第2章 第3节 涡流 电磁阻尼 电磁驱动-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册教用课件(教科版)

第3节　涡流　电磁阻尼　电磁驱动 1．了解涡流是怎样产生的。　2.了解涡流现象的应用和防止。　3.通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用。　4.了解电磁阻尼和电磁驱动。　 返回导航 课前 知识梳理 1 课堂 深度探究 2 内容 索引 随堂 巩固落实 3 课前 知识梳理 PART 01 第一部分 4 一、涡流 1．定义：由于______________，在大块金属中会形成感应电流，电流在金属块内组成闭合回路，很像水的漩涡，因此叫作涡电流，简称涡流。 2．特点：大块金属沿涡流路径的电阻一般很小，不大的感应电动势就能在它内部形成强大的涡电流，释放出大量的焦耳热。 3．防止：为了降低涡流造成的损耗，变压器和电机中的铁芯用许多相互绝缘的______________叠合而成。 电磁感应 薄硅钢片 课前 知识梳理 返回导航 4．利用：(1)冶炼金属的高频感应炉利用涡流熔化金属。 (2)电磁炉灶内的励磁线圈通有交变电流时，形成交变磁场，使锅底产生__________，从而发热。 涡流 课前 知识梳理 返回导航 二、电磁阻尼和电磁制动 1．电磁阻尼：当闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到____________，安培力总是__________导体的运动，这种现象叫作电磁阻尼。 安培力 阻碍 课前 知识梳理 返回导航 2．电磁阻尼和电磁制动的应用 (1)在磁电式电表中，线圈绕在一个轻铝框上，线圈通电后受力转动，铝框内产生__________，在电磁阻尼的作用下，线圈很快停止摆动，使指针稳定。 (2)在电表搬运过程中，用导线将正、负接线柱短路，在电磁阻尼的作用下，可避免指针剧烈摆动。 (3)电动列车中的电磁制动，即在电动列车制动时，电动机与电源断开，与制动线圈连接成闭合回路，列车前进时带动电动机线圈转动，产生感应电流，受到安培力，将动能转化为电能。 涡流 课前 知识梳理 返回导航 三、电磁驱动 1．定义：当磁体转动起来后，圆盘中产生涡流，磁场对此涡流产生的安培力阻碍它与磁体的______________，使圆盘运动起来，这种感应电流受到安培力使物体运动的现象称为电磁驱动。 2．应用：感应电动机。 相对运动 课前 知识梳理 返回导航 判断下列说法是否正确。 (1)高频感应炉是应用涡流的热效应工作的。(　　) (2)涡流现象能够将变化磁场的磁场能转化为感应电流的电能。(　　) (3)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流的产生。(　　) (4)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(　　) (5)在电磁阻尼与电磁驱动中安培力所起的作用相同。(　　) √ √ √ √ × 课前 知识梳理 返回导航 课堂 深度探究 PART 02 第二部分 11 知识点一　涡流的产生及其应用 1．涡流的产生 涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流，即导体内部产生了涡流。 课堂 深度探究 返回导航 2．能量转化 伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能，最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果是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。 课堂 深度探究 返回导航 3．涡流的热效应 (1)为了减小涡流，变压器、电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成的，而是用薄薄的硅钢片叠合而成。 (2)用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入反复变化的电流，炉内的金属中产生涡流，涡流产生的热量使金属熔化。 课堂 深度探究 返回导航 4．涡流的磁效应 通有变化电流的长柄线圈在扫过地面时，地下金属物体在交变磁场中被激发出涡流，涡流产生磁场影响线圈的磁场，从而触发报警，这就是应用涡流的磁效应工作的金属探测器的原理。 课堂 深度探究 返回导航 √ 角度1　涡流的产生 　(多选)(2023·江苏苏州期中)工业上探测物件表面层内部是否存在缺陷的涡流探伤技术原理图如图所示，其原理是将线圈中通入电流，使被测物件内产生涡流，借助探测线圈内电流变化测定涡流的改变，从而获得被测物件内部是否断裂及位置的信息，关于以上应用实例理解正确的是(　　) A．线圈所连接的电源可以是直流电源 B．线圈所连接的电源应该是交流电源 C．能被探测的物件可以是非导电材料 D．能被探测的物件可以是金属材料 √ 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　为产生涡流，线圈所连接的电源必须是交流电源，A错误，B正确； 能被探测的物件必须是导电材料，否则不会产生涡流，C错误，D正确。 课堂 深度探究 返回导航 √ 角度2　涡流的热效应 　(多选)高频焊接原理示意图如图所示。线圈中通以高频交变电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生大量热量，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．交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快 B．