高中物理新教材同步備課人教版選擇性必修第二冊(教案)渦流、電磁阻尼和電磁驅動

渦流、電磁阻尼和電磁驅動

【教學目標】

1．了解渦流的產生過程。

2．了解渦流現象的利用和危害。

3．通過對渦流實例的分析，了解渦流現象在生活和生產中的應用。

4．了解電磁阻尼、電磁驅動。

【教學重點】

通過對渦流實例的分析，了解渦流現象在生活和生產中的應用。

【教學難點】

了解電磁阻尼、電磁驅動。

【教學過程】

一、新課導入

出示電動機、變壓器鐵芯，引導學生仔細觀察其鐵芯有什么特點？

它們的鐵芯都不是整塊金屬，而是由許多薄片疊合而成的。

為什么要這樣做呢？用一個整塊的金屬做鐵心不是更省事兒？

[演示1]用線圈給水加熱，思考：為什么水會沸騰起來呢？

二、新課教學

（一）電磁感應現象中的感生電場

結合之前的知識，講解一下幾個概念：

1．感生電場：

麥克斯韋認為，磁場變化時會在空間激發(fā)一種電場。這種電場與靜電場不同，它不

是由電荷產生的，我們把它叫作感生電場。

2．感應電動勢：

如果此刻空間存在閉合導體，導體中的自由電荷就會在感生電場的作用下做定向運

動，產生感應電流，也就是說導體中產生了感應電動勢。

3．感生電動勢：

如果感應電動勢是由感生電場產生的，它也叫作感生電動勢。

（二）渦流

1．渦流：根據麥克斯韋電磁場理論，當磁場變化時，導體中的自由電子就會在感

生電場的作用下定向移動從而產生感應電流，這種感應電流是像旋渦一樣的閉合的曲線，

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我們把它叫渦電流，簡稱渦流。

引導學生思考：

（1）如果環(huán)不斷增粗直到變成一圓盤，又會發(fā)生什么現象？

（2）變成方盤呢？

（3）如果導體用整塊鐵代替，電流變化時，鐵塊中有感應電流嗎？如果有，它的

形狀如何？

總結：一般來說，只要空間有變化的磁通量，其中的導體就會產生感應電流，我們

把這種感應電流叫做渦流。

渦流是在整塊金屬內產生的感應電流。渦流是整塊導體發(fā)生的電磁感應現象，同樣

遵守電磁感應定律。

現在知道水為什么會沸騰嗎？

金屬塊中的渦流也要產生熱量，如果金屬的電阻率小，則渦流很強，產生的熱量也

很多。

2．渦流的應用：

（1）渦流的熱效應：①真空冶煉爐

冶煉金屬的高頻感應電爐就是利用高頻交流電，通過線圈使裝入冶煉爐內的金屬中

產生很強的渦流，從而產生大量的熱使金屬熔化。

②電磁爐

電磁爐的臺面下布滿了金屬導線纏繞的線圈，當通上交替變化極快的交流電時，在

臺板與鐵鍋底之間產生強大的交變的磁場，磁感線穿過鍋體，使鍋底產生強渦流，當渦

流受材料電阻的阻礙時，就放出大量的熱量，將飯菜煮熟。

（2）渦流的磁效應：①探雷器

探測地雷的探雷器是利用渦流工作的，士兵手持一個長

柄線圈在地面上掃過，線圈中有變化的電流。如果地下埋著

金屬物品，金屬中感應渦流，渦流的磁場反過來影響線圈中

的電流，使儀器報警。

②金屬探測器、安檢門

渦流的磁場反過來影響線圈中的電流，使儀器報警。

3．渦流的危害與防止

危害：線圈中流過變化的電流，在鐵芯中產生的渦流使鐵芯發(fā)熱，浪費了能量，還

可能損壞電器。

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防止（減少渦流的途徑）：

①增大鐵芯材料的電阻率，常用的材料是硅鋼。

②用互相絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯。

（三）電磁阻尼

[演示2]小魔術：時光隧道（金屬管實驗）

合作探究：神秘下落物到底是什么呢？為什么它能打開塵封的時光隧道？

（提示：從時光隧道與神秘下落物體的材質、特性進行研究，運用楞次定律、安培

力的知識進行解釋。）

分析驗證：一個單匝線圈落入磁場中，分析它在圖示位置時感應電流的方向和所受

安培力的方向。安培力對線圈的運動有什么影響？

結論：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。

1．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，安培力的

方向總是阻礙導體的運動，這種現象稱為電磁阻尼。

[演示3]取一只微安表，用手晃動表殼，觀察表針相對表盤擺動的情況。用導線把

微安表的兩個接線柱連在一起，再次晃動表殼，表針相對表盤的擺動情況與剛才有什么

不同？

思考：微安表的表頭在運輸時為何把兩個接線柱連在一起？

內部有磁體，有線圈。

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把接線柱連在一起，線圈在擺動的時候就產生感應電流，這個感應電流可以阻礙線

