高中3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动多媒体教学ppt课件

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目 标 素 养1.了解涡流是怎样产生的。2.了解涡流现象的好处和危害。3.通过对涡流实例的分析,了解涡流现象在生活和生产中的应用。4.了解电磁阻尼和电磁驱动。
一、电磁感应现象中的感生电场1.感生电场:磁场变化时在空间激发的一种电场。2.感生电动势:由感生电场产生的感应电动势。3.感生电动势中的非静电力:感生电场对自由电荷的作用。4.感生电场的方向:与所产生的感应电流的方向相同,可根据楞次定律和右手螺旋定则判断。
微思考如图所示,一个带正电的粒子在垂直于匀强磁场的平面内做圆周运动,当磁感应强度均匀增大时,此粒子的动能将怎样变化?
提示:当磁场增强时,将产生逆时针方向的电场,带正电的粒子将受到这个电场对它的电场力作用,动能增大。
二、涡流1.定义:由于电磁感应,在导体中产生的像水中漩涡样的感应电流。2.特点:若金属的电阻率小,涡流往往很强,产生的热量很多。3.应用。(1)涡流热效应:如真空冶炼炉。(2)涡流磁效应:如探雷器、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:用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯。
微判断(1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象,不遵循电磁感应定律。(　　)(2)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流。(　　)(3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(　　)
三、电磁阻尼1.概念: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运动的现象。2.应用:磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置,便于读数。
微探究1 把金属制成的摆,悬挂在电磁铁的两极之间,并使之摆动。(1)当电磁铁不通电时,摆的运动能维持较长时间,电磁铁通电后,摆动很快就停下来,这是为什么?(2)如果把金属摆开上几条长缝,同样偏角的情况下,电磁铁通电后,发现比原摆摆动时间更长,为什么?
提示:(1)电磁铁通电后,在摆中形成了涡流,产生了阻尼作用。(2)开缝的摆相对于未开缝的摆,涡流更小,阻尼作用更小。
四、电磁驱动1.概念:磁场相对导体转动时,导体中产生感应电流,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的现象。2.应用:交流感应电动机。
微探究2老师做了一个物理小实验让学生观察:一个轻质横杆两侧各固定一金属环,横杆可绕中心点自由转动,老师拿一条形磁体插向左环,后又取出插向右环,如图所示。同学们看到的现象是什么?
答案:右环闭合,在磁体插向右环的过程中,小环内可产生感应电流,环受安培力作用,横杆转动;左环不闭合,不能产生感应电流,无以上现象。
一 电磁感应现象中的感生电场
重难归纳1.感生电场是一种涡旋电场,电场线是闭合的。2.感生电场的方向可由楞次定律判断。如图所示,当磁场增强时,产生的感生电场是与磁场方向垂直且阻碍磁场增强的电场。
3.感生电场是否存在与是否存在闭合电路无关。4.电路中电源电动势是非静电力对自由电荷的作用。在电池中,这种力表现为化学作用。5.感生电场对电荷产生的力,相当于电源内部所谓的非静电力。感生电动势在电路中的作用就是电源。
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。若金属小球带负电,接通电源瞬间圆板向哪一方向转动?
提示:接通电源瞬间,线圈内的电流产生竖直向上的磁场,该增大的磁场在周围空间产生顺时针方向的感生电场(俯视),带负电的金属小球受到沿逆时针(俯视)方向的电场力,因此圆板将沿逆时针转动。
典例剖析【例1】某空间出现了如图所示的一组闭合电场线,方向从上向下看是顺时针的,这可能是(　　)A.沿AB方向磁场在迅速减弱B.沿AB方向磁场在迅速增强C.沿BA方向磁场恒定不变D.沿BA方向磁场在迅速减弱答案:A
解析:感生电场的方向从上向下看是顺时针的,假设在平行感生电场的方向上有闭合回路,则回路中的感应电流方向从上向下看也是顺时针的;由右手螺旋定则可知,感应电流的磁场方向向下,根据楞次定律可知,原磁场方向沿AB方向减弱,或沿BA方向增强,所以选项A正确,B、C、D错误。
特别提醒如果用正向判断的方法难度较大,不妨利用排除法,逐项判断。
学以致用1.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.仍保持静止状态答案:A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。
重难归纳1.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二次方成正比,故金属块的发热功率很大。
2.涡流中的能量转化。涡流现象中,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能,最终转化为内能;如果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。
3.注意:(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,形成的涡流就越大。
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,说明其工作原理。提示: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,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。
典例剖析【例2】(多选)下列措施中为了防止涡流危害的是(　　)A.电磁炉要用平厚底金属锅B.机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品C.变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成D.变压器铁芯的每片硅钢片表面有不导电的氧化层答案:CD
解析:电磁炉是采用电磁感应原理,在金属锅上产生涡流,使锅体发热从而加热食物的,属于涡流的应用,选项A错误。安检门是利用涡流工作的,选项B错误。变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止,选项C正确。变压器铁芯的每片硅钢片表面有不导电的氧化层,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止,选项D正确。
特别提醒为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流,常用电阻率较大的硅钢做材料,而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。
学以致用2.(多选)下图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,将金属熔化,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(　　)A.电流变化的频率越高,焊缝处的温度升高得越快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小D.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大答案:AD
解析:交变电流的频率越高,产生的感应电流越强,升温越快,故选项A正确,B错误。工件上各处电流相同,电阻大处产生的热量多,故选项D正确,C错误。
三 电磁阻尼与电磁驱动
重难归纳电磁阻尼和电磁驱动问题,其本质仍然是电磁感应问题,具体分析求解时,还需明确电磁阻尼与电磁驱动的区别与联系(见下表)。
甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定轴OO'旋转,给两环以相同的初始角速度,使其开始转动,由于阻力,经过相同的时间后转动便停止。将环置于磁感应强度B大小相同的匀强磁场中,甲环的转轴与磁场方向平行,乙环的转轴与磁场方向垂直,如图所示,若甲、乙两环同时以相同的角速度开始转动,请判断哪个环先停下来?
