高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动图文课件ppt

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一、电磁感应现象中的感生电场一个闭合回路静止于磁场中,由于磁场强弱的变化,闭合电路内将会产生感应电动势。1.感生电场:磁场变化时会在空间激发一种电场。2.感生电动势:由感生电场产生的感应电动势。3.感生电场的方向:与所产生的感应电流的方向相同,可根据楞次定律和安培定则判断。
二、涡流1.涡流:由于电磁感应,在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流。2.特点:若金属电阻率很小,则涡流往往很强,产生的热量很多。3.应用:(1)涡流热效应:真空冶炼炉,电磁炉。(2)涡流磁效应:探雷器,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:增大铁芯材料的电阻率。(2)途径二:用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。
三、电磁阻尼1.电磁阻尼:当导体在磁场中运动时,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,这种现象称为电磁阻尼。2.应用:磁电式电流表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置,便于读数。四、电磁驱动1.电磁驱动: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,安培力使导体运动起来,这种作用常常称为电磁驱动。2.应用:交流感应电动机。
1.正误判断。(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。(　　)解析:涡流本质上是感应电流,是自身构成回路,是在穿过导体的磁通量变化时产生的。答案:√(2)涡流有热效应,但没有磁效应。(　　)解析:涡流既有热效应,又有磁效应。答案:×(3)在硅钢中不能产生涡流。(　　)解析:硅钢电阻率大,产生的涡流较小,但仍能产生涡流。答案:×
(4)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。(　　)解析:电磁阻尼、电磁驱动都是由于磁通量的变化引起的,所以都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。答案:√(5)电磁阻尼是由于电磁感应中安培力阻碍导体与磁场的相对运动产生的,而电磁驱动是由于电磁感应现象中安培力增强磁场与导体间的相对运动产生的。(　　)解析:电磁感应现象中,安培力总是阻碍引起感应电流的磁场与导体间的相对运动。答案:×
(6)如果空间不存在闭合电路,变化的磁场周围不会产生感生电场。(　　)解析:麦克斯韦认为,磁场的变化在空间激发一种电场,这种电场与是否存在闭合电路无关。答案:×
2.(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
解析:感生电场中磁场的方向用楞次定律来判定,原磁场向上且磁感应强度在增大,在周围有闭合导线的情况下,感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反,即感应电流的磁场方向向下,再由右手螺旋定则知感应电流的方向即感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向;同理可知,原磁场方向向上且磁感应强度减小时,感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向,所以A、D正确。答案:AD
3.(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(　　)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.线圈将产生变化的电流D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda
解析:磁铁逆时针转动,相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线,线圈中产生变化的电流,故C对,D错;由楞次定律的推广含义可知,线圈将与磁极同向转动,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状态,线圈不切割磁感线,无感应电流产生,B对,A错。答案:BC
电磁感应现象中的感生电场情境探究如图所示,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?
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。
知识归纳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。
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。
实例引导例1 著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验装置:一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动,在圆板的中部有一个线圈,圆板的四周固定着一圈带电的金属小球,如图所示。当线圈接通电源后,将有图示方向的电流流过,则下列说法正确的是(　　)A.接通电源瞬间,圆板不会发生转动B.线圈中电流的增大或减小都会引起圆板向与线圈中电流方向相同的方向转动C.接通电源后,保持线圈中电流不变,圆板转动方向与线圈中电流流向相同D.若金属小球带负电,接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相同
解析:线圈接通电源瞬间,变化的磁场产生变化的电场,从而导致带电小球受到电场力,使其转动,故A错误;线圈中电流增大或减小都会引起磁场的变化,从而产生电场,使小球受到电场力,从而转动,但由于电场力与电荷带正负电有关,故B错误;接通电源后,保持线圈中电流不变,则磁场不变,则不会产生电场,小球不受到电场力,故C错误;接通电源瞬间小球受到电场力作用而转动,由于金属小球带负电,故圆盘转动方向与线圈中电流流向相同,故D正确。答案:D
规律方法判断感生电场方向的思路
变式训练1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R的圆周上运动,当电磁铁绕组通有图中所示的电流时(　　)
