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

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE1第3節(jié)渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動學(xué)習(xí)目標(biāo)要求核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力1.了解感生電場的概念。2.知道渦流、電磁驅(qū)動和電磁阻尼的概念，理解渦流的產(chǎn)生原理。3.理解電磁驅(qū)動和電磁阻尼的原理，了解其在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。1.科學(xué)思維能在問題情境中應(yīng)用渦流原理進(jìn)行分析。2.科學(xué)探究通過實(shí)驗(yàn)探究分析電磁阻尼和電磁驅(qū)動的原理。3.關(guān)鍵能力應(yīng)用物理原理分析實(shí)際問題的能力。一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場1．感生電場麥克斯韋認(rèn)為：磁場變化時(shí)會在空間激發(fā)一種電場，這種電場叫作感生電場。2．感生電動勢由感生電場產(chǎn)生的電動勢叫感生電動勢。3．電子感應(yīng)加速器電子感應(yīng)加速器是利用感生電場使電子加速的設(shè)備，當(dāng)電磁鐵線圈中電流的大小、方向發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的感生電場使電子加速。〖判一判〗(1)感生電場線是閉合的。(√)(2)只要磁場變化，即使沒有電路，在空間也將產(chǎn)生感生電場。(√)(3)處于變化磁場中的導(dǎo)體，其內(nèi)部自由電荷定向移動，是由于受到感生電場的作用。(√)二、渦流1．定義：在變化的磁場中的導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，就像水中的漩渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流。2．應(yīng)用(1)渦流熱效應(yīng)的應(yīng)用：如真空冶煉爐。(2)渦流磁效應(yīng)的應(yīng)用：如探雷器、安檢門。3．防止電動機(jī)、變壓器等設(shè)備中為防止鐵芯中渦流過大而導(dǎo)致浪費(fèi)能量，損壞電器，應(yīng)采取如下措施。(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塊硅鋼鐵芯?！寂幸慌小?1)渦流也是一種感應(yīng)電流。(√)(2)導(dǎo)體中有渦流時(shí)，導(dǎo)體沒有和其他元件組成閉合回路，故導(dǎo)體不會發(fā)熱。(×)(3)利用渦流制成的探測器也可探測毒品。(×)(4)渦流是一種有害的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。(×)三、電磁阻尼和電磁驅(qū)動1．電磁阻尼(1)產(chǎn)生：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時(shí)，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)體的運(yùn)動的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：電學(xué)儀表中利用電磁阻尼使指針很快地停下來，便于讀數(shù)。2．電磁驅(qū)動(1)產(chǎn)生：如果磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)體中會產(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。(2)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動機(jī)。〖想一想〗感應(yīng)電流受到的安培力一定是阻力嗎？〖答案〗可以是阻力，也可以是動力。

探究1電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場■情境導(dǎo)入如圖所示，B增強(qiáng)時(shí)，就會在空間激發(fā)一個(gè)感生電場E。如果E處空間存在閉合導(dǎo)體，導(dǎo)體中的自由電荷就會在電場力的作用下定向移動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。(1)感生電場的方向與感應(yīng)電流的方向有什么關(guān)系？如何判斷感生電場的方向？(2)上述情況下，哪種作用扮演了非靜電力的角色？〖答案〗(1)感應(yīng)電流的方向與正電荷定向移動的方向相同，感生電場的方向與正電荷受力的方向相同，因此，感生電場的方向與感應(yīng)電流的方向相同，感生電場的方向可以用楞次定律來判定。(2)感生電場對自由電荷的作用?！鰵w納拓展1．