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高二物理選擇性必修二2.3《渦流、電磁阻尼和電磁驅動》導學案
學習目標：1.知道感生電場和感生電動勢的概念及產生原因．
2.了解渦流的產生過程，通過實例的分析，了解渦流現象在生活和生產中的應用．
3.了解電磁阻尼、電磁驅動，知道其在生活和生產中的應用.
學習過程：
一、電磁感應現象中的感生電場
1．感生電場
麥克斯韋認為：磁場變化時會在空間激發一種 ，這種電場叫作 ．
2．感生電動勢
由感生電場產生的 叫 ．
(1)變化的磁場周圍產生感生電場，與閉合電路是否存在 關。如果在變化磁場中放一個閉合電路，自由電荷在感生電場的作用下發生 移動。
(2)感生電場可用 形象描述。感生電場是一種漩渦電場，電場線是閉合的，而靜電場的電場線不閉合。
(3)感生電場的方向根據 用右手螺旋定則判斷，感生電動勢的大小由法拉第電磁感應定律E＝ 計算。
例1：（多選）如圖所示，一個閉合線圈靜止于磁場中，由于磁場強弱的變化，而使線圈中產生了感應電動勢，下列說法中正確的是 (　　)
A.使電荷定向移動形成電流的力是磁場力
B.磁場變化時，會在空間激發一個電場
C.從上往下看，當磁場增強時，線圈中有逆時針方向的感應電流
D.使電荷定向移動形成電流的力是電場力
變式訓練：（多選）下列說法中正確的是 (　　)
A.感生電場由變化的磁場產生 B.恒定的磁場也能在周圍空間產生感生電場
C.感生電場的方向同樣也可以用楞次定律和右手螺旋定則來判定
D.感生電場的電場線是閉合曲線，其方向一定是沿逆時針方向
3．電子感應加速器
電子感應加速器是利用 使電子 的設備，當電磁鐵線圈中電流的 、 發生變化時，產生的感生電場使電子 ．
二、渦流
1．渦流：當線圈中的電流隨 變化時，線圈附近的任何導體中都會產生 ，用圖表示這樣的感應電流，就像水中的 ，所以把它叫作 ，簡稱 ．
2．渦流大小的決定因素： 變化越快(越大)，導體的橫截面積S越 ，導體材料的 越小，形成的 就越大．
例2：如圖所示是冶煉金屬的真空冶煉爐的示意圖，冶煉爐內裝入被冶煉的金屬，線圈通入高頻交變電流，這時爐內被冶煉的金屬就會熔化。這種冶煉方法速度快、溫度容易控制，并能避免雜質混入被冶煉金屬中，因此適于冶煉特種金屬。該爐的加熱原理是 (　　)
A.利用線圈中電流產生的焦耳熱 B.利用紅外線
C.利用交變電流的交變磁場在爐內金屬中產生的渦流
D.利用交變電流的交變磁場所激發的電磁波
變式訓練：電磁爐又名電磁灶（圖1），它無須明火或傳導式加熱而讓熱直接在鍋底產生，因此熱效率得到了極大的提高。圖2是描述電磁爐工作原理的示意圖，下列說法正確的是（　　）
A．電磁爐通電線圈加直流電，電流越大，電磁爐加熱效果越好
B．電磁爐原理是通電線圈加交流電后，在鍋底產生渦流，進而發熱工作
C．在鍋和電磁爐中間放一絕緣物質，電磁爐不能起到加熱作用
D．電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要原因是這些材料的導熱性能較差
三、電磁阻尼
當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到 ，安培力的方向總是 導體的運動，這種現象稱為 ．
例3：(多選)關于電磁阻尼，下列說法正確的是 (　　)
A.當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力總是阻礙導體運動的現象稱為電磁阻尼
B.磁電式儀表利用電磁阻尼原理使指針迅速停下來，從而便于讀數
C.電磁阻尼是導體因感應電流受到的安培力對導體做負功的現象，阻礙導體運動
D.電磁阻尼現象實質上不是電磁感應現象，但分析時同樣遵循楞次定律
