物理人教版高中選擇性必修二（2019年新編）2-3渦流、電磁阻尼和電磁驅動 課件

第3節(jié)渦流、電磁阻尼和電磁驅動第二章電磁感應知識點電磁感應現象中的感生電場感生電場：磁場變化時會在空間激發(fā)一種電場，我們把這種電場叫感生電場。磁場變化時閉合電路中產生了感應電動勢，感生電場對自由電荷的作用“扮演”了非靜電力的角色。1新知探究知識點電磁感應現象中的感生電場感生電場的方向判斷1新知探究知識點電磁感應現象中的感生電場感生電動勢：感生電場使導體中產生的電動勢叫感生電動勢。產生感生電動勢的導體在電路中的作用是充當電源，其電路就是內電路，它與外電路連接就對會外電路供電。1新知探究知識點渦流定義當線圈中的電流隨時間變化時，線圈附近的任何導體中都會產生感應電流．電流在導體內自成閉合回路，很像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡稱渦流．2新知探究知識點渦流渦流產生的條件渦流的本質是電磁感應現象，渦流產生的條件是穿過導體的磁通量發(fā)生變化，并且導體本身可自行構成閉合回路．同時，因為整個導體回路的電阻一般很小，所以感應電流很大，就像水中的旋渦．2新知探究知識點渦流可以產生渦流的兩種情況(1)把塊狀金屬放在變化的磁場中．(2)讓塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動．2新知探究知識點渦流渦流的特點當電流在金屬塊內自成閉合回路時(產生渦流時)，由于整塊金屬的電阻很小，故渦流往往很強，根據公式P＝I2R知，熱功率的大小與電流的平方成正比，故金屬塊的發(fā)熱功率很大．2新知探究知識點渦流能量轉化伴隨著渦流現象，其他形式的能轉化成電能最終在金屬塊中轉化為內能．如果金屬塊放在了變化的磁場中，則磁場能轉化為電能最終轉化為內能；如果金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉化為電能，最終轉化為內能．2新知探究知識點渦流渦流的危害、防止及利用(1)渦流的危害在各種電機、變壓器中，渦流是非常有害的．首先它會使鐵芯的溫度升高，從而危及線圈絕緣材料的壽命，嚴重時會使材料報廢；其次渦流發(fā)熱要消耗額外的能量，使電機、變壓器的效率降低．2新知探究知識點渦流渦流的危害、防止及利用(2)渦流的防止為了減少渦流，變壓器、電機里的鐵芯不是由整塊的鋼鐵制成的，而是用薄薄的硅鋼片疊合而成的．一方面硅鋼片的電阻率比一般鋼鐵的要大，從而減少損耗；另一方面，每層硅鋼片之間都是絕緣的，阻斷了渦流的通路，進一步減小了渦流的發(fā)熱．計算表明：渦流的損耗與硅片的厚度的平方成正比．2新知探究知識點渦流(3)渦流的利用用來冶煉合金的真空冶煉爐，爐外有線圈，線圈中通入反復變化的電流，爐內的金屬中產生渦流，渦流產生的熱量使金屬熔化并達到很高的溫度．利用渦流冶煉金屬的優(yōu)點是整個過程能在真空中進行，這樣就能防止空氣中的雜質進入金屬，可以冶煉高質量的合金．為了增大渦流，達到快速熔化金屬的目的，在線圈中通入高頻交變電流，根據電磁感應定律，電流變化快，得到的感應電動勢就大，渦流就強．家用電磁爐也是利用渦流工作的．2新知探究知識點渦流2新知探究知識點渦流對渦流現象的進一步理解(1)可以產生渦流的兩種情況①把塊狀金屬放在變化的磁場中。②讓塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動。2新知探究知識點渦流對渦流現象的進一步理解(2)能量轉化伴隨著渦流現象,其他形式的能轉化成電能最終在金屬塊中轉化為內能。如果金屬塊放在了變化的磁場中,則磁場能轉化為電能最終轉化為內能;如果是金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動,則由于克服安培力做功,金屬的機械能轉化為電能,最終轉化為內能。2新知探究知識點渦流例如:如圖所示,在O點正下方有一個具有理想邊界的磁場,銅球在A點由靜止釋放向右擺至最高點B。不考慮空氣阻力,銅球也回不到原來的高度,即A點一定高于B點,這是什么原因呢?銅球由A點運動至B點的過程中,在穿進穿出磁場兩個階段銅球中產生渦流,將銅球的一部分機械能轉化為電能,最終產生了焦耳熱,所以銅球的機械能減小,也就回不到原來的高度了。2新知探究知識點渦流【例題1】如圖所示,在勻強磁場中,金屬球從曲面上h高處滾下,又沿曲面的另一側上升。設球的初速度為零,摩擦不計,則金屬球在另一側滾上的高度(選填“大于”“小于”或“等于”)h。

