人教版 (2019)3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动学案设计

2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册

2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动 学案

学习目标

1、了解感生电场及其作用，知道感生电动势产生的原因。

2、了解涡流现象和涡流在生产、生活中的应用。

3、了解涡流的利用与危害。

4、了解电磁阻尼和电磁驱动。

重点难点

1、感生电场的产生及感生电动势的理解。（重点）

2、涡流的概念及其应用。（重点）

3、电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。（重点）

4、涡流的概念及其应用。（难点）

5、电磁阻尼和电磁驱动的理解和应用。（难点）

自主探究

一、电磁感应现象中的感生电场

1、麦克斯韦在他的电磁理论中指出：变化的磁场能在周围空间激发电场，这种电场叫感生电场。

2、由感生电场产生的电动势叫感生电动势。

二、涡流

1、涡流：当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，电流在导体中组成闭合回路，很像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流。

2、涡流大小的决定因素：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，形成的涡流就越大。

三、电磁阻尼

当导体在磁场中运动时，导体中产生的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。

四、电磁驱动

若磁场相对导体转动，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。

探究思考

一、涡流的理解及应用

1、涡流的产生和特点

（1）涡流的产生是一种电磁感应现象，若把金属块放在变化的磁场中，金属块内会产生感应电流，因为金属块本身可自行构成闭合回路，会形成涡流。

（2）整块金属块的电阻一般都很小，不大的感应电动势就在它内部形成强大的涡流。

2、优点及利用

用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入高频交变电流，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，这样能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。

3、涡流的危害及减小危害的方法

电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上。线圈中通过交变电流时，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了电能，还可能损坏电器，因此我们要想办法减小涡流。途径之一是增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大；另一个途径就是用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。

【典例一】1、关于涡流，下列说法中错误的是(   )

A.真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置

B.家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的

C.阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动

D.变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流

解题思路：真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置，A选项正确；要想产生涡流，必须是变化的磁场，因为变化的磁场才能产生电场，产生涡流，B选项错误；根据楞次定律可知，阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，C选项正确；涡流会造成能量的损失，所以变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，是为了减小涡流造成的能量损失，D选项正确。

答案：B

二、电磁阻尼与电磁驱动

1、电磁阻尼和电磁驱动的区别与联系

2、电磁阻尼是导体受到的安培力对导体做负功，阻碍导体运动，而电磁驱动是导体受到的安培力对导体做正功，推动导体运动。

3、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）比主动部分的小。

4、电磁阻尼、电磁驱动都是有感应电流产生的电磁感应现象，在这两种现象中可以运用楞次定律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。

【典例二】2、扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌.为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示.无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是(   )

A. B. 

C. D.

解题思路：施加磁场来衰减振动是利用电磁阻尼实现的，即振动过程中发生电磁感应现象，产生的感应电流在磁场中受安培力阻碍其振动.A选项的图中紫铜薄板无论上下振动还是左右振动都会出现磁通量的变化，从而会产生电磁感应现象；B选项的图中紫铜薄板上下振动时没有磁通量的变化，不会产生电磁感应现象；C选项的图中紫铜薄板无论上下振动还是左右振动均不会产生电磁感应现象；D选项的图中紫铜薄板上下振动时不会产生电磁感应现象，故最有效的方案是A，选项A正确。

答案： A

三、感生电动势与动生电动势的对比

随堂训练

1、如图所示，一根长导线弯曲成“n”形，通以电流I，正中间用绝缘线悬挂一金属环C，环与导线处于同一竖直平面内.在电流I增大的过程中，下列判断正确的是(   )

A.金属环中无感应电流产生

B.金属环中有顺时针方向的感应电流

C.悬挂金属环C的竖直线的拉力大于环的重力十

D.悬挂金属环C的竖直线的拉力小于环的重力

答案：C

2、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使放在电磁炉上面的锅的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，热效应产生的热量能起到加热物体的作用.因为电磁炉是由电磁感应产生电流的，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.以下说法正确的是(   )

A.最好使用铝锅或铜锅

B.最好使用平底不锈钢锅或铁锅

C.最好使用陶瓷锅或耐热玻璃锅

D.在电磁炉与铁锅之间放一层白纸后无法加热

答案： B

3、如图所示，位于同一绝缘水平面内的两根固定金属导轨电阻不计，两导轨之间存在竖直向下的匀强磁场.现将两根粗细均匀、电阻分布均匀的相同铜棒放在两导轨上，若两棒从图示位置以相同的速度沿方向做匀速直线运动，运动过程中始终与两导轨接触良好，且始终与导轨垂直，不计一切摩擦，则下列说法正确的是(   )

A.回路中有顺时针方向的感应电流 

B.回路中的感应电流不断增大

C.回路中的热功率不断增大 

D.两棒所受安培力的合力不断减小

答案：D

4、电子感应加速器的基本原理如图所示.在上、下两个电磁铁形成的异名磁极之间有一个环形真空室.图甲为侧视图，图乙为真空室的俯视图.电磁铁中通以变化的电流，使两磁极间的磁场周期性变化，从而在真空室内产生感生电场，将电子从电子枪右端注入真空室，电子在感生电场的作用下被加速，同时在洛伦兹力的作用下，在真空室中沿逆时针方向(图乙中箭头方向)做圆周运动.由于感生电场的周期性变化使电子只能在某段时间内被加速，但由于电子的质量很小，故在极短时间内被加速的电子可在真空室内回旋数十万以至数百万次，并获得很大的能量.若磁场的磁感应强度B(图乙中垂直于纸面向外为正)随时间变化的关系如图丙所示，不考虑电子质量的变化，电子在时，注入真空室后由静止开始被加速，则下列说法中正确的是(   )

A.电子在真空室中做匀速圆周运动

B.电子在运动时的加速度始终指向圆心

C.在丙图所示的第一个周期中，电子只能在内按图乙中逆时针方向做圆周运动且被加速

D.在丙图所示的第一个周期中，电子在和内均能按图乙中逆时针方向做圆周运动且被加速

答案：C