2024-2025學(xué)年高中物理第4章電磁感應(yīng)7渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動學(xué)案新人教版選修3-2

PAGE8-7渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.[物理觀念]了解渦流的產(chǎn)生過程．2.[物理觀念]了解渦流現(xiàn)象的利用和危害．3.[科學(xué)看法與責(zé)任]通過對渦流實例的分析，了解渦流現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用．(重點(diǎn))4.[物理觀念]了解電磁阻尼、電磁驅(qū)動．(難點(diǎn))一、渦流1．定義：由于電磁感應(yīng)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生的像水中旋渦樣的感應(yīng)電流．2．特點(diǎn)：若金屬的電阻率小，渦流往往很強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量許多．3．應(yīng)用(1)渦流熱效應(yīng)：如真空冶煉爐．(2)渦流磁效應(yīng)：如探雷器、安檢門．4．防止電動機(jī)、變壓器等設(shè)備中應(yīng)防止鐵芯中渦流過大而導(dǎo)致奢侈能量，損壞電器．(1)途徑一：增大鐵芯材料的電阻率．(2)途徑二：用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯代替整個硅鋼鐵芯．二、電磁阻尼和電磁驅(qū)動1．電磁阻尼(1)概念：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體運(yùn)動的現(xiàn)象．(2)應(yīng)用：磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針快速停止到某位置，便于讀數(shù)．2．電磁驅(qū)動(1)概念：磁場相對導(dǎo)體轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動起來的現(xiàn)象．(2)應(yīng)用：溝通感應(yīng)電動機(jī)．1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)渦流是由整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，不遵從電磁感應(yīng)定律． (×)(2)通過增大鐵芯材料的電阻率可以減小渦流． (√)(3)變壓器的鐵芯用硅鋼片疊成是為了減小渦流． (√)(4)在電磁阻尼與電磁驅(qū)動中安培力所起的作用相同． (×)(5)在電磁阻尼現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化是導(dǎo)體克服安培力做功，把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． (√)2．(多選)如圖所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現(xiàn)接通溝通電源，過了幾分鐘，杯內(nèi)的水沸騰起來．若要縮短上述加熱時間，下列措施可行的有()A．增加線圈的匝數(shù)B．提高溝通電源的頻率C．將金屬杯換為瓷杯D．取走線圈中的鐵芯AB[考查渦流現(xiàn)象、影響感應(yīng)電動勢大小的因素及分析問題的實力．增大線圈的匝數(shù)，可以增大通過金屬杯的磁通量及磁通量的變更率，從而增大金屬杯中產(chǎn)生感應(yīng)電流的大小，增大加熱功率，縮短加熱時間，A正確；提高溝通電的頻率，最大磁通量不變，但電流交替變更加快也能提高磁通量的變更率，產(chǎn)生更大的感應(yīng)電流，達(dá)到縮短加熱時間的目的，B正確；瓷杯是絕緣體，不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，不能加熱，C錯誤；取走鐵芯，金屬杯中的磁通量變小，磁通量的變更率也變小，從而導(dǎo)致加熱功率變小，加熱時間加長，D錯誤．]3．(多選)如圖所示，是電表中的指針和電磁阻器，下列說法中正確的是()A．2是磁鐵，在1中產(chǎn)生渦流B．1是磁鐵，在2中產(chǎn)生渦流C．該裝置的作用是使指針能夠轉(zhuǎn)動D．該裝置的作用是使指針能很快地穩(wěn)定AD[當(dāng)電表的指針搖擺時，金屬框1在蹄形磁鐵2中同時轉(zhuǎn)動，則1中產(chǎn)生感應(yīng)電流——即渦流，磁場對渦流產(chǎn)生安培力阻礙其指針的相對運(yùn)動，使指針很快穩(wěn)定下來，故A、D正確．]對渦流的理解及應(yīng)用1.渦流的特點(diǎn)當(dāng)電流在金屬塊內(nèi)自成閉合回路(產(chǎn)生渦流)時，由于整塊金屬的電阻很小，渦流往往很強(qiáng)，依據(jù)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．渦流中的能量轉(zhuǎn)化渦流現(xiàn)象中，其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能，并最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．假如金屬塊放在變更的磁場中，則磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；假如金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．3．留意：(1)渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，同樣遵循法拉第電磁感應(yīng)定律．