2018-2019學(xué)年高中物理 第四章 電磁感應(yīng) 4.7 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動課件 新人教版選修3-2.ppt

7 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動,【自主預(yù)習(xí)】 1.渦流: (1)定義:由于_,在導(dǎo)體中產(chǎn)生的像水中的旋 渦一樣的_電流。 (2)特點:若金屬的電阻率小,渦流往往_,產(chǎn)生的熱 量很多。,電磁感應(yīng),感應(yīng),很強(qiáng),(3)應(yīng)用: 渦流_的應(yīng)用,如真空冶煉爐。 渦流_的應(yīng)用,如探雷器、安檢門。,熱效應(yīng),磁效應(yīng),(4)防止:電動機(jī)、變壓器等設(shè)備中應(yīng)防止鐵芯中渦流 過大而導(dǎo)致浪費(fèi)能量,損壞電器。 途徑一:增大鐵芯材料的_。 途徑二:用相互絕緣的_疊成的鐵芯代替整塊 硅鋼鐵芯。,電阻率,硅鋼片,2.電磁阻尼: (1)定義:當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時,導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電 流,感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力,安培力總是_導(dǎo) 體運(yùn)動的現(xiàn)象。 (2)應(yīng)用:磁電式儀表中利用_使指針迅速停下 來,便于讀數(shù)。,阻礙,電磁阻尼,3.電磁驅(qū)動: (1)定義:磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動時,導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流, 感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到_的作用,_使導(dǎo)體運(yùn) 動起來的現(xiàn)象。 (2)應(yīng)用:交流感應(yīng)電動機(jī)。,安培力,安培力,【預(yù)習(xí)小測】 1.下列磁場垂直加在金屬圓盤上不能產(chǎn)生渦流的是 (),【解析】選A。只有變化的磁場才能使圓盤產(chǎn)生渦流,故A不能,故A正確,B、C、D錯誤。,2.下列對渦流的認(rèn)識,不正確的是() A.大塊金屬中無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生,直接產(chǎn)生了渦流 B.渦流對生產(chǎn)和實驗既有利又有危害 C.渦流的形成是遵從電磁感應(yīng)規(guī)律的 D.渦流的主要效應(yīng)是電流的熱效應(yīng)和磁效應(yīng),【解析】選A。渦流是一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象,同樣遵從電磁感應(yīng)規(guī)律,是一種自成回路的旋渦電流,由閉合電路歐姆定律可知,有電流必有電動勢,故A錯誤,C正確;由于整塊金屬導(dǎo)體的電阻一般情況下很小,所以產(chǎn)生的渦流很大,因而其熱效應(yīng)和磁效應(yīng)很明顯,渦流的熱效應(yīng)可以用來加熱或冶煉金屬,但有時也產(chǎn)生危害,如使某些元件發(fā)熱,故渦流既有有利的一面,也有不利的一面,所以B、D均正確。故選A。,3.(多選)變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成的,而不是采用一整塊硅鋼,這是為了() A.增大渦流,提高變壓器的效率 B.減小渦流,提高變壓器的效率 C.增大鐵芯中的電阻,以產(chǎn)生更多的熱量 D.增大鐵芯中的電阻,以減小發(fā)熱量,【解析】選B、D。變壓器鐵芯利用薄硅鋼片,渦流小了,在變壓器上消耗的電流就小了,輸出的功率就高了,所以增大鐵芯中的電阻,以減小發(fā)熱量,B、D對。,4.(多選)磁電式儀表的線圈通常用鋁框當(dāng)骨架,把線圈繞在鋁框上,這樣做的目的是() A.防止渦流而設(shè)計的 B.利用渦流而設(shè)計的 C.起電磁阻尼的作用 D.起電磁驅(qū)動的作用,【解析】選B、C。線圈通電后,在安培力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動,鋁框隨之轉(zhuǎn)動,并切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流,就是渦流。渦流阻礙線圈的轉(zhuǎn)動,使線圈偏轉(zhuǎn)后較快停下來。所以,把線圈繞在鋁框上的目的是利用渦流來起電磁阻尼的作用。,主題一渦流 【互動探究】 高頻感應(yīng)爐是用來熔化金屬并對其進(jìn)行冶煉的,如圖所示為冶煉金屬的高頻感應(yīng)爐的示意圖,爐內(nèi)放入被冶煉的金屬,線圈通入高頻交變電流,這時被冶煉的金屬就能被熔化。這種冶煉方法速度快,溫度易控制,并能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉金屬中,因此適于冶煉金屬。,試結(jié)合上述現(xiàn)象思考以下問題: (1)渦流是在整塊金屬中產(chǎn)生的旋渦狀電流,是否遵循法拉第電磁感應(yīng)定律? 