高中物理 人教版选修3-2 4.7 涡流 电磁阻尼和电磁驱动 教学设计、教案

第七节涡流电磁阻尼和电磁驱动素养目标定位1.了解涡流、电磁驱动和电磁阻尼．2.理解涡流的成因及本质，理解电磁驱动和电磁阻尼的原理．(重点＋难点)3．了解涡流、电磁驱动和电磁阻尼在生产、生活和科技中的应用．(重点),素养思维脉络知识点1涡流1．定义在变化的磁场中的导体内产生的__感应电流__，就像水中的漩涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流。

2．涡流的特点若金属的电阻率小，涡流往往__很强__，产生的热量__很多__。

3．涡流的应用(1)涡流热效应的应用：如__真空冶炼炉__。

(2)涡流磁效应的应用：如__探雷器__、__安检门__。

4．涡流的防止电动机、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__叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。

知识点2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__导体的运动。

2．应用磁电式仪表中利用__电磁阻尼__使指针迅速停止摆动，便于读数。

知识点3电磁驱动1．概念磁场相对于导体转动时，导体中产生感应电流，感应电流使导体受到__安培力__的作用，__使导体运动__起来。

2．应用交流感应电动机。

思考辨析『判一判』(1)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。

(√)(2)涡流有热效应，但没有磁效应。

(×)(3)电磁灶是在金属锅体中产生热效应，从而达到加热和烹饪食物的目的。

(√)(4)制造变压器用的铁芯是利用了涡流。

(×)(5)发生电磁驱动时，导体与磁场的速度应相同。

(×)『选一选』(多选)如图所示，磁电式仪表的线圈通常是用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是(BC)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：线圈通电后在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，在铝框内产生涡流。

涡流将阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用。

铝相比其他金属电阻率小，产生的涡流大。

另外，铝的密度小，相同大小的骨架惯性小，运动状态容易改变。

故选项B、C正确。

『想一想』金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器(如图)，除了用于探测有金属外壳或金属部件的地雷之外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。

你能说明其工作原理吗？答案：金属探测器是利用涡流工作的。

交变电流通过金属探测器的线圈时，会产生变化的磁场。

如果探测器周围有金属，金属内便产生涡流，涡流本身又会产生磁场反过来影响原有的磁场。

这样就会引发探测器发出鸣叫声。

探究一对涡流的理解S思考讨论i kao tao lun 1高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被炼金属中，因此适用于冶炼特种金属。

该炉的加热原理是什么？提示：高频感应炉是利用了电磁感应的原理，给线圈通入高频交变电流后，冶炼炉内待冶炼的金属在快速变化的磁场中产生很强的涡流，从而产生大量的热量使金属熔化。

G 归纳总结ui na zong jie1．涡流的产生涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流。

即导体内部产生了涡流。

2．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平方成正比，故金属块的发热功率很大。

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。

如果金属块放在了变化的磁场中，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：(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(ΔB Δt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。

D 典例剖析ian li pou xi例1 如图所示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量，将金属融化，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( C )A ．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高得越慢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大D ．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小解题指导：高频焊接利用了涡流的热效应，而涡流的本质就是电磁感应现象，可用法拉第电磁感应定律和电路中热功率的公式分析本题。

解析：高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中就产生感应电流，根据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处的温度升高的越快，故A 、B 错误；工件中各处电流大小相等，但接口处电阻大，电流热功率大，温度升的很高，故C 正确D 错误。

〔对点训练1〕 (多选)(2019·江苏省南京市溧水中学高二上学期期末)下列图中，A 图是真空冶炼炉可以冶炼高质量的合金；B 图是充电器工作时绕制线圈的铁芯中会发热；C 图是安检门可以探测人身是否携带金属物品；D 图是工人穿上金属丝织成的衣服可以高压带电作业。