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,选项D错误。答案:A
涡流情境探究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:涡流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。
知识归纳1.对涡流的理解
2.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。
3.应用(1)涡流热效应的应用,如真空冶炼炉。(2)涡流磁效应的应用,如探雷器。4.涡流的危害与防止(1)涡流的危害在各种电机、变压器中,涡流会使铁芯的温度升高,危及线圈绝缘材料的寿命;另外涡流发热要消耗额外的能量,使电机、变压器的效率降低。(2)涡流的防止为了减小涡流,变压器、电机中的铁芯不是由整块的钢铁制成,而是用薄薄的硅钢片叠压而成。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,进一步减小了涡流的发热。
(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。
实例引导例2 (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
解析:增大交变电流的电压和交变电流的频率均可使电流的变化率增大,由E=n 知,感应电动势和涡流均增大,焊接处的发热功率增大,若增大焊接缝的接触电阻,则焊接处的电压、功率分配就增大,产生的热量就会增大,故A、B、C正确,D错误。
变式训练2如图所示,在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水。给线圈通入电流,一段时间后,一个容器中水温升高,则通入的电流与水温升高的是(　　)A.恒定直流、小铁锅　　　B.恒定直流、玻璃杯C.变化的电流、小铁锅 D.变化的电流、玻璃杯
解析:通入恒定直流时,所产生的磁场不变,不会产生感应电流,通入变化的电流,所产生的磁场发生变化,在空间产生感生电场,铁锅是导体,感生电场在导体内产生涡流,电能转化为内能,使水温升高;涡流是由变化的磁场在导体内产生的,所以玻璃杯中的水不会升温。答案:C
电磁阻尼和电磁驱动情境探究如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴转动。(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。
知识归纳电磁阻尼与电磁驱动的比较
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。
实例引导例3 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
解析:S断开时,磁铁振动,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中无感应电流,振幅不变;S闭合时有感应电流,有电能产生,磁铁的机械能越来越少,振幅逐渐减小。选项A正确。答案:A
规律方法电磁驱动和电磁阻尼的联系:电磁驱动和电磁阻尼现象中安培力的作用效果均为阻碍导体间的相对运动。
变式训练3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。答案:见解析
1.在如图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是(　　)
解析:恒定的感生电场由均匀变化的磁场产生,C正确。答案:C
2.内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上,环内有一带负电的小球,整个装置处在竖直向下的磁场中,如图所示。当磁场突然增强时,小球(　　)A.沿顺时针方向运动B.沿逆时针方向运动C.在原位置附近往复运动D.仍保持静止状态
解析:磁场突然增强时,激发出逆时针方向的感生电场,对负电荷的作用力为顺时针,故小球沿顺时针方向运动。答案:A
3.如图所示,使一个铜盘绕其竖直的轴OO'转动,且假设摩擦等阻力不计,转动是匀速的。现把一个蹄形磁铁移近铜盘,则(　　)A.铜盘转动将变慢B.铜盘转动将变快C.铜盘仍以原来的转速转动D.铜盘转动速度是否变化,要根据磁铁的上、下两端的极性来决定
解析:当一个蹄形磁铁移近铜盘时,铜盘转动切割磁感线,产生感应电流,由楞次定律可知感应电流所受的安培力阻碍其相对运动,所以铜盘转动将变慢。本题也可以从能量守恒的角度去分析,因为铜盘转动切割磁感线,产生感应电流,铜盘的机械能不断转化成电能,铜盘转动会逐渐变慢。选项A正确。答案:A
4.(多选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品。安检门中接有线圈,线圈中通以交变电流,关于其工作原理,下列说法正确的是(　　)A.人身上携带的金属物品会被地磁场磁化,在线圈中产生感应电流B.人体在通有交变电流的线圈产生的磁场中运动,产生感应电动势并与金属物品构成回路产生感应电流C.线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流D.金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流
解析:地磁场很弱,即使金属物品被磁化,磁性也很弱,作为导体的人体电阻很大,且一般不会与金属物品构成回路,选项A、B错误;安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是线圈中的交变电流产生交变磁场,使金属物品中产生涡流,选项C正确;该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流,而线圈中交变电流的变化可以被检测,选项D正确。答案:CD
5.电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟无废气,电磁“火力”强劲,安全可靠。如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图,下列说法正确的是(　　)
A.当恒定电流通过线圈时,会产生恒定磁场,恒定磁场越强,电磁炉加热效果越好B.电磁炉通电线圈加交流电后,在锅底产生涡流,进而发热工作C.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要原因是这些材料的导热性能较差D.在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用