渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng) 【知識(shí)精講+高效備課】 高二物理 課件（2019人教版選擇性必修第二冊(cè)）

第二章

電磁感應(yīng)選修二第二章第三節(jié)2019人教版高中物理

2.3渦流

電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.知道感生電場(chǎng)和感生電動(dòng)勢(shì)的概念及產(chǎn)生原因。2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解渦流的產(chǎn)生過(guò)程，通過(guò)實(shí)例的分析，了解渦流現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。3.了解電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)，知道其在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。

在電磁爐的爐盤下有一個(gè)線圈。電磁爐工作時(shí)，它的盤面并不發(fā)熱，在爐盤上面放置鐵鍋，鐵鍋會(huì)發(fā)熱。你知道這是為什么嗎?一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)沿圖示方向的磁場(chǎng)增加時(shí)：（1）在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向如何？（2)電流是自由電荷定向移動(dòng)產(chǎn)生的，自由電荷定向移動(dòng)的原因是什么？1.感生電場(chǎng)：磁場(chǎng)變化時(shí)，在空間激發(fā)一種電場(chǎng)，

我們把它叫做感生電場(chǎng)。2.感生電動(dòng)勢(shì)：這種由變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫感生電動(dòng)勢(shì)。

其方向可由楞次定律判斷。BIE【例1】（目標(biāo)指向1）(多選)某空間出現(xiàn)了如圖的一組閉合的電場(chǎng)線，這可能是(

)A．沿AB方向的磁場(chǎng)在迅速減弱B．沿AB方向的磁場(chǎng)在迅速增強(qiáng)C．沿BA方向的磁場(chǎng)在迅速增強(qiáng)D．沿BA方向的磁場(chǎng)在迅速減弱解析：感生電場(chǎng)的方向?yàn)轫槙r(shí)針，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向下，根據(jù)楞次定律，原磁場(chǎng)要么向下減弱，要么向上增強(qiáng)。所以選AC.AC3、感生電場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例---電子感應(yīng)加速器（1）電子感應(yīng)加速器:應(yīng)用感生電場(chǎng)來(lái)加速電子的一種設(shè)備。（2）結(jié)構(gòu)：柱形電磁鐵—產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)；環(huán)形真空管道—電子運(yùn)行的軌道；（3）工作過(guò)程：磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)沿管道方向產(chǎn)生感生電場(chǎng)。射入其中的電子就受到感生電場(chǎng)力而不斷加速。一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)

從圖2.3-1甲中可以看到，磁場(chǎng)方向由下向上，如果從上向下看(2.3-1乙)，電子沿逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)。電子帶負(fù)電，它在電場(chǎng)中受力的方向與電場(chǎng)方向相反，為使電子加速。請(qǐng)思考以下問題：（1）感生電場(chǎng)方向是順時(shí)針還是逆時(shí)針？（2）原磁場(chǎng)應(yīng)該由強(qiáng)變?nèi)踹€是由弱變強(qiáng)？（3）電磁鐵線圈中的電流應(yīng)該由小變大還是由大變?。宽槙r(shí)針由弱變強(qiáng)由小變大二、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，叫渦電流。如圖中的虛線所示。2.特點(diǎn)：若金屬電阻率很小，則渦流往往很強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量很多。∽3.應(yīng)用（1）渦流熱效應(yīng)：真空冶煉爐，電磁爐、高頻焊接。①真空冶煉爐原理：用來(lái)冶煉合金鋼的真空冶煉爐（如圖），爐外有線圈，線圈中通入迅速變化的電流，爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生渦流。渦流產(chǎn)生的熱量使金屬熔化。利用渦流冶煉金屬的優(yōu)點(diǎn)是，整個(gè)過(guò)程可以在真空中進(jìn)行，能防止空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入金屬，可以冶煉高質(zhì)量的合金。真空冶煉爐②電磁爐原理：迅速變化的電流通過(guò)電磁爐面板下方的線圈時(shí)，線圈周圍產(chǎn)生迅速變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)使面板上方的鐵鍋底部產(chǎn)生渦流，鐵鍋迅速發(fā)熱，從而達(dá)到加熱食物的目的（如圖所示）。二、渦流3.應(yīng)用二、渦流（2）渦流磁效應(yīng)：金屬探測(cè)器，探雷器，安檢門。金屬探測(cè)器：金屬探測(cè)器的探測(cè)線圈中通有交流電，當(dāng)靠近隱藏的金屬物品時(shí)，會(huì)在隱蔽金屬中產(chǎn)生渦流，渦流的磁場(chǎng)又影響探測(cè)線圈，從而改變?cè)涣麟姷拇笮『拖辔唬瑥亩鸬教綔y(cè)作用。4.防止電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備中應(yīng)防止鐵芯中渦流過(guò)大而導(dǎo)致浪費(fèi)能量，損壞電器。（1）途徑一：增大鐵芯材料的電阻率。（2）途徑二：用互相絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯代替整塊硅鋼鐵芯。如圖所示。用硅鋼片做變壓器的鐵芯二、渦流交變電流交變電流整塊鐵心彼此絕緣的薄片例2.（目標(biāo)指向2）如圖,在一個(gè)繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上分別放一小鐵鍋水和一玻璃杯水。給線圈通入電流,一段時(shí)間后,一個(gè)容器中水溫升高,則通入的電流與水溫升高的是()