變式訓練：靈敏電流計的零刻度位于刻度盤中央，為了使靈敏電流計的指針在零刻度附近快速停下，實驗小組的同學設計利用“電磁阻尼”來實現這一目的。他們設計了如圖所示的甲、乙兩種方案，甲方案和乙方案中的相同磁場均位于零刻度線下方，甲方案在指針轉軸上裝上扇形鋁板，乙方案在指針轉軸上裝上扇形鋁框，下列說法正確的是（　　）
A．因為鋁框較鋁板質量小，所以乙方案比甲方案更加合理
B．乙方案中，鋁框小幅度擺動時一定會產生感應電流
C．甲方案中，即使鋁板擺動幅度很小，鋁板中也能產生渦流
D．因為穿過鋁框的磁通量更大，所以乙方案更合理
四、電磁驅動
若磁場相對于 轉動，在導體中會產生 ，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來，這種作用常常稱為 ．
例4：(多選)如圖所示為演示電磁驅動的裝置，圖中①是磁鐵，②是電機，當電機帶動磁鐵旋轉時，靠近它們的金屬圓盤(圖中③)也會繞軸轉動起來。關于電磁驅動與電磁阻尼，下列說法正確的是 (　　)
A.電磁驅動是一種非接觸傳動，它減小了皮帶或齒輪傳動的粉塵、噪音、震動等危害，還能避免磨損問題
B.電磁驅動離不開渦流，正是磁場對渦流的作用力，實現了這種非接觸傳動，而且磁鐵和圓盤的轉速可以達到同步
C.電磁驅動效率可以達到100%
D.磁電式儀表運輸過程中用導線將正負接線柱短接，利用了電磁阻尼
變式訓練：如圖，將一空的鋁質易拉罐倒扣于筆尖上，在“冂”型木框兩側各固定一個強銣磁鐵，用電鉆控制木框勻速轉動，發現木框雖然不與易拉罐接觸，但易拉罐也會隨木框轉動。則下列說法正確的是（ ）
A．木框的轉速總比易拉罐的大 B．易拉罐與木框的轉動方向相反
C．易拉罐與木框保持相同的轉速同方向轉動 D．兩個磁鐵必須異名磁極相對
課后鞏固練習
1、英國物理學家麥克斯韋認為，磁場變化時會在空間激發感生電場。如圖所示，一個半徑為r的絕緣細圓環水平放置，環內存在豎直向上的勻強磁場，環上套一帶電荷量為＋q的小球，已知磁感應強度B隨時間均勻增加，其變化率為k，若小球在環上運動一周，則感生電場對小球的作用力所做功的大小是（　　）
A．0 B． r2qk C．2πr2qk D．πr2qk
2、如圖是汽車上使用的電磁制動裝置示意圖。與傳統的制動方式相比，電磁制動是一種非接觸的制動方式，避免了因摩擦產生的磨損。電磁制動的原理是當導體在通電線圈產生的磁場中運動時，會產生渦流，使導體受到阻礙運動的制動力。下列說法正確的是（　　）
A．制動過程中，導體不會產生熱量
B．制動力的大小與導體運動的速度有關
C．線圈一定是通交流電
D．如果改變線圈中的電流方向，可以使導體獲得促進它運動的動力旋轉軸運動導體（轉盤）
3、以下四圖都與電磁感應有關，下列說法正確的是（　　）
A．真空冶煉爐能在真空環境下，使爐內的金屬產生渦流，從而煉化金屬
B．當蹄形磁體順時針轉動時，鋁框將朝相反方向轉動
C．金屬探測器通過使用恒定電流的長柄線圈來探測地下是否有金屬
D．磁電式儀表，把線因繞在鋁框骨架上，目的是起到電磁驅動的作用
4、如圖所示，一根兩端開口的銅管豎直放置，一磁性較強的柱形磁體從上端放入管中，過了較長時間才從銅管下端落出，比自由落體慢了許多，則（　　）
A．磁體下落變慢，主要是由于磁體受到了空氣的阻力
B．磁體下落變慢，主要是由于磁體受到金屬銅的吸引
C．磁體下落變慢，主要是變化的磁場在銅管內激發出了渦流
D．銅管內感應電流方向保持不變
5、將圓柱形強磁鐵吸在干電池的負極，強磁鐵的N極朝上S極朝下，金屬導線折成上端有一支點，下端開口的導線框，使導線框的頂端支點和底端分別與電源的正極和磁鐵都接觸良好但不固定，這樣整個線框就可以繞電池旋轉起來．下列判斷正確的是（ ）
A．線框能旋轉起來，是因為電場力 B．俯視觀察，線框沿逆時針方向旋轉
C．電池輸出的電功率大于線框旋轉的機械功率 D．導線框將上下振動
6、實驗室使用的電流表是磁電式電流表，其外觀如左圖所示，內部構造如圖所示。該表的骨架用鋁框做成，運輸時常用短路片連接正負接線柱來保護。下列關于其結構和運輸做法的敘述中正確的是（　　）
A．用鋁框做成骨架，主要是因為鋁的密度小，轉動輕巧
