第二章电磁感应3涡流电磁阻尼和电磁驱动课件（新人教版选择性必修第二册）

第二章　电磁感应\n3．涡流　电磁阻尼和电磁驱动\n课前预习反馈课内互动探究课堂达标检测目标体系构建核心素养提升\n目标体系构建\n【学习目标】1．了解感生电场及其作用，知道感生电动势产生的原因。2．了解涡流现象和涡流在生产、生活中的应用。3．理解电磁阻尼和电磁驱动，了解它们在实际生活中的应用。\n【思维脉络】\n课前预习反馈\n1．感生电场磁场变化时会在空间激发一种______，这种电场与静电场不同，它不是由______产生的，我们把它叫作感生电场。2．感生电动势磁场变化时，感应电动势是由__________产生的，它也叫感生电动势。3．感生电场的方向磁场变化时，垂直磁场的闭合环形回路(可假定存在)中__________的方向就表示感生电场的方向。电场知识点1电磁感应现象中的感生电场电荷感生电场感应电流\n1．定义在变化的磁场中的导体内产生的__________，就像水中的漩涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流。2．涡流的特点若金属的电阻率小，涡流往往______，产生的热量______。3．涡流的应用(1)涡流热效应的应用：如____________、________。(2)涡流磁效应的应用：如________、________。感应电流知识点2涡流很强很多真空冶炼炉电磁炉探雷器安检门\n4．涡流的防止电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器。(1)途径一：增大铁芯材料的________。(2)途径二：用相互绝缘的________叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。电阻率硅钢片\n1．概念当导体在磁场中运动时，______电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是______导体的运动。2．应用磁电式仪表中利用__________使指针迅速停止摆动，便于读数。感应知识点3电磁阻尼阻碍电磁阻尼\n1．概念磁场相对于导体转动时，导体中产生感应电流，感应电流使导体受到________的作用，____________起来。2．应用交流感应电动机。安培力知识点4电磁驱动使导体运动\n思考辨析『判一判』(1)如果空间不存在闭合电路，变化的磁场周围不会产生感生电场。()(2)电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。()(3)涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的。()(4)涡流有热效应，但没有磁效应。()×√√×\n(5)电磁灶是在金属锅体中产生热效应，从而达到加热和烹饪食物的目的。()(6)制造变压器用的铁芯是利用了涡流。()(7)发生电磁驱动时，导体与磁场的速度应相同。()√××\n『选一选』(多选)如图所示，磁电式仪表的线圈通常是用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是()A．防止涡流而设计的B．利用涡流而设计的C．起电磁阻尼的作用D．起电磁驱动的作用BC\n解析：线圈通电后在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，在铝框内产生涡流。涡流将阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用。铝相比其他金属电阻率小，产生的涡流大。另外，铝的密度小，相同大小的骨架惯性小，运动状态容易改变。故选项B、C正确。\n『想一想』金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器(如图)，除了用于探测有金属外壳或金属部件的地雷之外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。你能说明其工作原理吗？\n答案：金属探测器是利用涡流工作的。交变电流通过金属探测器的线圈时，会产生变化的磁场。如果探测器周围有金属，金属内便产生涡流，涡流本身又会产生磁场反过来影响原有的磁场。这样就会引发探测器发出鸣叫声。\n课内互动探究\n探究如图所示，B增强，那么就会在空间激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流。电磁感应现象中的感生电场情景导入\n(1)感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系？如何判断感生电场的方向？(2)上述情况下，哪种作用力扮演电源中非静电力的角色？提示：(1)感应电流的方向与正电荷移动的方向相同，感生电场的方向与正电荷受力的方向相同，因此，感生电场的方向与感应电流的方向相同，感生电场的方向可以用楞次定律判定。(2)感生电场对自由电荷的作用力。\n1．产生：如图所示，当磁场变化时，产生感生电场。感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线。2．方向：闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就表示感生电场的电场方向。