資源簡介

(共51張PPT)
2.3 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動
人教版（2019）物理（選擇性必修第二冊）
第二章 電磁感應(yīng)
目錄
素養(yǎng)目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結(jié)歸納
04
課堂練習
05
正確教育
素養(yǎng)目標
1.了解感生電場，知道感生電動勢產(chǎn)生的原因，會判斷感生電動勢的方向
2.知道渦流是如何產(chǎn)生的，知道渦流對我們有不利和有利兩方面的影響，以及如何利用和防止渦流
3.理解電磁阻尼和電磁驅(qū)動
思考：為什么水會沸騰起來呢？
思考：鑷子為什么會變紅？
新課講解
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell），英國著名物理學家、數(shù)學家。除了奠定電磁理論、開創(chuàng)經(jīng)典電動力學之外，他還是統(tǒng)計物理學的奠基人之一。
因為公式太復(fù)雜，人們更多地選擇記住了牛頓和愛因斯坦
與牛爵爺、愛神平起平坐的麥克斯韋
形成
電流
形成
靜電
電荷
激發(fā)
靜電場
電場力
自由電荷
認為
變化的磁場
感生電場
電場力
自由電荷
激發(fā)
感生電場
定義：麥克斯韋認為，磁場變化時會在空間激發(fā)一種電場。這種電場與靜電場不同，它不是由電荷產(chǎn)生的，我們把它叫作感生電場。
感生電場特點
① 變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，與閉合電路是否存在無關(guān)。
② 感生電場是電場的一種形式，是客觀存在的一種物質(zhì)。
③ 感生電場是渦旋場，電場線閉合，靜電場電場線不閉合。
④ 感生電場可以對帶電粒子做功，使其加速或偏轉(zhuǎn)。
感生電場：由于磁場的變化而激發(fā)的電場
感生電動勢：由感生電場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢
安培定則：右手握住通電螺線管，四指指向電流方向，大拇指所指一端為通電螺線管的N極
楞次定律：感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化
如何判斷感生電場的方向呢？
B
E
提示
如圖所示，當磁感應(yīng)強度B增強時，
↑
E
由楞次定律可知回路中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向向下，由安培定則可判斷出電流方向為順時針方向（俯視）。B減弱呢？
B
B
E
↓
靜電場和感生電場的區(qū)別有什么？
由靜止的電荷產(chǎn)生 由變化的磁場在周圍空間激發(fā)
由正電荷發(fā)出，到負電荷終止，電場線不閉合 感應(yīng)電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的
正電荷受力的方向 楞次定律＋右手螺旋定則
對電荷做功不同：
電荷在靜電場中沿閉合路徑移動一周時，電場力所做的功為零，即靜電力做功與路徑無關(guān)；而電荷在感生電場中沿著閉合路徑移動一周時，電場力所做的功不為零，即感生電場中的電場力做功與路徑有關(guān).
試著求試探電荷+q沿圓周AB從A點移動到B點時電場力所做的功
A
B
W=F|AB|-F|BA|=0
E
靜電場
B
E
感生電場
W=F|AB|+F|BA|
B
A
功能：
現(xiàn)代科學研究中常要用到高速電子，電子感應(yīng)加速器就是利用感生電場使電子加速的設(shè)備。
電子感應(yīng)加速器
(2) 結(jié)構(gòu)：
如圖甲所示，上、下為電磁體的兩個磁極，磁極之間有一個環(huán)形真空室，電子在真空室中做圓周運動。電磁體線圈中電流的大小、方向可以變化，產(chǎn)生的感生電場使電子加速。
當電磁鐵線圈電流的方向與如圖所示方向一致時，電流的大小應(yīng)該怎樣變化才能使電子加速？
真空室
i
i
電子槍
真空室
B
i感
F洛
F洛
F洛
F洛
v
v
v
v
F
F
F
F
E感
E感
E感
E感
v0=0
真空室
B
i感
E感
E感
E感
E感
i
i
柱形電磁鐵：產(chǎn)生變化的磁場；
環(huán)形真空管道：是電子運行的軌道
電子槍
真空室
B
i感
F洛
F洛
F洛
F洛
v
v
v
v
F
F
F
F
E感
E感
E感
E感
v0=0
真空室
