2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【帮课堂】2024-2025学年高二物理 同步学与练（ 人教版2019选择性必修第二册）

2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动 学习目标 课程标准 物理素养 1.了解感生电场的概念，了解电子感应加速器的工作原理. 2.理解涡流的产生原理，了解涡流在生产和生活中的应用. 3.理解电磁阻尼和电磁驱动的原理，了解其在生产和生活中的应用． 物理观念：涡流是一种特殊的电磁感应现象，在生产生活以及实验教学等方面有许多应用。 科学思维：涡流及其成因、涡流的热效应和机械效应等。 科学探究：从能量的角度来分析电磁驱动现象和电磁阻尼现象。 科学态度与责任：通过涡流的应用、电磁阻尼和电磁驱动的应用，体会物理知识与科学技术的关系。 02 思维导图 03 知识梳理 （1） 课前研读课本，梳理基础知识： 一、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，这种电场叫作感生电场． 2．感生电动势 由感生电场产生的电动势叫感生电动势． 3．电子感应加速器 电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备，当电磁铁线圈中电流的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速． 二、涡流 1．涡流：当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，用图表示这样的感应电流，就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流． 2．金属块中的涡流会产生热量，利用涡流产生的热量可以冶炼金属． 三、电磁阻尼 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，这种现象称为电磁阻尼． 四、电磁驱动 若磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，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． 04 题型精讲 【题型一】电磁感应现象中的感生电场 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＝n计算． 【典型例题1】英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发感生电场。如图所示，一个半径为r的绝缘细圆环水平放置，环内存在竖直向上的匀强磁场，环上套一带电荷量为+q的小球。已知磁感应强度B随时间均匀增加，其变化率为k，若小球在环上运动一周，则感生电场对小球的作用力所做功的大小是（　　） A．0 B． C． D． 【答案】D 【解析】根据法拉第电磁感应定律可知感生电场的电动势 小球在环上运动一周感生电场对小球的作用力所做功的大小是 故选D。 【典型例题2】麦克斯韦从场的观点出发，认为变化的磁场会激发感生电场。如图甲所示，半径为r的绝缘光滑真空管道（内径远小于半径r）固定在水平面上，管内有一质量为m、带电量为的小球，直径略小于管道内径。真空管处在匀强磁场中，磁感应强度B随时间变化如图乙所示，规定竖直向上为正方向。时刻无初速释放小球。下列说法正确的是（　　） A．俯视真空管道，感生电场的方向是逆时针 B．感生电场对小球的作用力大小为 C．小球绕环一周，感生电场做功为 D．时刻管道对小球的作用力大小 【答案】C 【解析】A．根据楞次定律判断，感生电场为顺时针，故A项错误； B．由法拉第电磁感应定律可得 由于 面积公式为 整理有 由题图可知，有 产生的感生电场强度为E，由于 整理有 感生电场对小球的作用力 故B项错误； C．小球绕一圈电场力做功 故C项正确； D．小球在感生电场中的加速度 时刻小球的速度 在水平方向上由 解得 所以管道对小球的作用力的大小为 故D项错误。 故选C。 【对点训练1】现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备，它的基本原理如图甲所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室。当电磁铁线圈通入如图乙所示的正弦式交变电流时，真空室中产生磁场，电子在真空室中做圆周运动。以图甲中所示电流方向为正方向，俯视看在0~和~T两个时间段内电子的运动，下列说法正确的是（　　） A．电子都沿逆时针做加速圆周运动 B．0~内电子沿逆时针做加速圆周运动，~T内电子沿逆时针做减速圆周运动 C．