依据实验存在的或假定存在的回路结合楞次定律判定感生电场的方向。要点提炼\n3．对感生电场的理解(1)变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关。如果在变化的磁场中放一个闭合电路，电路中的自由电荷在感生电场作用下，做定向移动，形成电流。在这种情况下所谓的非静电力就是感生电场的作用。(2)感生电场是电场的一种形式，是客观存在的一种特殊物质。(3)感生电场可用电场线形象描述，但感生电场的电场线是闭合曲线，所以感生电场又称为涡旋电场。这一点与静电场不同，静电场的电场线不闭合。(4)感生电场可以对带电粒子做功，可使带电粒子加速和偏转。\n(多选)内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于圆环直径的带正电的小球，以速率v0沿逆时针方向匀速转动，若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场。设运动过程中小球带电荷量不变，那么(如图所示)()A．小球对玻璃圆环的压力一定不断增大B．小球所受的磁场力一定不断增大C．小球先沿逆时针方向减速运动，之后沿顺时针方向加速运动D．磁场力对小球一直不做功典例1典例剖析CD\n思路引导：变化的磁场会在空间激发一种感生电场，带电小球在感生电场中受到电场力的作用，根据电场力的方向判断小球的运动情况。解析：变化的磁场将产生感生电场，这种感生电场由于其电场线是闭合的，也称为涡旋电场，其场强方向可借助电磁感应现象中感应电流方向的判定方法，使用楞次定律判断。当磁场增强时，会产生顺时针方向的涡旋电场，电场力先对小球做负功使其速度减为零，后对小球做正功使其沿顺时针方向做加速运动，所以C正确；磁场力始终与小球运动方向垂直，因此始终对小球不做功，D正确；\n小球在水平面内沿半径方向受两个力作用：环的压力FN和磁场的洛伦兹力F，这两个力的合力充当小球做圆周运动的向心力，其中F＝Bqv，磁场在增强，球速先减小，后增大，所以洛伦兹力不一定总在增大；向心力F向＝m，其大小随速度先减小后增大，因此压力FN也不一定始终增大。故正确答案为C、D。\n1．(多选)著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验装置：一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动，在圆板的中部有一个线圈，圆板的四周固定着一圈带电的金属小球，如图所示。当线圈接通电源后，将产生流过图示逆时针方向的电流，则下列说法正确的是()对点训练BDA．接通电源瞬间，圆板不会发生转动B．线圈中电流强度的增大或减小会引起圆板向不同方向转动C．若金属小球带负电，接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相反D．若金属小球带正电，接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相反\n解析：线圈接通电源瞬间，则变化的磁场产生电场，从而导致带电小球受到电场力，使其转动，故A错误；不论线圈中电流强度的增大或减小都会引起磁场的变化，从而产生不同方向的电场，使小球受到电场力的方向不同，所以会向不同方向转动，故B正确；接通电源瞬间，产生顺时针方向的电场，若小球带负电，圆板转动方向与线圈中电流方向相同，故C错误；同理D正确。\n探究高考考场用的金属探测器是一根长的黑色扁棒，使用时监考教师手持探测器，在考生前后左右和容易藏东西的部位划过，如藏有金属物品，即便是一粒金属纽扣，探测器也会鸣响。金属探测器的原理是什么？对涡流的理解情景导入\n提示：涡流金属探测器通过其通有交流电的探测线圈，在隐蔽金属中产生涡流，涡流的磁场又影响探测线圈，从而改变原交流电的大小和相位，从而起到探测作用。\n1．涡流的产生涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流。即导体内部产生了涡流。2．涡流的特点感应电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强，根据公式P＝I2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大。要点提炼\n3．能量转化伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能最终转化为内能；如果是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。\n特别提醒\n如图所示是高频焊接原理示意图。线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热量，将金属融化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少。以下说法正确的是()典例2典例剖析CA．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高得越慢B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高得越快C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小\n思路引导：高频焊接利用了涡流的热效应，而涡流的本质就是电磁感应现象，可用法拉第电磁感应定律和电路中热功率的公式分析本题。