人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案3：2 3 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊(cè)PAGEPAGE12.3渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1．知道感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生以及與感生電場(chǎng)的聯(lián)系，會(huì)判斷感生電動(dòng)勢(shì)的方向并計(jì)算其大小。2．了解渦流的產(chǎn)生過(guò)程。3．了解渦流現(xiàn)象的利用和危害。4．通過(guò)對(duì)渦流實(shí)例的分析，了解渦流現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。5．了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用?！甲灾鲗W(xué)習(xí)〗知識(shí)點(diǎn)一電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)〖新知導(dǎo)入〗電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)與電荷周圍的靜電場(chǎng)從產(chǎn)生機(jī)理上看有什么區(qū)別？〖知識(shí)梳理〗1．感生電場(chǎng)麥克斯韋認(rèn)為，磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)一種電場(chǎng)，它與靜電場(chǎng)不同，不是由電荷產(chǎn)生的，我們把它叫作感生電場(chǎng)。2．感生電動(dòng)勢(shì)由感生電場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。3．感生電動(dòng)勢(shì)中的非靜電力就是感生電場(chǎng)對(duì)自由電荷的作用。4．感生電場(chǎng)的方向判斷由磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱變化，根據(jù)楞次定律判斷?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)感生電場(chǎng)線是閉合的。()(2)磁場(chǎng)變化時(shí)，可以產(chǎn)生感生電場(chǎng)，并不需要電路閉合這一條件。()(3)感生電場(chǎng)是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的原因。()(4)感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)一樣都是由于磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的。()2．某空間出現(xiàn)了如圖所示的一組閉合電場(chǎng)線,方向從上向下看是順時(shí)針的,這可能是()A．沿AB方向磁場(chǎng)在迅速減弱 B．沿AB方向磁場(chǎng)在迅速增強(qiáng)C．沿BA方向磁場(chǎng)恒定不變 D．沿BA方向磁場(chǎng)在迅速減弱知識(shí)點(diǎn)二渦流〖新知導(dǎo)入〗在一鐵塊的外面繞有如圖所示的線圈，當(dāng)線圈通有如圖所示的交變電流時(shí)，請(qǐng)問(wèn)鐵塊中有感應(yīng)電流嗎？如果有，它的形狀像什么？〖知識(shí)梳理〗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，把它叫作渦電流，簡(jiǎn)稱渦流。2．渦流的特點(diǎn)及產(chǎn)生(1)特點(diǎn)：金屬塊中的渦流會(huì)產(chǎn)生熱量。(2)產(chǎn)生：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。(3)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。3．應(yīng)用(1)渦流熱效應(yīng)：如真空冶煉爐、電磁爐。(2)渦流磁效應(yīng)：如探雷器、安檢門。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：用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯代替整個(gè)硅鋼鐵芯?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)渦流也是一種感應(yīng)電流。()(2)導(dǎo)體中有渦流時(shí)，導(dǎo)體本身會(huì)產(chǎn)熱。()(3)利用渦流制成的探雷器可以探出“石雷”。()(4)真空冶煉爐是爐體發(fā)熱使金屬熔化。()2．如圖所示，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、琉璃杯C．變化的電流、小鐵鍋 D．變化的電流、玻璃杯知識(shí)點(diǎn)三電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)〖新知導(dǎo)入〗(1)如圖甲所示，將磁鐵在同一高度釋放，下端放有閉合線圈的那塊磁鐵很快停止振動(dòng)，而另一個(gè)磁鐵能振動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間，如何解釋這個(gè)現(xiàn)象？(2)如圖乙所示，當(dāng)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)蹄形磁鐵時(shí)線圈怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)？使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的動(dòng)力是什么力？〖知識(shí)梳理〗1．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)體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：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)。2．電磁驅(qū)動(dòng)(1)概念：磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)起來(lái)的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)均遵循楞次定律。()(2)電磁阻尼發(fā)生的過(guò)程中，存在機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。()(3)磁電式儀表的線圈用鋁框做骨架的目的是利用電磁阻尼。()(4)靈敏電流計(jì)在運(yùn)輸時(shí)總要用導(dǎo)體把兩個(gè)接線柱連在一起。()2．如圖所示，甲是閉合銅線框，乙是有缺口的銅線框，丙是閉合的塑料線框，它們的正下方都放置一薄強(qiáng)磁鐵，現(xiàn)將甲、乙、丙拿至相同高度H處同時(shí)釋放(各線框下落過(guò)程中不翻轉(zhuǎn))，則以下說(shuō)法正確的是()A．三者同時(shí)落地 B．甲、乙同時(shí)落地，丙后落地C．甲、丙同時(shí)落地，乙后落地 D．