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2.3.1 涡流、电磁阻尼和电磁驱动学案
一、自主预习
1. 用来冶炼合金钢的真空__________ ，炉外有_________ ，线圈中通入_________________电流，炉内的金属中产生______________ ．涡流产生的________使金属熔化并达到很高的温度。
2．利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在__________中进行，这样就能防止__________________进入金属，可以冶炼高质量的__________。
情景设问
在电磁炉的炉盘下有一个线圈。电磁炉工作时，它的盘面并不发热，在炉盘上面放置铁锅，铁锅会发热。你知道这是为什么吗?
新知探究
考点一：电磁感应现象中的感生电场
任务驱动在产生感生电动势的情况下,非静电力是怎么产生的?
提示:磁场变化时会在空间激发感生电场,非静电力就是感生电场对自由电荷的作用。
(1)感生电动势:在磁场中导体或导体回路静止,由于磁场强弱的变化,导体或导体回路中产生的电动势叫作感生电动势。
(2)感生电场:
定义:磁场变化时会在周围空间激发一种电场,我们把这种电场叫作感生电场。
②特点:
③感应电流的产生:闭合导体中的自由电荷在感生电场力的作用下定向移动,从而产生感应电流,或者说导体中产生感应电动势。
④感生电场的方向可以由楞次定律来判断。感应电流的方向与感生电场的方向相同。
考点二：涡流
定义：变压器在工作时，除了在原、副线圈产生感应电动势外，变化的磁通量也会在铁芯中产生感应电流，这种感应电流叫做涡流。
实验1：
如图线圈接入220V交变电源，块状铁芯插入线圈中，让一名学生感知铁芯的变化。
现象：几分钟后学生感到铁芯变热。
解释：原来把块状的金属放在变化的磁场中或让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合电路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流。
注意
（1）金属块中的涡流也要产生热量,如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。
（2）涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵守电磁感应定律。由于整块金属的电阻通常很小，故涡流常常很大。
（3）涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵守电磁感应定律。
涡流在生活中的应用
1.热效应
（1）冶炼：冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。
（2）焊接：线圈中通以高频交流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，由于焊接缝处的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起。
（3）电磁灶的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量，将饭菜煮熟。
2.磁效应
机场安检用的安检，军事上用的探雷器，还有寻找地下矿产的探测等。金属探测器工作时让变化的电流通过线圈，产生不断变化的磁场。如果探测器靠近金属，就能在金属内部产生涡流，这涡流又会产生磁场，反过来影响探测器的磁场，让探测器发出报警声。
涡流的危害与防止
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，要想办法减少涡流。一是增大铁芯材料的电阻率。二是用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
三、典例精讲
例题展示
例1
如图所示，闭合导线圆环和条形磁铁都可以绕水平的中心轴OO′自由转动，开始时磁铁和圆环都静止在竖直平面内．若条形磁铁突然绕OO′轴N极向纸里、S极向纸外转动，在此过程中，圆环将( )
A．产生逆时针方向的感应电流，圆环上端向里、下端向外随磁铁转动
B．产生顺时针方向的感应电流，圆环上端向外、下端向里转动
C．产生逆时针方向的感应电流，圆环并不转动
D．产生顺时针方向的感应电流，圆环并不转动长
例2
如图所示,在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水。给线圈通入电流,一段时间后,一个容器中水温升高,则通入的电流与水温升高的是 ( )
