(共12张PPT)
1.感生电场
麦克斯韦认为,磁场变化时会在周围空间激发电场,这种电场与静电场不同,它不是由电
荷产生的,我们把它叫作感生电场。
2.感生电动势
磁场变化时会在周围空间激发感生电场,处在感生电场中的闭合导体中的自由电荷在感
生电场的作用下做定向移动,产生感应电流,或者说,导体中产生了感应电动势。由感生电场
产生的电动势叫作感生电动势。
(1)感生电动势的大小可由法拉第电磁感应定律求解,公式为E=n 。
必备知识 清单破
3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
知识点 1 电磁感应现象中的感生电场
(2)感生电动势的方向与感生电场的方向相同,与感应电流的方向相同。
知识点 2 涡流
概念 由于电磁感应,在导体中产生的像水中的漩涡的感应电流
特点 整块金属的电阻很小,涡流往往很强,产生的热量很多
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
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。
途径一:增大铁芯材料的电阻率;
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
易错警示 块状金属在匀强磁场中平移时,穿过金属块的磁通量不变,金属块中不产生涡流。
知识点 3 电磁阻尼
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,安培力总是阻碍导体运动的现象
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 4 电磁驱动
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,安培力使导体运动起来,这种作用常常称为电磁驱动
应用 交流感应电动机
知识拓展 如图所示,转动手柄时,蹄形磁体转动,穿过铝框的磁通量发生变化,根据楞次定律
可知,此时铝框中有感应电流产生,以阻碍磁通量的变化,因而铝框就随磁体的转动而转动,转
动方向与磁体的转动方向相同,但一定比磁体转动得慢一些。
知识辨析
1.如果空间不存在闭合电路,变化的磁场周围还会不会产生感生电场
2.在运输灵敏电流计的途中,为了防止指针猛烈偏转而损坏,其正、负接线柱应用导线连接还
是保持断开 这是利用了什么现象
一语破的
1.会。麦克斯韦认为,磁场变化时会在空间激发感生电场,与是否存在闭合电路无关。
2.在运输途中,为了防止指针的大角度偏转,应将灵敏电流计的正、负接线柱用导线连接,这
样就形成了闭合回路,出现晃动时回路中会产生感应电流,从而阻碍指针的相对运动,利用了
电磁阻尼现象。
关键能力 定点破
定点 1 感生电动势与动生电动势的比较
感生电动势 动生电动势
产生原因 磁场变化 导体做切割磁感线运动
回路中相当于电源的部分 处于变化磁场中的导体 做切割磁感线运动的导体
方向判 断方法 由楞次定律和安培定则判断 通常由右手定则判断,也可由
楞次定律和安培定则判断
大小计 算方法 用E=n =n S计算 通常用E=Blv sin θ计算,也可
用E=n 计算
相互关系 感生电动势与动生电动势的本质是相同的,都遵循法拉第电
磁感应定律,体现了能量的转化与守恒
1.涡流的本质
涡流的本质是由于电磁感应而产生的感应电流,与一般导体或线圈的最大区别是金属块内自
成闭合回路,但它同样遵循法拉第电磁感应定律。
定点 2 对涡流的理解
导师点睛 磁场变化越快 、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。产生感应电流的条件是穿过闭合回路的磁通量发生变化,产生涡流现象时,
金属块并没有接入闭合回路,但穿过金属块的磁通量变化时,金属块内部自成闭合回路,所以
能产生感应电流。
2.产生涡流的两种情况
(1)把金属块放在变化的磁场中;
