高中物理教科版 (2019)選擇性必修 第二冊(cè)第二章 電磁感應(yīng)及其應(yīng)用3 渦流 電磁阻尼 電磁驅(qū)動(dòng)背景圖課件ppt

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基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過關(guān)
重難探究·能力素養(yǎng)全提升
學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)
1.渦流(1)定義:由于　　　　　　,在大塊金屬中形成的像水的漩渦的　　　　電流。?(2)特點(diǎn):金屬塊中的渦流會(huì)釋放出大量的　　　　。?(3)應(yīng)用:　　　　　　　　、電磁爐。?(4)防止:電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備應(yīng)防止鐵芯中渦流過大而導(dǎo)致浪費(fèi)能量,損壞電器。為降低渦流造成的損耗,用許多相互絕緣的薄硅鋼片疊合成的鐵芯代替整塊金屬的鐵芯。
2.電磁阻尼和電磁制動(dòng)(1)電磁阻尼:當(dāng)閉合電路中的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到　　　 　　　,安培力總是　 　　　導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng),這種現(xiàn)象叫作電磁阻尼?！“才嗔κ亲枇?2)電磁阻尼的應(yīng)用:磁電式電表中利用　　　　　　使指針能很快穩(wěn)定指到讀數(shù)位置上,便于讀數(shù)。磁電式電表在攜帶搬運(yùn)過程中將____________　　　　　　　　短路,既可避免指針因擺動(dòng)劇烈而變形,又減小軸承處的磨損。?
與電磁阻尼本質(zhì)相同(3)電磁制動(dòng):列車制動(dòng)時(shí)將電動(dòng)機(jī)與電源斷開,并把電動(dòng)機(jī)的線圈與制動(dòng)電路連接成閉合回路,列車前進(jìn)時(shí)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)線圈轉(zhuǎn)動(dòng),而產(chǎn)生感應(yīng)電流,磁場(chǎng)對(duì)它的安培力起著制動(dòng)的作用。(4)電磁制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):減少機(jī)械磨損并將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能給蓄電池充電。3.電磁驅(qū)動(dòng)(1)概念:　　　　　　受到安培力使物體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。?(2)應(yīng)用:　　　　　　　　。?(3)優(yōu)點(diǎn):可控性強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)力輸出精度高、能量損耗小。
情境鏈接如圖所示,電磁爐沒有明火卻能達(dá)到加熱的效果,深受人們喜愛。電磁爐的工作原理是利用高頻交變電流通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng),交變的磁場(chǎng)在鐵鍋底部產(chǎn)生無數(shù)小渦流,使鐵質(zhì)鍋?zhàn)陨砩鸁岫苯蛹訜徨亙?nèi)的食物。鍋的材質(zhì)必須為鐵質(zhì)或合金鋼,為什么不能用其他材質(zhì)呢?
提示 其他材質(zhì)的炊具由于材料電阻率過大或過小,會(huì)造成無法形成渦流或電磁爐負(fù)荷異常而啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù),不能正常工作。
教材拓展閱讀教材P47“發(fā)展空間”——《擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器》一文,回答:阻尼器的作用是什么?它的工作原理是什么?
提示 給建筑物減振。質(zhì)量塊和吊索構(gòu)成一個(gè)巨型復(fù)擺,建筑產(chǎn)生晃動(dòng)時(shí),它與主體結(jié)構(gòu)做相同的晃動(dòng),由于阻尼系統(tǒng)的作用,這種晃動(dòng)會(huì)在質(zhì)量塊中產(chǎn)生渦流,受到電磁阻尼作用,抵消大樓晃動(dòng),減少質(zhì)量塊的振幅,消耗輸入的能量。
易錯(cuò)辨析(1)渦流是由整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,不遵從電磁感應(yīng)定律。(　　)(2)通過增大鐵芯材料的電阻率可以減小渦流。(　　)(3)在電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)中,安培力所起的作用相同。(　　)(4)在電磁阻尼現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化是導(dǎo)體克服安培力做功,把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(　　)
探究點(diǎn)一　渦流的理解和應(yīng)用
如圖所示,高考考場(chǎng)用的金屬探測(cè)器是用來探測(cè)金屬的儀器,考生身上只要有金屬物品,當(dāng)探測(cè)器靠近時(shí),探測(cè)器就會(huì)鳴響,其工作原理是什么?