2新知探究知識點渦流點撥:渦流的產生條件有兩個,一是穿過金屬球的磁通量發(fā)生變化,二是金屬球必須是自行組成閉合的回路。解析:由于金屬球處于勻強磁場中,在從一側滾上另一側的過程中,穿過金屬球的磁通量沒發(fā)生變化,所以金屬球內無渦流產生,也就沒有機械能的損失,在另一側就能滾上原來的高度。答案:等于2新知探究知識點渦流2新知探究題后反思渦流的本質是感應電流,緊扣感應電流的產生條件是解決這類問題的關鍵。觸類旁通例題1中若金屬球處于非勻強磁場中,結論又會怎樣?答案:小于。因為此時滾動過程中穿過金屬球的磁通量發(fā)生變化,金屬球內有渦流產生,最終轉化為金屬球的焦耳熱。即金屬球的機械能有損失,所以在另一側就滾不上原來的高度。知識點電磁阻尼定義閉合回路的部分導體在做切割磁感線運動產生感應電流時，導體在磁場中就要受到磁場力的作用，根據楞次定律，磁場力總是阻礙導體的運動，這就是電磁阻尼．3新知探究知識點電磁阻尼應用電磁阻尼有不少應用．例如：使用磁電式電表進行測量時，總希望指針擺到所示值的位置時便迅速地穩(wěn)定下來，以便讀數．由于指針轉軸的摩擦力矩很小，若不采取其他措施，線圈及指針將會在所示值附近來回擺動，不易穩(wěn)定下來．為此，許多電表把線圈繞在閉合的鋁框上，當線圈擺動時，在閉合的鋁框中將產生感應電流，從而獲得電磁阻尼力矩，以使線圈迅速穩(wěn)定在所示值的位置．電氣列車中的電磁制動器也是根據電磁阻尼這一道理制成的．3新知探究知識點電磁阻尼【例題2】如圖所示,彈簧上端固定,下端掛一只條形磁鐵,使磁鐵上下振動,磁鐵的振動幅度不變。若在振動過程中把線圈靠近磁鐵,觀察磁鐵的振幅將會發(fā)現()A.S閉合時振幅逐漸減小,S斷開時振幅不變B.S閉合時振幅逐漸增大,S斷開時振幅不變C.S閉合或斷開,振幅變化相同D.S閉合或斷開,振幅都不發(fā)生變化3新知探究知識點電磁阻尼點撥:產生感應電流的過程就是能量轉化的過程。解析:S斷開時,磁鐵振動穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,線圈中無感應電流,振幅不變;S閉合時有感應電流,有電能產生,磁鐵的機械能越來越小,振幅逐漸減小,選項A正確。答案:A題后反思渦流、電磁阻尼、電磁驅動其實都是電磁感應現象,產生的電流都是感應電流,根據楞次定律可知,阻礙的過程就是能量轉化的過程。3新知探究知識點電磁驅動定義磁場相對于導體轉動時，導體中產生感應電流，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來，這種作用稱為電磁驅動．應用交流感應電動機．4新知探究知識點電磁驅動電磁驅動的形成原因如圖，當蹄形磁鐵轉動時，穿過線圈的磁通量就發(fā)生變化，例如線圈處于如圖所示的初始狀態(tài)時，穿過線圈的磁通量為零，當蹄形磁鐵轉動時，穿過線圈的磁通量就增加了，根據楞次定律，此時線圈中就有感應電流產生，以阻礙磁通量的增加，因而線圈在安培力作用下會跟著一起轉動起來．4新知探究知識點電磁驅動【例題3】如圖所示,兩個相同的輕質鋁環(huán)套在一根水平光滑絕緣桿上,當一條形磁鐵向左運動靠近兩環(huán)時,兩環(huán)的運動情況是()A.同時向左運動,間距變大B.同時向左運動,間距變小C.同時向右運動,間距變小D.同時向右運動,間距變大4新知探究知識點電磁驅動解析:本題考查了楞次定律和電磁驅動現象。當條形磁鐵向左運動靠近兩環(huán)時,將使穿過兩環(huán)中的磁通量都增加,根據楞次定律,兩環(huán)的運動都要阻礙磁鐵相對環(huán)的運動,即阻礙“靠近”,那么兩環(huán)都向左運動。