解析：高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中就产生感应电流，根据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处的温度升高的越快，故A、B错误；工件中各处电流大小相等，但接口处电阻大，电流热功率大，温度升的很高，故C正确D错误。\n2．(多选)(2020·江苏省南京市溧水中学高二上学期期末)下列图中，A图是真空冶炼炉可以冶炼高质量的合金；B图是充电器工作时绕制线圈的铁芯中会发热；C图是安检门可以探测人身是否携带金属物品；D图是工人穿上金属丝织成的衣服可以高压带电作业。属于涡流现象的是()对点训练ABC\n解析：线圈接有交变电流，在线圈中会产生变化的磁场，变化的磁场在冶炼炉中产生电场，使自由电荷在电场力的作用下定向移动形成涡流，故A中属于涡流现象；充电器工作时有交变电流通过，交变电流产生的交变磁场穿过铁芯，在铁芯中产生电场，使自由电荷在电场力的作用下定向移动形成涡流，故B中属于涡流现象；线圈中交变电流产生交变的磁场，会在金属物品产生交变的感应电流，而金属物品中感应电流产生的交变磁场又会反过来影响原有的磁场，从而被探测到，故C中属于涡流现象；工作服用包含金属丝的织物制成，形成一个导体壳，壳外有电场，壳内场强保持为0，高压外电场不会对内部产生影响，故D中属于静电屏蔽。\n探究有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动，如果在转动时蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触(如图所示)，铜盘就能在较短的时间内停止，请思考这是什么原因。电磁阻尼与电磁驱动情景导入提示：铜盘转动时如果加上磁场，则在铜盘中产生涡流，磁场对这个涡流的作用力阻碍它的转动，故在较短的时间内铜盘停止转动。\n1．电磁驱动和电磁阻尼的形成原因当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化。例如，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，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来。要点提炼\n从动力学的观点来看，线圈中产生的感应电流受到的安培力是使线圈转动起来的动力，对线圈而言是电磁驱动；而线圈对磁铁的作用力对磁铁的转动起阻碍作用，对磁铁而言是电磁阻尼，因此电磁驱动和电磁阻尼是相对的两个方面，不可分割。\n2．电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动不同点成因由于导体在磁场中运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力效果安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍物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\n电磁阻尼电磁驱动不同点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，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动。\n电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的效果是阻碍相对运动，应注意电磁驱动中导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度。特别提醒\n(多选)如图所示，为早期制作的发电机及电动机的示意图，A盘和B盘分别是两个可绕固定转轴转动的铜盘，用导线将A盘的中心和B盘的边缘连接起来，用另一根导线将B盘的中心和A盘的边缘连接起来。当A盘在外力作用下转动起来时，B盘也会转动。则下列说法中正确的是()典例3典例剖析\nA．不断转动A盘就可以获得持续的电流，其原因是将整个铜盘看成沿径向排列的无数根铜条，它们做切割磁感线运动，产生感应电动势B．当A盘转动时，B盘也能转动的原因是电流在磁场中受到力的作用，此力对转轴有力矩C．当A盘顺时针转动时，B盘也顺时针转动D．铜盘B的角速度小于铜盘A的角速度答案：ABD思路引导：可将整个装置等效为发电机模型和电动机模型，灵活应用左右手定则分析判断。\n解析：将图中铜盘A所在的一组装置作为发电机模型，铜盘B所在的一组装置作为电动机模型，在A中找一辐条，根据右手定则可以判定出产生的感应电动势的方向，其他辐条也产生同样的电动势，各辐条产生的总电动势相当于电池并联，故选项A正确；当A盘顺时针(俯视图)转动时，产生的感应电流由盘心流向边缘，此电流通过铜盘B时，受到安培力的作用，由左手定则知此力对转轴有逆时针(俯视图)方向的力矩，使铜盘B逆时针转动，故选项B正确，C错误；由于B在转动时也产生反抗其发生相对运动的感应电动势Eb，电路中的总电动势E＝Ea－Eb>0，可得Ea>Eb，即铜盘B的角速度小于铜盘A的角速度，D正确。