交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小 D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 √ 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快，根据法拉第电磁感应定律，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大，而放出的热量与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高，焊缝处放出的热量越多；焊缝处与其他地方的电流大小一样，根据Q＝I2Rt，工件上只有焊缝处温度升得高，是因为焊缝处电阻很大，故A、D正确。 课堂 深度探究 返回导航 √ 　电磁炉又名电磁灶(图1)，它无须明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。图2是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是(　　) A．电磁炉通电线圈加直流电，电流越大， 电磁炉加热效果越好 B．电磁炉原理是通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 C．在锅和电磁炉中间放一绝缘物质，电磁炉不能起到加热作用 D．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　电磁炉通电线圈加直流电，会产生恒定磁场，穿过锅底的磁通量不会发生变化，不能产生涡流，所以没有加热效果，故A错误； 电磁炉的原理是磁场感应涡流加热，即利用交变电流通过线圈产生交变磁场，所以电磁炉通过线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，故B正确； 在锅和电磁炉中间放一绝缘物质，不会影响涡流的产生，因此不会影响电磁炉的加热作用，故C错误； 金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，不会产生涡流，并不是因为导热性能较差，故D错误。 课堂 深度探究 返回导航 角度3　涡流的磁效应 　(多选)用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图如图所示。关于该探测器，下列说法正确的是(　　) A．探测器内的探测线圈会产生交变磁场 B．探测器只能探测到有磁性的金属物 C．探测器能探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流 D．探测器能探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流 √ √ 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　用涡流金属探测器探测地下金属物时，探测器内的探测线圈会产生交变磁场，从而使金属物中产生涡流，而涡流产生的磁场再被探测器探测到，而被探测物只要是金属即可，不一定具有磁性，故A、D正确，B、C错误。 课堂 深度探究 返回导航 知识点二　电磁阻尼与电磁驱动 1.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。　 课堂 深度探究 返回导航 [提示]　当磁铁穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁铁靠近或离开线圈，也就使磁铁振动时除了受空气阻力外，还要受到线圈的磁场阻力，克服阻力需要做的功较多，机械能损失较快，因而会很快停下来。 课堂 深度探究 返回导航 2.一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)使线圈转动起来的力是什么力？ 线圈的转动速度与磁铁的转动速度之间有什么关系？ [提示]　(1)变化。 (2)线圈内产生感应电流，因此线圈受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来。线圈的转动速度小于磁铁的转动速度。 课堂 深度探究 返回导航 1．电磁驱动和电磁阻尼的形成原因 当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化。例如，线圈处于如图所示的初始状态时，穿过线圈的磁通量为0，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来；从动力学的观点来看，线圈中产生的感应电流受到的安培力是使线圈转动起来的力，对线圈而言是电磁驱动；而线圈对磁铁的作用力对磁铁的转动起阻碍作用，对磁铁而言是电磁阻尼，因此电磁驱动和电磁阻尼是矛盾的两个方面，不可分割。 课堂 深度探究 返回导航 2．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 导体在磁场中运动产生感应电流，从而使导体受到安培力 磁场运动引起磁通量的变化产生感应电流，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 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 相同点 两者都是电磁感应现象 课堂 深度探究 返回导航 √ 类型1　电磁驱动 　如图，将一空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上，在“”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。下列说法正确的是(　　) 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 课堂 深度探究 返回导航 [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。 