(2)让金属块进出磁场或者在非匀强磁场中运动。
3.能量变化
伴随着涡流现象,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。
(1)如果把金属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能并最终转化为内能。
(2)如果让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
转化为电能并最终转化为内能。
定点 3 电磁阻尼和电磁驱动
电磁阻尼 电磁驱动
不 同 点 成 因 导体在磁场中运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力 磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力
效 果 导体所受安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动 导体所受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动
不 同 点 能 量 转 化 导体克服安培力做功,其他形式的能转
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,从而对外做功
相同点 两者都是电磁感应现象,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
注意 电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的效果是阻碍相对运动。电磁驱动中导体的运动
速度要小于磁场的运动速度。第二章 电磁感应
3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
基础过关练
题组一 电磁感应现象中的感生电场
1.下列说法中正确的是 ( )
A.感生电场的电场线是不闭合的
B.恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场
C.感生电场的方向同样也可以用楞次定律和右手螺旋定则来判定
D.若空间没有闭合电路,即使磁场变化也不会产生感生电场
2.(经典题)如图所示,在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于环口径的带正电的小球,正以速率v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场,设运动过程中小球的电荷量不变,那么 ( )
A.磁场力对小球一直做正功
B.小球受到的磁场力不断增大
C.小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,沿顺时针方向做加速运动
D.小球受到的磁场力大小不变
题组二 涡流
3.如图所示,将绝缘导线绕在柱形铁块上,导线内通以交变电流,铁块内就会产生感应电流,即涡流。当线圈内部空间的磁感线方向竖直向上,在铁块内产生(自上而下观察)沿虚线顺时针方向的涡流时,下列说法正确的是 ( )
A.绝缘导线中的电流正在减小
B.绝缘导线中的电流由b流向a
C.为减小涡流,可以增大交变电流的频率
D.为减小涡流,可以把铁块沿纵向切成很薄的铁片,涂上绝缘层后叠放起来
4.如图所示是车站、机场等场所用于安全检查的安检门,“门框”内有线圈,线圈中通有变化的电流。如果金属物品通过安检门,金属中会产生涡流,涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流,从而引起报警。下列关于安检门的说法正确的是 ( )
A.安检门能检查出毒贩携带的毒品
B.安检门能检查出旅客携带的金属水果刀
C.安检门工作时,主要利用了电流的热效应原理
D.如果“门框”的线圈中通上恒定电流,安检门也能正常工作
