第三节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动（教学课件）物理人教版选择性必修第二册

第二章 电磁感应 人教版（2019）选择性必修 第二册 3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 建立涡流的物理观念，知道涡流本质是块状导体内部因磁通量变化产生的感应电流，能用法拉第电磁感应定律解释涡流的产生；理解电磁阻尼、电磁驱动都属于电磁感应现象，本质都是感应电流受到安培力作用；能区分涡流的热效应、机械效应，知道涡流有利弊两面；能从能量守恒角度理解：电磁阻尼是机械能转化为电能再转化为内能，电磁驱动是磁场的机械能传递给导体，进一步深化电磁感应、安培力、能量转化的认知，为后续交变电流、电磁技术应用打下基础。 科学思维 能从法拉第电磁感应定律出发推理涡流的形成条件，对比分析电磁阻尼、电磁驱动的异同；能结合楞次定律分析安培力的效果，抓住 “阻碍相对运动” 这个核心规律；能对不同实例建模，区分阻碍运动（电磁阻尼）、带动跟随（电磁驱动）两类模型；能辩证分析涡流的利用与防护（电磁炉、真空冶炼、变压器铁芯减涡流），提升对比辨析、模型建构与逻辑论证能力，能用电磁感应规律解释生活中的电磁制动、异步驱动现象。 科学探究 通过演示实验（铝块在磁场中下落、转动磁铁带动铝罐转动、涡流加热实验）开展探究；观察有无铁芯、整块导体与叠片导体、磁场运动 / 导体运动不同条件下的现象差异；借助控制变量，对比有无涡流、磁场相对运动方向对效果的影响；经历猜想、观察现象、归纳共性、辨析差异的过程，能根据实验现象提炼涡流、电磁阻尼、电磁驱动的规律，学会用实验证据支撑电磁感应相关推论。 科学态度与责任 体会涡流、电磁阻尼、电磁驱动在电磁仪表制动、电磁炉、冶炼、异步电机等工程上的价值；认识电磁技术既能服务生产，也会带来涡流损耗等问题，树立辩证看待技术利弊的意识；在观察、分析现象的过程中养成严谨求实、尊重实验事实的习惯；感受电磁感应理论落地为实用技术的过程，激发探究电磁技术的兴趣，建立利用物理规律优化技术、服务社会的意识。 学习目标 电磁感应现象中的感生电场 01 教学内容 涡流 02 电磁阻尼 03 电磁驱动 04 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 理解涡流的产生机理，知道涡流本质是块状导体内部的感应电流，能用法拉第电磁感应定律解释涡流现象。 理解电磁阻尼、电磁驱动的原理，会利用楞次定律 “阻碍相对运动” 分析两类现象。 辨析电磁阻尼与电磁驱动的异同，能结合能量转化，区分涡流的利用与防护场景。 重点难点 课堂导入——观察与思考 在电磁炉的炉盘下有一个线圈。电磁炉工作时，它的盘面并不发热，在炉盘上面放置铁锅，铁锅会发热。你知道这是为什么吗? 01 PART 01 第一部分 电磁感应现象中的感生电场 探究新知 7 探究新知——电磁感应现象中的感生电场 磁场 变化 激发 感生 电场 力 导体中 自由电荷 形成 感应 电流 静止电荷 激发 静电场 感生电动势 （非静电力） 产生 导体 闭合 麦克斯韦的解释 1.在电磁感应中，使导体中自由电荷定向移动的作用力是什么力呢？这个力有什么特点？ 探究新知——电磁感应现象中的感生电场 2.如自由移动的电荷是正电荷，结合感应电流的方向，想一想感应电场的方向往哪？ 磁场变强 产生顺时针方向的感应电流 结论：感应电场方向与感应电流的方向相同，我们用判断感应电流的方向的方法判断感生电场——楞次定律+右手螺旋定则。 探究新知——电磁感应现象中的感生电场 3.静电场和感生电场的有什么区别？ 静电场 感生电场 产生 由静止的电荷产生 由变化的磁场在周围空间激发 电场线特点 由正电荷发出，到负电荷终止，电场线不闭合。 感应电场是一种涡旋电场， 电场线是闭合的。 电场方向判断 正电荷受力的方向 楞次定律+右手螺旋定则 探究新知——电磁感应现象中的感生电场 4.观察右图电子感应加速器，当电磁铁线圈电流的方向与如图所示方向一致时，电流的大小应该怎样变化才能使电子加速？ 真空室 i i 电子枪 真空室 B i感 F洛 F洛 F洛 F洛 v v v v F F F F E感 E感 E感 E感 v0=0 真空室 B i感 E感 E感 E感 E感 E感 i i 电子感应加速器加速原理： 磁场发生变化时，就会沿管道方向产生感生电场。射入其中的电子就受到感生电场的持续作用而不断加速。 