0~内电子沿逆时针做减速圆周运动，~T内电子沿逆时针做加速圆周运动 D．0~内电子沿逆时针做加速圆周运动，~T内电子无法做圆周运动 【答案】D 【解析】通电螺线管内部的磁场与电流大小成正比，且变化的磁场产生电场，其中0~时间内，根据右手螺旋定则可知，磁感应强度方向竖直向上，根据楞次定律可知，产生涡旋电场沿着顺时针方向，由于电子在真空室中做圆周运动时，洛伦兹力提供电子做圆周运动的向心力，则电子在该时间内沿逆时针做加速圆周运动；在~T时间内，根据右手螺旋定则可知，磁感应强度方向竖直向下，根据楞次定律可知，产生涡旋电场沿着顺时针方向，则电子在该时间内无法做圆周运动。 故选D。 【对点训练2】如图所示，水平放置的内壁光滑半径为R的玻璃圆环，有一直径略小于圆环口径的带正电q的小球，在圆环内以速度沿顺时针方向匀速转动（俯视）。在时刻施加方向竖直向上的变化磁场，磁感应强度。设运动过程中小球带电荷量不变，不计小球运动产生的磁场及相对论效应。加上磁场后，下列说法正确的是（　　） A．小球对玻璃圆环的压力不断增大 B．小球对玻璃圆环的压力不断减小 C．小球所受的磁场力一定不断增大 D．小球每运动一周增加的动能为 【答案】C 【解析】AB．由楞次定律判断可得当磁场增强时，会产生顺时针方向的涡旋电场，电场力先对小球做正功使其沿顺时针方向做加速运动，根据牛顿第二定律可得未加磁场时 加磁场后，小球所受洛伦兹力方向指向圆心，圆环对小球的压力与小球洛伦兹力的合力提供向心力，没有确定的数量关系去比较洛伦兹力与向心力的大小，所以小球与圆环之间的弹力变化情况不明。故AB错误； C．根据 可知小球所受的磁场力一定不断增大。故C正确； D．由动能定理可得 小球每运动一周，电场力做功为 联立，解得 故D错误。 故选C。 【题型二】涡流 1．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． 2．产生涡流时的能量转化 (1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能． (2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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． 3．涡流的应用与防止 (1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等． (2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯． 【典型例题3】下列设备中工作原理与涡流无关的是（    ） A．冶炼炉 B．电磁炉 C．微波炉 D．金属探测器 【答案】C 【解析】冶炼炉、电磁炉和金属探测器的工作原理均与涡流有关；微波炉是利用微波进行工作的，与涡流无关。 故选C。 【典型例题4】如图，安检门是检测人员有无携带金属物品的探测装置，它由发射器发射出正弦交流信号，再由传感器接收金属物发出的信号，信号经过放大处理，当信号量达到设定值时即以声光形式产生报警。当某人携带手机经过安检门时，下列说法正确的是（　　） A．手机中出现的涡流方向不变 B．手机中出现的涡流受到的安培力方向不变 C．手机中出现涡流的频率与发射器发出的交流电频率不相同 D．发射器发射出交流信号频率越高，涡流越大 【答案】D 【解析】AC．当某人携带手机经过安检门时，发射器发射出正弦交流信号，在金属导电体中产生涡流电流，根据楞次定律可得手机中出现涡流的方向周期性改变，频率与发射器发出的正弦交流电频率相同，A错误；C错误； B．频率与发射器发出的正弦交流电频率相同，涡流受到的安培力方向周期性变化，B错误； D．发射器发出的正弦交流电频率越高，手机中磁通量的变化越快，感应电动势越大，涡流越大，D正确。 故选D。 【对点训练3】金属冶炼炉的示意图如图所示，炉内装入被冶炼的金属，线圈通入某种电流，这时被冶炼的金属就能熔化。这种冶炼方法速度快，温度容易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼金属中，因此适于冶炼特种金属。关于该金属冶炼炉，下列说法正确的是（　　） A．利用线圈中电流的热效应 B．当线圈中电流变化越快，冶炼炉热功率越大 C．电流变化得越快，金属熔化得越快 D．炉中金属的电阻率越大，金属熔化得越快 【答案】C 【解析】A．依据产生涡流的条件，线圈中应通入变化的电流，该电流产生变化的磁场，才会在金属中产生涡流从而使金属熔化，故A错误； BCD．根据法拉第电磁感应定律可知，电流变化越快、金属的电阻率越小，在金属中产生的感应电流就越大，冶炼炉热功率越大，金属熔化得就越快，故C正确，BD错误。 故选C。 