2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理选择性必修2 第2章电磁感应2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动(1)课件

涡流、电磁阻尼和电磁驱动一、涡流现象1.涡流在内部发生电磁感应而产生的现象.2.影响涡流大小的因素:导体的越长,交变磁场的越高,涡流就越大.二、电磁灶与涡流加热1.电磁灶:采用了磁场感应的加热原理.它利用陶瓷玻璃板下方的线圈产生,当含锅被放置在板面时,锅底部处在交变磁场中而产生涡流.整块导体感应电流外周长频率涡流交变磁场铁质2.感应加热:在感应炉中,有产生高频电流的和产生交变磁场的,其工作原理也是涡流加热.三、涡流制动与涡流探测1.涡流制动(1)原理:当导体在磁场中运动时,会在导体中激起,涡流与磁场相互作用产生一个力,从而提供制动力矩阻碍导体的运动.(2)应用:电表的阻尼制动、高速机车制动的等.2.涡流探测(1)原理:通有交变电流的探测线圈,产生交变磁场,在金属物中激起,隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中,改变通过探测线圈电流的和,从而探知金属物.(2)应用:探测行李包中的枪支、掩埋的地雷、金属覆盖膜厚度.大功率电源线圈涡流动态阻尼涡流闸涡流大小相位1.教材P29图1-7-1中,为什么导体的外周长越长,交变磁场的频率越高,涡流就越大?2.如何使金属块中产生涡流?答案:金属块本身能够构成回路,所以只要使得通过金属块的磁通量发生变化即可,故可采用两种方法:(1)把金属块放在变化的磁场中;(2)让金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动.要点一　对涡流的理解答案:涡流产生条件是穿过金属块的磁通量发生变化.由于金属块本身可自行构成闭合回路,形成的感应电流就像水中的旋涡.【问题导引】1.涡流产生的条件是什么?为什么叫涡流?答案:伴随着涡流现象,其他形式的能转化成电能,最终在金属块中转化为内能.2.涡流现象中能量是如何转化的?【要点透析】本质电磁感应现象产生条件穿过金属块的磁通量发生变化,并且金属块本身可自行构成闭合回路特点整个导体回路的电阻一般很小,感应电流很大能量转化(1)金属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能,最终转化为内能;(2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动,则由于克服安培力做功,金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能〚思路探究〛(1)金属块中产生涡流的条件是什么?答案:穿过金属块的磁通量发生变化.(2)金属块最终是否会静止?答案:金属块不会静止,最终在磁场内往复运动.答案:BD思维总结整块导体中是否产生涡流决定于通过导体截面的磁通量是否发生变化,而涡流会消耗电能或阻碍导体的运动.〚针对训练1-1〛(多选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品,安检门中接有线圈,线圈中通以交变电流,关于其工作原理,以下说法正确的是()A.人身上携带的金属物品会被地磁场磁化,在线圈中产生感应电流B.人体在线圈交变电流产生的磁场中运动,产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流C.线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流D.金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流解析:一般金属物品不一定能被磁化,且地磁场很弱,即使金属被磁化磁性也很弱,作为导体的人体电阻很大,且一般不会与金属物品构成回路,选项A、B错误;安检门线圈中交变电流产生交变磁场,使金属物品中产生涡流,故选项C正确;该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流,而线圈中交变电流的变化可以被检测,故选项D正确.答案:CD要点二　电磁灶和感应加热答案:电磁灶中线圈产生交变磁场,使铁质锅中产生涡流而加热食物.2.感应炉在冶炼金属时怎样才能提高冶炼效率?答案:线圈中通入高频的大功率电流可提高发热功率,从而提高冶炼效率.