B
i感
E感
E感
E感
E感
工作過程： 磁場發(fā)生變化時，就會沿管道方向產(chǎn)生感生電場。射入其中的電子就受到感生電場的持續(xù)作用而不斷加速。根據(jù)楞次定律，為產(chǎn)生順時針方向的感生電場，磁場應(yīng)由弱變強。即電磁鐵線圈電流應(yīng)該由小變大。
感生電場的特點：
⑤感生電場位于與磁場垂直的平面上；
⑦感應(yīng)電場方向與感應(yīng)電流的方向相同
⑧通過判斷感應(yīng)電流的方向的方法判斷感生電場—楞次定律+右手螺旋定則。
E感
真空室
i感
B
B感
增加
i
增大
增大
E感
B
⑥感生電場的電場線是閉合的。
思考與討論：
在電磁爐的爐盤下有一個線圈。電磁爐工作時，它的盤面并不發(fā)熱，在爐盤上面放置鐵鍋，鐵鍋會發(fā)熱。你知道這是為什么嗎？
電磁感應(yīng)→感生電流→電流的熱效應(yīng)
思考：電磁爐產(chǎn)生變化的磁場，使穿
過鐵鍋（導體）的磁場發(fā)生變化，在
鐵鍋（導體回路）中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，
從而感應(yīng)電流的熱效應(yīng)實現(xiàn)了鐵鍋發(fā)熱，那么是什么力充當非靜電力使得自由電荷發(fā)生定向運動呢？
電荷的定向移動形成電流
→鐵鍋中感生電場的產(chǎn)生
→鐵鍋中的電荷受到了感生電場力的作用
渦流
現(xiàn)將線圈與高頻交流電源連接，幾分鐘后，讓同學摸摸鐵板，并說出感受
實驗裝置：一個線圈和一塊鐵板，鐵板位于線圈正下方。
如圖所示
體會渦流的產(chǎn)生
發(fā)現(xiàn)：鐵板變熱了。
說明了什么？試著討論一下。
線圈接入反復(fù)變化的電流，某段時間內(nèi)，若電流變大（變小），則磁場變強（變?nèi)酰鶕?jù)麥克斯韋理論，變化的磁場激發(fā)出感生電場。
看作
電流在導體的電阻中流動時，就會產(chǎn)生電熱這就是渦流的熱效應(yīng)
感生電場
導體
許多閉合線圈
感生電動勢
渦旋狀的感應(yīng)電流
B↑
線圈中的電流隨時間變化時，由于電磁感應(yīng)，靠近它的導體內(nèi)會產(chǎn)生漩渦狀電流，叫做渦電流，簡稱渦流。
渦流是整塊導體發(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。磁場變化越快（越大）、導體的橫截面積S越大、導體材料的電阻率越小，則形成的渦流就越大。
冶煉金屬的高頻感應(yīng)電爐就是利用高頻交流電，通過線圈使裝入冶煉爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生很強的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化。
渦流冶煉的優(yōu)點：
加熱快、能耗少、易控溫、無雜質(zhì)
渦流的應(yīng)用
冶煉爐
電磁爐
金屬探測器
高頻焊接
安檢門
渦流的應(yīng)用
經(jīng)典例題
工業(yè)上常利用感應(yīng)電爐冶煉合金，裝置如圖所示。當線圈中通有交變電流時，下列說法正確的是( )
A.金屬中產(chǎn)生恒定感應(yīng)電流
B.金屬中產(chǎn)生交變感應(yīng)電流
C.若線圈匝數(shù)增加，則金屬中感應(yīng)電流減小
D.若線圈匝數(shù)增加，則金屬中感應(yīng)電流不變

B
答案：B
解析：AB.當線圈中通有交變電流時，感應(yīng)電爐金屬內(nèi)的磁通量也不斷隨之變化，金屬中產(chǎn)生交變感應(yīng)電流，A錯誤，B正確；
CD.若線圈匝數(shù)增加，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢增大，則金屬中感應(yīng)電流變大，CD錯誤。
渦流的防止
渦流的防止：
（1）增大鐵芯材料的電阻率，常用的鐵芯材料是硅鋼，它的電阻率較大。
（2）用互相絕緣的硅鋼片疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯
鐵芯中的渦流被限制在狹窄的薄片之內(nèi)，回路的電阻很大，渦流大為減弱，渦流產(chǎn)生的熱量也就減少了。為了保護鐵芯不被燒壞，減少渦流帶來的電能損耗，所以鐵芯用薄片疊合而成。
增大鐵芯的電阻率，常用的鐵芯材料是硅鋼。用互相絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯。
電磁阻尼
電磁驅(qū)動
