2019-2020学年高中物理 第4章 电磁感应 7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动课件 新人教版选修3-

第7节涡流、电磁阻尼和电磁驱动第四章电磁感应1．了解涡流是怎样产生的。2．了解涡流现象的利用和危害。3．通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用。4．了解电磁阻尼和电磁驱动。1．线圈中的电流变化时，线圈附近的导体中会产生涡流，涡流会产生热量，因此在日常生活中，既要防止有害涡流，又要利用有益涡流。2．导体在磁场中运动，感应电流会使导体受到安培力阻碍其运动，即为电磁阻尼。3．磁场相对于导体运动时，在磁场中的导体内会产生感应电流，使导体受到安培力的作用而运动起来，即为电磁驱动。01课前自主学习一、涡流1．定义由于，在导体中产生的像水中旋涡样的电流。2．特点若金属的电阻率小，涡流往往，产生的热量。□1电磁感应□2感应□3很强□4很多3．应用(1)涡流热效应的应用：如。(2)涡流磁效应的应用：如、。□5真空冶炼炉□6探雷器□7安检门4．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。□8电阻率□9硅钢片判一判(1)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。()√提示：涡流本质上是感应电流，是自身构成的回路，是在穿过导体的磁通量变化时产生的。(2)涡流有热效应，但没有磁效应。()(3)在硅钢中不能产生涡流。()×提示：涡流既有热效应，又有磁效应。×提示：硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但仍能产生涡流。二、电磁阻尼和电磁驱动1．电磁阻尼(1)定义：当导体在磁场中运动时，会使导体受到安培力，安培力的方向总是导体的运动的现象。(2)应用：电学仪表中利用使指针很快地停下来，便于读数。□1感应电流□2阻碍□3电磁阻尼2．电磁驱动(1)定义：如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到的作用，使导体运动起来的现象。(2)应用：交流感应电动机。□4安培力□5安培力想一想用导线把微安表的两个接线柱连在一起后，晃动微安表时，表针摆动的幅度为什么比没连接接线柱时的小？提示：用导线把微安表的两个接线柱连接起来后，就形成了闭合回路，晃动微安表时会产生感应电流从而阻碍表针的相对运动，即发生电磁阻尼现象。02课堂合作探究考点涡流现象的应用1．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．涡流的特点当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。3．产生涡流的两种情况(1)块状金属放在变化的磁场中；(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。4．涡流的应用、防止(1)涡流的危害在各种电动机、变压器中，涡流是非常有害的。首先它会使铁芯的温度升高，从而危及线圈绝缘材料的寿命，严重时会使材料报废；其次涡流发热要消耗额外的能量，使电动机、变压器的效率降低。(2)涡流的防止为了减少涡流，变压器、电动机里的铁芯不是由整块的钢铁制成，而是用薄薄的硅钢片叠合而成。一方面硅钢片的电阻率比一般钢铁的要大，从而减少损耗；另一方面，每层硅钢片之间都是绝缘的，阻断了涡流的通路，进一步减少了涡流的发热。(3)涡流的利用用来冶炼合金的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通过反复变化的电流，炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度。利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行，这样就能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。为了增大涡流，达到快速熔化金属的目的，在线圈中通入高频交变电流，根据电磁感应定律，电流变化快，得到的感应电动势就大，涡流就强。(1)①涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。②磁场变化越快ΔBΔt越大，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大。(2)电磁炉工作原理电磁炉的台面下布满了线圈，当通上高频交流电时，在台板与铁锅之间产生交变磁场，磁感线穿过锅体，产生感应电流——涡流。这种感应电流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。电磁炉产生的交变磁场，不但会产生涡流热效应，而且会促使金属锅体的分子运动并互相碰撞，造成分子间的摩擦生热，这两种热效应直接发生在锅体本身，因其热能的损耗很小，所以电磁炉的热效率可达80%，约比煤气灶高一倍而且加热均匀、烹饪迅速，节省电能。例1如图所示，在光滑水平桌面上放一条形磁铁，分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁铁的一端且给它一个初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况()A．都做匀速运动B．铁球、铝球都做减速运动C．铁球做加速运动，铝球做减速运动D．铝球、木球做匀速运动1.三个小球的区别？2．小球的运动情况受什么影响？提示：铁球既能被磁化，也能产生感应电流；铝球不能被磁化，但能产生感应电流；木球既不能被磁化，也不能产生感应电流。提示：小球做什么运动取决于它们的受力情况，力是改变物体运动状态的原因。[解析]铁球靠近磁铁时被磁化，与磁铁之间产生相互吸引的作用力，故铁球将加速运动；铝球向磁铁靠近时，穿过它的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铝球向磁铁运动时会受阻碍作用而减速；木球为非金属，既不能被磁化，也不产生涡流现象，所以磁铁对木球不产生力的作用，木球将做匀速运动。综上所述，C项正确。[变式训练1]如图是高频焊接原理示意图，线圈中通以高频交流电时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，由于焊缝处的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起。