提示:由于转动过程中穿过甲环的磁通量不变,穿过乙环的磁通量变化,所以甲环中不产生感应电流,乙环中产生感应电流。乙环的机械能不断地转化为电能,最终转化为焦耳热散失掉,所以乙环先停下来。
典例剖析【例3】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定磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是(　　)
解析:感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化。在A图中,系统振动时,紫铜薄板随之上下及左右振动,都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化,产生感应电流,受到安培力,阻碍系统的振动,故选项A正确。在B、D图中,只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流,而上下振动无感应电流产生,故选项B、D错误。在C图中,无论紫铜薄板上下振动还是左右振动,都不会产生感应电流,故选项C错误。
规律总结电磁阻尼和电磁驱动的分析: (1)电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象,均可以根据楞次定律和左手定则分析导体的受力情况。 (2)电磁阻尼与电磁驱动现象中安培力的作用效果均为阻碍相对运动,应注意电磁驱动中,主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度)。
学以致用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,则(　　)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.线圈转动时将产生感应电流D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda答案:BC
解析:当磁铁逆时针转动时,相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线,线圈中产生感应电流,选项C正确。线圈相对磁铁转过90° 时,其感应电流方向不再是abcda,选项D错误。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,选项A错误,B正确。
1.(多选)关于电磁感应现象中的感生电场,下列说法正确的是(　　)A.感生电场不同于静电场,其电场线是闭合曲线B.由感生电场产生的感生电动势的表达式为C.感生电场产生感生电动势中的非静电力是洛伦兹力D.感生电动势对应的非静电力对自由电荷不做功答案:AB
解析:磁场变化时在空间激发的电场称为感生电场,不同于静止电荷产生的电场(静电场),其电场线是闭合曲线,选项A正确。变化的磁场引起磁通量的变化,进而产生感生电动势,所以感生电动势的表达式为 ,选项B正确。感生电场产生感生电动势中的非静电力是感生电场对自由电荷的作用力,即电场力,对自由电荷做功,选项C、D错误。
2.下列做法可能产生涡流的是(　　)A.把金属球放在匀强磁场中B.让金属球在匀强磁场中做匀速运动C.让金属球在匀强磁场中做变速运动D.把金属球放在变化的磁场中答案:D解析:涡流就是整个金属球中产生的感应电流,所以产生涡流的条件就是在金属球中产生感应电流的条件,即穿过金属球的磁通量发生变化,选项A、B、C错误。把金属球放在变化的磁场中时,穿过金属球的磁通量可能发生变化,可能有涡流产生,选项D正确。
3.(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,再由安培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,选项A、D正确。
4.如图所示,矩形线圈放置在水平薄木板上,有两块相同的蹄形磁铁,四个磁极之间的距离相等,当两块磁铁匀速向右通过线圈时,线圈仍静止不动,那么线圈受到木板的摩擦力的方向是(　　)A.先向左,后向右B.先向左,后向右,再向左C.一直向右D.一直向左答案:D
解析:当两块磁铁匀速向右通过线圈时,线圈内产生感应电流,线圈受到的安培力阻碍线圈相对磁铁的运动,故线圈有相对木板向右运动的趋势,受到的静摩擦力的方向总是向左,选项D正确,A、B、C错误。
5.如图所示,在光滑绝缘水平面上,有一铝质金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场,则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中(磁场宽度大于金属球的直径),小球(　　)A.整个过程匀速运动B.进入磁场过程中球做减速运动,穿出过程中做加速运动C.整个过程都做匀减速运动D.穿出时的速度一定小于初速度答案:D