(2)磁場變更越快eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(ΔB,Δt)越大))，導(dǎo)體的橫截面積S越大，導(dǎo)體材料的電阻率越小，形成的渦流就越大．【例1】光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖所示，拋物線的方程為y＝x2，其下半部處在一個水平方向的勻強(qiáng)磁場中，磁場的上邊界是y＝a的直線(如圖中的虛線所示)．一個小金屬塊從拋物線上y＝b(b>a)處以速度v沿拋物線下滑，假設(shè)曲面足夠長，則金屬塊在曲面上滑動的過程中產(chǎn)生的焦耳熱總量是()A．mgbB.eq\f(1,2)mv2C．mg(b－a)D．mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2D[由初狀態(tài)到末狀態(tài)(金屬塊在磁場區(qū)域內(nèi)往復(fù)運(yùn)動)能量守恒．初狀態(tài)機(jī)械能E1＝mgb＋eq\f(1,2)mv2，末狀態(tài)機(jī)械能E2＝mga，焦耳熱Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2.]上例中，若將勻強(qiáng)磁場改為非勻強(qiáng)磁場，其他條件不變，那么金屬塊在曲面上滑動的過程中產(chǎn)生的焦耳熱總量是多少？提示：Q＝eq\f(1,2)mv2＋mgb求解此題應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)金屬塊進(jìn)出磁場時，產(chǎn)生焦耳熱，損失機(jī)械能．(2)金屬塊整體在磁場中運(yùn)動時，其機(jī)械能不再損失，在磁場中做往復(fù)運(yùn)動．eq\O([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．(多選)“電磁感應(yīng)鋁箔封口機(jī)”被廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、食品、化工等生產(chǎn)行業(yè)的產(chǎn)品封口環(huán)節(jié)中，如圖所示為一手持式封口機(jī)，它的工作原理是：當(dāng)接通電源時，內(nèi)置線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)磁感線穿過封口鋁箔材料時，瞬間產(chǎn)生大量小渦流，致使鋁箔自行快速發(fā)熱，熔化復(fù)合在鋁箔上的溶膠，從而粘貼在待封容器的封口處，達(dá)到快速封口的目的．下列有關(guān)說法正確的是()A．封口材料可用一般塑料來代替鋁箔B．該封口機(jī)可用干電池作為電源以便利攜帶C．封口過程中溫度過高，可適當(dāng)減小所通電流的頻率來解決D．該封口機(jī)適用于玻璃、塑料等多種材質(zhì)的容器封口，但不適用于金屬容器CD[由于封口機(jī)利用了電磁感應(yīng)原理，故封口材料必需是金屬類材料，而且電源必需是溝通電源，A、B錯誤；減小內(nèi)置線圈中所通電流的頻率可降低封口過程中產(chǎn)生的熱量，即限制溫度，C正確；封口材料應(yīng)是金屬類材料，但對應(yīng)被封口的容器不能是金屬，否則同樣會被熔化，只能是玻璃、塑料等材質(zhì)，D正確．]電磁阻尼與電磁驅(qū)動的理解電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點(diǎn)成因由導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動形成由磁場運(yùn)動形成效果安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動方向相反，為阻力安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動方向相同，為動力能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)體克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能相同點(diǎn)兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體受到的安培力都是阻礙導(dǎo)體與磁場的相對運(yùn)動【例2】(多選)如圖所示，蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉(zhuǎn)動．從上向下看，當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，則()A．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同B．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁鐵小C．線圈轉(zhuǎn)動時將產(chǎn)生感應(yīng)電流D．線圈轉(zhuǎn)動時感應(yīng)電流的方向始終是abcdaBC[當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，相當(dāng)于磁鐵不動而線圈順時針旋轉(zhuǎn)切割磁感線，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，故C正確；線圈相對磁鐵轉(zhuǎn)過90°時，其感應(yīng)電流方向不再是abcda，D錯誤；由楞次定律的推廣含義可知，線圈將與磁極同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動的角速度肯定小于磁鐵轉(zhuǎn)動的角速度，假如兩者的角速度相同，磁感線與線圈會處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，線圈不切割磁感線，無感應(yīng)電流產(chǎn)生，A錯誤，B正確．]