题组三 电磁阻尼和电磁驱动
5.(教材习题改编)如图所示,弹簧上端固定,下端悬挂一个磁铁。将磁铁托起到某一高度后放开,磁铁能上下振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈,仍将磁铁托起到同一高度后放开,则下列说法正确的是 ( )
A.放闭合线圈后,磁铁会更不容易停下来
B.磁铁、弹簧、地球组成的系统机械能守恒
C.弹簧和磁铁减少的机械能转化为闭合线圈的电能
D.磁铁在运动过程中一直受到向上的安培力的阻碍作用
6.如图,条形磁铁位于固定在竖直平面内的半圆光滑轨道的圆心位置,轨道半径为R,一质量为m的金属球从半圆轨道的一端沿半圆轨道由静止下滑,重力加速度大小为g。下列说法正确的是 ( )
A.金属球中不会产生感应电流
B.金属球会运动到半圆轨道的另一端
C.金属球受到的安培力做正功
D.金属球产生的总热量为mgR
7.磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置,该刹车装置的原理图(从后朝前看)如图所示,停车区的轨道两侧装有强力磁铁,当过山车进入停车区时铜片从强力磁铁间穿过,车很快停下来,关于该装置刹车原理,下列判断正确的是 ( )
A.利用铜片与强力磁铁的摩擦刹车
B.利用铜片被磁化成磁体与强力磁铁作用刹车
C.利用铜片中涡流的磁场与强力磁铁作用刹车
D.利用铜片中涡流的磁场对涡流的安培力阻碍过山车运动而刹车
8.(教材习题改编)如图所示,在水平绝缘桌面上放置一个金属圆环,圆心的正上方有一个竖直的条形磁铁。条形磁铁沿水平方向移动时,金属圆环将受到水平方向的驱动力,关于这个现象,下列说法正确的是 ( )
A.驱动力的方向跟条形磁铁运动的方向相同
B.驱动力的方向跟条形磁铁哪一极朝下有关
C.金属圆环中会产生顺时针方向的感应电流(俯视)
D.若将金属圆环换成橡胶圆环,仍会受到驱动力
9.如图是一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极之间。铝框可以绕支点自由转动,先使铝框和磁铁静止,转动磁铁,观察铝框的运动,可以观察到 ( )
A.铝框与磁铁转动方向相反
B.铝框始终与磁铁转动得一样快
C.铝框是因为受到安培力而转动的
D.当磁铁停止转动后,如果没有空气阻力和摩擦阻力,铝框将保持匀速转动
10.(经典题)零刻度在表盘正中间的电流计,非常灵敏,通入电流后,线圈所受安培力和螺旋弹簧的弹力作用达到平衡时,指针在示数附近的摆动很难停下,使读数变得困难。在指针转轴上装上扇形铝框或扇形铝板,在合适区域加上磁场,可以解决此困难。下列方案合理的是 ( )
能力提升练
题组一 涡流的产生及应用
1.涡流内检测技术是一项用来检测各种金属管道是否有破损的技术。如图是检测仪在管道内运动及其工作原理剖面示意图,当激励线圈中通以正弦式交流电(电流大小、方向周期性变化)时,金属管道壁内会产生涡流,涡流的磁场会影响检测线圈的电流。以下说法正确的是 ( )
A.检测线圈消耗功率等于激励线圈输入功率
B.在管道内某处检测时,如果只增大激励线圈中交流电频率,则检测线圈的电流大小不变
C.在管道内某处检测时,如果只增大激励线圈中交流电频率,则检测仪消耗的功率将变大
D.当检测仪从金属管道完好处进入到破损处检测时,管道壁中将产生更强的涡流
题组二 电磁阻尼、电磁驱动的理解和应用
2.如图所示,在光滑水平桌面上放一条形磁铁,分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁铁的左侧且给它们一个相同的初速度,让其向磁铁滚去,观察小球的运动情况是 ( )
A.都做匀速运动
B.铁球、铝球做减速运动
C.铁球做加速运动,铝球做减速运动,木球做匀速运动
D.铁球做减速运动,铝球做加速运动,木球做匀速运动
