(讲义)第2章 3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册(人教版2019)

3．涡流、电磁阻尼和电磁驱动 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。 　电磁感应现象中的感生电场 1．感生电场 麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发一种电场。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．感应电动势 如果此刻空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，也就是说导体中产生了感应电动势。 3．感生电动势 如果感应电动势是由感生电场产生的，它也叫作感生电动势。 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。 1．变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关。如果在变化的磁场中放一个闭合电路，自由电荷在感生电场的作用下发生定向移动。 2．感生电场可用电场线形象描述。感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的，而静电场的电场线不闭合。 3．感生电场的方向根据楞次定律用右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝计算。 【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。] 　 [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(上图为侧视图、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。] 　涡流 1．定义：由于电磁感应，在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流。 2．特点：若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量很多。 3．应用 (1)涡流热效应：如真空冶炼炉。 (2)涡流磁效应：如探雷器、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：增大铁芯材料的电阻率。 (2)途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯。 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，