课堂 深度探究 返回导航 √ 类型2　电磁阻尼 　如图所示，P是绕有闭合线圈的螺线管，将一磁铁从距P上端h高处由静止释放，磁铁竖直穿过P后落在海绵垫上。若仅增大h，重复操作，则磁铁穿过P的过程与原来相比，下列说法正确的是(　　) A．穿过线圈的磁通变化量将增大 B．线圈对磁铁的平均阻力将变小 C．通过线圈导线截面的电荷量相同 D．磁铁在螺线管中做自由落体运动 课堂 深度探究 返回导航 若仅增大h，则磁铁经过线圈的时间减小，线圈中产生的感应电动势将增大，所以感应电流增大，线圈对磁铁的平均阻力将变大，故B错误； 由于线圈的电磁阻尼作用，磁铁在螺线管中不可能做自由落体运动，故D错误。 课堂 深度探究 返回导航 　涡流制动是磁悬浮列车在高速运行时进行制动的一种方式。某研究所制成如图所示的车和轨道模型来定量模拟磁悬浮列车的涡流制动过程。车厢下端安装有电磁铁系统，能在长L1＝0.6 m、宽L2＝0.2 m的矩形区域内产生竖直方向的匀强磁场，磁感应强度可随车速的减小而自动增大(由车内速度传感器控制)，但最大不超过B1＝2 T。长大于L1、宽也为L2的单匝矩形线圈，间隔铺设在轨道正中央，其间隔也为L2，每个线圈的电阻R＝0.1 Ω，导线粗细忽略不计。在某次实验中，模型车速度v＝20 m/s时，启动电磁铁系统开始制动，车立即以大小为a＝2 m/s2的加速度做匀减速直线运动，当磁感应强度增加到B1时就保持不变，直到模型车停止运动。已知模型车的总质量m＝36 kg，空气阻力不计。不考虑磁感应强度的变化引起的电磁感应现象以及线圈激发的磁场对电磁铁产生磁场的影响，则模型车的制动距离为(　　) A．200 m　　　　　　 B．50 m C．106.25 m D．137.75 m √ 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 随堂 巩固落实 PART 03 第三部分 35 √ 1．(涡流的产生)下列做法中可能产生涡流的是(　　) A．把金属块放在匀强磁场中 B．让金属块在匀强磁场中匀速运动 C．让金属块在匀强磁场中做变速运动 D．把金属块放在变化的磁场中 随堂 巩固落实 返回导航 解析：涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化。而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误； 把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确。 随堂 巩固落实 返回导航 √ 2．(涡流的磁效应)(多选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品，安检门中接有线圈，线圈中通以交变电流。关于其工作原理，以下说法正确的是(　　) A．人身上携带的金属物品会被地磁场磁化，在线圈中产生感应电流 B．人体在线圈交变电流产生的磁场中运动，产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流 C．线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流 D．金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流 √ 随堂 巩固落实 返回导航 解析：一般金属物品不一定能被磁化，且地磁场很弱，即使金属被磁化磁性也很弱，由于人体电阻很大，且一般不会与金属物品构成回路，故A、B错误； 安检门利用涡流探测金属物品的工作原理：线圈中交变电流产生交变磁场，使金属物品中产生涡流，故C正确； 该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流，故D正确。 随堂 巩固落实 返回导航 3．(电磁阻尼)电磁阻尼可以无磨损地使运动的线圈快速停下来。如图所示，扇形铜框在绝缘细杆作用下绕转轴O在同一水平面内快速逆时针转动，虚线把圆环分成八等份，扇形铜框恰好可以与其中一份重合。为使线框快速停下来，实验小组设计了以下几种方案，其中虚线为匀强磁场的理想边界，边界内磁场大小均相同，其中最合理的是(　　) √ 随堂 巩固落实 返回导航 解析：扇形铜框逆时针转动时，对于A、D选项，通过铜框的磁通量不发生变化，无感应电流产生，则线圈不会受到安培力阻碍； 对于B、C选项，通过铜框的磁通量发生变化，产生感应电流，B项的铜框只有单边ad或bc受到安培阻力作用，而C项的铜框ad边、bc边同时受到安培阻力作用，所以最合理的是C选项。 随堂 巩固落实 返回导航 √ 4．(电磁驱动)如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动。当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化。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，转速比磁铁大 C．线圈转动时将产生感应电流 D．线圈转动时感应电流的方向始终是abcda 随堂 巩固落实 返回导航 解析：由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁极同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。如两者的角速度相同，磁感线与线圈相对静止，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，故A、B错误； 当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生感应电流，故C正确； 当线圈相对磁铁转过90°时电流方向不再是abcda，故D错误。 随堂 巩固落实 返回导航 $