人教版物理选修3-2 第4章第7节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 29页

第4章 第七节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 课标定位 学习目标：1.知道涡流是如何产生的． 2．知道涡流存在对我们的利与弊，以及如何利用 和防止． 3．知道电磁阻尼、电磁驱动的工作原理，以及在 生产实际和技术中的应用． 重点难点：1.对涡流概念的理解及解释有关现象. 2．对涡流产生机理的理解． 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第七 节　 涡流 、电 磁阻 尼和 电磁 驱动 课前自主学案 课前自主学案 一、涡流 用整块金属材料做铁芯绕制的线圈，当线圈中通有 变化的电流时，变化的电流会产生变化的磁场，变 化的磁场穿过铁芯，整个铁芯会自成回路，产生 __________，这种电流看起来像水中的旋涡，我们 就把这种电流叫做_______，简称_____． 感应电流 涡电流 涡流 二、电磁阻尼 当导体在磁场中运动时，如导体中出现涡流，即感 应电流，感应电流会受到安培力作用，安培力的作 用总是_____导体的运动，这种现象叫做_________. 三、电磁驱动 如果磁场相对于导体运动，在导体中会产生感应电 流，感应电流使导体受到_______的作用，_______ 使导体运动起来，这种作用就是_________. 阻碍 电磁阻尼 安培力 安培力 电磁驱动 核心要点突破 一、涡流的产生及能量转化 1．涡流产生的条件：涡流的本质是电磁感应现象, 涡流产生条件是穿过金属块的磁通量发生变化．并 且金属块本身可自行构成闭合回路．同时因为整个 导体回路的电阻一般很小，所以感应电流很大，就 像水中的旋涡． 2．产生涡流的两种情况 (1)把块状金属放在变化的磁场中． (2)让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动． 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． 特别提醒：涡流的本质是电磁感应现象，与一般导 体或线圈的最大区别是金属块本身构成闭合回路， 它同样遵守电磁感应定律． 即时应用(即时突破，小试牛刀) 1．下列关于涡流的说法中正确的是(　　) A．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 B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流 的特殊电流 C．涡流有热效应，但没有磁效应 D．在硅钢中不能产生涡流 解析：选A.涡流本质上是感应电流，是自身构成回 路，在穿过导体的磁通量变化时产生的，所以A对 B错．涡流不仅有热效应，同其他电流一样也有磁 效应，C错，硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但 仍能产生涡流，D错． 二、电磁驱动与电磁阻尼 当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量 就发生变化，例如线圈处于如图4－7－ 1 所示的初始状态时，穿过线圈的磁通 量为零，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈 的磁通量就增加了，根据楞次定律，此 时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加， 因而线圈会跟着一起转动起来． 图4－7－1 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． 电磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能转化为 电能最终转化为内能；电磁驱动中由于电磁感应， 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． 即时应用(即时突破，小试牛刀) 2．磁电式仪表的线圈通常用铝框当骨架，把线圈 绕在铝框上，而不是绕在塑料框上，这样做(　　) 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 解析：选BC.线圈通电后，在安培力作用下发生转 动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流， 就是涡流．涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后较 快停下来．所以，这样做的目的是利用涡流来起电 磁阻尼的作用． 