【对点训练4】管道高频焊机可以对由钢板卷成的圆管的接缝实施焊接，焊机的原理如图所示，圆管通过一个接有高频交流电源的线圈，线圈所产生的交变磁场使圆管中产生感应电流，电流产生的热量使接缝处的材料熔化将其焊接。焊接过程中所利用的电磁学规律的发现者为（　　） A．库仑 B．密立根 C．法拉第 D．洛伦兹 【答案】C 【解析】焊接过程中所利用的电磁学规律是电磁感应现象，发现者为法拉第。 故选C。 【题型三】电磁阻尼和电磁驱动 电磁阻尼和电磁驱动的比较 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由导体在磁场中运动形成的 由磁场运动而形成的 效果 安培力方向与导体运动方向相反，为阻力 安培力方向与导体运动方向相同，为动力 能量 转化 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 共同点 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间的相对运动 【典型例题5】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 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量 D．运动稳定后，小球的转速最后等于n 【答案】D 【解析】A．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； BC．安培力对小球做的功等于小球动能的增加，故BC错误； D．运动稳定后，小球的转速最后等于与磁铁的转速相同，安培力为零，故D正确。 故选D。 【典型例题6】物理学中有很多关于圆盘的实验，第一个是法拉第圆盘，圆盘全部处于磁场区域，可绕中心轴转动，通过导线将圆盘圆心和边缘与外面电阻相连。第二个是阿拉果圆盘，将一铜圆盘水平放置，圆盘可绕中心轴自由转动，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，以下说法正确的是（　　） A．法拉第圆盘在转动过程中，圆盘中磁通量不变，无感应电动势，无感应电流 B．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘，小磁针会同向转动，反之，转动小磁针，圆盘则不动 C．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘，小磁针会同向转动，但会滞后于圆盘 D．法拉第圆盘和阿拉果圆盘都是电磁驱动的表现 【答案】C 【解析】A．法拉第圆盘运动过程中，半径方向的金属条在切割磁感线，在圆心和边缘之间产生了感应电动势，故A错误； BC．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘或小磁针，都产生感应电流，因安培力的作用，另一个物体也会跟着转动，则转动圆盘，小磁针会同向转动，但会滞后于圆盘，故B错误，C正确； D．如果磁场相对于导体运动，在导体中会产生感应电流，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，这种作用就是电磁驱动，显然法拉第圆盘是机械能转化为电能的过程，并不是电磁驱动，故D错误。 故选C。 【对点训练5】如图甲所示，一轻质弹簧上端固定，下端悬挂一个体积很小的磁铁，在小磁铁正下方桌面上放置一个闭合铜制线圈。将小磁铁从初始静止的位置向下拉到某一位置后放开，小磁铁将做阻尼振动，位移x随时间t变化的示意图如图乙所示（初始静止位置为原点，向上为正方向，经t0时间，可认为振幅A衰减到0）。不计空气阻力，下列说法正确的是（　　） A．x＞0的那些时刻线圈对桌面的压力小于线圈的重力 B．x=0的那些时刻线圈中没有感应电流 C．更换电阻率更大的线圈，振幅A会更快地衰减到零 D．增加线圈的匝数，t0会减小，线圈产生的内能不变 【答案】D 【解析】A．根据“来拒去留”，则x＞0的那些时刻，当磁铁远离线圈向上运动时，磁铁对线圈有向上的作用力，此时线圈对桌面的压力小于线圈的重力；当磁铁靠近线圈向下运动时，磁铁对线圈有向下的作用力，此时线圈对桌面的压力大于线圈的重力，选项A错误； B．x=0的那些时刻磁铁的速度最大，则穿过线圈的磁通量变化率最大，则线圈中有感应电流，选项B错误； C．更换电阻率更大的线圈，线圈中产生的感应电流会变小，线圈中产生的感应电流的磁场变弱，对磁铁的“阻碍”作用变弱，则振幅A会更慢慢地衰减到零，选项C错误； D．增加线圈的匝数，线圈中产生的感应电动势变大，感应电流变大，机械能很快就转化为内能，则t0会减小，由于开始时线圈的机械能不变，则线圈产生的内能不变，选项D正确。 故选D。 