A.恒定直流、小铁锅
B.恒定直流、玻璃杯
C.变化的电流、小铁锅
D.变化的电流、玻璃杯
四、核心素养专练
核心素养专练
1. 下列描述中正确的是
A．相对论和量子力学的出现说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，那么经典力学就失去了它的意义
B．交流感应电动机就是利用电磁阻尼的原理工作的
C．地磁场在北半球的上空有垂直于地表向上的磁场分量
D．电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为该电路的内能
2.以下属于涡流现象的应用的是( )
3. 如图所示,将一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极间,铝框可以绕竖直的转轴OO'自由转动。转动手柄使磁铁绕竖直转轴旋转,观察到铝框会随之转动。对这个实验现象的描述和解释,下列说法中正确的是( )
A.铝框的转动方向与蹄形磁铁的转动方向一定是相同的
B.铝框的转动快慢与蹄形磁铁的转动快慢总是一致的
C.铝框转动到其平面与磁场方向垂直的位置时,铝框中的感应电流最大
D.铝框转动到其平面与磁场方向平行的位置时,铝框两个竖直边受到的磁场力均为零
4. 如图1所示是一个电磁阻尼现象演示装置,钢锯条上端固定在支架上,下端固定有强磁铁,将磁铁推开一个角度释放,它会在竖直面内摆动较长时间;如图2所示,若在其正下方固定一铜块(不与磁铁接触),则摆动迅速停止。关于该实验,以下分析与结论正确的是( )
A.如果将磁铁的磁极调换,重复实验将不能观察到电磁阻尼现象
B.用闭合的铜制线圈替代铜块,重复实验将不能观察到电磁阻尼现象
C.在图2情况中,下摆和上摆过程中磁铁和锯条组成的系统机械能均减少
D.在摆动过程中铜块不受磁铁的作用力
五、参考答案
参考答案
自主预习
1. 冶炼炉；线圈；周期性变化的；涡流；热量
2. 真空；空气中的杂质； 合金
典例精讲
例1. 磁铁转动时，环中穿过环向里的磁通量增加，根据楞次定律，环中产生逆时针方向的感应电流．磁铁转动时，为阻碍磁通量的变化，导线圆环与磁铁同向转动，所以选项A正确．
故选：A。
例2. 通入恒定直流时,所产生的磁场不变,不会产生感应电流,选项A、B错误;通入变化的电流,所产生的磁场发生变化,在空间产生感生电场,小铁锅是导体,感生电场在导体内产生涡流,电能转化为内能,使水温升高;涡流是由变化的磁场在导体内产生的,所以玻璃杯中的水不会升温,选项C正确,D错误。
故选：C
核心素养专练
1．相对论和量子力学的出现说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，经典力学仍然有它的意义，故选项A错误；交流感应电动机是利用通电导体在磁场中受力转动的原理工作的，选项错误；地磁场在北半球的上空有垂直于地表向下的磁场分量，故选项C错误；电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为该电路的内能，故选项D正确。
故选：D。
2．电烤箱是利用电流的热效应工作的,选项A不符合题意;监考老师手中的金属探测器,可以探测人身是否携带通讯设备(金属制品),是通过金属中产生涡流而使报警器发出报警信号的,选项B符合题意;高压作业人员穿上金属丝织成的衣服可以高压带电作业,利用了静电屏蔽原理,选项C不符合题意;车载充电器工作时利用的是变压器原理(第三章内容),选项D不符合题意。
故选：B。
3．铝框的转动方向与蹄形磁铁的转动方向一定是相同的,选项A正确;铝框的转动快慢与蹄形磁铁的转动快慢有关,但铝框比磁铁转动得慢,选项B错误;铝框转动到其平面与磁场方向垂直的位置时,铝框中的感应电流为零,选项C错误;铝框转动到其平面与磁场方向平行的位置时,铝框两个竖直边受到的磁场力等大反向,选项D错误。
故选：A。
4．此实验的原理是:当磁铁在铜块正上方摆动时,在铜块中产生涡流,涡流的磁场阻碍磁铁的运动。如果将磁铁的磁极调换,重复实验仍能观察到电磁阻尼现象,选项A错误;用闭合的铜制线圈替代铜块,仍能在线圈中产生感应电流,从而对磁铁的运动产生阻碍作用,则重复实验仍能观察到电磁阻尼现象,选项B错误;在图2情况中,磁铁下摆和上摆过程中,铜块均会产生涡流,从而消耗机械能,则磁铁和锯条组成的系统机械能均减少,选项C正确;在摆动过程中,铜块对磁铁有阻碍作用,同时铜块也要受磁铁的作用力,选项D错误。
故选：C。
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