如图4－7－2所示，在O点正下方有一个具有 理想边界的磁场，铜环在A点由静止释放，向右摆 至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的 是(　　) A．A、B两点在同一水平线上 B．A点高于B点 C．A点低于B点 D．铜环将做等幅摆动 课堂互动讲练 电磁阻尼的分析 图4－7－2 【思路点拨】　电磁阻尼现象中要抓住两点，一是 金属能够自身形成闭合回路，形成涡流，二是磁通 量要发生变化，形成涡流，阻碍相对运动． 【精讲精析】　铜环进入磁场和出磁场的过程中， 都有涡流产生，阻碍铜环的摆动，从而有机械能转 化为内能，A点高于B点，最终铜环将在磁场中做 等幅摆动．答案为B. 【答案】　B 【规律总结】　涡流、电磁阻尼、电磁驱动其实都 是电磁感应现象，产生的电流都是感应电流，根据 楞次定律可知，阻碍的过程就是能量转化的过程． 变式训练1　甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定 轴OO′旋转，当给以相同的初始角速度开始转动后， 由于阻力，经相同的时间后便停止；若将环置于 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4 －7－3所示，当甲、乙两环同时以相同的角速度 开始转动后，则下列判断正确的是(　　) 图4－7－3 A．甲环先停 B．乙环先停 C．两环同时停下 D．无法判断两环停止的先后顺序 解析：选B.甲图中没有感应电流，乙图中产生感应 电流，由电磁阻尼原理可知，乙环先停下来，B对. 位于光滑水平面的小车上放置一螺线管， 一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线水 平穿过，如图4－7－4所示，在此过程中(　　) A．磁铁做匀速直线运动 B．磁铁做减速运动 C．小车向右做加速运动 D．小车先加速后减速 电磁驱动的分析和应用 图4－7－4 【思路点拨】　本题为电磁驱动，可由楞次定律 判断作用力的方向，再由牛顿第二定律判断运动 情况． 【精讲精析】　磁铁水平穿入螺线管时，管中将 产生感应电流，由楞次定律的扩展含义知产生的 相互作用力阻碍磁铁的运动．同理，磁铁穿出时, 由楞次定律的扩展含义知产生的相互作用力阻碍 磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动， 选项B是正确的． 而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管 受到的安培力都是水平向右，这个安培力使小车向 右运动，且一直做加速运动，C对． 【答案】　BC 【规律总结】　无论是导体运动，还是磁场运动， 电磁感应现象中感应电流所受安培力总是阻碍导体 和磁场间发生相对运动． 变式训练2 如图4－7－5所示，把一个闭合线框放 在蹄形磁体的两磁极之间，蹄形磁体可以绕竖直轴 转动，闭合线框也可以绕竖直轴转动，当蹄形磁体 逆时针(从上往下看)转动时，有关线圈的运动下列 说法正确的是(　　) A．线圈将顺时针方向转动 B．线圈仍保持静止 C．线圈将逆时针方向转动，转速 与磁铁相同 D．线圈将逆时针方向转动，转速比磁铁小 图4－7－5 解析：选D.根据电磁驱动，磁铁转动，线圈会产生 感应电流和受到安培力作用，这个安培力驱动线圈 运动，其转动的效果是阻碍它们的相对运动，因此 线圈转动方向与磁铁相同，但转速比磁铁小． 光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图 4－7－6所示，抛物线的方程是y＝x2，下半部处在 一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a 的直线(图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物面 上y＝b(b>a)处以速度v沿抛物面下滑，假设抛物面 足够长，小金属块沿抛物面下滑后产生的焦耳热总 量是(　　) 电磁感应中的能量问题 图4－7－6 【答案】　D 【规律总结】　小金属块在进出磁场的过程中， 磁通量发生变化，会产生涡流，机械能转化为内 能．但在匀强磁场中运动时，磁通量不变，不产 生涡流，机械能守恒． 变式训练3　如图4－7－7所示，在水平通电导线的 正下方，有一半圆形光滑弧形轨道，一导体圆环自 轨道右侧的P点无初速度滑下，则下列判断正确的 是(　　) A．圆环中将有感应电流产生 B．圆环能滑到轨道左侧与P点 等高处 C．圆环最终停到轨道最低点 D．圆环将会在轨道上永远滑动下去 图4－7－7 解析：选AC.直流电流产生的磁场不均匀，圆环 沿轨道运动时穿过圆环的磁通量有时减小，有时 增大，始终变化，因而产生感应电流；感应电流 受到的安培力总是阻碍圆环的运动，使机械能不 断地转化为电能，到达的最高点不断降低，最终 停在最低点．故A、C选项正确，B、D选项错误.