【对点训练6】 如图所示为电磁打点计时器的部分结构示意图，它由底板、励磁线圈、永磁体和带有打点振针的振动片等组成．当线圈中通以6～8V、50Hz的交变电流时，电流的磁场使振动片磁化，其右端就会在永磁体的磁场中上下振动，从而使振针在拖动的纸带上打出点迹．下列关于电磁打点计时器的说法中正确的是（　　） A．当线圈中通有如图所示方向的电流时，振动片右侧受到向上的磁场力 B．接通电源后，振动片就立即以其固有频率持续稳定的振动 C．在允许的范围内增大电源电压时，会增大振针的打点频率 D．断开打点计时器电源的瞬间，振动片立即停止振动 【答案】A 【解析】A．当线圈中通有如图所示方向的电流时，由安培定则可知，线圈左边为N极、右边为S极，即磁化后振动片右侧为S极，其受磁场力与永磁体在该处产生的磁场方向相反，即向上，故A正确； B．接通电源后，需要经过一小段时间调整，振动片才能以50Hz的频率稳定振动，故B错误； C．增大电源电压而不改变电源频率时，只会增大振针的振动幅度，而不会改变振动片做受迫振动的频率，故C错误； D．断开电源后，振动片做阻尼振动，振幅会逐渐减小，直至停止，故D错误。 故选A。 0501 强化训练 【基础强化】 1．现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。它的基本原理如图所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁铁线圈电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速。上图为侧视图，下图为真空室的俯视图，如果从上向下看，电子沿逆时针方向运动。已知电子的电荷量为e，电子做圆周运动的轨道半径为r，因电流变化而产生的磁感应强度随时间的变化率为（k为一定值）。下列说法中正确的是（    ） A．电子受到的感生电场力提供圆周运动的向心力 B．为使电子加速，感生电场的方向应该沿逆时针方向 C．为使电子加速，当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，电流应该增大 D．电子在圆形轨道中加速一周的过程中，感生电场对电子所做的功为2keπr 【答案】C 【解析】A．电子受到的感生电场力使电子加速，故A错误； B．为使电子加速，电子带负电，应使感生电场方向与电子运动方向相反，由于电子沿逆时针方向运动，故感生电场的方向应该沿顺时针方向，故B错误； C．为使电子加速，当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，若电流增大，根据楞次定律，可知感生电场的方向为顺时针方向，电子将沿逆时针方向做加速运动，故C正确； D．磁感应强度随时间的变化率为，则感生电动势为 感生电场对电子所做的功为 故D错误。 故选C。 2．如图所示，一长玻璃圆管内壁光滑、竖直放置。有一带正电的小球（可视为质点），以速率沿逆时针方向从管口上端贴着管壁水平射入管内，经过一段时间后从底部离开圆管。若再次重复该过程，以相同速率进入管内，同时在此空间加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间均匀增加的磁场。设运动过程中小球所带电量不变，空气阻力不计。以下说法正确的是（　　） A．加磁场后小球离开管口的速率与没加磁场时的速率的大小关系不能确定 B．加磁场后小球离开管口的时间小于没加磁场时的时间 C．加磁场后小球对玻璃管的压力一定不断增大 D．加磁场后，小球在玻璃管中运动时，只有重力做功，故小球与地球组成的系统机械能守恒 【答案】A 【解析】A．加磁场后，因磁场方向竖直向上、磁感应强度B随时间均匀增加，根据楞次定律可知，产生感应电场的方向俯视顺时针方向，与带正电的小球的初速度方向相反，可知小球水平方向将不断被减速，若产生的电场足够强，小球可能会被反向加速，则加磁场后小球离开管口的速率与没加磁场时的速率的大小关系不能确定，故A正确； B．小球进入玻璃管中后，无论是否加磁场，则竖直方向均做自由落体运动，可知加磁场后小球离开管口的时间等于没加磁场时的时间，故B错误； C．根据 可知由于速度可能一直减小，而磁场逐渐增强，则小球对玻璃管的压力无法判断，故C错误； D．根据A选项分析可知，感应电场对小球做负功，则出离玻璃管的机械能一定减小，小球与地球组成的系统机械能不守恒，故D错误。 故选A。 3．工业上常利用感应电炉冶炼合金，装置如图所示。当线圈中通有交变电流时，下列说法正确的是（　　） A．金属中产生恒定感应电流 B．金属中产生交变感应电流 C．若线圈匝数增加，则金属中感应电流减小 D．若线圈匝数增加，则金属中感应电流不变 【答案】B 【解析】AB．当线圈中通有交变电流时，感应电炉金属内的磁通量也不断随之变化，金属中产生交变感应电流，A错误，B正确； CD．