1、2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动涡流、电磁阻尼和电磁驱动选择性必修第二册选择性必修第二册【学习目标】【学习目标】1 1. .了解感生电场了解感生电场, ,知道感生电动势的产生原因知道感生电动势的产生原因, ,会判断感生电场会判断感生电场的方向。的方向。( (物理观念、科学思维物理观念、科学思维) )2 2. .了解涡流现象及其在生产、生活中的应用。了解涡流现象及其在生产、生活中的应用。( (物理观念物理观念) )3 3. .了解电磁阻尼和电磁驱动。了解电磁阻尼和电磁驱动。( (物理观念物理观念) )【引入】【引入】在电磁炉的炉盘下有一个线圈。在电磁炉的炉盘下有一个线圈。电磁炉工作时，它的盘面并
2、不发电磁炉工作时，它的盘面并不发热，在炉盘上面放置铁锅，铁锅热，在炉盘上面放置铁锅，铁锅会发热。你知道这是为什么吗会发热。你知道这是为什么吗? ?一、电磁感应现象中的感生电场如图所示,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。(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,哪种作用力扮演了电源中非静电力的角色?情境探究情境探究BE要点提示 (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
3、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。1.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。依据实际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。要点笔记 感生电场力虽然是电场力但不是静电力。它是一种非静电力。一、电磁感应现象中的感生电场例1.(多选)某空间出现了如图所示的磁场,当磁感应强度变化时,在垂直于磁场的方向上会产生感生电场,有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系,下列描述正确的是()A.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方
4、向B.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向C.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向D.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向答案答案 AD AD例2.现代科学研究中常用到高速电子,电子感应加速器就是利用感生电场加速电子的设备,如图甲。电子感应加速器主要有上、下电磁铁磁极和环形真空盒组成。当电磁铁绕组通以变化的电流时,产生变化的磁场,穿过真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化,这时真空盒空间内就产生感应涡旋电场,电子将在涡旋电场作用下加速。如图乙所示(上图为侧视图、下图为真空盒的俯视图),若电子被“约束”在半径为
5、R的圆周上运动,当电磁铁绕组通有图中所示的电流时()甲 A.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速B.若电子沿顺时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速C.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流减小时,电子将加速D.被加速时电子做圆周运动的周期不变解析 当电磁铁绕组通有题图中所示的电流时,由安培定则可知将产生向上的磁场,当电磁铁绕组中电流增大时,根据楞次定律和安培定则可知,这时真空盒空间内产生顺时针方向的感生电场,电子沿逆时针运动,电子将加速,选项A正确,选项B、C错误;由于电子被“约束”在半径为R的圆周上运动,被加速时电子做圆周运动的周期减小,
6、选项D错误。答案 A二、涡流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?要点提示 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。1.对涡流的对涡流的理解理解 本质电磁感应现象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.产生涡流的两种情
7、况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。二、涡流要点笔记要点笔记 (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（ 越大）,导体的横截面积S越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越强。例3 (多选)高频焊接原理示意图如图所示,线圈通以高频交变电流,金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热,将焊缝熔化焊接,要使焊接处产生的热量较大可()A.增大交变电流的电压B.增大交变电流的频率C.增大焊接缝的接触电阻D.减小焊接缝的接触电阻答案答案 ABC 3.涡流的应用（1）真空冶炼炉，高频焊接）真空冶炼炉，高频焊接
8、冶炼金属的高频感应电炉冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交流电，通过线就是利用高频交流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产圈使装入冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生大量生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。的热使金属熔化。抽真空（2）探雷器）探雷器 这种探雷器可以用来探测这种探雷器可以用来探测金属壳的地雷或有较大金属金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷。零件的地雷。 （3）安检门）安检门门框报警电路线圈 机场的安检门机场的安检门可以探测人身携带可以探测人身携带的金属物品，道理的金属物品，道理和探雷器是一样的。和探雷器是一样的。其它应用其它应用 新型炉灶新型炉灶电磁炉。电磁炉。 金属探测
9、器：飞机场、火车站安全检查、扫雷、探矿。金属探测器：飞机场、火车站安全检查、扫雷、探矿。电磁炉加热食物生活中的物理：电磁灶的工作原理生活中的物理：电磁灶的工作原理 电磁灶的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上电磁灶的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量，将饭菜煮涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量，将饭菜煮熟。熟。危害危害 导体在产生涡流的过程中，涡
