人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學案：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PAGEPAGE13渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動〖學習目標〗1.了解感生電場的概念，了解電子感應(yīng)加速器的工作原理.2.理解渦流的產(chǎn)生原理，了解渦流在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用.3.理解電磁阻尼和電磁驅(qū)動的原理，了解其在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用．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為：磁場變化時會在空間激發(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，當電磁鐵線圈中電流的大小、方向發(fā)生變化時，產(chǎn)生的感生電場使電子加速．二、渦流1．渦流：當線圈中的電流隨時間變化時，線圈附近的任何導(dǎo)體中都會產(chǎn)生感應(yīng)電流，用圖表示這樣的感應(yīng)電流，就像水中的旋渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流．2．渦流大小的決定因素：磁場變化越快(eq\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．三、電磁阻尼當導(dǎo)體在磁場中運動時，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)體的運動，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼．四、電磁驅(qū)動若磁場相對于導(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)體運動起來，這種作用常常稱為電磁驅(qū)動．判斷下列說法的正誤．(1)只要磁場變化，即使沒有電路，在空間也將產(chǎn)生感生電場．(√)(2)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．(√)(3)渦流跟其他感應(yīng)電流一樣，都是因為穿過導(dǎo)體的磁通量變化而產(chǎn)生的．(√)(4)導(dǎo)體中有渦流時，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．(×)(5)電磁阻尼和電磁驅(qū)動均遵循楞次定律．(√)(6)電磁阻尼發(fā)生的過程，存在機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化．(√)(7)電磁驅(qū)動中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，電磁阻尼中沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生．(×)一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場導(dǎo)學探究如圖1所示，B增強時，就會在空間激發(fā)一個感生電場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，而產(chǎn)生感應(yīng)電流．圖1(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．知識深化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)．如果在變化的磁場中放一個閉合電路，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．感生電場是一種渦旋電場，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)計算．(多選)某空間出現(xiàn)了如圖2所示的一組閉合的電場線，這可能是()圖2A．沿AB方向的磁場在迅速減弱B．沿AB方向的磁場在迅速增強C．沿BA方向的磁場在迅速增強D．沿BA方向的磁場在迅速減弱〖答案〗AC閉合回路(可假定其存在)的感應(yīng)電流方向就表示感生電場的方向．判斷思路如下：eq\x(假設(shè)存在垂直磁場方向的閉合回路)→eq\x(回路中的磁通量變化)eq\o(→,\s\up7(楞次定律),\s\do5(安培定則))eq\x(回路中感應(yīng)電流的方向)→eq\x(感生電場的方向)如圖3甲所示，線圈總電阻r＝0.5Ω，匝數(shù)n＝10，其端點a、b與R＝1.5Ω的電阻相連，線圈內(nèi)磁通量變化規(guī)律如圖乙所示．下列關(guān)于a、b兩點電勢φa、φb的關(guān)系及兩點電勢差Uab的選項，正確的是()圖3A．φa>φb，Uab＝1.5VB．φa<φb，Uab＝－1.5VC．φa<φb，Uab＝－0.5VD．φa>φb，Uab＝0.5V〖答案〗B〖解析〗從題圖乙可知，線圈內(nèi)的磁通量是增大的，根據(jù)楞次定律和右手螺旋定則可知，線圈中感應(yīng)電流的方向為順時針方向．在回路中，線圈相當于電源，由于電流的方向是順時針方向，所以a相當于電源的負極，b相當于電源的正極，所以a點的電勢低于b點的電勢．根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得：E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝10×eq\f(0.08,0.4)V＝2V，I＝eq\f(E,R總)＝eq\f(2,1.5＋0.5)A＝1A．a(chǎn)、b兩點的電勢差等于電路中的路端電壓，所以Uab＝－1.5V，故B正確．二、渦流導(dǎo)學探究如圖4所示，線圈中的電流隨時間變化時，導(dǎo)體中有感應(yīng)電流嗎？如果有，它的形狀像什么？圖4〖答案〗有．變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生感生電場，使導(dǎo)體中的自由電子發(fā)生定向移動，產(chǎn)生感應(yīng)電流，它的形狀像水中的旋渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流．知識深化1．產(chǎn)生渦流的兩種情況(1)塊狀金屬放在變化的磁場中．(2)塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動．2．產(chǎn)生渦流時的能量轉(zhuǎn)化(1)金屬塊在變化的磁場中，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．(2)金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．3．渦流的應(yīng)用與防止(1)應(yīng)用：真空冶煉爐、探雷器、安檢門等．(2)防止：為了減小電動機、變壓器鐵芯上的渦流，常用電阻率較大的硅鋼做材料，而且用相互絕緣的硅鋼片疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯．如圖5所示，在一個繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上方分別放一小鐵鍋水和一玻璃杯水．給線圈通入電流，一段時間后，一個容器中水溫升高，則通入的電流與水溫升高的是()圖5A．