24-25高中物理人教版选择性必修第二册 14 第二章 3．涡流、电磁阻尼和电磁驱动

3．涡流、电磁阻尼和电磁驱动第二章电磁感应学习任务1．了解感生电场，知道感生电动势产生的原因。会判断感生电动势的方向，并会计算它的大小。2．通过实验了解涡流现象，知道涡流是怎样产生的，了解涡流现象的利用和危害。3．通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生产生活中的应用。4．了解电磁阻尼和电磁驱动。关键能力·情境探究达成1．感生电场麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发一种____。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________。知识点一电磁感应现象中的感生电场电场感生电场2．感应电动势如果此刻空间存在____导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生________，也就是说导体中产生了__________。3．感生电动势如果感应电动势是由________产生的，它也叫作感生电动势。闭合感应电流感应电动势感生电场如图所示，B增强时，就会在空间激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流。问题1

感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系？如何判断感生电场的方向？提示：感应电流的方向与正电荷定向移动的方向相同。感生电场的方向与正电荷受力的方向相同，因此，感生电场的方向与感应电流的方向相同，感生电场的方向可以用楞次定律来判定。问题2

上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？提示：感生电场对自由电荷的作用力。

【典例1】一个水平放置的圆环形玻璃小槽如图所示，槽内光滑，槽的宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它获得一初速度v0，与此同时，有一变化的磁场垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所在的区域，磁感应强度的大小跟时间成正比例增大，方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变，则(

)A．小球需要的向心力大小不变B．小球需要的向心力大小不断增大C．磁场力对小球做了功D．小球受到的磁场力大小与时间成正比√B

[当磁感应强度随时间均匀增大时，将产生一恒定的感生电场，由楞次定律知，电场方向和小球初速度方向相同，因小球带正电，电场力对小球做正功，小球速率逐渐增大，向心力也随着增大，故A错误，B正确；洛伦兹力对运动电荷不做功，故C错误；带电小球所受洛伦兹力F＝qBv，随着速率的增大而增大，同时B∝t，则F和t不成正比，故D错误。]规律方法[跟进训练]1．现代科学研究中常用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场加速电子的设备。电子感应加速器主要有上、下电磁铁磁极和环形真空盒组成。当电磁铁绕组通以变化的电流时，产生变化的磁场，穿过真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化，这时真空盒空间内就产生感应涡旋电场，电子将在涡旋电场作用下加速。如图所示(右图为侧视图、下图为真空盒的俯视图)，若电子被“约束”在半径为R的圆周上运动，当电磁铁绕组通有图中所示的电流时(

)A．若电子沿逆时针运动，保持电流的方向不变，当电流增大时，电子将加速B．若电子沿顺时针运动，保持电流的方向不变，当电流增大时，电子将加速C．若电子沿逆时针运动，保持电流的方向不变，当电流减小时，电子将加速D．被加速时电子做圆周运动的周期不变√A

[当电磁铁绕组通有题图中所示的电流时，由安培定则可知将产生向上的磁场，当电磁铁绕组中电流增大时，根据楞次定律和安培定则可知，这时真空盒空间内产生顺时针方向的感生电场，电子沿逆时针运动，电子将加速，选项A正确，选项B、C错误；由于电子被“约束”在半径为R的圆周上运动，被加速时电子做圆周运动的周期减小，选项D错误。]1．定义：由于________，在导体中产生的像水中旋涡样的____电流。2．特点：若金属的电阻率小，涡流往往____，产生的热量____。3．应用(1)涡流热效应：如__________。(2)涡流磁效应：如______、______。知识点二涡流电磁感应感应很强很多真空冶炼炉探雷器安检门4．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______。(2)途径二：用相互绝缘的______叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯。电阻率硅钢片在一铁块的外面绕有如图所示的线圈，当线圈通有如图所示的交变电流时。问题1

铁块中有感应电流吗？提示：有。问题2

如果有，它的形状像什么？提示：像水中的漩涡。问题3

涡流的方向怎样判定？提示：用楞次定律判定。问题4涡流在金属内的分布是均匀的吗？提示：不是均匀分布的，越靠近金属表面层电流越强。1．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＝I

2R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。

√

解题技巧

(1)金属块进出磁场时，产生焦耳热，损失机械能。(2)金属块整体在磁场中运动时，其机械能不再损失，在磁场中做往复运动。[一题多变]上例中，若将匀强磁场改为非匀强磁场，其他条件不变，那么金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是多少？

[跟进训练]2．(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，一手持式封口机如图所示，它的工作原理是：当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在待封容器的封口处，达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是(

)A．封口材料可用普通塑料来代替铝箔B．该封口机可用干电池作为电源以方便携带C．封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决D．该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器√√CD

[由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电源，A、B错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，即控制温度，C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样会被熔化，只能是玻璃、塑料等材质，D正确。]1．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______，安培力总是____导体运动的现象。(2)应用：磁电式仪表中利用________使指针迅速停止到某位置，便于读数。知识点三

电磁阻尼和电磁驱动安培力阻碍电磁阻尼2．电磁驱动(1)概念：磁场相对导体转动时，导体中产生________，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的现象。(2)应用：交流感应电动机。感应电流如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴转动。问题1