感生電場的理解(1)變化的磁場周圍產(chǎn)生感生電場，與閉合電路是否存在無關(guān)。如果在變化磁場中放一個(gè)閉合電路，自由電荷在感生電場的作用下發(fā)生定向移動。(2)感生電場可用電場線形象描述。感生電場是一種漩渦電場，電場線是閉合的，而靜電場的電場線不閉合。(3)感生電場的方向根據(jù)楞次定律用右手螺旋定則判斷，感生電動勢的大小由法拉第電磁感應(yīng)定律E＝neq\f(ΔΦ,Δt)計(jì)算。2．感生電場與靜電場的區(qū)別靜電場感生電場產(chǎn)生條件由電荷激發(fā)由變化的磁場激發(fā)電場線特點(diǎn)靜電場的電場線不閉合，總是始于正電荷或無窮遠(yuǎn)處，終止于負(fù)電荷或無窮遠(yuǎn)處，不閉合、不相交、也不相切感生電場的電場線是閉合曲線，沒有終點(diǎn)和起點(diǎn)電場對電荷做功單位正電荷在靜電場中沿閉合路徑運(yùn)動一周時(shí)，電場力所做的功為零單位正電荷在感生電場中沿閉合路徑運(yùn)動一周時(shí)，電場力所做的功不為零電場方向的判斷方法正電荷所受電場力的方向與靜電場的方向一致，沿電場線的切線方向感生電場方向是根據(jù)磁場的變化情況由楞次定律和安培定則判斷的〖例1〗如圖所示，在內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于圓環(huán)口徑的帶正電的小球，正以速率v0沿逆時(shí)針方向勻速轉(zhuǎn)動。若在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間成正比例增加的變化磁場，若運(yùn)動過程中小球的帶電荷量不變，那么()A．洛倫茲力對小球一直做正功B．小球受到的洛倫茲力不斷增大C．小球先沿逆時(shí)針方向做減速運(yùn)動，過一段時(shí)間后，沿順時(shí)針方向做加速運(yùn)動D．小球仍做勻速圓周運(yùn)動〖答案〗C〖解析〗因?yàn)椴ＡA環(huán)所在處有均勻變化的磁場，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的感生電場，電場力對帶正電的小球做功，由楞次定律可判斷感生電場方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，在電場力作用下，小球先沿逆時(shí)針方向做減速運(yùn)動，后沿順時(shí)針方向做加速運(yùn)動，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤；洛倫茲力方向始終與小球做圓周運(yùn)動的線速度方向垂直，所以洛倫茲力對小球不做功，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；小球的速率先減小到零后再增大，開始時(shí)B＝0，F(xiàn)＝0，小球速率為零時(shí)，F(xiàn)＝0，可知小球受到的洛倫茲力不是不斷增大的，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。探究2渦流現(xiàn)象及應(yīng)用1．渦流是一種特殊的感應(yīng)電流，金屬塊中產(chǎn)生渦流的條件是穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化。渦流的大小正比于磁通量的變化率。2．渦流產(chǎn)熱功率的大小，除與渦流大小有關(guān)外，還與金屬的電阻有關(guān)，在實(shí)際問題中，通過改變金屬的電阻而改變其產(chǎn)熱功率，分析解答渦流的應(yīng)用問題的關(guān)鍵是明確決定渦流大小的因素，電源電流變化得越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大，感應(yīng)電流越大。由Q＝I2Rt可知，在電流相同的情況下，電阻越大，時(shí)間越長，產(chǎn)生的熱量越多?！祭?〗(2021·北京市第十二中學(xué)高二期末)關(guān)于渦流，下列說法中錯(cuò)誤的是()A．真空冶煉爐是利用渦流來熔化金屬的裝置B．家用電磁爐鍋體中的渦流是由恒定磁場產(chǎn)生的C．阻尼擺擺動時(shí)產(chǎn)生的渦流總是阻礙其運(yùn)動D．變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成能減小渦流〖答案〗B〖解析〗真空冶煉爐是利用渦流產(chǎn)熱來熔化金屬的，A正確；要想產(chǎn)生渦流，必須是變化的磁場，因?yàn)樽兓拇艌霾拍墚a(chǎn)生電場，產(chǎn)生渦流，B錯(cuò)誤；根據(jù)楞次定律可知，阻尼擺擺動時(shí)產(chǎn)生的渦流總是阻礙其運(yùn)動，C正確；渦流會造成能量的損失，所以變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成，為了減小渦流造成的能量損失，D正確。〖針對訓(xùn)練1〗(多選)機(jī)場的安檢門可以利用渦流探測人身上攜帶的金屬物品，安檢門中接有線圈，線圈中通以交變電流，關(guān)于其工作原理，以下說法正確的是()A．人身上攜帶的金屬物品會被地磁場磁化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流B．