提示:渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,同樣遵循法拉第電磁感應(yīng)定律。,(2)渦流的產(chǎn)生條件是什么?塊狀金屬在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動時,能否產(chǎn)生渦流? 提示:渦流是發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象時產(chǎn)生的感應(yīng)電流,故渦流的產(chǎn)生條件:a.金屬塊本身能夠形成閉合回路。b.穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化。 塊狀金屬在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動時不能產(chǎn)生渦流,因為穿過該金屬塊的磁通量不發(fā)生變化。,(3)我們可以通過哪些方式使金屬塊中產(chǎn)生渦流? 提示:只要穿過能構(gòu)成閉合回路金屬塊的磁通量發(fā)生變化時,它就產(chǎn)生渦流,即:金屬塊處在變化的磁場中。金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動。,(4)請分析金屬塊產(chǎn)生渦流的過程中能量是如何轉(zhuǎn)化的。 提示:當(dāng)金屬塊處在變化的磁場中時,磁場能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 當(dāng)金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動時,由于要克服安培力做功,所以金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。,【探究總結(jié)】 1.渦流的成因及特點: (1)成因:塊狀金屬在變化的磁場中或在磁場中運(yùn)動時,穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化,在金屬塊自身構(gòu)成的閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。 (2)特點:金屬塊本身自行構(gòu)成閉合回路,如果整塊金屬的電阻很小,渦流往往很強(qiáng),金屬塊會產(chǎn)生大量的熱量。,2.渦流的利用和防止: (1)渦流的利用:利用高頻真空冶煉爐冶煉高純度的金屬;用探測器探測地雷、探測地下電纜;利用渦流可以治療疾病;利用渦流探傷技術(shù)可以檢測導(dǎo)電物體的表面和近表面缺陷、涂鍍層厚度,還有磁懸浮列車是利用渦電流減速的。,(2)渦流的防止:減小渦流的主要途徑是增大在變化的磁場中使用金屬導(dǎo)體的電阻:一是選用電阻率大的材料,如常用的鐵芯材料是電阻率較大的硅鋼;二是把導(dǎo)體制作成薄片,薄片與薄片之間用絕緣材料相隔,這樣增大電阻來減小因渦流損失的能量。,【典例示范】 (多選)1824年,法國科學(xué) 家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”。實 驗中將一銅圓盤水平放置,在其中心正上 用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針,如圖所示。 實驗中發(fā)現(xiàn),當(dāng)圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎 直軸旋轉(zhuǎn)時,磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動起來,但略有滯后。 下列說法正確的是(),A.圓盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢 B.圓盤內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動 C.在圓盤轉(zhuǎn)動的過程中,磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發(fā)生了變化 D.圓盤中的自由電子隨圓盤一起運(yùn)動形成電流,此電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動,【解題指南】解答本題時應(yīng)從以下兩點進(jìn)行分析: (1)分析磁針的磁場分布情況。 (2)把圓盤理解成“同心圓”和“輻條”模型。,【解析】選A、B。由于磁針位于圓盤的正上方,所以穿過圓盤的磁通量始終為零,故C錯誤;如果將圓盤看成由沿半徑方向的“輻條”組成,則圓盤在轉(zhuǎn)動過程中,“輻條”會切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,在圓盤中產(chǎn)生渦電流,該渦電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針運(yùn)動,故A、B正確;同時圓盤中的自由電子隨圓盤一起轉(zhuǎn)動形成電流,該電流對磁針產(chǎn)生上下的作用力,不會使磁針?biāo)睫D(zhuǎn)動,D錯誤。,【探究訓(xùn)練】 1.