若线圈匝数增加，根据电磁感应定律可知，感应电动势增大，则金属中感应电流变大，CD错误。 故选B。 4．下列与电磁感应有关的现象中，说法正确的是（    ） A．甲图变压器把硅钢切成片状的目的是为了增大涡流 B．乙图探雷器使用通以恒定电流的长柄线圈来探测地下是否有较大金属零件的地雷 C．丙图冶炼炉通高频交流电时，冶炼炉会产生涡流，涡流产生热量将炉内金属块融化 D．丁图中磁电式仪表的线圈绕在铝框骨架上，铝框起到了电磁阻尼的作用 【答案】D 【解析】A．甲图变压器把硅钢切成片状的目的是为了减小涡流，A错误； B．乙图探雷器使用通以快速变化电流的长柄线圈来探测地下是否有较大金属零件的地雷，B错误； C．丙图冶炼炉通高频交流电时，金属块会产生涡流，产生大量热量将金属块熔化，C错误； D．丁图磁电式仪表的线圈绕在铝框骨架上，铝框起到了电磁阻尼的作用，D正确。 故选D。 5．关于下列四幅图中，下列说法正确的是（　　） A．甲图是电磁感应实验，说明磁可以生电 B．乙图是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，线圈产生大量热量 C．丙图是金属探测器，探测环中的发射线圈通以正弦式电流，附近的被测金属物中会产生涡流 D．丁图是电吉他中电拾音器的基本结构，金属弦被磁化，弦振动过程中线圈中会产生感应电流，从而使音箱发声。如果选用铜质弦，电吉他也能正常工作 【答案】C 【解析】A．甲图是电流磁效应实验，说明电可以生磁，故A错误； B．乙图是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，在冶炼炉内金属中产生涡流，产生大量热量，故B错误； C．丙图是金属探测器，探测环中的金属线圈通以正弦式电流，附近的被测金属物中会产生涡流，故C正确； D．丁图是电吉他中电拾音器的基本结构，金属弦被磁化，弦振动过程中线圈中会产生感应电流，从而使音箱发声。如果选用铜质弦，不能被磁化，电吉他不能正常工作，故D错误。 故选C。 6．动圈式的话筒和动圈式扬声器结构如图所示，扬声器中的锥形纸盆和话筒中的弹性膜片均与金属线圈粘连在一起，线圈处于永磁体的磁场中，则（　　） A．该扬声器可以当话筒使用 B．扬声器根据电磁感应原理工作的 C．话筒是根据电流的磁效应工作的 D．话筒是将电信号转换成声音信号的传感器 【答案】A 【解析】A．根据动圈式扬声器的结构图可知，当人对着扬声器的锥形纸盆说话时，声音使纸盆振动，与纸盆相连的线圈也会随着振动，从而使得穿过线圈的磁通量发生变化，这时线圈中就会产生随着声音变化的感应电流，所以该扬声器也能当话筒使用，故A正确； B．根据动圈式扬声器的结构图可知，线圈安放在磁铁磁极间的空隙中能够自由运动，按音频变化的电流通过线圈，线圈将受到安培力的作用而运动。由于锥形纸盆与线圈连接，随线圈振动而发声，所以动圈式扬声器的原理是磁场对电流的作用产生的，故B错误； C．根据动圈式话筒的结构图可知，动圈式话筒的膜片与线圈固定在一起，线圈套在磁铁上。当我们对着话筒讲话时，膜片带动线圈一起振动，从而使得穿过线圈的磁通量发生变化，于是线圈中产生了随声音变化的电流，所以话筒是根据电磁感应原理工作的，故C错误； D．话筒作为信号接收端，通过收集声音信号，通过敏感元件，从而将声音信号转换成电信号的传感器，故D错误。 故选A。 【素养提升】 7．如图所示，在O点正下方有一个有理想边界的匀强磁场，铜环在A点由静止释放向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是（　　） A．A、B两点在同一水平线 B．A点高于B点 C．铜环最终将做等幅摆动 D．最终环将静止于最低点 【答案】BC 【解析】AB. 由于铜环进入和离开磁场过程中会产生感应电流，一部分机械能转化为电能，所以铜环运动不到A点的等高点，即B点低于A点，故B正确，A错误； CD. 由于环只在进出磁场的过程中才有机械能转化为焦耳热，故当环的振幅减小到环恰好不能穿出磁场时机械能开始保持不变，此后环做等幅摆动，故C正确，D错误。 故选BC。 8．如图所示，磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是（　　） A．使线圈偏转角度更大 B．使线圈偏转后尽快停下来 C．起电磁阻尼的作用 D．起电磁驱动的作用 【答案】BC 【解析】线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是起电磁阻尼的作用。 故选BC。 9．飞机在航母上弹射起飞可以利用电磁驱动来实现。电磁驱动的原理如图所示，当固定线圈上突然通过直流电流时，线圈附近的金属环会被弹射出去。现在固定线圈左侧的同一位置，先后放置两个分别由铜和铝制成的闭合金属环。