我国生产的自行车车架就是用这种办法焊接的。试定性地说明：为什么交变电流的频率越高，焊缝处放出的热量越多？答案交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快。根据法拉第电磁感应定律，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大，而放出的热量与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高，焊缝处放出的热量越多。解析解答本题时可按以下思路分析：考点电磁阻尼与电磁驱动1．电磁阻尼(1)产生当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，根据楞次定律，安培力总是阻碍导体的运动，于是产生电磁阻尼。电磁阻尼是一种十分普遍的物理现象，任何相对磁场运动的导体，只要有感应电流通过，就会存在电磁阻尼作用。(2)应用电磁阻尼有不少应用。使用磁电式电表进行测量时，由于指针转动轴的摩擦力矩很小，若不采取措施，线圈及指针将会在所示值附近来回摆动，不易稳定下来。为此，许多电表把线圈绕在闭合的铝框上，当线圈摆动时，在闭合的铝框中将产生感应电流，从而获得电磁阻尼力矩，以使线圈迅速稳定在所示值的位置。电气列车中的电磁制动器也是根据电磁阻尼原理制成的。2．电磁驱动(1)电磁驱动的产生如果磁场相对于导体运动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动。如图所示，当转动蹄形磁铁时，线圈也跟着转动起来，产生这种现象的原因就是电磁驱动。(2)电磁驱动的原因分析当蹄形磁铁转动时，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位置时，穿过线圈的磁通量为零，蹄形磁铁一转动，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，因而线圈会跟着同向转动起来。3．电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动，应注意电磁驱动中阻碍的结果，导体的运动速度仍小于磁场的运动速度。例2(多选)如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动。从上向下看，当磁铁逆时针转动时，则()A．线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同B．线圈将逆时针转动，转速比磁铁小C．线圈转动时将产生交流电D．线圈转动时感应电流的方向始终是abcda1.怎样判断线圈转动方向和感应电流方向？2．线圈的转速与磁铁的转速有什么关系？提示：需要用楞次定律及其推广含义来判断。提示：线圈的转速要小于磁铁的转速。[解析]由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁铁同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度，如果两者的角速度相同，磁感线与线圈会处于相对静止，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，A错误，B正确；当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生交流电，故C正确，D错误。电磁阻尼、电磁驱动的几点说明(1)电磁阻尼是感应电流受到的安培力对导体做负功，阻碍导体运动，而电磁驱动是感应电流受到的安培力对导体做正功，推动导体运动。(2)在电磁驱动中，主动部分与被动部分的运动(或转动)方向一致，被动部分的速度(或角速度)较小。(3)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，在这两种现象中可以运用楞次定律的推广含义分析导体的受力情况，运用力学知识和能量守恒定律分析导体的运动情况和能量转化情况。4从能量转化的情况看，电磁驱动过程是磁铁的机械能先转化为电能，电能再转化为导体的机械能，而电磁阻尼过程是其他形式的能转化成电能，最终转化为内能。[变式训练2]如图所示，光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连，水平轨道上方有一足够长的金属杆，杆上挂有一光滑螺线管A。在弧形轨道上高为h的地方，无初速释放一磁铁B(可视为质点)，B下滑至水平轨道时恰好沿螺线管A的中心轴运动，设A、B的质量分别为M、m，A、B最终速度分别为vA、vB。(1)螺线管A将向哪个方向运动？(2)全过程中整个电路所消耗的电能。答案(1)向右(2)mgh－12Mv2A－12mv2B解析(1)磁铁B向右运动时，螺线管中产生感应电流，感应电流使螺线管受到安培力作用，产生电磁驱动作用，使得螺线管A向右运动。(2)全过程中，磁铁减少的重力势能转化为A、B的动能和螺线管中的电能，所以mgh＝12Mv2A＋12mv2B＋E电，则E电＝mgh－12Mv2A－12mv2B。培优部落解题技能⊳涡流现象中能量转化问题的分析方法伴随着涡流现象，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。[例]光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，抛物线下半部分处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线(图中虚线所示)，一个金属块从抛物线上y＝b(ba)处以速度v沿抛物线下滑，假设抛物线足够长，金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是()A．mgbB.12mv2＋mgbC．mg(b－a)D.12mv2＋mg(b－a)[解析]金属块在进出磁场过程中要产生感应电流，感应电流转化为内能，机械能要减少，上升的最大高度不断降低，最后刚好滑不出磁场，做往复运动永不停止，根据能量转化与守恒，整个过程中产生的焦耳热应等于机械能的损失，即Q＝ΔE＝12mv2＋mg(b－a)，故D正确。解决涡流问题要掌握的几点(1)涡流的产生条件及能量转化情况；(2)涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律；(3)磁场变化越快ΔBΔt越大，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大。