“阻碍”的体现．阻碍磁通量的变化，阻碍导体与磁场的相对运动． 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 （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）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）导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热。（ ） （5）电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律。（ ） 【参考答案】 课本导练 必备知识 【答案】 一、 1． 变化的磁场能在周围空间激发电场 2． 由感生电场产生的电动势 3． 利用感生电场使电子加速 线圈中电流的大小、方向发生变化时 4． 线圈中电流的大小、方向发生变化时， 法拉第电磁感应定律E＝nΔt(ΔΦ) 二、 1．当某线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，这个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 三、 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 四、 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， 2．电磁驱动的原理 电能 机械能 1．【答案】 铜盘转动时如果加上磁场，则在铜盘中产生涡流，磁场对这个涡流的作用力阻碍它们的转动铜盘能在较短的时间内停止转动。 展示讨论 1．【答案】 见解析 2．【答案】它会导致卫星机械能减少，会使轨道半径减小，造成卫星离地高度下降 3．【答案】 见解析 【课堂探究】 一、电磁感应现象中的感生电场和感生电动势 【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，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）感生电场对自由电荷的作用。 【答案】 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．如果在变化的磁场中放一个闭合电路，自由电荷在感生电场的作用下发生定向移动． 2．感生电场可用电场线形象描述．感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的，而静电场的电场线不闭合． 例1．【答案】B 变式训练1．【答案】D 变式训练2．【答案】D 【答案】 感生电动势和动生电动势根本区别在于磁场是否变化，磁场不变则产生的电动势是动生电动势。 磁场变化产生的电动势是感生电动势。 当然，可以感生电动势和动生电动势同时产生。 二、涡流 【答案】 铁块中有感应电流，它的形状像水中的漩涡。 【答案】 1．真空冶炼炉、探雷器、安检门等． 2．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． 例2．【答案】B 变式训练1．【答案】A 变式训练2．【答案】D 三、电磁阻尼 【答案】 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。 【答案】 1．闭合回路的部分导体在做切割磁感线运动产生感应电流时，导体在磁场中就要受到安培力的作用，根据楞次定律，安培力总是阻碍导体的相对运动，于是产生电磁阻尼现象． 2．电磁阻尼是一种十分普遍的物理现象，任何在磁场中运动的导体，只要给感应电流提供回路，就会存在电磁阻尼现象． 例3．【答案】D 变式训练1．【答案】A 变式训练2．【答案】D 四、电磁驱动 【答案】 （1）当筛形磁铁转动时，穿过闭合线圈的磁通量就发生变化。线圈处于图示初始状态时，穿过线圈的磁通量为零，蹄形磁铁一转动，穿过线圈的磁通量就要增加。 （2）当蹄形磁体顺时针转动时，线圈也顺时针转动；当蹄形磁体逆时针转动时，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。 【答案】 1．电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动；电磁驱动中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．安培力的作用效果均是阻碍导体与磁场的相对运动． 2．电磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能；电磁驱动中由于电磁感应，磁场能转化为电能，通过安培力做功，部分电能转化为导体的机械能． 例3．【答案】B 变式训练1．【答案】C 变式训练2．【答案】D 小结小测 二、课堂小测 【答案】 √ √ √ × √ 学科网（北京）股份有限公司 $$