2.3 涡流 电磁阻尼和电磁驱动 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

null第二章 电磁感应 Physics 理解电磁阻尼和电磁驱动的原理，了解其在生产和生活中的应用 03 理解涡流的产生原理，了解涡流现象在生产和生活中的应用 02 重点 重难点 01 了解感生电场的概念，了解电子感应加速器的工作原理 01 电磁感应现象中的感生电场 为什么水会沸腾起来呢？ 镊子为什么会变红？ 观察下面两个实验 情境导入 I 如图所示，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发生定向移动，而产生感应电流。 - - - - - - - - B E感 B感 感生电场 (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？ 答案　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。 观察与思考 I 如图所示，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发生定向移动，而产生感应电流。 - - - - - - - - B E感 B感 感生电场 (2)在上述情况下，哪种力扮演了非静电力的角色？ 答案　感生电场对自由电荷的作用力。 观察与思考 (1)定义：麦克斯韦认为变化的磁场会在周围空间激发一种电场，这种电场叫作感生电场。 1.感生电场 2.感生电动势： (1)定义：由感生电场产生的电动势叫感生电动势。 (2)方向:就是感生电流的方向，根据楞次定律及右手螺旋定则判断。 (2)感生电动势的大小： 核心知识 绝世天才-----麦克斯韦 3.电子感应加速器 利用感生电场使电子加速的设备，当线圈中电流的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速。 核心知识 (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。(　　) √ √ 辨析 1.(2025·长沙市雅礼中学月考)电子感应加速器的基本原理如图甲所示，在电磁铁的两极间有一环形向外逐渐减弱并对称分布的交变磁场，这个交变磁场又在真空室内激发感生电场，其电场线是一系列绕磁感线的同心圆。这时若用电子枪把电子向右沿切线方向射入环形真空室，电子将受到环形真空室中的感生电场的作用而加速，同时，电子还受到洛伦兹力的作用，使电子(电荷量绝对值为e)在半径为R的圆形轨道上运动。 电子做圆周运动的方向如图乙所示，电子 轨道所围面积内平均磁感应强度随时间 变化如图丙所示(垂直纸面向内为的正方 向)。下列说法正确的是 例题 A.加速器利用磁场变化产生的静电场对 电子进行加速 B.为使电子加速，电场的方向应该沿逆 时针方向 C.在2t0~3t0时间内，电子在加速器中可 正常加速 D.电子在圆形轨道中正常加速的时间内，加速一周，感生电场对电子所 做的功为2πeR2 √ 加速器利用磁场变化产生的感生电场对电子进行加速，故A错误； 为使电子加速，电场的方向应该沿顺时针方向，故B错误； 在2t0~3t0时间内，磁场向外增强，根据楞次定律可知感生电场沿顺时针方向，此时电子受的洛伦兹力方向指向圆心，则电子能被正常加速，故C正确； 感生电场场强E=·=·πR2=，加速过程电场力总与速度方向一致，电子运动一周电场力做的功W=eE·2πR=πeR2，故D错误。 闭合回路(假定其存在)的感应电流方向就表示感生电场的方向。判断思路如下： 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 回路中磁通量变化 感生电场的方向 楞次定律 安培定则 总结提升 如图所示，在圆柱形区域存在方向竖直向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场，在此区域内，沿水平面固定一半径为r的圆环形光滑细玻璃管，环心O在区域中心。质量为m、电荷量为q的带正电小球，在管内沿逆时针方向(从上向下看)做圆周运动。当磁感应强度均匀增大时，会产生涡旋电场，其电场线是在水平面内一系列沿逆时针方向的同心圆，同一条电场线上各点的电场强度大小相等。此小球的 A.动能保持不变，是因为洛伦兹力和管道的弹力对小球始终不做功 B.