已知两环横截面积相等，形状、大小相同，且电阻率，合上开关S瞬间（　　） A．铜环受到的安培力等于铝环受到的安培力 B．若将铜环放置在线圈右方，环将向右运动 C．从左侧看，环中感应电流的方向沿顺时针方向 D．电池正负极调换后，金属环不能向左弹射 【答案】BC 【解析】A.铜环和铝环中产生的感应电动势相同，由于铜环的电阻较小，故铜环中感应电流较大，故铜环受到的安培力要大于铝环，故A错误； B．若环放在线圈右方，根据楞次定律判断线圈中产生从右边看逆时针方向的电流，则原线圈对环有向右的安培力，即环将向右运动，故B正确； C.线圈中电流为右侧流入，磁场方向为向左，在闭合开关的过程中，磁场变强，则由楞次定律可知，感应电流由左侧看为顺时针，故C正确； D．由增反减同可知，电池正负极调换后，放在左边的金属环仍受力向左，故仍将向左弹出，故D错误。 故选BC。 10．神舟十二号乘组在与香港大中学生进行的天地连线中，聂海胜示范了太空踩单车。太空自行车是利用电磁力增加阻力的一种体育锻炼器材。某同学根据电磁学的相关知识，设计了这样的单车原理图：其中圆形结构为金属圆盘，当航天员踩脚踏板时，金属圆盘随之旋转。则下列设计中可行的方案有（　　） A． B． C． D． 【答案】CD 【解析】AB．磁场充满整个圆盘，一次圆盘转动过程中产生的涡流为0，AB错误； CD．金属圆盘看成无数金属辐条组成，根据右手定则判断可知，圆盘上的感应电流流向边缘，所以靠近圆心处电势低，圆盘中磁场不对称，故有感应电流，同时会产生阻力，CD正确。 故选CD。 【能力培优】 11．电磁灶（又叫电磁炉）的基本结构图如图甲所示，利用电磁感应产生涡流的原理对食物进行加热， 利用涡流现象来冶炼钢铁的炼钢炉装置如图乙所示，下列说法正确的是（　　）    A．电磁灶的加热原理先是电能变成磁能，然后产生涡流最后产生焦耳热 B．铁质锅换成铜、铝锅，其加热效果与铁质锅一样 C．炼钢炉通上恒定电流也可以冶炼钢铁 D．炼钢炉的涡流现象与电磁灶的涡流现象本质相同，结构也类似 【答案】AD 【解析】A．电磁灶的加热原理是变化电流产生变化磁场，然后产生涡流最后产生焦耳热，A正确； B．由于铜、铝的电阻比较小，在电磁感应中不能满足需要的发热功率，故铁质锅不能换成铜、铝锅，加热效果不同，B错误； C．炼钢炉通上恒定电流产生的磁场是恒定磁场，通过钢铁的磁通量不变，不会产生涡流即感应电流，则不能冶炼钢铁，C错误； D．炼钢炉的涡流现象与电磁灶的涡流现象本质相同，都是电磁感应现象，结构也类似，都是铁质金属整体能产生涡流的结构装置，D正确。 故选AD。 12．金属探测器已经广泛应用在考场检测、车站安检等领域，其利用的是电磁感应原理：探测器内的线圈中通以大小与方向快速变化的电流从而产生快速变化的磁场，该磁场会在金属物体内部感应出“涡流”（感应电流）。“涡流”会产生磁场，从而影响原始磁场，导致检测器发出蜂鸣声而报警．下列说法正确的是（　　） A．欲使待检测物体内部产生“涡流”（感应电流），探测器需在待检测物上方不停地晃动 B．探测器静止在待检测物上方，待检测物内部仍然可以产生“涡流”（感应电流） C．若待检测物为塑料则不能报警，因为检测区域内没有磁通量变化 D．若待检测物为塑料则不能报警，因为待检测物中没有能够自由移动的带电粒子或很少 【答案】BD 【解析】AB．因为金属探测器中通的是大小与方向快速变化的电流，以致产生高速变化的磁场，故即使探测器静止在待检测物的上方，待检测物中依然有感应电流产生，故A错误，B正确； CD．因为塑料制品近乎于绝缘体，导电性能极差，所以监测区域中并非没有磁通量变化，而是因为塑料内部没有可自由移动的带电粒子或极少，而使得待检测物体中无感应电流或电流太小不能引起报警，故C错误，D正确。 故选BD。 13．如图所示，把一个闭合线圈放在蹄形磁铁两磁极之间（两磁极间磁场可视为匀强磁场），蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO′轴转动。当蹄形磁铁匀速转动时，线圈也开始转动，当线圈的转动稳定后，有（　　） A．线圈与蹄形磁铁的转动方向相同 B．线圈与蹄形磁铁的转动方向相反 C．线圈中产生交变电流 D．线圈中产生为大小改变、方向不变的电流 【答案】AC 【解析】AB．根据楞次定律可知，为阻碍磁通量变化，则导致线圈与磁铁转动方向相同，但快慢不一，线圈的转速一定比磁铁转速小，故A正确，B错误； CD．最终达到稳定状态时磁铁比线圈的转速大，则磁铁相对线圈中心轴做匀速圆周运动，所以产生的电流为交流电，故C正确，D错误。 故选AC。 14．为防止意外发生，游乐场等大型设施都配备有电磁阻尼装置，如图所示为某款阻尼缓冲装置的原理示意图：带有光滑轨道的机械主体，能产生垂直缓冲轨道平面的匀强磁场，边缘绕有闭合矩形线圈abcd的高强度缓冲滑块撞到竖直墙时，被瞬间强制制动，机械主体以及磁场由于惯性继续缓冲减速，对缓冲过程，下列说法正确的是（　　） A．