(2018溫州高二檢測)電磁爐熱效率高達(dá)90%,爐面無明火,無煙無廢氣,電磁“火力”強(qiáng)勁,安全可靠。如圖所示是描述電磁爐工作原理的示意圖,下列說法正確的是(),A.當(dāng)恒定電流通過線圈時,會產(chǎn)生恒定磁場,恒定磁場越強(qiáng),電磁爐加熱效果越好 B.電磁爐通電線圈加交流電后,在鍋底產(chǎn)生渦流,進(jìn)而發(fā)熱工作,C.電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋,主要原因是這些材料的導(dǎo)熱性能較差 D.在鍋和電磁爐中間放一紙板,則電磁爐不能起到加熱作用,【解析】選B。鍋體中的渦流是由變化的磁場產(chǎn)生的,所加的電流是交流,不是直流,故A錯誤、B正確;金屬鍋是自身產(chǎn)生無數(shù)小渦流而直接加熱于鍋的,陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋屬于絕緣材料,里面不會產(chǎn)生渦流,故C錯誤;在鍋和電磁爐中間放一紙板,不會影響電磁爐的加熱作用,故D錯誤。,2.(多選)如圖所示是高頻焊接原理示意圖。線圈中通以高頻變化的電流時,待焊接的金屬工件中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流通過焊縫產(chǎn)生大量熱量,將金屬熔化,把工件焊接在一起,而工件其他部分發(fā)熱很少,以下說法正確的是(),A.電流變化的頻率越高,焊縫處的溫度升高得越快 B.電流變化的頻率越低,焊縫處的溫度升高得越快 C.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因為焊縫處的電阻小 D.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因為焊縫處的電阻大,【解析】選A、D。電流的頻率越高,待焊工件中磁通量的變化率越大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大,感應(yīng)電流I越大,所以電流熱功率P=I2R也越大,溫度升高得越快。待焊工件中各處電流大小相等,但焊縫處電阻大,電流熱功率大,而其他部分電阻小,電流熱功率小。,【補(bǔ)償訓(xùn)練】 如圖所示,在一個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,一段時間后,一個容器中水溫升高,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、玻璃杯 C.變化的電流、小鐵鍋 D.變化的電流、玻璃杯,【解析】選C。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,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。,【通法悟道】分析渦流的三點注意 (1)渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 (2)導(dǎo)體內(nèi)部可以等效為許多閉合電路。 (3)金屬內(nèi)部發(fā)熱的原理為電流的熱效應(yīng)。,主題二電磁阻尼、電磁驅(qū)動 【互動探究】 探究點1電磁阻尼 磁電式電流表內(nèi)部線圈繞在鋁框上,線圈通電時在安培力作用下帶動指針偏轉(zhuǎn)。鋁框同時跟隨線圈一起運(yùn)動,在磁場中切割磁感線,產(chǎn)生渦流,因而受到安培力作用。試分析安培力對鋁框的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的影響,并討論為何使用鋁框做線圈骨架。,提示:(1)鋁框中的渦流產(chǎn)生磁場,根據(jù)楞次定律,該磁場將阻礙引起渦流的磁場的變化。從力的角度分析,鋁框中的安培力將阻礙鋁框的轉(zhuǎn)動,即產(chǎn)生阻尼。 (2)選用鋁框做線圈骨架的原因:鋁框是導(dǎo)體,可產(chǎn)生電磁阻尼,使指針轉(zhuǎn)動更趨平穩(wěn);鋁材質(zhì)輕且結(jié)實。,探究點2電磁驅(qū)動 某同學(xué)做了一個如圖所示的實驗:一個鋁框放在蹄形磁鐵的兩個磁極間,可以繞支點O自由轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動磁鐵,請你觀察鋁框的運(yùn)動并思考:,(1)怎樣解釋鋁框的運(yùn)動? 提示:我們觀察到鋁框會跟隨著磁鐵轉(zhuǎn)動。其原因是磁鐵轉(zhuǎn)動,穿過鋁框的磁通量發(fā)生變化,根據(jù)楞次定律,鋁框中會產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而鋁框受到安培力的作用,在安培力的驅(qū)動下,鋁框會跟隨著磁鐵轉(zhuǎn)動。,(2)鋁框轉(zhuǎn)動的角速度能否等于磁鐵轉(zhuǎn)動的角速度? 提示:電磁驅(qū)動中,感應(yīng)電流的作用是阻礙磁鐵與鋁框的相對運(yùn)動,但不能阻止這種相對運(yùn)動,所以鋁框轉(zhuǎn)動的角速度一定小于磁鐵轉(zhuǎn)動的角速度。,【探究總結(jié)】 電磁阻尼與電磁驅(qū)動的比較,【典例示范】 (多選)如圖所示,蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO轉(zhuǎn)動。