A.恒定直流、小鐵鍋

B.恒定直流、玻璃杯

C.變化的電流、小鐵鍋

D.變化的電流、玻璃杯解析：變化的電流才能產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)才能產(chǎn)生感生電場(chǎng)，在金屬內(nèi)才能產(chǎn)生渦流，使水溫升高。所以選C.C三、電磁阻尼1.概念當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。2.應(yīng)用1.如圖2.3-7所示，一個(gè)單匝線圈落入磁場(chǎng)中，分析它在圖示位置時(shí)感應(yīng)電流的方向和所受安培力的方向。安培力對(duì)線圈的運(yùn)動(dòng)有什么影響？應(yīng)用:阻尼擺、磁電式儀表、電氣機(jī)車的電磁制動(dòng)等

磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針迅速停止到某位置，便于讀數(shù)。

磁電式儀表的線圈常常用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框上，指針也固定在鋁框上。假定儀表工作時(shí)指針向右轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁框中的感應(yīng)電流沿什么方向？由于鋁框轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其中有感應(yīng)電流，鋁框要受到安培力。安培力是沿什么方向的？安培力對(duì)鋁框的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生什么影響？三、電磁阻尼為什么靈敏電流表在運(yùn)輸時(shí)總要用導(dǎo)體把兩個(gè)接線柱連在一起?

靈敏電流計(jì)的指針太過(guò)靈活，很容易在運(yùn)輸時(shí)由于擺動(dòng)而折斷。用導(dǎo)線把正負(fù)兩個(gè)接線柱連在一起，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。這樣如果它的指針擺動(dòng)，就會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，接著出現(xiàn)電磁阻尼的現(xiàn)象，使指針很快的停止運(yùn)動(dòng)就不容易折斷。

四、電磁驅(qū)動(dòng)觀察鋁框的運(yùn)動(dòng)