动能减小，是因为洛伦兹力对小球做负功 C.动能减小，是因为涡旋电场使小球减速 D.动能增大，是因为涡旋电场使小球加速 √ 针对训练 由题意知，小球在管内运动，洛伦兹力对小球始终不做功，B错误； 磁感应强度B均匀增大，涡旋电场方向为逆时针方向(从上向下看)，则涡旋电场使小球加速，小球动能增大，D正确，A、C错误。 感生电场与静电场的区别   静电场 感生电场 产生条件 由电荷激发 由变化的磁场激发 电场线特点 静电场的电场线，总是始于正电荷，终止于负电荷，不闭合、不相交、也不相切 感生电场的电场线是闭合曲线，没有终点和起点 总结提升 电场对电荷做功 单位正电荷在静电场中沿闭合路径运动一周时，静电力所做的功为零 单位正电荷在感生电场中沿闭合路径运动一周时，感生电场所做的功不为零 电场方向的判断方法 静电场方向与正电荷所受静电力方向一致，沿电场线的切线方向 感生电场方向是根据磁场的变化情况由楞次定律判断的 总结提升 02 涡 流 能播放音乐的铝片和铁碗 金属碗为什么可以播放音乐？播放一段时间后，用手触摸碗底，看有什么感觉？ 观察与思考 铜环 铜管 铜柱 铜片可以看做多个 半径逐渐变化的铜环 铜柱可以看做多个铜片叠加而成 i 铜环、铜管、铜片、铜柱上会产生感应电流吗？ N S N S 铜管可以看做多个铜环叠加而成 N S 铜片 1.涡流：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，所以把它叫作涡电流，简称涡流。 B E 核心知识 2.涡流现象的应用与防止 (1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等。 真空冶炼炉 点击图片，播放视频 核心知识 2.涡流现象的应用与防止 (1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等。 探雷器 安检门 核心知识 3.涡流现象的应用与防止 为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流。 (1)常用电阻率较大的硅钢做材料 变压器的铁芯不是一整块金属 核心知识 (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 彼此绝缘的薄片 核心知识 2.(多选)(2025·重庆市南开中学高二期末)如图是日常生活中常用到的电磁炉的示意图，它具有升温快、效率高、体积小、安全性高等优点。下列关于电磁炉的说法中正确的是 A.电磁炉是利用图中线圈发热来加热食物的 B.电磁炉是利用金属锅底发热来加热食物的 C.电磁炉可以用陶瓷器皿作为锅具对食物加热 D.可以通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率 √ √ 例题 电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹饪器具，使用时，线圈中通入迅速变化的电流，线圈周围便产生迅速变化的磁场，迅速变化的磁场的磁感线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。所以电磁炉发热部分需要用金属锅底，而不能用陶瓷器皿作为锅具对食物加热，改变交流电源的频率，感应电动势随之改变，功率变化，即可以通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率，故B、D正确，A、C错误。 03 电磁阻尼和电磁驱动 1.如图所示，弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁。将磁铁托起至某一高度后放开，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，磁铁就会很快地停下来。分析这个现象的产生原因，并说明此现象中能量转化的情况。 答案　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和线圈靠近或离开，也就使磁铁振动时除了受到空气阻力外，还受到线圈的磁场力，克服磁场力需要做的功较多，磁铁和弹簧的机械能损失较快，因而很快停下来，系统的机械能转化为内能。 思考与讨论 2.(1)如图所示，当顺时针或逆时针转动蹄形磁体时线圈怎样转动？ 使线圈转动起来的动力是什么？ 