线圈bc段受到向右的安培力 B．同一匝线圈中b端的电势高于c端的电势 C．线圈ab段中电流方向为由b到a D．若磁场反向，则装置起不到缓冲作用 【答案】BC 【解析】AB．缓冲过程中，线圈bc段切割磁感线，根据右手定则，感应电流方向为c到b，线圈bc段受到向左的安培力作用，A错误，B正确； CD．感应电流方向为c到b，b端的电势高于c端的电势，线圈ab段中电流方向为由b到a；磁场反向时，感应电流方向反向，线圈bc段受到的安培力方向仍然向左，仍起到缓冲作用，C正确，D错误； 故选BC。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！20 学科网（北京）股份有限公司 $$ 2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动 学习目标 课程标准 物理素养 1.了解感生电场的概念，了解电子感应加速器的工作原理. 2.理解涡流的产生原理，了解涡流在生产和生活中的应用. 3.理解电磁阻尼和电磁驱动的原理，了解其在生产和生活中的应用． 物理观念：涡流是一种特殊的电磁感应现象，在生产生活以及实验教学等方面有许多应用。 科学思维：涡流及其成因、涡流的热效应和机械效应等。 科学探究：从能量的角度来分析电磁驱动现象和电磁阻尼现象。 科学态度与责任：通过涡流的应用、电磁阻尼和电磁驱动的应用，体会物理知识与科学技术的关系。 02 思维导图 03 知识梳理 （1） 课前研读课本，梳理基础知识： 一、电磁感应现象中的感生电场 1．感生电场 认为，磁场变化时会在空间激发一种 ，这种电场叫作感生电场． 2．感生电动势 由感生电场产生的电动势叫感生电动势． 3．电子感应加速器 电子感应加速器是利用 使电子加速的设备，当电磁铁线圈中 的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速． 二、涡流 1．涡流：当线圈中的 随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，用图表示这样的感应电流，就像水中的漩涡，所以把它叫作 ，简称 ． 2．金属块中的涡流会产生 ，利用涡流产生的 可以冶炼金属． 三、电磁阻尼 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 导体的运动，这种现象称为电磁阻尼． 四、电磁驱动 若磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到 的作用， 使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动． 04 题型精讲 【题型一】电磁感应现象中的感生电场 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＝n计算． 【典型例题1】英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发感生电场。如图所示，一个半径为r的绝缘细圆环水平放置，环内存在竖直向上的匀强磁场，环上套一带电荷量为+q的小球。已知磁感应强度B随时间均匀增加，其变化率为k，若小球在环上运动一周，则感生电场对小球的作用力所做功的大小是（　　） A．0 B． C． D． 【典型例题2】麦克斯韦从场的观点出发，认为变化的磁场会激发感生电场。如图甲所示，半径为r的绝缘光滑真空管道（内径远小于半径r）固定在水平面上，管内有一质量为m、带电量为的小球，直径略小于管道内径。真空管处在匀强磁场中，磁感应强度B随时间变化如图乙所示，规定竖直向上为正方向。时刻无初速释放小球。下列说法正确的是（　　） A．俯视真空管道，感生电场的方向是逆时针 B．感生电场对小球的作用力大小为 C．小球绕环一周，感生电场做功为 D．时刻管道对小球的作用力大小 【对点训练1】现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备，它的基本原理如图甲所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室。当电磁铁线圈通入如图乙所示的正弦式交变电流时，真空室中产生磁场，电子在真空室中做圆周运动。以图甲中所示电流方向为正方向，俯视看在0~和~T两个时间段内电子的运动，下列说法正确的是（　　） A．电子都沿逆时针做加速圆周运动 B．0~内电子沿逆时针做加速圆周运动，~T内电子沿逆时针做减速圆周运动 C．0~内电子沿逆时针做减速圆周运动，~T内电子沿逆时针做加速圆周运动 D．