乙、丙同時(shí)落地，甲后落地〖課堂探究〗一、對(duì)感生電場(chǎng)的理解探究1：如圖，一個(gè)閉合電路靜止于磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)強(qiáng)弱的變化，閉合電路內(nèi)產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生了感生電流，你知道原理嗎？〖要點(diǎn)歸納〗1．感生電場(chǎng)是一種渦旋電場(chǎng)，電場(chǎng)線是閉合的。2．感生電場(chǎng)的方向可由楞次定律判斷。如圖所示，當(dāng)磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，產(chǎn)生的感生電場(chǎng)是與磁場(chǎng)方向垂直且阻礙磁場(chǎng)增強(qiáng)的電場(chǎng)。3．感生電場(chǎng)的存在與是否存在閉合電路無(wú)關(guān)。例1如圖所示，在一水平光滑絕緣塑料板上有一環(huán)形凹槽，有一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電小球，在槽內(nèi)沿順時(shí)針方向做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)加一豎直向上且磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小的磁場(chǎng)，則()A．小球速度變大 B．小球速度變小C．小球速度不變 D．小球速度可能變大也可能變小感生電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的區(qū)別靜電場(chǎng)感生電場(chǎng)產(chǎn)生條件由電荷激發(fā)由變化的磁場(chǎng)激發(fā)電場(chǎng)線特點(diǎn)靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線，總是始于正電荷，終止于負(fù)電荷，不閉合、不相交、也不相切感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合曲線，沒有終點(diǎn)和起點(diǎn)電場(chǎng)對(duì)電荷做功單位正電荷在靜電場(chǎng)中沿閉合路徑運(yùn)動(dòng)一周時(shí)，電場(chǎng)力所做的功為零單位正電荷在感生電場(chǎng)中沿閉合路徑運(yùn)動(dòng)一周時(shí)，電場(chǎng)力所做的功不為零電場(chǎng)方向的判斷方法靜電場(chǎng)方向與正電荷所受電場(chǎng)力方向一致，沿電場(chǎng)線的切線方向感生電場(chǎng)方向是根據(jù)磁場(chǎng)的變化情況由楞次定律判斷的二、對(duì)渦流的理解及應(yīng)用探究2：利用高頻交變電流焊接自行車零件的原理如圖所示。圖中M是高頻交流線圈，N是自行車零件，a是待焊接口。當(dāng)線圈M中通入高頻電流時(shí)，把a(bǔ)的兩端相接觸，接口便會(huì)被自動(dòng)焊接起來(lái)。這是為什么？〖要點(diǎn)歸納〗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(shí)，由于整塊金屬的電阻很小，渦流往往很強(qiáng)，根據(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。例2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(gè)水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的上邊界是y＝a的直線(如圖中的虛線所示)。一個(gè)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(zhǎng)，則金屬塊在曲面上滑動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱總量是()A．mgb B．eq\f(1,2)mv2C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2規(guī)律方法(1)金屬塊進(jìn)出勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生焦耳熱，損失機(jī)械能。(2)金屬塊整體在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其機(jī)械能不再損失，在磁場(chǎng)中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。(3)金屬塊整體在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬塊內(nèi)部因有渦流產(chǎn)生，金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。三、電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的理解探究3：如圖所示裝置，可以用來(lái)演示電磁阻尼現(xiàn)象。把銅片懸掛在電磁鐵的兩極間，形成一個(gè)擺。在電磁鐵線圈(圖中未畫出)未通電時(shí)，銅片可以自由擺動(dòng)，要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)停下來(lái)。而電磁鐵線圈通電后，銅片會(huì)很快穩(wěn)定并停下來(lái)。為什么？〖要點(diǎn)歸納〗電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)不同點(diǎn)成因由導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)形成由磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)形成效果安培力的方向與導(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(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)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(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)例3〖多選〗位于光滑水平面的小車上水平固定一螺線管，一個(gè)比螺線管長(zhǎng)的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v0水平穿入螺線管，并最終穿出，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．小車先加速后減速規(guī)律方法電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的理解(1)電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都遵循楞次定律。(2)在電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象中，安培力的作用效果都是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)注意電磁驅(qū)動(dòng)阻礙的結(jié)果中，導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度仍要小于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度。