属于涡流现象的是( ABC )解析：线圈接有交变电流，在线圈中会产生变化的磁场，变化的磁场在冶炼炉中产生电场，使自由电荷在电场力的作用下定向移动形成涡流，故 A 中属于涡流现象；充电器工作时有交变电流通过，交变电流产生的交变磁场穿过铁芯，在铁芯中产生电场，使自由电荷在电场力的作用下定向移动形成涡流，故B中属于涡流现象；线圈中交变电流产生交变的磁场，会在金属物品产生交变的感应电流，而金属物品中感应电流产生的交变磁场又会反过来影响原有的磁场，从而被探测到，故C中属于涡流现象；工作服用包含金属丝的织物制成，形成一个导体壳，壳外有电场，壳内场强保持为0，高压外电场不会对内部产生影响，故D 中属于静电屏蔽。

探究二电磁阻尼与电磁驱动S思考讨论i kao tao lun 2有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动，如果在转动时蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触(如图所示)，铜盘就能在较短的时间内停止，请思考这是什么原因。

提示：铜盘转动时如果加上磁场，则在铜盘中产生涡流，磁场对这个涡流的作用力阻碍它们的转动，故在较短的时间内铜盘停止转动。

G 归纳总结ui na zong jie1．电磁驱动和电磁阻尼的形成原因当蹄形磁铁转动时，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。

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相对的两个方面，不可分割。

2．电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动不成因由于导体在磁场中运动而产生感应电由于磁场运动引起磁通量的变化而产同点流，从而使导体受到安培力 生感应电流，从而使导体受到安培力 效果 安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍物体运动导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动能量 转化导体克服安培力做功，其他形式能转化为电能，最终转化为内能 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 相同点两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动。

特别提醒：电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的效果是阻碍相对运动，应注意电磁驱动中导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度。

D 典例剖析ian li pou xi例2 (多选)如图所示，为早期制作的发电机及电动机的示意图，A 盘和B 盘分别是两个可绕固定转轴转动的铜盘，用导线将A 盘的中心和B 盘的边缘连接起来，用另一根导线将B 盘的中心和A 盘的边缘连接起来。

当A 盘在外力作用下转动起来时，B 盘也会转动。

则下列说法中正确的是( ABD )A ．不断转动A 盘就可以获得持续的电流，其原因是将整个铜盘看成沿径向排列的无数根铜条，它们做切割磁感线运动，产生感应电动势B ．当A 盘转动时，B 盘也能转动的原因是电流在磁场中受到力的作用，此力对转轴有力矩C ．当A 盘顺时针转动时，B 盘也顺时针转动D ．铜盘B 的角速度小于铜盘A 的角速度解题指导：可将整个装置等效为发电机模型和电动机模型，灵活应用左右手定则分析判断。

解析：将图中铜盘A 所在的一组装置作为发电机模型，铜盘B 所在的一组装置作为电动机模型，在A 中找一辐条，根据右手定则可以判定出产生的感应电动势的方向，其他辐条也产生同样的电动势，各辐条产生的总电动势相当于电池并联，故选项 A 正确；当A 盘顺时针(俯视图)转动时，产生的感应电流由盘心流向边缘，此电流通过铜盘B 时，受到安培力的作用，由左手定则知此力对转轴有逆时针(俯视图)方向的力矩，使铜盘B 逆时针转动，故选项B正确，C错误；由于B在转动时也产生反抗其发生相对运动的感应电动势E b，电路中的总电动势E＝E a－E b>0，可得E a>E b，即铜盘B的角速度小于铜盘A的角速度，D正确。

〔对点训练2〕(多选)如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是(AD)A．2是磁铁，在1中产生涡流B．1是磁铁，在2中产生涡流C．该装置的作用是使指针能够转动D．该装置的作用是使指针能很快地稳定解析：这是涡流的典型应用之一。

当指针摆动时，1随之转动，2是磁铁，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动。

总之不管1向哪个方向转动，2对1的效果总起到阻尼作用。

所以它能使指针很快地稳定下来。

电磁炉怎样加热食物在用电磁炉炒菜时，电磁炉本身表面温度并不高，那它是怎么给菜加热的呢？电磁炉打破了传统的明火烹调方式，而采用磁场感应电流的加热原理，通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当含铁质锅具底部放置在炉面上时，锅具切割交变磁场的磁感线的磁感线而在锅具底部金属部分产生交变电流(即涡流)，涡流使锅具底部铁质材料中的自由电子呈旋涡状交变运动，通过电电流的热效应使锅底发热。