人體在線圈交變電流產(chǎn)生的磁場中運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并在金屬物品中產(chǎn)生感應(yīng)電流C．線圈產(chǎn)生的交變磁場會在金屬物品中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流D．金屬物品中感應(yīng)電流產(chǎn)生的交變磁場會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流〖答案〗CD〖解析〗一般金屬物品不一定能被磁化，且地磁場很弱，即使金屬被磁化磁性也很弱，由于人體電阻很大，且一般不會與金屬物品構(gòu)成回路，故A、B錯(cuò)誤；安檢門利用渦流探測金屬物品的工作原理是：線圈中交變電流產(chǎn)生交變磁場，使金屬物品中產(chǎn)生渦流，故C正確；該渦流產(chǎn)生的磁場又會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，而線圈中交變電流的變化可以被檢測到，故D正確。探究3電磁阻尼和電磁驅(qū)動電磁阻尼與電磁驅(qū)動的比較電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點(diǎn)成因由于導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力由于磁場運(yùn)動引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力效果導(dǎo)體所受安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動方向相反，阻礙導(dǎo)體運(yùn)動導(dǎo)體所受安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動方向相同，推動導(dǎo)體運(yùn)動能量轉(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)能由于電磁感應(yīng)，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)械能聯(lián)系都屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，電磁阻尼和電磁驅(qū)動中的安培力都阻礙導(dǎo)體與磁體間的相對運(yùn)動〖例3〗(多選)如圖所示，蹄形磁體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(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，則()A．線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁體相同B．線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁體小C．線圈轉(zhuǎn)動時(shí)將產(chǎn)生方向變化的電流D．線圈轉(zhuǎn)動時(shí)感應(yīng)電流的方向始終是abcda〖答案〗BC〖解析〗由楞次定律的推廣含義可知，線圈將與磁體同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動的角速度一定小于磁體轉(zhuǎn)動的角速度，如果兩者相等，磁感線與線圈相對靜止，線圈不會切割磁感線，將無感應(yīng)電流的產(chǎn)生，則線圈不會轉(zhuǎn)動，故A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；當(dāng)磁體逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，等價(jià)于固定磁鐵，順時(shí)針轉(zhuǎn)動線圈，從而切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，在磁鐵不斷轉(zhuǎn)動的過程中，導(dǎo)致線圈abcd中磁通量時(shí)而正向穿過增大或減小，時(shí)而反向穿過增大或減小，所以感應(yīng)電流的方向一定會發(fā)生改變，故C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤。〖例4〗(2017·全國卷Ⅰ，18)掃描隧道顯微鏡(STM)可用來探測樣品表面原子尺度上的形貌。為了有效隔離外界振動對STM的擾動，在圓底盤周邊沿其徑向?qū)ΨQ地安裝若干對紫銅薄板，并施加磁場來快速衰減其微小振動，如圖所示。無擾動時(shí)，按下列四種方案對紫銅薄板施加恒磁場；出現(xiàn)擾動后，對于紫銅薄板上下及其左右振動的衰減最有效的方案是()〖答案〗A〖解析〗感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件是閉合回路中的磁通量發(fā)生變化。