從上向下看,當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時,則 (),A.線圈將逆時針轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速與磁鐵相同 B.線圈將逆時針轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速比磁鐵小 C.線圈轉(zhuǎn)動時將產(chǎn)生感應(yīng)電流 D.線圈轉(zhuǎn)動時感應(yīng)電流的方向始終是abcda,【解題指南】解答本題應(yīng)注意以下兩點: (1)磁鐵轉(zhuǎn)動時線圈中有感應(yīng)電流產(chǎn)生。 (2)磁鐵和線圈的轉(zhuǎn)速不同。,【解析】選B、C。當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時,相當(dāng)于磁鐵不動而線圈順時針旋轉(zhuǎn)切割磁感線,線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流,由楞次定律可判得線圈中電流方向會發(fā)生變化,故C對,D錯;由楞次定律的推廣含義知,線圈與磁鐵會同向轉(zhuǎn)動,且線圈的轉(zhuǎn)速比磁鐵小,故A錯,B對。,【探究訓(xùn)練】 1.如圖所示,在蹄形磁鐵的兩極間有一可以自由轉(zhuǎn)動的銅盤(不計各種摩擦),現(xiàn)讓銅盤轉(zhuǎn)動。下面對觀察到的現(xiàn)象描述及解釋正確的是(),A.銅盤中沒有感應(yīng)電動勢、沒有感應(yīng)電流,銅盤將一直轉(zhuǎn)動下去 B.銅盤中有感應(yīng)電動勢、沒有感應(yīng)電流,銅盤將一直轉(zhuǎn)動下去,C.銅盤中既有感應(yīng)電動勢又有感應(yīng)電流,銅盤將很快停下 D.銅盤中既有感應(yīng)電動勢又有感應(yīng)電流,銅盤將越轉(zhuǎn)越快,【解析】選C。銅盤轉(zhuǎn)動時,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及楞次定律知,銅盤中有感應(yīng)電動勢,也產(chǎn)生感應(yīng)電流,并且受到阻尼作用,機(jī)械能很快轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為焦耳熱,銅盤將很快停下,故C對,A、B、D錯。,2.如圖所示,上下開口、內(nèi)壁光滑的銅管P和塑料管Q豎直放置。小磁塊先后在兩管中從相同高度處由靜止釋放,并落至底部。則小磁塊(),A.在P和Q中都做自由落體運(yùn)動 B.在兩個下落過程中的機(jī)械能都守恒 C.在P中的下落時間比在Q中的長 D.落至底部時在P中的速度比在Q中的大,【解析】選C。小磁塊在內(nèi)壁光滑的塑料管Q中,從高處由靜止釋放,做自由落體運(yùn)動,機(jī)械能守恒;小磁塊在內(nèi)壁光滑的銅管P中,則會產(chǎn)生電磁阻尼阻礙小磁塊的運(yùn)動,相比Q中自由落體運(yùn)動時間要長,C項正確、A項錯誤;由于電磁阻尼產(chǎn)生焦耳熱,機(jī)械能不守恒,B項錯誤;由于機(jī)械能有損失,落至底部時在P中的速度比在Q中的小,D項錯誤。,【補(bǔ)償訓(xùn)練】 1.如圖所示,在O點正下方有一個具有理想邊界的磁場,銅環(huán)在A點由靜止釋放,向右擺至最高點B,不考慮空氣阻力,則下列說法正確的是(),A.A、B兩點在同一水平線上 B.A點高于B點 C.A點低于B點 D.銅環(huán)做等幅擺動,【解析】選B。銅環(huán)進(jìn)入磁場和出磁場的過程中,都有渦流產(chǎn)生,阻礙銅環(huán)的擺動,從而有機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,A點高于B點,A、C錯誤,B正確;往復(fù)運(yùn)動一段時間,由于銅環(huán)的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,其擺動幅度逐漸減小,當(dāng)銅環(huán)完全進(jìn)入磁場后,銅環(huán)最終將在磁場中做等幅擺動,D錯誤。,2.如圖所示,彈簧上端固定,下端掛一只條形磁鐵,使磁鐵上下振動,磁鐵的振動幅度不變。若在振動過程中把線圈靠近磁鐵,觀察磁鐵的振幅將會發(fā)現(xiàn)(),A.S閉合時振幅逐漸減小,S斷開時振幅不變 B.S閉合時振幅逐漸增大,S斷開時振幅不變 C.S閉合或斷開,振幅變化相同 D.S閉合或斷開,振幅都不發(fā)生變化,【解析】選A。S斷開時,磁鐵振動穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,線圈中無感應(yīng)電流,振幅不變;S閉合時有感應(yīng)電流,有電能產(chǎn)生,磁鐵的機(jī)械能越來越小,振幅逐漸減小,A正確。,【通法悟道】電磁阻尼和電磁驅(qū)動的兩點注意 (1)電磁阻尼、電磁驅(qū)動都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,產(chǎn)生的電流都是感應(yīng)電流,都遵循楞次定律。 (2)電磁阻尼、電磁驅(qū)動現(xiàn)象中安培力的作用效果都是阻礙相對運(yùn)動。,【課堂小結(jié)】,