提示 金屬探測(cè)器探測(cè)金屬時(shí),探測(cè)器內(nèi)的探測(cè)線圈會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),被測(cè)金屬中產(chǎn)生了渦流,渦流的磁場(chǎng)又影響探測(cè)線圈,起到探測(cè)作用。
1.產(chǎn)生渦流的兩種情況(1)塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中。(2)塊狀金屬進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。2.產(chǎn)生渦流時(shí)的能量轉(zhuǎn)化(1)金屬塊在變化的磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(2)金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),由于克服安培力做功,金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。3.渦流的熱效應(yīng)當(dāng)電流在金屬塊內(nèi)自成閉合回路(產(chǎn)生渦流)時(shí),由于整塊金屬的電阻很小,渦流往往很強(qiáng),根據(jù)公式P=I2R知,熱功率的大小與電流的二次方成正比,故金屬塊的發(fā)熱功率很大。
【例1】 (多選)高頻焊接原理示意圖如圖所示,線圈通以高頻交變電流,金屬工件的焊縫中就產(chǎn)生大量焦耳熱,將焊縫熔化焊接,下列情況中能使焊接處消耗的電功率增大的是(　　)
A.其他條件不變,增大交變電流的電壓B.其他條件不變,增大交變電流的頻率C.感應(yīng)電流相同的條件下,增大焊縫的接觸電阻D.感應(yīng)電流相同的條件下,減小焊縫的接觸電阻
解析 其他條件不變,增大交變電流的電壓,則線圈中交變電流增大,磁通量變化率增大,因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大,感應(yīng)電流也增大,那么焊接處消耗的電功率增大,故A正確;高頻焊接利用高頻交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng),在焊接的金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律分析可知,電流變化的頻率越高,磁通量變化頻率越高,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大,感應(yīng)電流越大,焊接處消耗的電功率越大,故B正確;感應(yīng)電流相同的條件下,增大焊縫的接觸電阻,焊接處消耗的電功率增大,故C正確,D錯(cuò)誤。
對(duì)點(diǎn)演練1如圖所示是一種電加熱裝置,把一鐵塊放入線圈中且不接觸線圈,稍等片刻,鐵塊就會(huì)燒得通紅,小明同學(xué)由此做出以下一些猜想,其中正確的是(　　)A.若把一干燥的木棍伸入線圈中,木棍會(huì)被燒著B.線圈內(nèi)部一定通有隨時(shí)間變化的電流C.線圈內(nèi)部一定通有強(qiáng)度很大的恒定電流D.鐵塊是否會(huì)變紅與線圈中電流是否變化無關(guān)
解析 由題意可知這是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,木棍不能形成渦流,故木棍不會(huì)燒著,A錯(cuò)誤;變化的電流能產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)可在鐵塊內(nèi)部產(chǎn)生渦流,由于電流的熱效應(yīng)才把鐵塊燒紅,C、D錯(cuò)誤,B正確。
探究點(diǎn)二　電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)
(1)如圖甲所示,將磁鐵從同一高度釋放,下端放有閉合線圈的那塊磁鐵很快停止振動(dòng),而另一塊磁鐵能振動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間,如何解釋這個(gè)現(xiàn)象?(2)如圖乙所示,當(dāng)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)蹄形磁鐵時(shí),線圈怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)?使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來的動(dòng)力是什么力?
提示 (1)下端放有閉合線圈的磁鐵振動(dòng)時(shí)除了受空氣阻力外,還受到線圈磁場(chǎng)的阻力,所以很快停下來。(2)當(dāng)蹄形磁鐵順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線圈也順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)蹄形磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線圈也逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,受到安培力的作用,安培力作為動(dòng)力使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來。
電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的比較
特別提示　電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的理解(1)電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,都遵循楞次定律。(2)在電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象中,安培力的作用效果都是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng),應(yīng)注意電磁驅(qū)動(dòng)阻礙的結(jié)果中,導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度仍要小于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度。(3)在實(shí)際生活中,電磁驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用很廣,家庭中用的電能表、汽車上用的電磁式速度表以及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等,都是利用電磁驅(qū)動(dòng)原理制成的。
【例2】 一根上端固定的彈簧,下端掛一條形磁鐵,使磁鐵上下振動(dòng),振動(dòng)幅度幾乎保持不變。如圖所示,若在磁鐵振動(dòng)過程中把一導(dǎo)電線圈靠近磁鐵下方,則關(guān)于磁鐵的振幅,下列說法正確的是(　　)A.S閉合時(shí)振幅迅速減小,S斷開時(shí)振幅幾乎不變B.S閉合時(shí)振幅迅速增大,S斷開時(shí)振幅幾乎不變C.S閉合或斷開,振幅變化相同D.S閉合或斷開,振幅都幾乎不發(fā)生變化
解析 S閉合時(shí),由于磁鐵的上下振動(dòng),穿過線圈的磁通量不斷變化,在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流,即有電能產(chǎn)生,消耗機(jī)械能,所以振幅逐漸減小;S斷開時(shí),線圈中無電能產(chǎn)生,不消耗機(jī)械能,故振幅不變,B、C、D錯(cuò)誤,A正確。
對(duì)點(diǎn)演練2(多選)位于光滑水平面上的小車上水平固定一螺線管,一個(gè)比螺線管長(zhǎng)的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v水平穿入螺線管,并最終穿出, 如圖所示,在此過程中(　　)A.磁鐵做勻速直線運(yùn)動(dòng)B.磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)C.小車向右做加速運(yùn)動(dòng)D.小車先加速后減速
