2014秋(配粤教版,选修3-2)物理同步导学课件：第一章 电磁感应1.8

3．涡流制动与探测 (1)涡流制动 导体 相对于______ 磁场 运动，产生的感应电流会使导 ①原理：______ 体受到安培力，安培力的方向 ____________总是阻碍导体的运动． 涡流闸 、脱水 ②应用：电表的阻尼制动、高速机车制动的________ 机的制动． (2)涡流探测 涡流 与互感． ①原理：________ ②应用：探测行李包中的枪支、掩埋的地雷、金属覆盖膜厚 度．
知识点 2 电磁阻尼与电磁驱动的比较 电磁阻尼 电磁驱动 由于磁场的运动引起磁 由 于 导 体在 磁 场中 运 通量的变化而产生感应 成因 动而产生感应电流 电流 安 培 力 的方 向 与导 体 导体受安培力的方向与 不 效果 运动方向相反，阻碍物 导体运动方向相同，推动 同 体运动 导体运动 点 由于电磁感应，磁场能转 导体克服安培力做功， 化为电能，通过安培力做 能量 其 他 形 式的 能 转化 为 转化 功，电能转化为机械能， 电能，再转化为内能 而对外做功 相同点 两者都是电磁感应现象
第七节
涡流现象及应用
知识梳理 一、涡流现象 整块导体 内 部 发 生 电 磁 感 应 而 产 生 1 ． 涡 流 现 象 ： 在 __________ __________ 感应电流 的现象．
外周长 频率
二、涡流的应用 1．电磁灶 涡流 加热． (1)加热原理：磁场感应________ (2)优点 直接 加热，热效率高． ①______ 明火 和______ 炊烟 ，清洁、安全． ②无______ ③功能全．
【例 1】 如图 1-7-2 所示，是高频焊接原理示意图，线圈中 通以高频交流电时，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，将金属熔化，把工件焊接在一起， 而工件其他的部分发热很少，以下说法中正确的是( )
图 1-7-2 A．交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得快 B．交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得快 C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小 D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大
答案： (1)见解析 (2)位置见解析
2 4B2 l 0 v0－v (3) R
λ 2d d＝(2k＋1) 或 λ＝ (k∈N) 2 2k＋1
知识点 1 对涡流的理解 1．本质：电磁感应现象． 2．条件：穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身 可自行构成闭合回路． 3．特点：整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大． 4．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非匀强磁场中运动．
5．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．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． ΔB (2)磁场变化越快( 越大)，导体的截面积 S 越大，导体材料 Δt 的电阻率越小，形成的涡流就越大．
解析：磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞 次定律的扩展知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动．同理，磁铁 穿出时产生的相互作用力也阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁 铁做减速运动，选项 B 是正确的． 而对于小车上螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培 力都是水平向右，这个安培力使小车向右运动，且一直做加速运 动，C 项对． 答案：BC
根据法拉第电磁感应定律，金属框中的感应电动势大小 E＝ ΔΦ ， Δt E 根据闭合电路欧姆定律有 I＝ ， R 根据安培力公式，MN 边所受的安培力 FMN＝B0Il， PQ 边所受的安培力 FPQ＝B0Il， 根据左手定则，MN、PQ 边所受的安培力方向相同，此时列 车驱动力的大小 F＝FMN＋FPQ＝2B0Il， 2 4B2 0l v0－v 联立解得 F＝ . R
三、涡流的防止
外周长 ，增大材料的_______ 电阻率 ． 1．原理：缩小导体的_______ 硅钢片 叠压而成． 2．事例：电机和变压器的铁芯用_______ 发热 损失，提高机械效率． 3．目的：减少_______
思考：安全检查报警器的原理．
【答案】在报警器内有一线圈，线圈中通有高频电流，因此 线圈周围有着高频的变化磁场．当报警器靠近金属体时，线圈的 磁场在金属体中感应出涡电流，涡电流产生的磁场又会穿过线 圈，改变线圈中的原磁场，使相关的电子线路产生报警声．