【例3】如圖所示，條形磁鐵用細(xì)線懸掛在O點(diǎn)，O點(diǎn)正下方固定一個水平放置的鋁線圈．讓磁鐵在豎直面內(nèi)搖擺，下列說法中正確的是()A．磁鐵左右搖擺一次，線圈內(nèi)感應(yīng)電流的方向變更2次B．磁鐵始終受到感應(yīng)電流磁場的斥力作用C．磁鐵所受到的感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力D．磁鐵所受到的感應(yīng)電流對它的作用力有時是阻力有時是動力C[磁鐵向下?lián)u擺時，依據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生逆時針方向感應(yīng)電流(從上面看)，并且磁鐵受到感應(yīng)電流對它的作用力為阻力，阻礙它靠近；磁鐵向上搖擺時，依據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生順時針方向感應(yīng)電流(從上面看)，磁場受感應(yīng)電流對它的作用力仍為阻力，阻礙它遠(yuǎn)離，所以磁鐵在左右搖擺一次過程中，電流方向變更3次，感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力，C項正確．]1電磁阻尼和電磁驅(qū)動都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，均可以依據(jù)楞次定律和左手定則分析導(dǎo)體的受力狀況.2電磁阻尼與電磁驅(qū)動現(xiàn)象中安培力的作用效果均為阻礙相對運(yùn)動，應(yīng)留意電磁驅(qū)動中，主動部分的速度或角速度大于被動部分的速度或角速度.eq\O([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．如圖所示，上端開口、內(nèi)壁光滑的銅管P和塑料管Q豎直放置．小磁塊先后在兩管中從相同高度處由靜止釋放，并落至底部，則小磁塊()A．在P和Q中都做自由落體運(yùn)動B．在兩個下落過程中的機(jī)械能都守恒C．在P中的下落時間比在Q中的長D．落至底部時在P中的速度比在Q中的大C[小磁塊下落過程中，在銅管P中產(chǎn)生感應(yīng)電流，小磁塊受到向上的磁場力，不做自由落體運(yùn)動，而在塑料管Q中只受到重力，在Q中做自由落體運(yùn)動，故選項A錯誤；依據(jù)功能關(guān)系知，在P中下落時，小磁塊機(jī)械能削減，在Q中下落時，小磁塊機(jī)械能守恒，故選項B錯誤；在P中加速度較小，在P中下落時間較長，選項C正確；由于在P中下落時要克服磁場力做功，機(jī)械能有損失，故落至底部時在P中的速度比在Q中的小，選項D錯誤．][物理觀念]渦流、電磁驅(qū)動、電磁阻尼．[科學(xué)思維]通過電磁驅(qū)動和電磁阻尼的實例分析，體會電磁驅(qū)動和電磁阻尼的產(chǎn)朝氣制，能分析電磁驅(qū)動和電磁阻尼的作用．1．下列關(guān)于渦流的說法中正確的是()A．渦流跟平常常見的感應(yīng)電流一樣，都是因為穿過導(dǎo)體的磁通量變更而產(chǎn)生的B．渦流不是感應(yīng)電流，而是一種有別于感應(yīng)電流的特別電流C．渦流有熱效應(yīng)，但沒有磁效應(yīng)D．在硅鋼片中不能產(chǎn)生渦流A[渦流是一種特別的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，它是感應(yīng)電流，既有熱效應(yīng)，又有磁效應(yīng)．硅鋼片中能產(chǎn)生渦流，但電流較小，故選項A正確．]2．電磁爐熱效率高達(dá)90%，爐面無明火，無煙，無廢氣，“火力”強(qiáng)勁，平安牢靠．如圖所示是描述電磁爐工作原理的示意圖，下列說法正確的是()A．當(dāng)恒定電流通過線圈時，會產(chǎn)生恒定磁場，恒定磁場越強(qiáng)，電磁爐加熱效果越好B．電磁爐通電線圈加溝通電后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱工作C．在鍋和電磁爐中間放一紙板，則電磁爐不能起到加熱作用D．電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要緣由是這些材料的導(dǎo)熱性能較差B[鍋體中的渦流是由變更的磁場產(chǎn)生的，所加的電流是溝通，不是直流，故A錯誤．依據(jù)電磁爐的工作原理可知，電磁爐通電線圈加溝通電后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱工作，故B正確．在鍋和電磁爐中間放一紙板，不會影響電磁爐的加熱作用，故C錯誤．金屬鍋?zhàn)陨懋a(chǎn)生多數(shù)小渦流而干脆加熱于鍋底，陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋屬于絕緣材料，里面不會產(chǎn)生渦流，故D錯誤．]3．(多選)如圖所示，在O點(diǎn)正下方有一個具有志向邊界的磁場，銅環(huán)在A點(diǎn)由靜止釋放，向右擺至最高點(diǎn)B，不考慮空氣阻力，則下列說法正確的是()A．A、B兩點(diǎn)在同一水平線上B．A點(diǎn)高于B點(diǎn)C．A點(diǎn)低于B點(diǎn)D．銅環(huán)最終將做等幅搖擺BD[銅環(huán)在進(jìn)入和穿出磁場的過程中，穿過環(huán)的磁通量發(fā)生變更，環(huán)中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，將損耗肯定的機(jī)械能，所以A點(diǎn)高于B點(diǎn)．銅環(huán)的擺角會越來越小，最終出不了磁場，而做等幅搖擺．]4．如圖所示，在一蹄形磁鐵下面放一個