解析 磁鐵水平穿入螺線管時(shí),螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流,由楞次定律可知,產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng);同理,磁鐵穿出時(shí),由楞次定律可知,產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng),故整個(gè)過程中,磁鐵做減速運(yùn)動(dòng),A錯(cuò)誤,B正確。對(duì)于小車上的螺線管來說,螺線管受到的安培力方向始終為水平向右,這個(gè)安培力使螺線管和小車向右運(yùn)動(dòng),且一直做加速運(yùn)動(dòng),C正確,D錯(cuò)誤。
1.(渦流)(多選)機(jī)場(chǎng)的安檢門可以利用渦流探測(cè)人身上攜帶的金屬物品。安檢門中接有線圈,線圈中通以交變電流,關(guān)于其工作原理,下列說法正確的是(　　)A.人身上攜帶的金屬物品會(huì)被地磁場(chǎng)磁化,在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流B.人體在通有交變電流的線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并與金屬物品構(gòu)成回路產(chǎn)生感應(yīng)電流C.線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在金屬物品中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流D.金屬物品中感應(yīng)電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流
解析 地磁場(chǎng)很弱,即使金屬物品被磁化,磁性也很弱,作為導(dǎo)體的人體電阻很大,且一般不會(huì)與金屬物品構(gòu)成回路,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;安檢門利用渦流探測(cè)金屬物品的工作原理是線圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng),使金屬物品中產(chǎn)生渦流,選項(xiàng)C正確;該渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流,而線圈中交變電流的變化可以被檢測(cè),選項(xiàng)D正確。
2.(電磁阻尼)(2023吉林長(zhǎng)春第二中學(xué)高二期末)太空單車是利用電磁阻尼的一種體育鍛煉器材。某同學(xué)根據(jù)電磁學(xué)的相關(guān)知識(shí),設(shè)計(jì)了這樣的單車原理圖:在銅質(zhì)輪子的外側(cè)有一些磁鐵(與輪子不接觸),人在健身時(shí)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng),磁鐵會(huì)對(duì)輪子產(chǎn)生阻礙,磁鐵與輪子間的距離可以改變,則下列說法正確的是(　　)A.輪子受到的阻力大小與其材料的電阻率無關(guān)B.若輪子用絕緣材料替換,也能保證相同的效果C.輪子受到的阻力主要來源于銅制輪內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流受到的安培力D.磁鐵與輪子間距離不變時(shí),輪子轉(zhuǎn)速越大,受到的阻力越小
解析 輪子在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng),會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流,因此不能用絕緣材料替換,B錯(cuò)誤;輪子在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流,根據(jù)楞次定律可知,磁場(chǎng)會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)的輪子產(chǎn)生阻力,以阻礙輪子與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),所以輪子受到的阻力主要來源于磁鐵對(duì)它的安培力,安培力大小與電阻率有關(guān),故A錯(cuò)誤,C正確;磁鐵與輪子間的距離不變時(shí),輪子轉(zhuǎn)速越大,產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大,輪子受到的阻力越大,D錯(cuò)誤。
3.(電磁驅(qū)動(dòng))如圖所示,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(gè)強(qiáng)銣磁鐵,用電鉆控制木框勻速轉(zhuǎn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)木框雖然不與易拉罐接觸,但易拉罐也會(huì)隨木框轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)D.兩個(gè)磁鐵必須異名磁極相對(duì)
解析 根據(jù)電磁驅(qū)動(dòng)原理,易拉罐與木框的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同,木框的轉(zhuǎn)速總比易拉罐的大,A正確,B、C錯(cuò)誤;兩個(gè)磁鐵異名磁極或同名磁極相對(duì)均可,在磁極附近的易拉罐導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生渦流,使易拉罐受到安培力跟著木框轉(zhuǎn)動(dòng)起來,D錯(cuò)誤。
4.(電磁阻尼)(2023貴州高二聯(lián)考)某銅盤處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,在圖甲中,磁場(chǎng)垂直于銅盤,面積小于銅盤面積;在圖乙中,磁場(chǎng)垂直于銅盤,面積大于銅盤面積;在圖丙中,磁場(chǎng)垂直于銅盤,處于銅盤的下半部;在圖丁中,磁場(chǎng)平行于銅盤,處于銅盤的下半部。忽略空氣以及摩擦阻力,現(xiàn)給銅盤一個(gè)初速度,銅盤能最快停下來的是(　　)
A.圖甲B.圖乙C.圖丙D.圖丁
解析 甲、乙兩圖中,銅盤磁通量沒有發(fā)生變化,沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生;圖丙中,銅盤切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流,產(chǎn)生電磁阻尼作用,銅盤在安培力的作用下快速停下來;圖丁中,銅盤未切割磁感線,沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生。故選C。
5.(渦流、電磁阻尼)(2023北京石景山模擬)汽車使用的電磁制動(dòng)原理示意圖如圖所示,當(dāng)導(dǎo)體在固定通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生渦流,使導(dǎo)體受到阻礙運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)力。下列說法正確的是(　　)
A.制動(dòng)過程中,導(dǎo)體不會(huì)發(fā)熱B.制動(dòng)力的大小與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的速度無關(guān)C.改變線圈中的電流方向,導(dǎo)體就可獲得動(dòng)力D.制動(dòng)過程中,導(dǎo)體獲得的制動(dòng)力逐漸減小