高中物理课件 49页

成才之路 · 物理 路漫漫其修远兮 吾将上下而求索 人教版 · 选修3-2 电磁感应 第四章 第七节　涡流　电磁阻尼和电磁驱动 第四章 学习目标定位1 课堂情景切入2 知识自主梳理3 重点难点突破4 考点题型设计6 课 时 作 业8 课堂知识构建5 易错案例剖析7 学习目标定位 ※ 了解涡流的产生原理，了解涡流的防止 和应用 ※ 了解电磁驱动和电磁阻尼 课堂情景切入 当人携带金属器件经过安检门时，报警器就会发出响声， 你知道其中的原理吗？ 知识自主梳理 涡流 1．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 __________。 感应电流 很强 很多 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__________、__________。 4．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。 真空冶炼炉 探雷器 安检门 电阻率 硅钢片 电磁阻尼 1．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 阻碍 电磁阻尼 1．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。 电磁驱动 安培力 使导体运动 重点难点突破 一、对涡流的理解 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．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。 高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图所示 为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金 属，线圈通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔 化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质 混入被炼金属中，因此适用于冶炼特种金属。该炉的加热原 理是(　　) A．利用线圈中电流产生的焦耳热 B．利用线圈中电流产生的磁场 C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流 D．给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电 答案：C 解析：高频感应炉是利用了电磁感应的原理，给线圈通 入高频交变电流后，冶炼炉内待冶炼的金属在快速变化的磁 场中产生很强的涡流，从而产生大量的热量使金属熔化。 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矛盾的两个方面，不可分 割。 2．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 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。 特别提醒： 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。 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 答案：BC 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。 课堂知识构建 考点题型设计 (银川一中2013～2014学年高二下学期期中)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(　　) 涡流的利用和防止 A．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 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。 答案：C 变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的(如图)，而不是 采用一整块硅钢，这是因为(　　) A．增大涡流，提高变压器的效率 B．减小涡流，提高变压器的效率 C．增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量 D．增大铁芯中的电阻，以减少放出的热量 答案：BD 解析：不使用整块硅钢而采用很薄的硅钢片，这样做的目 的是增大铁芯中的电阻，来减少电能转化成铁芯的内能，提高 效率，是防止涡流而采取的措施。 两个带有中心轴的金属圆圈a和b，其上都有多 根辐向金属条，现用两根金属导线分别将它们的中心轴与对方 的边缘接触，整套装置处于垂直纸面向里的匀强磁场中，如图 所示，不计一切摩擦。若圆圈a在外力作用下以恒定的角速度ω 逆时针转动时，则圆圈b的转动情况是(　　) 对电磁驱动和电磁阻尼的理解 A．逆时针转动 B．顺时针转动 C．圆圈b的角速度等于圆圈a的角速度ω D．圆圈b的角速度小于圆圈a的角速度ω 解析：在a中找一辐条，根据右手定则可以判定出产生的 感应电流的方向，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，并联的电动势为Ea，感应电流的 方向如图。在b中找一辐条，由左手定则得出受力方向如图， 其他辐条受力也是使b顺时针转动，B正确。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，即圆圈b的角速度小于圆圈a的角 速度ω，D正确。 答案：BD 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 答案：AD 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。 我们用来煮食的炉子有各种各样的款式，它们 的工作原理各不相同。有的以天然气、液化石油气等为燃料 的，例如天然气炉。还有以直接的电热方式加热的，例如电饭 锅。下面介绍的是以电磁感应原理生热的电磁炉。如图所示是 描述电磁炉工作原理的示意图。炉子的内部有一个金属线圈， 当交变电流通过线圈时，会产生磁场，这个磁场的大小和方向 是不断变化的，这个变化的磁场又会引起放在电磁炉上面的铁 质(或钢质)锅底内产生感应电流，由于锅底有电阻，所以感应 电流又会在锅底产生热效应，这些内能便能起到加热物体的作 用从而煮食。 探究·应用 因为电磁炉是以电磁感应产生电流，利用电流的热效应产 生热量，所以不是所有的锅或器具都适用。对于锅的选择，方 法很简单，只要锅底能被磁铁吸住的就能用。适合放在电磁炉 上的烹饪器具有不锈钢锅、不锈钢壶、平底铁锅；不适用的有 陶瓷锅、圆底铁锅、耐热玻璃锅、铝锅、铜锅等。 (1)在电磁炉加热食物的过程中涉及到的物理原理有(回答 三个即可)： ①____________________________________________； ②___________________________________________； ③_________________________________________。 (2)电磁炉所用的锅不能用陶瓷锅、耐热玻璃锅的原因是 ______________________________；电磁炉所用的锅不能用铝 锅、铜锅的原因是__________________________________。 (3)在锅和电磁炉中间放置一纸板，则电磁炉还能起到加热 作用吗？为什么？ 答案：(1)①电流的磁效应(或电生磁)；②电磁感应现象(或 磁生电)；③电流的热效应(或焦耳定律) (2)不能产生电磁感应现象　铝、铜的导磁性太差，效率低 (3)能起到加热作用，线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅 底，在锅底产生感应电流，利用电流的热效应起到加热作用。 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？ 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。 易错案例剖析 易错分析：对本题的易错选项及错误原因分析如下： 错误地认为金属块最终停在O点处而选B项；忽略了金属 块刚开始滑动时具有的动能而误选C项。 正确答案：D 课 时 作 业 （点此链接）