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

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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 jie

1．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