\n3．(多选)如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是()A．2是磁铁，在1中产生涡流B．1是磁铁，在2中产生涡流C．该装置的作用是使指针能够转动D．该装置的作用是使指针能很快地稳定解析：这是涡流的典型应用之一。当指针摆动时，1随之转动，2是磁铁，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动。总之不管1向哪个方向转动，2对1的效果总起到阻尼作用。所以它能使指针很快地稳定下来。AD\n核心素养提升\n感生电动势与动生电动势的对比感生电动势动生电动势产生原因磁场的变化导体做切割磁感线运动移动电荷的非静电力感生电场对自由电荷的电场力导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力回路中相当于电源的部分处于变化磁场中的线圈部分做切割磁感线运动的导体\n\n如图所示，两根相距为L＝1m的足够长的平行光滑金属导轨，位于水平的xOy平面内，一端接有阻值为R＝6Ω的电阻。在x>0的一侧存在垂直纸面向里的磁场，磁感应强度B只随t的增大而增大，且它们间的关系为B＝kt，其中k＝4T/s。一质量为m＝0.5kg的金属杆与金属导轨垂直，可在导轨上滑动，当t＝0时金属杆静止于x＝0处，有一大小可调节的外力F作用于金属杆，使金属杆以恒定加速度a＝2m/s2沿x轴正向做匀加速直线运动。除电阻R以外其余电阻都可以忽略不计。求：当t＝4s时施加于金属杆上的外力为多大。案例\n\n答案：513N\n课堂达标检测\n1．(2020·山东省青州一中高二上学期质检)(多选)某空间出现了如图所示的一组闭合电场线，方向从上向下看是顺时针的，这可能是()A．沿AB方向磁场在迅速减弱B．沿AB方向磁场在迅速增强C．沿BA方向磁场在迅速增强D．沿BA方向磁场在迅速减弱AC\n解析：由安培定则可知，感应电场产生的磁场方向竖直向下，如果磁场方向沿AB，则感应磁场与原磁场方向相同，由楞次定律可知，原磁场在减弱，故A正确，B错误；如果磁场沿BA方向，则感应磁场方向与原磁场方向相反，由楞次定律可知，原磁场在增强，故C确，D错误，故选AC。\n2.(2020·北京市平谷区高二上学期期末)如图所示，将一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极间，铝框可以绕竖直轴线OO′自由转动。转动磁铁发现原来静止的铝框也会发生转动。下列说法正确的是()A．铝框与磁极转动方向相反B．匀速或加速转动磁铁，铝框都比磁极转动慢C．铝框是因为磁铁吸引铝质材料而转动的D．铝框中没有电流B\n解析：由于磁铁转动导致铝框的磁通量变化，根据楞次定律可知，为阻碍磁通量变化，则导致铝框与磁铁转动方向相同，但铝框都比磁极转动慢，故A错误，B正确；当转动磁铁时，导致铝框的磁通量发生变化，从而产生感应电流，而使铝框受到安培力而转动，故选项CD错误。\n3．(2021·北京师大附中高二下学期期中)关于涡流，下列说法中错误的是()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B\n解析：真空冶炼炉是利用涡流产热来熔化金属的，A正确；要想产生涡流，必须是变化的磁场，因为变化的磁场才能产生电场，产生涡流，B错误；根据楞次定律可知，阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，C正确；涡流会造成能量的损失，所以变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，是为了减小涡流造成的能量损失，D正确。\n4．(2020·湖南省张家界市高二上学期期末)图甲为磁控健身车，图乙为其车轮处结构示意图，在金属飞轮的外侧有一些磁铁(与飞轮不接触)，人用力蹬车带动飞轮旋转时，磁铁会对飞轮产生阻碍，拉动旋钮拉线可以改变磁铁与飞轮间的距离。下列说法正确的有()\nA．飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力B．飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮受到的阻力越小C．磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，受到的阻力越小D．磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，内部的涡流越弱答案：A解析：飞轮在磁场中做切割磁感线运动，所以会产生感应电流，根据楞次定律可知，磁场会对运动的飞轮产生阻力，以阻碍飞轮与磁场之间的相对运动，所以飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力。故A正确；\n磁铁越靠近飞轮，飞轮处的磁感应强度越强，所以在飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大，飞轮受到的阻力越大。故B错误；磁铁和飞轮间的距离一定时，根据法拉第电磁感应定律可知，飞轮转速越大，飞轮上产生的感应电流越大；飞轮受到的阻力越大。故C、D错误。