3.高速铁路列车通常使用磁力刹车系统。磁力刹车工作原理可简述如下:将磁铁的N极靠近一块正在逆时针方向旋转的圆形铝盘,使磁感线垂直铝盘向内,铝盘随即减速,如图所示。图中磁铁左方铝盘的甲区域(虚线区域)朝磁铁方向运动,磁铁右方铝盘的乙区域(虚线区域)朝离开磁铁方向运动。下列有关铝盘刹车的说法正确的是 ( )
A.铝盘甲区域的感应电流产生垂直铝盘向里的磁场
B.铝盘乙区域的感应电流产生垂直铝盘向外的磁场
C.磁铁与甲、乙两区域的感应电流之间的作用力,都会使铝盘减速
D.若将实心铝盘换成布满小空洞的铝盘,则磁铁对空洞铝盘的作用力更大
4.(经典题)如图所示,导体小球A在光滑的绝缘水平圆形轨道上处于静止状态,现在使小球正上方的条形磁铁在轨道正上方做匀速圆周运动,转速为n。关于小球的运动,下列说法正确的是 ( )
A.磁铁转动过程中远离小球时小球加速,靠近小球时小球减速
B.安培力对小球做的功大于小球动能的增加量
C.安培力对小球做的功等于小球内部产生的焦耳热和小球动能的增加量之和
D.运动稳定后,小球的转速最后等于n
答案与分层梯度式解析
第二章 电磁感应
3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
基础过关练
1.C 感生电场的电场线是闭合的曲线,选项A错误。磁场变化时可以在周围空间激发感生电场,恒定的磁场在周围空间不能产生电场(易错点),选项B错误。感生电场的方向同样可以用楞次定律和右手螺旋定则来判定,选项C正确。变化的磁场周围产生电场,与闭合电路是否存在无关,选项D错误。
2.C 磁感应强度竖直向上,且随时间均匀增加,由楞次定律和安培定则可知,变化的磁场产生的感生电场沿顺时针方向;小球带正电,小球所受电场力沿顺时针方向,与小球的运动方向相反,小球做减速运动,当小球速度减小到零后,沿顺时针方向加速运动,选项C正确;磁场力与小球的速度方向垂直,磁场力对小球一直不做功,选项A错误;由于小球的速度先减小到零后增大,由洛伦兹力公式F=qvB可知,小球受到的磁场力先减小到零后增大,选项B、D错误。
方法技巧 判断感生电场方向的思维方法
3.D 当绝缘导线中的电流由a流向b且正在增加时,柱形铁块中磁场方向如题图所示,且磁感应强度在增大,根据楞次定律和安培定则可知,此时产生的涡流为顺时针方向(俯视),故A、B错误。增大交变电流的频率,可增大涡流;在感应电动势的大小一定时要减小涡流,需要增大铁块电阻,根据电阻定律可知,可减小铁块的横截面积,故可以把铁块沿纵向切成很薄的铁片,涂上绝缘层后叠放起来,故C错误,D正确。
规律总结 产生涡流的两种情况
(1)块状金属放在变化的磁场中。
(2)块状金属进出磁场或在变化的磁场中运动。
4.B 毒品不是导体,内部不能产生涡流,安检门不能检查出毒贩携带的毒品,故A错误。安检门能检查出旅客携带的金属水果刀,故B正确。安检门工作时,主要利用了电磁感应原理,也利用了电流的磁效应,没有利用电流的热效应,故C错误。根据安检门的工作原理可知,如果“门框”的线圈中通上恒定电流,安检门不能正常工作,故D错误。故选B。
5.C 磁铁上下运动过程中,在闭合线圈中产生了感应电流,感应电流的磁场总是阻碍磁通量的变化,即阻碍磁铁与闭合线圈间的相对运动,磁铁在向下运动的过程中受到向上的安培力,在向上运动的过程中受到向下的安培力,所以磁铁能更快停下来,故A、D错误;闭合线圈对磁铁的作用力做负功,磁铁、弹簧、地球组成的系统机械能减少,减少的机械能转化为闭合线圈的电能,故B错误,C正确。
6.D 金属球在运动过程中,穿过金属球的磁通量不断变化,在金属球内产生涡流,金属球受到的安培力做负功,金属球不会运动到半圆轨道的另一端,在运动过程中,金属球产生的热量不断增加,机械能不断减少,直至金属球停在半圆轨道的最低点,故A、B、C错误;根据能量守恒定律得金属球产生的总热量为Q=mgR,故D正确。故选D。
规律总结 产生涡流时的能量转化原因
(1)由于磁场变化使金属块内产生涡流时,是磁场能转化为电能,最终转化为内能。
(2)由于金属块在磁场中运动产生涡流时,是金属块克服安培力做功,金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能。