【问题导引】1.电磁灶在加热食物时并未有明火,它是如何工作的?【要点透析】1.电磁灶在加热食物时,它的面板(陶瓷玻璃板)及内部一般不产生热量,热量产生于铁质锅底部.2.电磁灶或感应炉工作的电流经过变频装置,其频率很高,这样形成的交变磁场变化很快,形成的涡流很大,有效地提高了工作效率.【典例2】(多选)如图所示,在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,现接通交流电源,过了几分钟,杯内的水沸腾起来.若要缩短上述加热时间,下列措施可行的有()A.增加线圈的匝数B.提高交流电源的频率C.将金属杯换为瓷杯D.取走线圈中的铁芯〚思路探究〛(1)线圈中通入交变电流,金属杯中冷水经一段时间为何会沸腾起来?答案:金属杯中产生涡流而产生热量,对水加热一段时间而沸腾.(2)怎样才能增强杯中的涡流?答案:增大交变电流的频率,增大线圈中的磁场.解析:当线圈上通交流电时,金属杯由于发生电磁感应现象,杯中有感应电流,对水加热,若要增大感应电流,则需要增大感应电动势或者减小杯体的电阻.增加线圈的匝数,使得穿过金属杯的磁场增强,感应电动势增大,选项A正确;提高交流电源的频率,使得磁通量的变化率增大,感应电动势增大,选项B正确;若将金属杯换为瓷杯,则不会产生感应电流,选项C错误;取走线圈中的铁芯,磁场会大大减弱,感应电动势减小,选项D错误.答案:AB误区警示对涡流加热的理解(1)涡流只能产生于导体中,且穿过导体截面的磁通量发生变化.(2)对同一导体,涡流的热功率决定于通过截面的磁场强弱和磁场的频率,不能增大导体的电阻.〚针对训练2-1〛如图所示,在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水.给线圈通入电流,一段时间后,一个容器中水温升高,则通入的电流与水温升高的是()A.恒定直流、小铁锅B.恒定直流、玻璃杯C.变化的电流、小铁锅D.变化的电流、玻璃杯解析:通入恒定直流时,所产生的磁场不变,不会产生感应电流,通入变化的电流,所产生的磁场发生变化,使铁锅中产生涡流,电能转化为内能,而玻璃杯中不会产生涡流,因此水不会升温.故选项C正确.答案:C要点三　电磁制动和电磁驱动答案:当蹄形磁铁转动时,穿过线圈的磁通量增加,根据楞次定律,此时线圈要阻碍磁通量的增加,因而会跟着一起转动起来.【问题导引】1.线圈处于如图所示的初始状态时,穿过线圈的磁通量为零,当蹄形磁铁转动时,线圈会跟着一起转动起来.试分析线圈转动的原因.答案:把铜板做成的摆放到电磁铁中,当电磁铁未通电时,摆要往复多次,才能停止下来.如果电磁铁通电,磁场在摆动的铜板中产生涡流,涡流受磁场作用力的方向与摆动方向相反,因而增大了摆的阻尼,摆很快就能停止下来.这种现象称为电磁阻尼.2.用铜板做的摆摆动时若进出磁场为何会很快停下来?【要点透析】电磁阻尼和电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动成因由于导体在磁场中运动而产生感应电流由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流效果安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动导体受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动能量转化导体克服安培力做功,其他形式能转化为电能,最终转化为内能由于电磁感应,磁场能转化为电能,通过安培力做功,电能转化为导体的机械能,而对外做功相同点两者都是电磁感应现象【典例3】(多选)位于光滑水平面的小车上放置一螺线管,一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线水平穿过,如图所示,在此过程中(　　)A.磁铁做匀速直线运动B.磁铁做减速运动C.小车向右做加速运动D.小车先加速后减速〚思路探究〛(1)条形磁铁沿着螺线管的轴线水平进入螺线管的过程中,磁铁和小车分别做什么运动?答案:条形磁铁沿着螺线管的轴线水平进入螺线管的过程中,通过螺线管的磁通量增加,小车受到向前的驱动力将向右加速,而条形磁铁受到向左的阻力将做减速运动.(2)条形磁铁沿着螺线管的轴线水平穿出螺线管的过程中,磁铁和小车分别做什么运动?答案:条形磁铁沿着螺线管的轴线水平穿出螺线管的过程中,通过螺线管的磁通量减少,小车仍受到向前的驱动力而向右加速,而条形磁铁仍受到向左的阻力做减速运动.