分析圖中線圈中感應(yīng)電流的方向和所受安培力的方向，并研究安培力對線圈的運動有何影響
v
當導體在磁場中運動時，感應(yīng)電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體的運動。
當導體在磁場中運動時，感應(yīng)電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體的運動——電磁阻尼。
電磁阻尼
將磁鐵托到某高度h釋放，使磁鐵豎直振動，記錄磁鐵振動的時間t1；
磁鐵固定一線圈，仍將磁鐵托到高度h后釋放，記錄磁鐵振動的時間t2，試著比較t1與t2有何不同？為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象？
實驗裝置：固定好的彈簧、彈簧下端懸掛一根磁鐵，以及線圈。
如圖所示
體會電磁阻尼
N
S
B
線圈
發(fā)現(xiàn)：t2＞t1
說明了什么？試著討論一下。
磁場阻礙磁鐵靠近（或遠離）線圈
產(chǎn)生
磁鐵
閉合線圈
感生電流
磁場
穿過
產(chǎn)生
N
S
B
線圈
當磁場相對于導體轉(zhuǎn)動時，在導體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導體受到安培力的作用而運動起來的現(xiàn)象。線圈轉(zhuǎn)動與磁鐵同向，但轉(zhuǎn)速小于磁鐵，即同向異步。
交流感應(yīng)電動機就是利用電磁驅(qū)動的原理工作的。
連接到三相電源時能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場
一種交流感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)
電磁驅(qū)動
聯(lián)系：
電磁阻尼和電磁驅(qū)動，都是由于導體相對于磁場運動引起磁通量的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，安培力的方向與導體的相對運動方向相反，阻礙導體的相對運動。
區(qū)別：
電磁阻尼是導體運動（或者速度較大）時，安培力的方向與導體的運動方向相反，阻礙導體的運動。
電磁驅(qū)動是磁場運動，導體靜止（或者速度較小）時，安培力對導體提供動力，使導體隨磁場運動。
電磁阻尼與電阻驅(qū)動的區(qū)別和聯(lián)系
將鋁框安置在底座上，其中鋁框位于蹄形磁鐵的兩個磁極間，且可以繞支點自由轉(zhuǎn)動。
轉(zhuǎn)動磁體，觀察鋁框的運動。
實驗裝置：鋁框，蹄形磁鐵，底座。
如圖所示
體會電磁驅(qū)動
發(fā)現(xiàn)：鋁框會隨著磁體轉(zhuǎn)動起來，且鋁框的轉(zhuǎn)動方向與磁體的轉(zhuǎn)動方向相同。
說明了什么？試著討論一下。
為阻礙磁場的變化，鋁框隨磁體轉(zhuǎn)動
磁體
變化磁場
鋁框
感應(yīng)電流
轉(zhuǎn)動
產(chǎn)生
體會電磁驅(qū)動
應(yīng)用
電動機
保護電流計
電磁驅(qū)動
經(jīng)典例題
為了使在磁場中轉(zhuǎn)動的絕緣輪快速停下來，小明同學設(shè)計了以下四種方案：圖甲、乙中磁場方向與輪子的轉(zhuǎn)軸平行，圖甲中在輪上固定閉合金屬線圈，圖乙中在輪上固定未閉合金屬線圈；圖丙、丁中磁場方向與輪子的轉(zhuǎn)軸垂直，圖丙中在輪上固定閉合金屬線框，圖丁中在輪上固定一些細金屬棒。四種方案中效果最好的是( )
A.甲 B.乙
C.丙 D.丁
C
答案：C
解析：AB.圖甲和圖乙中當輪子轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量都是不變的，不會產(chǎn)生感生感應(yīng)電流，則不會有磁場力阻礙輪子的運動，故AB錯誤；
C.圖丙中在輪上固定一些閉合金屬線框，線框長邊與輪子轉(zhuǎn)軸平行，當輪子轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成感應(yīng)電流，則會產(chǎn)生磁場力阻礙輪子轉(zhuǎn)動，使輪子很快停下來，故C正確；
D.圖丁中在輪上固定一些細金屬棒，當輪子轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，但是不會形成感應(yīng)電流，則也不會產(chǎn)生磁場力阻礙輪子轉(zhuǎn)動，故D錯誤。
故選C。