如圖所示，一個(gè)鋁框放在蹄形磁體的兩個(gè)磁極間，可以繞支點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)磁體，觀察鋁框的運(yùn)動(dòng)。怎樣解釋鋁框的運(yùn)動(dòng)？鋁框的運(yùn)動(dòng)BNSNSBIFF產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的裝置2.應(yīng)用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)就是利用電磁驅(qū)動(dòng)的原理工作的。配置的三個(gè)線圈連接到三相電源上，就能產(chǎn)生類似上面演示實(shí)驗(yàn)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中的導(dǎo)線框也就隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。就這樣，電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。電動(dòng)機(jī)四、電磁驅(qū)動(dòng)如果磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)，在導(dǎo)體中會(huì)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(dòng)起來(lái)，這種作用常常稱為電磁驅(qū)動(dòng)。1.電磁驅(qū)動(dòng)：電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)不同點(diǎn)成因安培力的效果能量轉(zhuǎn)化相同點(diǎn)導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反，為阻力。安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相同，為動(dòng)力。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)能通過(guò)安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體受到的安培力都是阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)例題3（目標(biāo)指向3）(多選)位于光滑水平面上的小車上放置一螺線管，一個(gè)比螺線管長(zhǎng)的條形磁鐵沿著螺線管的軸線水平穿過(guò)，如圖所示，在此過(guò)程中()A．磁鐵做勻速直線運(yùn)動(dòng)B．磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)C．小車向右做加速運(yùn)動(dòng)D．小車先加速后減速解析：根據(jù)電磁阻尼，它們之間的力使小車加速，磁鐵減速。所以選BC.BC1.1824年，法國(guó)科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤實(shí)驗(yàn)”．實(shí)驗(yàn)中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖所示實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓盤在磁針的磁場(chǎng)中繞過(guò)圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，但略有滯后。下列說(shuō)法正確的是（）A．圓盤上沒有產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)B．圓盤內(nèi)的渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)C．在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，磁針的磁場(chǎng)穿過(guò)整個(gè)圓盤的磁通量發(fā)生了變化D．圓盤中的自由電子隨圓盤一起運(yùn)動(dòng)形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)B當(dāng)堂檢測(cè)解析：圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),可看成沿半徑方向的金屬條切割磁感線,從而在圓心和邊緣之間產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),故A錯(cuò)誤;圓盤在徑向的金屬條切割磁感線過(guò)程中,內(nèi)部距離圓心遠(yuǎn)近不同的點(diǎn)電勢(shì)不等,從而形成渦流,渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng),故B正確;由于圓盤面積不變,距離磁針的距離不變,故在磁針的磁場(chǎng)中,穿過(guò)整個(gè)圓盤的磁通量沒有變化,故C錯(cuò)誤;圓盤整體電荷均勻分布,呈電中性,僅圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)形成電流,故D錯(cuò)誤.2.如圖所示，一個(gè)水平放置的玻璃圓環(huán)形小槽，槽內(nèi)光滑，槽寬度和深度處處相同。現(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，讓它獲得一初速度v0，與此同時(shí)，有一變化的磁場(chǎng)垂直穿過(guò)玻璃圓環(huán)形小槽外徑所對(duì)應(yīng)的圓面積，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小跟時(shí)間成正比例增大，方向豎直向下。設(shè)小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電荷量保持不變，則（）A.小球的向心力大小不變B.小球的向心力大小不斷增大C.磁場(chǎng)力對(duì)小球做了功D.小球受到的磁場(chǎng)力大小與時(shí)間成正比B【解析】A錯(cuò)，B對(duì)：當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間均勻增大時(shí)，將產(chǎn)生一恒定的感生電場(chǎng)，由楞次定律知，電場(chǎng)方向和小球的初速度方向相同。因小球帶正電，靜電力對(duì)小球做正功，小球的速度逐漸增大，向心力也隨之增大。C錯(cuò)：洛倫茲力對(duì)帶電小球不做功。D錯(cuò)：帶電小球所受的洛倫茲力F=qvB隨著v、B的增大而增大，同時(shí)B∝t，則F和t不成正比。當(dāng)堂檢測(cè)3.下列關(guān)于渦流的說(shuō)法中，正確的是（）A.渦流跟平時(shí)常見的感應(yīng)電流一樣，都是因?yàn)榇┻^(guò)導(dǎo)體的磁通量變化而產(chǎn)生的B.渦流不是感應(yīng)電流，而是一種有別于感應(yīng)電流的特殊電流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【解析】渦流是一種特殊的電磁感應(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。當(dāng)堂檢測(cè)4.

電磁爐熱效率高達(dá)90%，爐面無(wú)明火，無(wú)煙無(wú)廢氣，電磁“火力”強(qiáng)勁，安全可靠。如圖所示是描述電磁爐工作原理的示意圖，下列說(shuō)法正確的是（）A.當(dāng)恒定電流通過(guò)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，恒定磁場(chǎng)越強(qiáng)，電磁爐加熱效果越好B.電磁爐通電線圈加交流電后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱工作C.電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要原因是這些材料的導(dǎo)熱性能較差D.在鍋和電磁爐中間放一紙板