答案　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。 线圈受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来。 (2)线圈转动速度比磁体转动速度快还是慢？ 线圈转动速度比磁体慢； 磁体停止转动后，线圈如何运动？ 答案　当磁体停止转动后，线圈由于惯性会继续转动，转动过程中仍能产生感应电流，线圈受到安培力的阻碍，所以线圈会减速直到停止运动。 1.电磁阻尼 当导体在磁场中运动时，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，这种现象称为电磁阻尼。 v 核心知识 2.电磁驱动 (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，这种作用常常称为电磁驱动。 B N S N S B I F F 点击图片，播放视频 核心知识 2.电磁驱动 (2)交流感应电动机是利用电磁驱动的原理工作的，把电能转化成机械能。 连接到三相电源时能产生旋转的磁场 一种交流感应电动机的结构 核心知识 如图所示，某同学将一根长铜管静置于灵敏电子秤上，此时电子秤示数为m0。将一个直径略小于管内径的磁性小球，从铜管上端由静止释放，下落过程小球与管内壁无接触，在其落到铜管底部前，观察到电子秤的示数从m0开始逐渐增大到某一数值后保持不变，回答以下问题： 答案　小铁球落到铜管底部前，电子秤示数始终 不变。 (1)若将磁性小球换成大小相同的小铁球，从铜管上端由静止释放，在其落到铜管底部前，电子秤的示数变化情况如何？ 思考与讨论 (2)请分析电子秤的示数从m0开始逐渐增大的原因，以及到某一数值后保持不变的原因。 答案　磁性小球在下落过程中，穿过铜管的 磁通量发生改变，产生感应电流(涡流)，铜 管受到向下的安培力，磁性小球受到向上 的安培力，刚开始运动速度较小，安培力小于重力，小球加速，安培力增大，电子秤示数增大；当安培力与重力平衡时，小球将保持匀速，此时安培力大小不变，电子秤示数不变。 (3)试分析磁性小球在铜管内下落过程中的能量转化关系。 答案　小球的重力势能转化为小球的动能以及电能，电能最终转化为系统的内能。 思考与讨论 3.(2025·安徽省高二十校联考)磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，该刹车装置的原理图(从车后朝前看)如图所示，停车区的轨道两侧装有强力磁铁，当过山车进入停车区时铜片从强力磁铁间穿过，车很快停下来，则 A.过山车进入停车区时铜片不会产生热量 B.过山车运动的速度越大，在停车区制动力越大 C.若将铜片换成有机玻璃片，也能达到相同的刹车效果 D.若将强力磁铁的磁极对调，过山车在停车区将加速运动 √ 例题 过山车进入停车区时铜片从强力磁铁间穿过，穿过铜片的磁通量发生变化，铜片中会产生感应电流，会产生热量，故A错误； 过山车运动的速度越大，穿过铜片的磁通量变化率越大，产生的感应电动势越大，铜片中的感应电流越大，受到的安培力越大，即在停车区制动力越大，故B正确； 有机玻璃片不是导体，当其进入停车区从强力磁铁间穿过时，不会产生感应电流，达不到同样的刹车效果，故C错误； 若将强力磁铁的磁极对调，铜片所受安培力仍是阻力，过山车在停车区仍做减速运动，故D错误。 电磁阻尼与电磁驱动的比较   电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由导体在磁场中运动形成的 由磁场运动而形成的 效果 安培力方向与导体运动方向相反，为阻力 安培力方向与导体运动方向相同，为动力 能量转化 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 共同点 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间的相对运动 总结提升 涡流 电磁阻尼 电磁驱动 电磁感应现象中的感生电场 涡流 定义 由于电磁感应，导体内产生的涡旋状的感应电流 涡流的应用：真空冶炼机、探雷器、安检门 涡流的防止：用电阻率较大的硅钢；互相绝缘的硅钢叠成 的铁芯来代替整块硅钢铁芯。 感生电动势 感生电场 电子感应加速器 电磁阻尼和电磁驱动 电磁阻尼：安培力阻碍导体的运动 电磁驱动：安培力使导体运动起来 课堂小结 本 课 结 束 Keep Thinking! Lavf58.9.