圈的擺動，使指針迅速停止擺動，保護游絲，指針。

2．電磁阻尼的應用

（1）磁電式儀表的運輸

（2）電氣機車的電磁制動

（3）阻尼擺

（四）電磁驅動

[演示4]觀察鋁框的運動。引導學生觀察并解釋實驗現象。

1．電磁驅動：磁場相對于導體運動時，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，這種現象稱為電磁驅動。

交流感應電動機就是應用電磁驅動的原理工作的。簡要介紹交流感應電動機的工作

過程。

當磁場相對于導體轉動時，在導體中會產生感應電流，感應電流使導體受到安培力

的作用而運動起來的現象。線圈轉動與磁鐵同向，但轉速小于磁鐵，即同向異步。

2．電磁阻尼與電磁驅動的區(qū)別和聯系

聯系：

電磁阻尼和電磁驅動，都是由于導體相對于磁場運動引起磁通量的變化，產生感應

電流，安培力的方向與導體的相對運動方向相反，阻礙導體的相對運動。

區(qū)別：

電磁阻尼是導體運動（或者速度較大）時，安培力的方向與導體的運動方向相反，

阻礙導體的運動。

電磁驅動是磁場運動，導體靜止（或者速度較小）時，安培力對導體提供動力，使

導體隨磁場運動。

三、鞏固練習

1．如圖所示，在光滑水平面上固定一條形磁鐵，有一小球以一定的初速度向磁鐵

方向運動，如果發(fā)現小球做減速運動，則小球的材料可能是（）

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A．鐵

B．木

C．銅

D．鋁

2．如圖所示，圓形金屬環(huán)豎直固定穿套在光滑水平導軌上，條形磁鐵沿導軌以初

速度v0向圓環(huán)運動，其軸線在圓環(huán)圓心，與環(huán)面垂直，則磁鐵在穿過環(huán)的過程中，做

______運動。（選填“加速”、“勻速”或“減速”）

3．高頻感應爐是用于冶煉高質量的特殊金屬的，如圖所示，在冶煉爐外繞有線圈，

鍋內放入待冶煉的金屬，線圈內通入高頻交變電流，冶煉鍋體是絕緣材料制作的，鍋內

金屬能被加熱熔化并達到很高的溫度。以下說法正確的是（）

A．金屬利用線圈中的電流產生的焦耳熱來加熱

B．金屬利用交變磁場產生的渦流來加熱

C．高頻交變電流能發(fā)射紅外線來加熱金屬

D．增加高頻交變電流能提高冶煉金屬的溫度

4．如圖所示，掛在彈簧下端的條形磁鐵在閉合線圈內振動，如果空氣阻力不計，

則（）

A．磁鐵的振幅不變

B．磁鐵做阻尼振動

C．線圈中有逐漸變弱的直流電

D．線圈中逐漸變弱的交流電

5．如圖所示，閉合金屬環(huán)從曲面上h高處滾下，又沿曲面的另一側上升，設環(huán)的

初速為零，摩擦不計，曲面處在圖示磁場中，則（）

A．若是勻強磁場，環(huán)滾上的高度小于h

B．若是勻強磁場，環(huán)滾上的高度等于h

C．若是非勻強磁場，環(huán)滾上的高度等于h

D．若是非勻強磁場，環(huán)滾上的高度小于h

6．異步電動機模型如圖所示，蹄形輕磁鐵和矩形線框abcd均可繞豎直軸無摩擦地

轉動。現使線框沿逆時針方向保持勻速轉動（從上往下看），則磁鐵的運動情況是（）

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A．磁鐵沿逆時針方向（從上往下看）轉動

B．磁鐵沿順時針方向（從上往下看）轉動

C．磁鐵由靜止開始一直加速轉動

D．磁鐵先由靜止開始加速轉動，后勻速轉動

7．桌面上放一銅片，一條形磁鐵的N極自上而下接近銅片的過程

中，銅片對桌面的壓力（）

A．增大B．減小

C．不變D．無法判斷是否變化

8．1824年，法國科學家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”。實驗中將一銅圓盤水

平放置，在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉的磁針，如圖所示。實驗中

發(fā)現，當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉時，磁針也隨著一起轉動起來，

但略有滯后。下列說法正確的是（）

A．圓盤上產生了感應電動勢

B．圓盤內的渦電流產生的磁場導致磁針轉動

C．在圓盤轉動過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量

發(fā)生了變化

D．圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成電流，此電流產

生的磁場導致磁針轉動

9．如圖所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現接通交流電源，過了幾分

鐘，杯內的水沸騰起來。若要縮短上述加熱時間，下列措施可行的有（）

A．增加線圈的匝數

B．提高交流電源的頻率

C．將金屬杯換為瓷杯

D．取走線圈中的鐵芯

10．如圖所示，在平行于地面的勻強磁場上方，有兩個用相同金屬材料制成的邊長

相同的正方形線圈a、b，其中