创新拓展 【例 3】 磁悬浮列车是一种高速低耗的新型交通工具．它的 驱动系统简化为如下模型，固定在列车下端的动力绕组可视为一 个矩形纯电阻金属框，电阻为 R，金属框置于 xOy 平面内，长边 MN 长为 l 平行于 y 轴，宽为 d 的 NP 边平行于 x 轴，如图 1-7-5 甲所示．列车轨道沿 Ox 方向，轨道区域内存在垂直于金属框平 面的磁场，磁感应强度 B 沿 Ox 方向按正弦规律分布，其空间周 期为 λ，最大值为 B0，如图乙所示，金属框同一长边上各处的磁 感应强度相同，整个磁场以速度 v0 沿 Ox 方向匀速平移．设在短 暂时间内，MN、PQ 边所在位置的磁感应强度随时间的变化可以 忽略，并忽略一切阻力．列车在驱动系统作用下沿 Ox 方向加速 行驶，某时刻速度为 v(v<v0)．
解析：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，感应电流的大小与感应电动势有关，电流变化 的频率越高， 电流变化得越快， 感应电动势就越大， A 选项正确； 工件上焊缝处的电阻大，电流在此处产生的热量就多，D 正确． 答案：AD
►题后反思 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欧姆定律分析．
图 1-7-5 (1)简要叙述列车运行中获得驱动力的原理； (2)为使列车获得最大驱动力，写出 MN、PQ 边应处于磁场 中的什么位置及 λ 与 d 之间应满足的关系式； (3)计算在满足第(2)问的条件下列车速度为 v 时驱动力的大 小．
解析： (1)由于列车速度与磁场平移速度不同， 导致穿过金属框的磁 通量发生变化，由于电磁感应，金属框中会产生感应电流，该电 流受到的安培力即为驱动力． (2)为使列车获得最大驱动力，MN、 PQ 应位于磁场中磁感应 强度同为最大值且反向的地方，这会使得金属框所围面积的磁通 量变化率最大，导致框中电流最强，也会使得金属框长边中电流 λ λ 受到的安培力最大．因此，d 应为 的奇数倍，即 d＝(2k＋1) 或 2 2 2d λ＝ (k∈N)． 2k＋1
图 1-7-4 如图 1-7-4 所示是电磁阻尼摆的工作原理图，分析其 工作原理后回答以下几个问题：①在未通电时，观察金属摆是否 能自由地摆动(忽略机械损耗和空气阻力)．②接通交流电源，再 观察金属摆摆动的情况，是否很快就停了下来？
【答案】在线圈未加电时，电磁铁没有磁性，所以，摆动不 受阻碍．但当线圈通有交流电时，电磁铁有了磁性，由于摆动使 穿过摆的磁通量发生改变，在金属摆内产生感应电流即涡流．由 楞次定律知道，涡流的效果是反抗引起涡流的原因，所以，金属 摆因受到阻力而很快停止．
2．高频感应炉 (1)原理：涡流感应加热． 非接触式 (2)优点： ①________ 加热， 热源和受热物体可以不直接接触； ②加热 ______ 效率高，______ 速度快，可以减小表面氧化现象；③容易控制 温度 ，提高加工精度；④可实现______ 局部 加热；⑤可实现自动化 ______ 控制；⑥可减小占地、热辐射、噪声和灰尘．
(3)由于满足第(2)问条件，则 MN、PQ 边所在处的磁感应强 度大小均为 B0 且方向总相反，经短暂的时间 Δt，磁场沿 Ox 方向 平移的距离为 v0Δt，同时，金属框沿 Ox 方向移动的距离为 vΔt. 因为 v0>v，所以在 Δt 时间内 MN 边扫过磁场的面积 S＝(v0 －v)lΔt. 在此 Δt 时间内， MN 边左侧穿过 S 的磁通量移进金属框而引 起框内磁通量变化 ΔΦMN＝B0l(v0－v)Δt. 同理，该 Δt 时间内，PQ 边左侧移出金属框的磁通量引起框 内磁通量变化 ΔΦPQ＝B0l(v0－v)Δt， 故在 Δt 内金属框所围面积的磁通量变化 ΔΦ＝ΔΦMN＋ΔΦPQ.
上题中线圈中通以交流电完成焊接，能量是怎样转化 的？在磁场中的待焊接工件的外周长越长还是越短，更有利于焊 接？
【答案】线圈接入交流电源后，线圈周围就有了变化的磁场 从而在待焊工件中产生感应电流，在焊接中转化为内能，所以能 量的转化情况是：电能→磁场能→电能→内能； ΔBS 待焊接工件外周长越长，所围的面积越大，由 E＝ ，又 Δt 因待焊接工件的电阻较小，从而感应电流较大，而在焊接处的电 阻稍大，从而在此处产生较多的热量使温度很快升高，所以利于 焊接．
【特别提醒】 电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，都遵循楞次定律， 安培力总是阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动．
【例 2】 （双选）位于光滑水平面的小车上放置一螺线管， 一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度 v 水平穿 过，如图 1-7-3 所示，在此过程中( )
图 1-7-3 A．磁铁做匀速直线运动 B．磁铁做减速运动 C．小车向右做加速运动 D．小车先加速后减速 明确两者相 判断两者间 判断运 思维导图： ―→ ―→ 对运动情况 相互作用力 动情况