在A圖中，系統(tǒng)振動時(shí)，紫銅薄板隨之上下及左右振動，在磁場中的部分有時(shí)多有時(shí)少，磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，受到安培力，阻礙系統(tǒng)的振動；在B、D圖中，只有紫銅薄板左右振動才產(chǎn)生感應(yīng)電流，而上下振動無電流產(chǎn)生；在C圖中，無論紫銅薄板上下振動還是左右振動，都不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，故選項(xiàng)A正確，B、C、D錯(cuò)誤?！坚槍τ?xùn)練2〗如圖所示，四根等長的管和磁鐵、鐵塊(其中C中鋁管不閉合，其他兩根鋁管和鐵管均閉合)豎直放置在同一豎直平面內(nèi)，分別將磁鐵和鐵塊沿管的中心軸線從管的上端由靜止釋放，忽略空氣阻力，則下列關(guān)于磁鐵和鐵塊穿過管的運(yùn)動時(shí)間的說法正確的是()A．tA＞tB＝tC＝tD B．tC＝tA＝tB＝tDC．tC＞tA＝tB＝tD D．tC＝tA＞tB＝tD〖答案〗A〖解析〗A中閉合鋁管不會被磁鐵磁化，但當(dāng)磁鐵穿過鋁管的過程中，鋁管可看成很多圈水平放置的鋁圈，據(jù)楞次定律知，鋁圈將發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，阻礙磁鐵的相對運(yùn)動；因C中鋁管不閉合，所以磁鐵穿過鋁管的過程不發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，磁鐵做自由落體運(yùn)動；鐵塊在B中鋁管和D中鐵管中均做自由落體運(yùn)動，所以磁鐵和鐵塊在管中運(yùn)動時(shí)間滿足tA＞tC＝tB＝tD，故選項(xiàng)A正確。1．(電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場)如圖所示是一個(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?，F(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)，有一變化的磁場垂直穿過玻璃圓環(huán)形小槽外徑所在的區(qū)域，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)動過程中電荷量不變，則()A．小球需要的向心力大小不變B．小球需要的向心力大小不斷增大C．洛倫茲力對小球做了功D．小球受到的洛倫茲力大小與時(shí)間成正比〖答案〗B〖解析〗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，由楞次定律知，電場方向沿逆時(shí)針，因小球帶正電，電場力對小球做正功，小球速率逐漸增大，向心力也隨著增大，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；帶電小球所受洛倫茲力F＝qvB，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B和速率v的增大而增大，同時(shí)B∝t，則F和t不成正比，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。2．(渦流現(xiàn)象及應(yīng)用)(多選)如圖所示是冶煉金屬的高頻感應(yīng)爐的示意圖。高頻感應(yīng)爐中裝有待冶煉的金屬，當(dāng)線圈中通有電流時(shí)，通過產(chǎn)生渦流來熔化金屬。以下關(guān)于高頻感應(yīng)爐的說法正確的是()A．高頻感應(yīng)爐的線圈中必須通有變化的電流，才會產(chǎn)生渦流B．高頻感應(yīng)爐的線圈中通有恒定的電流，也可以產(chǎn)生渦流C．高頻感應(yīng)爐是利用線圈中的電流產(chǎn)生的焦耳熱使金屬熔化的D．高頻感應(yīng)爐是利用爐內(nèi)金屬中的渦流的熱效應(yīng)使金屬熔化的〖答案〗AD〖解析〗變化的電流才能產(chǎn)生變化的磁場，引起感應(yīng)爐中的磁通量的變化，使待冶煉金屬產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)；恒定的電流不會使感應(yīng)爐中的磁通量發(fā)生變化，待冶煉金屬內(nèi)不會產(chǎn)生渦流，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；當(dāng)感應(yīng)爐內(nèi)裝入待冶煉的金屬時(shí)，會在金屬中產(chǎn)生渦流，從而使金屬熔化，高頻感應(yīng)爐不是利用線圈中的電流產(chǎn)生的焦耳熱使金屬熔化的，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確。3．(渦流現(xiàn)象及應(yīng)用)下列關(guān)于渦流的說法正確的是()A．渦流跟平時(shí)常見的感應(yīng)電流一樣，都是因?yàn)榇┻^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〖答案〗A〖解析〗渦流的本質(zhì)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，只不過是由金屬塊自身構(gòu)成回路，它既