B．因線圈是銅質的，故除銅外的其它材質均可做骨架
C．運輸時短接，能避免指針受損
D．運輸時短接，使之成為一體，可避免雷擊
7、如圖所示的金屬探測器可以檢查是否有違規違禁物品。工作時，探測器中的發射線圈通以電流，附近的被測金屬物中感應出電流，感應電流的磁場反過來影響探測器線圈中的電流，使探測器發出警報，下列說法中正確的是（　　）
A．違規攜帶的手機只有發出通訊信號時才會被探測到
B．探測器與被測金屬物相對靜止時不能發出警報
C．探測環中的發射線圈通的是恒定電流
D．探測環中的發射線圈通的是交變電流
8、如圖所示是一個水平放置的玻璃圓環形小槽，槽內光滑，槽寬度和深度處處相同．現將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，讓它獲得一初速度v0，與此同時，有一變化的磁場垂直穿過玻璃圓環形小槽外徑所在的區域，磁感應強度的大小跟時間成正比例增大，方向豎直向下．設小球在運動過程中電荷量不變，則(　 　)
A．小球需要的向心力大小不變 B．小球需要的向心力大小不斷增大
C．洛倫茲力對小球做了功 D．小球受到的洛倫茲力大小與時間成正比
9、電磁感應鋁箔封口機被廣泛應用在醫藥、食品、化工等生產行業的產品封口環節中。如圖所示為一手持式封口機，它的工作原理是：在封口機工作時，套在瓶口上的封口頭內的線圈有電流通過，致使靠近線圈(但與線圈絕緣)的鋁箔自行快速發熱，熔化復合在鋁箔上的溶膠，從而粘貼在被封容器的瓶口處，達到迅速封口的目的。下列有關說法正確的是 (　　)
A.封口材料可用普通塑料來代替鋁箔
B.封口機工作時封口頭內的線圈中有短時間的恒定電流通過
C.可以通過控制封口頭內線圈中電流的頻率來設定鋁箔發熱的功率
D.封口頭內線圈中電流產生的磁場方向應當與鋁箔表面平行
10、電磁阻尼指的是當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體的運動的這種現象，電磁阻尼現象源于電磁感應原理，電磁阻尼現象廣泛應用于需要穩定摩擦力以及制動力的場合，例如電度表、電磁制動機械，甚至磁懸浮列車等，如圖所示是依附建筑物架設的磁力緩降高樓安全逃生裝置，具有操作簡單、無需電能、逃生高度不受限制，下降速度可調、可控等優點，該裝置原理可等效為：間距L=0.5m的兩根豎直導軌上部連通，人和磁鐵固定在一起沿導軌共同下滑，磁鐵產生磁感應強度B=0.2T的勻強磁場，人和磁鐵所經位置處，可等效為有一固定導體棒cd與導軌相連，整個裝置總電阻始終為R，如圖所示，在某次逃生試驗中，質量M1=60Kg的測試者利用該裝置以v=2m/s的速度勻速下降，已知與人一起下滑部分裝置的質量m=20kg，重力加速度取g=10m/s2，且本次試驗過程中恰好沒有摩擦。
（1）判斷導體棒cd中電流的方向；
（2）總電阻R多大？
（3）如要使一個質量M2=100Kg的測試者利用該裝置以v1=2m/s的速度勻速下滑，其摩擦力多大？
（4）保持第（3）問中的摩擦力不變，讓質量M2=100Kg測試者從靜止開始下滑，測試者的加速度將會如何變化？當其速度為v2=1m/s時，加速度a多大？
參考答案：
一、 電場 感生電場 電動勢 感生電動勢 無 定向 電場線 楞次定律 n 例1：BD 變式訓練：AC 感生電場 加速 大小 方向 加速
二、 時間 感應電流 旋渦 渦電流 渦流 磁場 大 電阻率 渦流 例2：C 變式訓練：B
三、 安培力 阻礙 電磁阻尼 例3：ABC 變式訓練：C
四、 導體 感應電流 電磁驅動 例4：AD 變式訓練：A
課后鞏固練習
1、 D 2、B 3、A 4、C 5、 C 6、C 7、D 8、B 9、C
10、（1）從d到c；（2）2.5×10-5Ω；（3）400N；（4）逐漸a減小，最終趨近于0，3.3m/s2

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