7.C 铜片与强力磁铁不接触,二者间没有摩擦,故A错误;铜片不是铁磁性材料,不会被磁化,故B错误;铜片穿过磁场产生涡流,涡流的磁场与强力磁铁作用刹车,故C正确;强力磁铁的磁场对涡流的安培力阻碍过山车运动而刹车,故D错误。故选C。
8.A 条形磁铁沿水平方向移动时,穿过金属圆环的磁通量减小,根据“来拒去留”可知,条形磁铁与金属圆环之间有相互的吸引力,则驱动力的方向跟条形磁铁运动的方向相同,与条形磁铁哪一极朝下无关,故A正确,B错误;条形磁铁沿水平方向移动时,穿过金属圆环向上的磁通量减小,由楞次定律和安培定则可知,金属圆环中会产生逆时针方向的感应电流(俯视),若换成橡胶圆环,不会产生感应电流,圆环不会受到驱动力,故C、D错误。
9.C 根据楞次定律的推论“来拒去留”可知,转动磁铁时,铝框会跟着转动,且转动方向与磁铁转动方向一致,A错误;磁铁转动使穿过铝框的磁通量发生变化,铝框中产生了感应电流,感应电流使铝框受到磁铁周围的磁场对它的安培力作用,所以铝框跟着磁铁转动,又因为感应电流的磁场只是阻碍磁通量的变化,并不是阻止,所以铝框转动的速度要比磁铁转动速度慢,B错误,C正确;当磁铁停止转动后,铝框由于惯性会继续转动,但是在转动过程中由于与磁铁的相对位置发生了变化,穿过铝框的磁通量发生了变化,所以铝框自身会产生感应电流,铝框中会有焦耳热产生,铝框的动能会慢慢减少,所以即使没有空气阻力和摩擦阻力铝框也会停下来,D错误。故选C。
10.D A、C方案中,若指针向左偏转,铝框或铝板可能全部会离开磁场,产生不了涡流,起不到电磁阻尼的作用,指针不能很快停下,故选项A、C错误;B方案中使用的是铝框,磁场在铝框中间,若指针偏转角度较小,则铝框不能切割磁感线,不能产生感应电流,起不到电磁阻尼的作用,指针不能很快停下,故选项B错误;D方案中使用的是铝板,且磁场在铝板中间,只要指针偏转,铝板上就会产生涡流,起到电磁阻尼的作用,指针会很快稳定下来,便于读数,故选项D正确。
导师点睛 该装置的原理是电磁阻尼。可以认为铝板的面内有无数个形状任意的闭合回路,铝板在磁场中转动时,铝板中就会产生涡流,铝板就会受到安培力作用,安培力总是阻碍铝板相对磁场的运动,从而使指针尽快停下来。
能力提升练
1.C 由于检测时管道壁中产生涡流,有一定的热功率,P激励=P检测+P热(破题关键),故激励线圈的输入功率大于检测线圈消耗的功率,A错误;增大激励线圈中交流电的频率,通过检测线圈的磁通量的变化率变大,产生的感应电动势变大,则电流变大,B错误;增大激励线圈中交流电的频率,检测线圈的功率和管道产生的涡流的热功率变大,则检测仪消耗的功率将变大,C正确;当检测仪从金属管道完好处进入到破损处检测时,金属管道的厚度减小,则管道壁中产生的涡流变小,D错误。
2.C 铁球将加速运动,其原因是铁球被磁化后与磁铁之间产生相互吸引的磁力;铝球将减速运动,其原因是铝球内产生了感应电流,感应电流产生的磁场阻碍其相对磁铁运动;木球将匀速运动,其原因是木球既不能被磁化,也不能产生感应电流,所以磁铁对木球不产生力的作用。综上,铁球做加速运动,铝球做减速运动,木球做匀速运动,选项C正确。
3.C 铝盘甲区域中的磁通量向里增大,由楞次定律可知,感应电流的磁场方向垂直铝盘向外,故A错误;铝盘乙区域中的磁通量向里减小,由楞次定律可知,感应电流的磁场方向垂直铝盘向里,故B错误;由“来拒去留”可知,磁铁与感应电流之间有相互阻碍的作用力,则会使铝盘减速,故C正确;若将实心铝盘换成布满小空洞的铝盘,这样会导致涡流产生的磁场减弱,则磁铁对空洞铝盘的作用力较小,故D错误。故选C。
4.D 磁铁转动过程中无论远离还是靠近小球,小球在安培力作用下都加速运动,故A错误;安培力对小球做的功等于小球动能的增加量,故B、C错误;运动稳定后,小球的转速与磁铁的转速相同,安培力为零(破题关键),故D正确。故选D。
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