如圖甲所示為探究電磁驅(qū)動的實驗裝置。某個鋁籠置于U形磁鐵的兩個磁極間，鋁籠可以繞支點自由轉(zhuǎn)動，其截面圖如圖乙所示。開始時，鋁籠和磁鐵均靜止，轉(zhuǎn)動磁鐵，會發(fā)現(xiàn)鋁籠也會跟著發(fā)生轉(zhuǎn)動，
下列說法正確的是( )
A.鋁籠是因為受到安培力而轉(zhuǎn)動的
B.鋁籠轉(zhuǎn)動的速度的大小和方向與磁鐵相同
C.磁鐵從圖乙位置開始轉(zhuǎn)動時，鋁籠截面abcd中的感應(yīng)電流的方向為a→d→c→b→a
D.當磁鐵停止轉(zhuǎn)動后，如果忽略空氣阻力和摩擦阻力，鋁籠將保持勻速轉(zhuǎn)動
A
答案：A
解析：AC.磁鐵從圖乙位置開始轉(zhuǎn)動時，導致通過鋁籠截面的磁通量增加，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，方向為a→d→c→b→a，因而受到安培力作用，導致鋁籠轉(zhuǎn)動，所以鋁籠是因為受到安培力而轉(zhuǎn)動的，A項正確，C項錯誤；
B.根據(jù)楞次定律可知，為阻礙磁通量增加，則導致鋁籠與磁鐵轉(zhuǎn)動方向相同，但快慢不相同，鋁籠的轉(zhuǎn)速一定比磁鐵的轉(zhuǎn)速小，B項錯誤；
D.當磁鐵停止轉(zhuǎn)動后，如果忽略空氣阻力和摩擦阻力，由于鋁籠轉(zhuǎn)動的過程中仍然能產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以鋁籠會受到反方向安培力作用逐漸減速直到停止運動，D項錯誤。
導體附近的線圈中的電流隨時間變化
發(fā)生
改變
穿過導體的磁通量
導體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流
渦流的熱效應(yīng)
安培力總是阻礙導體的運動
導體在磁場中運動時
產(chǎn)生
感應(yīng)電流（導體中）
安培力
安培力使導體運動起來
磁場相對于導體運動
產(chǎn)生
感應(yīng)電流（導體中）
安培力
1.關(guān)于渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動，下列說法不正確的是( )
A.金屬探測器、探測地雷的探雷器利用渦流工作
B.變壓器中用互相絕緣的硅鋼片疊成鐵芯利用渦流工作
C.磁電式儀表中用來做線圈骨架的鋁框能起電磁阻尼的作用
D.用來冶煉合金鋼的真空冶煉爐是利用渦流來產(chǎn)生熱量
B
答案：B
解析：A.金屬探測器、探雷器中輻射的變化磁場遇到金屬物體，在金屬物體上產(chǎn)生渦流，故是利用渦流工作，故A正確
B.變壓器中用互相絕緣的硅鋼片疊壓成鐵芯，是為了防止渦流，而不是利用渦流，故B錯誤；
C.鋁框做骨架，當線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時，導致鋁框的磁通量變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，出現(xiàn)安培阻力，使其很快停止擺動，故C正確；
D.真空冶煉爐是線圈中的電流做周期性變化，在冶煉爐中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生大量的熱量，故D正確。
2.電磁灶熱效率高達90%，灶面無明火，無煙，無廢氣，“火力”強勁，安全可靠.如圖所示是描述電磁灶工作原理的示意圖，下列說法正確的是( )
A.當恒定電流通過線圈時，會產(chǎn)生恒定磁場，恒定磁場越強，電磁灶加熱效果越好
B.電磁灶的勵磁線圈加交流電后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進而發(fā)熱工作
C.在鍋和電磁灶中間放一紙板，則電磁灶不能起到加熱作用
D.電磁灶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熱性能較差
B
答案：B
解析：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;根據(jù)電磁灶的工作原理可知，電磁灶的勵磁線圈加交流電后,在鍋底產(chǎn)生渦流,進而發(fā)熱工作，故B正確;在鍋和電磁灶中間放一紙板,不會影響電磁灶的加熱作用,故C錯誤;金屬鍋自身產(chǎn)生無數(shù)小渦流而發(fā)熱，陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋屬于絕緣材料，不會產(chǎn)生渦流,故D錯誤.