(3)在實(shí)際生活中，電磁驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用很廣，家庭中用的電能表、汽車上用的電磁式速度表以及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等，都是利用電磁驅(qū)動(dòng)原理制成的。四、渦流在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用渦流加熱、無(wú)明火、無(wú)煙、無(wú)廢氣，但火力強(qiáng)勁，安全可靠，在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。例4〖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，一手持式封口機(jī)如圖所示，它的工作原理是：當(dāng)接通電源時(shí)，內(nèi)置線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)磁感線穿過(guò)封口鋁箔材料時(shí)，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)到迅速封口的目的。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是()A．封口材料可用普通塑料來(lái)代替鋁箔B．該封口機(jī)可用干電池作為電源以方便攜帶C．封口過(guò)程中溫度過(guò)高，可適當(dāng)減小所通電流的頻率來(lái)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

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖自主學(xué)習(xí)〗知識(shí)點(diǎn)一電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)〖新知導(dǎo)入〗電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)是由變化的磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生的，靜電場(chǎng)是由電荷激發(fā)產(chǎn)生的。〖小試牛刀〗1．√√√×2．〖答案〗A〖解析〗感生電場(chǎng)的方向從上向下看是順時(shí)針的，假設(shè)在平行感生電場(chǎng)的方向上有閉合回路，則回路中的感應(yīng)電流方向從上向下看也應(yīng)該是順時(shí)針的，由右手螺旋定則可知，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向下，根據(jù)楞次定律可知，原磁場(chǎng)有兩種可能：原磁場(chǎng)方向向下且沿AB方向減弱或原磁場(chǎng)方向向上且沿BA方向增強(qiáng)。所以A正確。知識(shí)點(diǎn)二渦流〖新知導(dǎo)入〗鐵塊中有感應(yīng)電流，它的形狀像水中的旋渦。〖小試牛刀〗1．√√××2．〖答案〗C〖解析〗通入恒定直流時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不變，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流；通入變化的電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生變化，在空間產(chǎn)生感生電場(chǎng)。鐵鍋是導(dǎo)體，感生電場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高；渦流是變化的磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，所以玻璃杯中的水不會(huì)升溫。故C項(xiàng)正確。知識(shí)點(diǎn)三電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)〖新知導(dǎo)入〗(1)圖甲中下端放有閉合線圈的磁鐵振動(dòng)時(shí)除了受空氣阻力外，還受到線圈的磁場(chǎng)阻力，所以很快停下來(lái)。(2)當(dāng)蹄形磁鐵順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線圈也順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)蹄形磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線圈也逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,線圈受到安培力的作用,安培力作為動(dòng)力使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)?！夹≡嚺５丁?．√√√√2．〖答案〗D〖解析〗甲是銅線框，在下落過(guò)程中產(chǎn)生感應(yīng)電流，所受的安培力阻礙它的下落，故所需的時(shí)間長(zhǎng)；乙沒有閉合回路，丙是塑料線框，都不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，它們做自由落體運(yùn)動(dòng)，故D正確?！颊n堂探究〗探究1：導(dǎo)體中的自由電荷在感生電場(chǎng)作用下做定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。例1〖答案〗B〖解析〗磁場(chǎng)的變化使空間內(nèi)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，由楞次定律知感生電場(chǎng)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，帶正電小球受到的電場(chǎng)力與運(yùn)動(dòng)方向相反，故小球速度減小，B正確。探究2：線圈中通以高頻交變電流時(shí)，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于焊縫口的接觸電阻很大，放出的焦耳熱很多，致使溫度升的很高，將金屬熔化，焊接在一起。例2〖答案〗D〖解析〗由初狀態(tài)到末狀態(tài)(金屬塊在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng))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，D正確。探究3：當(dāng)電磁鐵被勵(lì)磁之后，由于穿過(guò)運(yùn)動(dòng)的銅片的磁通量發(fā)生變化，銅片內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因。因此，銅片的擺動(dòng)便因受到阻力而迅速停止，這就是電磁阻尼作用的結(jié)果。例3〖答案〗BC〖解析〗磁鐵水平穿入螺線管時(shí)，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知，產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)；同理，磁鐵穿出時(shí)，由楞次