探究新知——典例探究 【例1】现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。如图所示，图甲为侧视图，上、下为电磁铁的两个磁极；图乙为磁极之间真空室的俯视图。若从上往下看电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动，改变电磁铁线圈中电流的大小可使电子加速。则下列判断正确的是 A.真空室中产生的感生电场沿逆时针方向 B.通入电磁铁线圈的电流在增强 C.电子在轨道中加速的驱动力是洛伦兹力 D.电子在轨道中做圆周运动的向心力是由 　静电力提供的 探究新知——典例探究 【解析】电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备，电子带负电，电场方向与电子运动的方向相反，所以真空室中产生的感生电场沿顺时针方向，A错误； 电磁铁线圈中电流变大，产生的磁感应强度变大，由楞次定律可知，产生的感生电场方向是顺时针方向，电子受感生电场的力与运动方向相同，电子的速度增大，B正确； 由于电磁铁线圈中电流可以变化，可在真空室中产生感应磁场，电子在洛伦兹力的作用下做圆周运动，D错误； 由于感生电场使电子加速，即电子在轨道中加速的驱动力是非静电力，C错误。 探究新知——典例探究 【例2】(来自鲁科教材改编)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场强大小相等。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 探究新知——典例探究 【解析】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。 02 PART 02 第二部分 涡流 探究新知 16 探究新知——观察与思考 水为什么会沸腾？ 镊子为什么会变红？ 探究新知——涡流 1.定义：根据麦克斯韦电磁场理论，当磁场变化时，导体中的自由电子就会在感生电场的作用下定向移动从而产生感应电流，这种感应电流是像旋涡一样的闭合的曲线，我们把它叫涡电流，简称涡流。 如果环不断增粗直到变成一圆盘，又会发生什么现象？ 变成方盘呢？ 如果导体用整块铁代替，如图所示，电流变化时，铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状如何？ 你知道涡流应用在那些方面，哪些方面我们又应该防止涡流的影响 探究新知——涡流 2.涡流的热效应 （1）电磁炉 电磁炉的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量，将饭菜煮熟。 探究新知——涡流 2.涡流的热效应 （2）真空冶炼炉 冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。 探究新知——涡流 3.涡流的磁效应 金属探测器、安检门等 探雷器的长柄线圈中，通有变化的电流，在其周围就产生变化的磁场埋在地下的金属物品，由于电磁感应而形成涡流，涡流的磁场反过来又作用于线圈，使仪器报警。 探究新知——涡流 4.涡流的危害与防止 （1）危害：线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流: ①使铁芯发热， （2）防止： 增大铁芯的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢。用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。 ②浪费了能量， ③还可能损坏电器。 怎样减少涡流损耗？ 探究新知——典例探究 【例3】(多选)(来自鲁科教材)如图所示，电磁炉是利用感应电流(涡流)的加热原理工作的。下列关于电磁炉的说法，正确的是 A.电磁炉面板采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部 B.电磁炉面板采用金属材料，通过面板发热加热锅 　内食品 C.电磁炉可用陶瓷器皿作为锅具对食品加热 D.可通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率 探究新知——典例探究 【解析】电磁炉是利用电磁感应直接对锅体加热的，为了安全、美观以及减少能量损失等，电磁炉面板一般采用陶瓷等材料，而锅体采用陶瓷材料则无法产生电磁感应现象，A正确， B、C错误； 锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，即与电子线路的频率有关，D正确。 