3.如圖，將一空的鋁質(zhì)易拉罐倒扣于筆尖上，在“冂”型木框兩側(cè)各固定一個強銣磁鐵，用電鉆控制木框勻速轉(zhuǎn)動，發(fā)現(xiàn)木框雖然不與易拉罐接觸，但易拉罐也會隨木框轉(zhuǎn)動。則下列說法正確的是( )
A.木框的轉(zhuǎn)速總比易拉罐的大
B.易拉罐與木框的轉(zhuǎn)動方向相反
C.易拉罐與木框保持相同的轉(zhuǎn)速同方向轉(zhuǎn)動
D.兩個磁鐵必須異名磁極相對
A
答案：A
解析：ABC.根據(jù)電磁驅(qū)動原理，易拉罐與木框的轉(zhuǎn)動方向相同，木框的轉(zhuǎn)速總比易拉罐的大，A正確；BC錯誤；
D.兩個磁鐵異名磁極或同名磁極相對均可，在磁極附近的易拉罐導體中都會產(chǎn)生渦流，在磁場受安培力使易拉罐跟著木框轉(zhuǎn)動起來，D錯誤。
故選A。
4.如圖甲所示，是國產(chǎn)某型號手機無線充電裝置，其工作原理圖如圖乙所示，送電線圈和受電線圈回路中串聯(lián)的電阻阻值均為R，把送電線圈和受電線圈構(gòu)成的功能部分視為理想變壓器，n1>n2則下列說法正確的是( )
A.將手機換成鋁片放到工作的充電器上，鋁片會發(fā)熱
B.受電線圈回路中電阻產(chǎn)生的熱量比送電線圈中電阻產(chǎn)生的熱量小
C.若手機電池出現(xiàn)短路故障，送電線圈兩端的電壓會增大
D.若受電線圈中的電流恒為
1A時，充滿容量為2000mA·h
的電池，至少需要100min
A
答案：A
解析：A.將手機換成鋁片放到工作的充電器上，由于充電器產(chǎn)生的磁場是周期性變化的磁場，則鋁片會產(chǎn)生渦流，鋁片會發(fā)熱，故A正確；B.根據(jù) ，可知受電線圈回路中電流I2大于送電線圈中的電流I1，根據(jù)Q=I2Rt，可知受電線圈回路中電阻產(chǎn)生的熱量比送電線圈中電阻產(chǎn)生的熱量大，故B錯誤；C.若手機電池出現(xiàn)短路故障，則受電線圈的總電阻變小，將送電線圈和受電線圈的總負載看成一個等效電阻，可知等效電阻阻值變小，根據(jù)歐姆定律可知，送電線圈中電流增大，則送電線圈中定值電阻兩端電壓增大，送電線圈兩端的電壓減小，故C錯誤；D.若受電線圈中的電流恒為1A時，充滿容量為2000 mA·h的電池，至少需要的時間為 ，故D錯誤。故選A。
5.一學生小組在探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象時，進行了如下比較實驗。用圖（a）
所示的纏繞方式，將漆包線分別繞在幾何尺寸相同的有機玻璃管和金屬
鋁管上，漆包線的兩端與電流傳感器接通。兩管皆豎直放置，將一很小
的強磁體分別從管的上端由靜止釋放，在管內(nèi)下落至管的下端。實驗中
電流傳感器測得的兩管上流過漆包線的電流I隨時間t的變化分別如圖（b）
和圖（c）所示，分析可知( )
A.在鋁管中下落，小磁體做勻變速運動
B.圖（c）是用玻璃管獲得的圖像
C.在玻璃管中下落，小磁體受到的電磁阻力始終保持不變
D.用鋁管時測得的電流第一個峰到最后一個峰的時間間隔比用玻璃管時的短
B
答案：B
解析：AB、強磁體在鋁管中下落時，鋁管的磁通量變化，鋁管中產(chǎn)生渦流，渦流對強磁體有向上的作用力，由圖(b)可知感應(yīng)電流的峰值保持不變，說明線圈磁通量的變化快慢不變，可得靜止釋放強磁體后，其在重力作用下先加速，很快達到平衡狀態(tài)，穿過線圈時做勻速直線運動;強磁體在玻璃管中下落時，玻璃管是絕緣體，不會產(chǎn)生渦流，強磁體一直做加速運動。由圖像得，圖(c)中電流的峰值一直在增大，說明強磁體的速度在增大，故圖(c)是用玻璃管獲得的圖像，故A錯誤，B正確;C、強磁體在玻璃管下落，由圖像(c)得，電流的峰值一直在增大，導線所受安培力增大，強磁體受到的電磁阻力增大，故C錯誤;D、強磁體在鋁管中運動時產(chǎn)生的電流峰值比在玻璃管中運動時產(chǎn)生的電流峰值小，即在鋁管中運動時的速度更小，用鋁管時測得的電流第一個峰到最后一個峰的時間間隔比用玻璃管時的長，故D錯誤。

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