又由于兩環(huán)中的感應電流方向相同,兩平行的同向電流間有相互吸引的磁場力,因而兩環(huán)間的距離要減小,故B選項正確。答案:B題后反思從導體和磁體相對運動的角度來看,感應電流總要阻礙它們的相對運動,用這種方法來判斷產生感應電流的導體的運動方向比較簡單。4新知探究知識點電磁驅動4新知探究楞次定律的一種理解是阻礙相對運動，從而阻礙磁通量的增加，磁鐵轉動時，相對于線圈轉動，所以線圈也同方向轉動，從而“阻礙”這種相對運動，電磁驅動也可以用楞次定律來解釋．名師指點電磁阻尼與電磁驅動的比較電磁阻尼電磁驅動不同點成因由于導體在磁場中運動而產生感應電流，從而使導體受到安培力由于磁場運動引起磁通量的變化而產生感應電流，從而使導體受到安培力效果安培力的方向與導體運動方向相反，阻礙物體運動導體受安培力的方向與導體運動方向相同，推動導體運動能量轉化導體克服安培力做功，其他形式的能轉化為電能，最終轉化為內能由于電磁感應，磁場能轉化為電能，通過安培力做功，電能轉化為導體的機械能，從而對外做功相同點兩者都是電磁感應現象，都遵循楞次定律，都是安培力阻礙引起感應電流的導體與磁場間的相對運動名師指點電磁阻尼與電磁驅動的比較(1)電磁阻尼、電磁驅動都是電磁感應現象，都遵循楞次定律；(2)電磁阻尼、電磁驅動現象中安培力的作用效果都是阻礙相對運動，應注意電磁驅動中阻礙的結果，導體的運動速度仍要小于磁場的運動速度.1．在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”實驗中，可拆變壓器如圖所示。為了減小渦流在鐵芯中產生的熱量，鐵芯是由相互絕緣的硅鋼片平行疊成。硅鋼片應平行于______。A．平面abcd B．平面abfe C．平面abgh D．平面aehd課堂訓練【答案】D【詳解】變壓器的正視圖如圖：所以要減小渦流在鐵芯中產生的熱量，硅鋼片應平行于平面aehd。故選D。課堂訓練2．高頻焊接原理示意圖如圖所示，線圈通以高頻交流電，金屬工件的焊縫中就產生大量焦耳熱，將焊縫融化焊接，要使焊接處產生的熱量較大，下列措施不可采用是（）A．減小焊接縫的接觸電阻B．增大焊接縫的接觸電阻C．增大交變電流的電壓D．增大交變電流的頻率課堂訓練【答案】A【詳解】AB．增大電阻，在相同電流下，焊縫處熱功率大，溫度升的很高，故B正確，不符合題意，A錯誤，符合題意。C．當增大交變電流的電壓，線圈中交流電流增大，則磁通量變化率增大，因此產生感應電動勢增大，感應電流也增大，所以焊接時產生的熱量也增大，故C正確，不符合題意；課堂訓練【答案】A【詳解】D．高頻焊接利用高頻交變電流產生高頻交變磁場，在焊接的金屬工件中就產生感應電流，根據法拉第電磁感應定律分析可知，電流變化的頻率越高，磁通量變化頻率越高，產生的感應電動勢越大，感應電流越大，焊縫處的溫度升高的越快，故D正確，不符合題意。故選A。課堂訓練3．如圖所示，磁電式電流表的線圈常用鋁框作骨架，把線圈繞在鋁框上，鋁框的兩端裝有轉軸，轉軸的兩邊各有一個螺旋彈簧（繞制方向相反），關于磁電式電流表下列說法正確的是（）A．線圈通電后，由于螺旋彈簧的彈力作用，可以使指針盡快穩(wěn)定下來B．線圈通電后，由于鋁框中的電磁阻尼作用，可以使指針盡快穩(wěn)定下來C．線圈骨架換成塑料，通電后也可以使指針盡快穩(wěn)定下來D．在運輸時要把正負接線柱用導線連在一起，主要是為了增強鋁框中的電磁阻尼作用課堂訓練【答案】B【詳解】AB．常用鋁框做骨架，當線圈在磁場中轉動時，導致鋁框的磁通量變化，從而產生感應電流，出現安培阻力，使其很快停止擺動，利用了鋁框的電磁阻尼作用，故A錯誤，B正確；C．塑料做骨架因不能導電則達不到電磁阻尼的作用，故C錯誤；D．在運輸時要把正負接線柱用導線連在一起，是接通回路能產生鋁框中的電磁阻尼作用，而不能增強，故D錯誤；故選B。課堂訓練4．如圖所示，蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉動。從上向下看，當磁鐵逆時針轉動時，則（）A．線圈將逆時針轉動，轉速