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.68 Lavf60.4.100 Lavf56.15.102 Lavf58.9.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.63 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 $null唯一一个能正面硬刚牛顿的人，天才爵士麦克斯维一的方程惊天下。1831年物理界发生了一件大事，法拉第发现了电磁感应，震动四野八荒。但却有一个小问题，法拉第给不出数学证明。在那个时代，不管是谁，不管发现多么逆天的理论，你都得拿出严谨的数学证明出来才算数。但偏偏的法拉第是个数学学渣，数学符号都写不出来，因此遭到了同行的漫天质疑，被逼的差点隐退江湖。好在剑桥出来个天才少年，名叫麦克斯韦。麦克斯韦读到法拉利的论文，顿时惊为天人。凤，法拉第为神明，与法拉利数学学渣不同，麦克斯韦横跨数学物理两届，数学天赋能排进历史前三。法拉第不是搞不出数学证明吗？没事，我麦克斯韦来搞一天。仅仅一天时间，麦克斯一篇论文横空出世，用完美无瑕的数学论证的法定理论简直空前绝后。法拉利1瞅，当时就老泪纵横，他万万没想到自己有生之年居然能看到自己理论的数学证明。为今之计，只有一事，那就是赶紧找到麦克斯韦，两人一见倾心，夜雨对床法定理论无敌，麦克斯韦数学屁05年磨一剑，思维利刃出鞘，一道外事方程组惊艳天下，被称为世界上最完美的攻势一战风声指日可待。但恰在此时，出现了一个大问题，麦克斯韦违背了牛顿的超巨和光的威力，说虽然当时牛顿早已先是，但他依然是物理界唯一的至尊神。麦克斯韦不得不与牛顿正面硬刚，一个初出茅庐，一个如神凝视，结果可想而知，麦克斯韦被无情封杀。不过迈耶在拜且留下两句豪迈预言，一是这个世界上有一种东西叫做电磁波，二是光就是一种电磁波。纵然麦克斯韦从来没见过电磁波，但他就是敢大胆预言。而这两个预言都实现了，由德国天才赫兹证实。至此，麦克斯韦终于登顶，声谈比肩牛顿。 null一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极之间，可以绕支点自由转动。转动磁铁观察铝框的运动。铝框的转动方向与磁铁的转动方向相同，铝框比磁铁转动的要慢一些。当蹄形磁铁转动时，穿过铝框的磁通量发生变化，在导体中会产生感应电流。导体中产生的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。 大家好，我是朱迅。我现在所在的位置是广西壮族自治区的凭祥市。我身边的这些战士就是来自广西边防部队排雷队的同志们。大家也许感受到今天的运兵车的氛围跟平时可能有点不一样。在不到0.03平方公里的土地上，埋着上千枚的地雷。此次扫雷作业的区域是世界上最复杂的雷场，这里地面被茂密的杂草覆盖，排雷的难度极大。在进入雷区搜排前，首先由搜爆组在雷区边缘的安全区域，利用爆破后逐次爆破推进的方式，为搜快处开辟一条进入雷场的唯一的安全通道。广西边境为三月从林地，山高坡陡，灌木丛生，山区地形错综复杂，机械无法进入这种地形作业，如果盲目爆破，将导致地雷埋身，引发更大的患。人工进入作业是安全彻底排雷唯一的可行方案。像这种雨天，我们最担心的就是这个，因为这个坡还是比较陡的，地面都比较湿滑。但是在这个作业过程当中，很容易摔倒，摔倒的时候下意识会用手去撑地，说不定这一生不可能冲冲到旁边没有收牌过的地雷上面。每一步都得走踏实。车牌车主发现疑似地雷。天使孙彦全，你的命是？他们都可以这样单独作业。只有他和队长。可以这样，太累了。 弹簧下挂一个磁铁，将磁铁拖到某一高度放开，磁铁能震动很长时间。若让磁铁上下震动时，穿过一闭合线圈，磁铁很快就停下来了。这是由于磁场与线圈的相对运动，线圈中产生了阻碍这个运动的感应电流，所以磁铁能很快停下来。 机模拟装置转动，蹄形磁铁闭合的铝框随之转动。将闭合的铝框换为开口的铝框，再转动梯形磁铁，开口的铝框不随之转动。 感应加速器的主要部分是由上下两个磁极两极中间安放一个环形真空室组成。磁铁两极绕上粒子线圈，线圈中通有交变电场，使得两磁极之间磁通量不断变化，从而使环形真空室中产生交变电场。这时用电子枪将电子注入真空室中，电子在洛伦兹力和电场力的共同作用下，在圆形轨道内不断加速，再由特殊装置将电子束引离轨道射在靶上。 nullnullnull