恒定直流、小鐵渦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〖答案〗C〖解析〗通入恒定直流時，所產(chǎn)生的磁場不變，不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，故A、B錯誤；通入變化的電流，所產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，在空間產(chǎn)生感生電場．鐵鍋是導(dǎo)體，感生電場在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高；渦流是由變化的磁場在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的，所以玻璃杯中的水不會升溫，故C正確，D錯誤．針對訓練(多選)下列哪些措施是為了防止渦流的危害()A．電磁爐所用的鍋要用平厚底金屬鍋B．探雷器的線圈中要通變化著的電流C．變壓器的鐵芯不做成整塊，而是用許多電阻率很大的硅鋼片疊合而成D．變壓器的鐵芯每片硅鋼片表面有不導(dǎo)電的氧化層〖答案〗CD〖解析〗電磁爐是采用電磁感應(yīng)原理，在金屬鍋上產(chǎn)生渦流，使鍋體發(fā)熱從而加熱食物的，屬于渦流的應(yīng)用，故A錯誤；探雷器的線圈中有變化的電流，如果地下埋著金屬物品，金屬中會感應(yīng)出渦流，使儀器報警，這屬于渦流的應(yīng)用，故B錯誤；變壓器的鐵芯不做成整塊，而是用許多電阻率很大的硅鋼片疊合而成，是為了減小變壓器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的渦流，屬于渦流的防止，故C正確；變壓器的鐵芯每片硅鋼片表面有不導(dǎo)電的氧化層，是為了減小變壓器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的渦流，屬于渦流的防止，故D正確．三、電磁阻尼和電磁驅(qū)動導(dǎo)學探究彈簧上端固定，下端懸掛一個磁體．將磁體托起到某一高度后放開，磁體能上下振動較長時間才停下來．如果在磁體下端放一個固定的閉合線圈，使磁體上下振動時穿過它(如圖6所示)，磁體就會很快停下來，解釋這個現(xiàn)象．圖6〖答案〗當磁體穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場會阻礙磁體靠近或離開線圈，也就使磁體振動時除了受空氣阻力外，還要受到線圈的磁場阻力，克服阻力需要做的功較多，機械能損失較快，因而會很快停下來．知識深化電磁阻尼和電磁驅(qū)動的比較電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點成因由導(dǎo)體在磁場中運動形成的由磁場運動而形成的效果安培力方向與導(dǎo)體運動方向相反，為阻力安培力方向與導(dǎo)體運動方向相同，為動力能量轉(zhuǎn)化克服安培力做功，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)體的機械能共同點兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體受到的安培力都是阻礙導(dǎo)體與磁場間的相對運動(2017·全國卷Ⅰ)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7所示．無擾動時，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左右振動的衰減最有效的方案是()圖7〖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，紫銅薄板隨之上下及左右振動，都會使穿過紫銅薄板的磁通量發(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，故A正確；在B、D圖中，只有紫銅薄板左右振動才產(chǎn)生感應(yīng)電流，而上下振動無感應(yīng)電流產(chǎn)生，故B、D錯誤；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C錯誤．如圖8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，當蹄形磁體逆時針轉(zhuǎn)動時()圖8A．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁體相同B．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁體小C．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁體大D．線圈靜止不動〖答案〗B〖解析〗當蹄形磁體轉(zhuǎn)動時，線圈的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生安培力，故線圈一定會轉(zhuǎn)動，由楞次定律可知，線圈將與磁體同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)速一定小于磁體的轉(zhuǎn)速，如兩者的轉(zhuǎn)速相同，磁感線與線圈處于相對靜止狀態(tài)，線圈不切割磁感線，無感應(yīng)電流產(chǎn)生，B正確，A、C、D錯誤．電磁阻尼、電磁驅(qū)動都是楞次定律“阻礙”的體現(xiàn)．阻礙磁通量的變化，阻礙導(dǎo)體與磁場的相對運動．1.(感生電場)如圖9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)強度B隨時間成正比例增加的變化磁場，若運動過程中小球的帶電荷量不變，那么()圖9A．磁場力對小球一直做正功B．小球受到的磁場力不斷增大C．小球先沿逆時針方向做減速運動，過一段時間后，沿順時針方向做加速運動D．小球仍做勻速圓周運動〖答案〗C〖解析〗因為玻璃圓環(huán)所在處有均勻變化的磁場，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)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為順時針方向，在電場力作用下，小球先沿逆時針方向做減速運動，后沿順時針方向做加速運動，選項C正確，D錯誤；磁場力方向始終與小球做圓周運動的線速度方向垂直，所以磁場力對小球不做功，選項A錯誤；小球的速率先減小到零后增大，開始時B＝0，F(xiàn)＝0，小球速率為零時，F(xiàn)＝0，可知小球受到的磁場力不是不斷增大的，選項B錯誤．2．(渦流)(多選)對變壓器和電動機中的渦流的認識，下列說法正確的是()A．渦流會使鐵芯溫度升高，減少線圈絕緣材料的壽命B．渦流發(fā)熱，要損耗額外的能量C．為了不產(chǎn)生渦流，變壓器和電動機的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯D．渦流產(chǎn)生于線圈中，對原電流起阻礙作用〖答案〗AB〖解析〗變壓器和電動機中產(chǎn)生的渦流會使溫度升高消耗能量，同時會減少線圈絕緣材料的壽命，選項A、B正確；變壓器和電動機的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯是為了增加電阻，減小渦流，而不是不產(chǎn)生渦流，選項C錯誤；渦流產(chǎn)生于鐵芯中，對原電流無阻礙作用，選項D錯誤．3．(電磁阻尼)(多選)如圖10所示是電表中的指針和電磁阻尼器，下列說法正確的是()圖10A．2是磁體，在1中產(chǎn)生渦流B．1是磁體，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〖答案〗AD〖解析〗當指針擺動時，1隨之轉(zhuǎn)動，2是磁體，那么在1中產(chǎn)生渦流，2對1的安培力將阻礙1的轉(zhuǎn)動；總之不管1向哪個方向轉(zhuǎn)動，2對1的效果總起到阻尼作用，所以它能使指針很快地穩(wěn)定下來，選項A、D正確．4.(電磁驅(qū)動