03 PART 03 第三部分 电磁阻尼 探究新知 25 探究新知——思考与讨论 分析图中线圈中感应电流的方向和所受安培力的方向，并研究安培力对线圈的运动有何影响? 当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体的运动。 探究新知——电磁阻尼 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——电磁阻尼。 2.电磁阻尼的应用 问题1：磁式电流表为什么用铝框做线圈骨架？ （1）假定仪表工作时指针向右转动，铝框中感应电流沿什么方向？ 由右手定则可知，右侧产生的电流向里，左侧产生的电流向外，故从前向后看产生的感应电流为逆时针方向。 探究新知——电磁阻尼 2.电磁阻尼的应用 电磁阻尼摆 探究新知——典例探究 【例4】(2024·淄博市高二期末)如图甲所示为淄博市科技馆的“磁阻尼摆”，支架中间设置永磁体构成的磁场，磁场中分别悬挂着由铝片和塑料片制成的摆，其示意图如图乙所示，将铝摆拉到某一位置由静止释放、发现铝摆很快就停下来。下列说法正确的是 A.同样条件下，用塑料摆做实验比用铝摆能够 更快停下来 B.铝摆摆动过程中，摆片中产生感应电流，受 到阻碍其运动的安培力作用，使之很快停下来 C.塑料摆摆动过程中，摆片中也会产生感应电流 D.若所加磁场反向，铝摆摆片将受到安培力的驱动，摆动加快 探究新知——典例探究 【解析】将铝摆拉到某一位置由静止释放、发现铝摆很快就停下来是因为电磁阻尼的作用，原理为铝摆摆动过程中，产生感应电流，受到阻碍其运动的安培力作用，使之很快停下来，塑料摆动过程中，由于塑料内部没有自由电子，不能产生感应电流，所以用塑料摆做实验会比用铝摆更慢停下来，故B正确，A、C错误； 若所加磁场反向，铝摆摆片仍然受到阻碍其运动的安培力作用，会很快停下来，故D错误。 04 PART 04 第四部分 电磁驱动 探究新知 31 探究新知——观察与思考 以下视频中铝线框为什么会运动？ 探究新知——电磁驱动 1.电磁驱动：磁场相对于导体转动，在导体中产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，安培力使导体跟着磁场转动，这种现象称为电磁驱动。 通过刚才的学习，你觉得电磁驱动和电磁阻尼有什么区别和联系？ B N S N S B I F F 探究新知——电磁驱动 2.电磁阻尼与电磁驱动的区别和联系 (1)联系： 电磁阻尼和电磁驱动，都是由于导体相对于磁场运动引起磁通量的变化，产生感应电流，安培力的方向与导体的相对运动方向相反，阻碍导体的相对运动。 (2)区别： 电磁阻尼是导体运动（或者速度较大）时，安培力的方向与导体的运动方向相反，阻碍导体的运动。电磁驱动是磁场运动，导体静止（或者速度较小）时，安培力对导体提供动力，使导体随磁场运动。 探究新知——电磁驱动的应用 磁悬浮的基本原理很简单，就是利用“同性相斥、异性相吸”的电磁原理，让磁铁对抗地心引力，让车辆悬浮起来（一般情况下不超过1厘米），然后利用电磁驱动力引导，推动列车前行。 1.磁悬浮列车 探究新知——电磁驱动的应用 2.交流感应电动机 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 探究新知——典例探究 探究新知——典例探究 探究新知——电磁驱动与阻尼对比   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 课堂小结 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 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 布置作业 1.认真阅读课本本节内容，并完成课后“练习与应用”； 2.完成分层作业。 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 Lavf58.12.100 无标题项目 Lavf58.12.100 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.63 $