10、流也会产生热量这样的话导体在产生涡流的过程中，涡流也会产生热量这样的话会造成很多的能源浪费，还可能烧坏电器！（例如在电动机会造成很多的能源浪费，还可能烧坏电器！（例如在电动机和变压器里面）和变压器里面）问题：里面问题：里面铁芯铁芯的作用？的作用？用硅钢片做变压器的铁芯情境导学情境导学分析电表线圈骨架的作用分析电表线圈骨架的作用 如图（图一）所示，一个单匝线圈落入磁场中，分析它如图（图一）所示，一个单匝线圈落入磁场中，分析它在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向，安在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向，安培力对线圈的运动有什么影响？培力对线圈的运动有什么影响？图一三、电磁阻尼 情境
11、导学情境导学磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上（图二）。假定仪表工作时指针向右转动，铝框中感应电流沿什么方（图二）。假定仪表工作时指针向右转动，铝框中感应电流沿什么方向？由于铝框转动时其中有感应电流，铝框要受到安培力。安培力是向？由于铝框转动时其中有感应电流，铝框要受到安培力。安培力是沿什么方向的？安培力对铝框的转动产生什么影响？使用铝框做线圈沿什么方向的？安培力对铝框的转动产生什么影响？使用铝框做线圈骨架有什么好处？骨架有什么好处？图二提示：提示：铝框中的涡流产生磁场，根据楞次定律，该磁场将阻碍铝框中的涡流产生磁场，根据楞次定
12、律，该磁场将阻碍引起涡流的磁场的变化。从力的角度分析，铝框中的安培力将引起涡流的磁场的变化。从力的角度分析，铝框中的安培力将阻碍铝框的转动，即产生电磁阻尼。阻碍铝框的转动，即产生电磁阻尼。选用铝框做线圈骨架的原因：铝框是导体，可产生电磁阻尼，选用铝框做线圈骨架的原因：铝框是导体，可产生电磁阻尼，使指针转动更趋平稳；铝材质轻且结实。使指针转动更趋平稳；铝材质轻且结实。当导体在磁场中运动时当导体在磁场中运动时, ,感应电流会使导体受到安培力感应电流会使导体受到安培力, ,安培力的方向总是阻碍导体的运动安培力的方向总是阻碍导体的运动-电磁阻尼电磁阻尼。三、电磁阻尼讨论讨论: 微安表的表头在运输时为何
13、应该把两个接线柱连在微安表的表头在运输时为何应该把两个接线柱连在一起？一起？连接两个接线柱的导线这是因为电流表正负接线柱短接后与这是因为电流表正负接线柱短接后与线圈组成闭合电路线圈组成闭合电路, ,由于指针和线圈是由于指针和线圈是固定在一起的固定在一起的, ,所以指针摆动时会带动所以指针摆动时会带动线圈在磁场中做切割磁感线运动线圈在磁场中做切割磁感线运动, ,从而从而在线圈中产生感应电流在线圈中产生感应电流, ,而感应电流会而感应电流会产生阻碍线圈转动的效果产生阻碍线圈转动的效果, ,从而有效减从而有效减轻了指针的摆动。轻了指针的摆动。四、电磁驱动情境导学情境导学如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均
14、可绕竖直轴转动。(1)如果将磁铁拿走,轻转线圈,观察线圈的转动,若安装上磁铁,用同样的力转动线圈,你会观察到两次现象有什么不同,为什么?(2)先让线圈静止,转动磁铁,观察线圈有什么现象发生,为什么?要点提示 (1)观察到没有磁铁时线圈转动的时间比有磁铁时转动的时间长很多。有磁铁时,线圈转动会产生感应电流,感应电流的安培力阻碍线圈的转动。(2)观察到线圈随着磁铁的转动会慢慢转动起来。线圈中产生感应电流,感应电流的安培力阻碍线圈相对磁铁的运动,即使线圈慢慢随磁铁转动起来。提示：提示：电磁驱动中，感应电流的作用是阻碍磁铁与铝电磁驱动中，感应电流的作用是阻碍磁铁与铝框的相对运动，但不能阻止这种相对运动
15、，所以铝框框的相对运动，但不能阻止这种相对运动，所以铝框转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。讨论讨论: : 铝框转动的角速度能否等于磁铁转动的铝框转动的角速度能否等于磁铁转动的角速度？角速度？如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，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安培力的作用，安培力使导体运动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，这种作用常常称为起来，这种作用常常称为-电磁驱动电磁驱动。四、电磁驱动电磁阻尼与电磁驱动的电磁阻尼与电磁驱动的比较比较 比较项目电磁阻尼电磁驱动不同点成因由于导体在磁场中
16、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,其他形式的能转化为电能,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,从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磁场与导体间的相对运动特别提醒(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律。(2)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
17、果。若磁铁运动,线圈中产生感应电流的结果是安培力的方向与磁铁运动方向相同,即电磁驱动;若磁场不动,线圈运动,则产生感应电流的结果是阻碍线圈运动,即电磁阻尼。例例4.如图所示,弹簧上端固定,下端挂一只条形磁铁,使磁铁上下振动,磁铁的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁铁,观察磁铁的振幅将会发现()A.S闭合时振幅逐渐减小,S断开时振幅不变B.S闭合时振幅逐渐增大,S断开时振幅不变C.S闭合或断开,振幅变化相同D.S闭合或断开,振幅都不发生变化答案答案 A例例 4.阻尼摆的示意图如图所示,在轻质杆上固定一金属薄片,轻质杆可绕上端O点在竖直面内转动,一水平有界磁场垂直于金属薄片所在的平面。使摆从图中实线位置释放,摆很快就会停止摆动;若将摆改成梳齿状,还是从同一位置释放,摆会摆动较长的时间。试定性分析其原因。解析 第一种情况下,阻尼摆进入有界磁场后,在摆中会形成涡流,涡流受磁场的阻碍作用,会很快停下来;第二种情况下,将金属摆改成梳齿状,阻断了涡流形成的回路,从而减弱了涡流,受到的阻碍会比先前小得多,所以会摆动较长的时间。 小小 结结电磁感应现象中的感生电场电磁感应现象中的感生电场涡流涡流电磁阻尼和电磁阻尼和电磁驱动电磁驱动产生产生应用和防止应用和防止电磁阻尼电磁阻尼电磁驱动电磁驱动