如果将磁铁拿走，轻转线圈，观察线圈的转动，若安装上磁铁，用同样的力转动线圈，你会观察到两次现象有什么不同，为什么？

提示：观察到没有磁铁时线圈转动的时间比有磁铁时转动的时间长很多。有磁铁时，线圈转动会产生感应电流，感应电流的安培力阻碍线圈的转动。问题2

先让线圈静止，转动磁铁，观察线圈有什么现象发生，为什么？提示：观察到线圈随着磁铁的转动会慢慢转动起来。线圈中产生感应电流，感应电流的安培力阻碍线圈相对磁铁的运动，即使线圈慢慢随磁铁转动起来。对电磁阻尼与电磁驱动的理解项目电磁阻尼电磁驱动不同点成因由导体在磁场中运动形成由磁场运动形成效果安培力的方向与导体运动方向相反，为阻力安培力的方向与导体运动方向相同，为动力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项目电磁阻尼电磁驱动相同点两者都是电磁感应现象，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场的相对运动【典例3】

(涡流、电磁驱动、电磁阻尼)关于以下四幅插图，下列说法正确的是(

)A．图甲，摇动手柄使磁铁转动，铝框不动B．图乙，真空冶炼炉可以接高电压的恒定电流C．图丙，铜盘转动时，穿过铜盘的磁通量不变，铜盘中没有感应电流D．图丁，微安表在运输时把正、负接线柱用导线连在一起，对电表起到了保护作用√D

[根据电磁驱动原理，题图甲中，摇动手柄使磁铁转动，铝框会同向转动，故A错误；题图乙是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，金属中产生涡流，金属中产生大量热量，从而冶炼金属，真空冶炼炉不可以接高电压的恒定电流，故B错误；当转动铜盘时，铜盘切割磁感线，从而产生感应电流，出现安培力，由楞次定律可知，产生的安培力将阻碍铜盘切割磁感线运动，则铜盘转动将变慢，故C错误；题图丁是微安表的表头，在运输时要把两个正、负接线柱用导线连在一起，可以减小电表指针摆动角度，这是为了保护电表指针，利用了电磁阻尼的原理，故D正确。故选D。]规律方法

(1)电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象，均可以根据楞次定律和左手定则分析导体的受力情况。(2)电磁阻尼与电磁驱动现象中安培力的作用效果均为阻碍相对运动，应注意电磁驱动中，主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度)。[跟进训练]3．如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以自由绕OO′轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接触。当磁铁绕轴转动时，铜盘将(

)A．以相同的转速与磁铁同向转动B．以较小的转速与磁铁同向转动C．以相同的转速与磁铁反向转动D．静止不动√B

[因磁铁的转动，引起铜盘中部分导体切割磁感线而产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用是阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，线圈中能产生感应电流的条件必须是切割磁感线，故铜盘转动方向与磁铁相同而转速小，故B正确。]学习效果·随堂评估自测1．如图所示，有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动。如果在转动时把U形磁铁放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触，则铜盘(

)A．不受影响，和原先一样转动B．很快停下来C．比原先需要更长时间停下来D．比原先更快地转动243题号1B

[铜盘由于受到电磁阻尼的作用而很快停下来，故B正确，A、C、D错误。]√2．(多选)如图所示，电磁炉是利用感应电流(涡流)的加热原理工作的。下列关于电磁炉的说法，正确的是(

)A．电磁炉面板采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部B．电磁炉面板采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品C．电磁炉可用陶瓷器皿作为锅具对食品加热D．可通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率243题号1√√AD

[电磁炉面板为陶瓷材料，发热部分为铁锅底部，电磁炉不能对陶瓷器皿加热，A正确，B、C错误；电流频率越大，产生的涡流越强，D正确。]243题号13．弹簧上端固定，下端挂一条形磁铁，使磁铁上下振动，磁铁的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图所示，观察磁铁的振幅将会发现(

)A．S闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变B．S闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变C．S闭合或断开，振幅变化相同D．S闭合或断开，振幅都不发生变化243题号1√A

[S断开时，磁铁振动穿过线圈的磁通量发生变化，但线圈中无感应电流，振幅不变；S闭合时有感应电流，有电能产生，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，A正确。]243题号14．如图所示，将一空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上，在“冂”形木框两侧各固定一个强铷磁铁，用电钻控制木框匀速转动，发现木框虽然不与易拉罐接触，但易拉罐也会随木框转动。则下列说法正确的是(

)A．木框的转速总比易拉罐的大B．易拉罐与木框的转动方向相反C．易拉罐与木框保持相同的转速同方向转动D．两个磁铁必须异名磁极相对243题号1√A

[根据电磁驱动原理，易拉罐与木框的转动方向相同，木框的转速总比易拉罐的大，A正确；B、C错误；两个磁铁异名磁极或同名磁极相对均可，在磁极附近的易拉罐导体中都会产生涡流，在磁场受安培力使易拉罐跟着木框转动起来，D错误。故选A。]243题号1回归本节知识，自我完成以下问题：(1)利用涡流加热时为什么采用高频交流电？提示：磁通量变化得越快，产生的感应电流越大，热量越多。(2)从能量角度分析电磁阻尼的实质。提示：