解析:磁铁水平进入螺线管时,管中将产生感应电流,由楞次定律知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动.同理,磁铁穿出时,由楞次定律知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动,故整个过程中,磁铁做减速运动,选项B正确.而对于小车上的螺线管来说,在此过程中,螺线管受到的安培力都是水平向右,这个安培力使小车向右运动,且一直做加速运动,选项C正确.答案:BC误区警示电磁驱动和电磁阻尼的应用本题中对小车来说为电磁驱动,而对磁铁则为电磁阻尼,两者都是电磁感应现象,其中的安培力都是阻碍相对运动,结果使小车向右加速,磁铁则向右做减速运动.〚针对训练3-1〛(多选)如图,一均匀金属圆盘绕通过其圆心且与盘面垂直的轴逆时针匀速转动.现施加一垂直穿过圆盘的有界匀强磁场,圆盘开始减速.在圆盘减速过程中,以下说法正确的是()A.处于磁场中的圆盘部分,靠近圆心处电势高B.所加磁场越强越易使圆盘停止转动C.若所加磁场反向,圆盘将加速转动D.若所加磁场穿过整个圆盘,圆盘将匀速转动解析:由右手定则可判断靠近圆心处电势高,所加磁场越强,圆盘所受磁场力越大,越易使圆盘停止转动.若所加磁场反向,圆盘仍然会减速转动,若所加磁场穿过整个圆盘,穿过圆盘的磁通量不变,圆盘不受磁场力作用,将做匀速转动,选项A、B、D正确,C错误.答案:ABD1.新一代炊具——电磁炉,无烟、无明火、无污染、不产生有害气体、高效节能等是电磁炉的优势所在.电磁炉是利用电流通过线圈产生磁场,当磁场的磁感线通过含铁质锅底部时,即会产生无数小涡流,使锅体本身自行高速发热,然后再加热锅内食物.下列相关说法中正确的是()A.锅体中的涡流是由恒定的磁场产生的B.恒定磁场越强,电磁炉的加热效果越好C.锅体中的涡流是由变化的磁场产生的D.电磁炉的加热效果与磁场变化的频率无关C解析:锅体中的涡流是由变化的磁场产生的,交变磁场的频率越高,涡流越大,选项C正确,A、B、D错误.2.(多选)关于涡流,下列说法中正确的是()A.真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B.家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的C.阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动D.变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流ACD解析:家用电磁炉锅体中的涡流是由变化的磁场产生的,选项B不正确,选项A、C、D正确.3.(多选)如图所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图,下列说法中正确的是()A.探测器内的探测线圈会产生交变磁场B.只有有磁性的金属物才会被探测器探测到C.探测到地下的金属是因为探头中产生了涡流D.探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流AD解析:涡流金属探测器内的探测线圈中通过一定频率的交变电流,产生交变磁场,该线圈产生的交变磁场在金属物中产生涡流,选项A、D正确.4.(多选)安检门是一个用于安全检查的“门”,“门框”内有线圈,线圈里通有交变电流,交变电流在“门”内产生交变磁场,金属物品通过“门”时能产生涡流,涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流,从而引起报警.以下关于这个安检门的说法正确的是()A.这个安检门也能检查出毒品携带者B.这个安检门只能检查出金属物品携带者C.如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流,也能检查出金属物品携带者D.这个安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应BD解析:这个安检门是利用涡流工作的,因而只能检查金属物品携带者,A错误,B正确;若“门框”的线圈中通上恒定电流,只能产生恒定磁场,它不能使块状金属产生电流,因而不能检查出金属物品携带者,C错误;安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应,D正确.