0~内电子沿逆时针做加速圆周运动，~T内电子无法做圆周运动 【对点训练2】如图所示，水平放置的内壁光滑半径为R的玻璃圆环，有一直径略小于圆环口径的带正电q的小球，在圆环内以速度沿顺时针方向匀速转动（俯视）。在时刻施加方向竖直向上的变化磁场，磁感应强度。设运动过程中小球带电荷量不变，不计小球运动产生的磁场及相对论效应。加上磁场后，下列说法正确的是（　　） A．小球对玻璃圆环的压力不断增大 B．小球对玻璃圆环的压力不断减小 C．小球所受的磁场力一定不断增大 D．小球每运动一周增加的动能为 【题型二】涡流 1．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． 2．产生涡流时的能量转化 (1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能． (2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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． 3．涡流的应用与防止 (1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等． (2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯． 【典型例题3】下列设备中工作原理与涡流无关的是（    ） A．冶炼炉 B．电磁炉 C．微波炉 D．金属探测器 【典型例题4】如图，安检门是检测人员有无携带金属物品的探测装置，它由发射器发射出正弦交流信号，再由传感器接收金属物发出的信号，信号经过放大处理，当信号量达到设定值时即以声光形式产生报警。当某人携带手机经过安检门时，下列说法正确的是（　　） A．手机中出现的涡流方向不变 B．手机中出现的涡流受到的安培力方向不变 C．手机中出现涡流的频率与发射器发出的交流电频率不相同 D．发射器发射出交流信号频率越高，涡流越大 【对点训练3】金属冶炼炉的示意图如图所示，炉内装入被冶炼的金属，线圈通入某种电流，这时被冶炼的金属就能熔化。这种冶炼方法速度快，温度容易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼金属中，因此适于冶炼特种金属。关于该金属冶炼炉，下列说法正确的是（　　） A．利用线圈中电流的热效应 B．当线圈中电流变化越快，冶炼炉热功率越大 C．电流变化得越快，金属熔化得越快 D．炉中金属的电阻率越大，金属熔化得越快 【对点训练4】管道高频焊机可以对由钢板卷成的圆管的接缝实施焊接，焊机的原理如图所示，圆管通过一个接有高频交流电源的线圈，线圈所产生的交变磁场使圆管中产生感应电流，电流产生的热量使接缝处的材料熔化将其焊接。焊接过程中所利用的电磁学规律的发现者为（　　） A．库仑 B．密立根 C．法拉第 D．洛伦兹 【题型三】电磁阻尼和电磁驱动 电磁阻尼和电磁驱动的比较 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由导体在磁场中运动形成的 由磁场运动而形成的 效果 安培力方向与导体运动方向相反，为阻力 安培力方向与导体运动方向相同，为动力 能量 转化 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 共同点 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间的相对运动 【典型例题5】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 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量 D．运动稳定后，小球的转速最后等于n 【典型例题6】物理学中有很多关于圆盘的实验，第一个是法拉第圆盘，圆盘全部处于磁场区域，可绕中心轴转动，通过导线将圆盘圆心和边缘与外面电阻相连。第二个是阿拉果圆盘，将一铜圆盘水平放置，圆盘可绕中心轴自由转动，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，以下说法正确的是（　　） A．法拉第圆盘在转动过程中，圆盘中磁通量不变，无感应电动势，无感应电流 B．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘，小磁针会同向转动，反之，转动小磁针，圆盘则不动 C．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘，小磁针会同向转动，但会滞后于圆盘 D．法拉第圆盘和阿拉果圆盘都是电磁驱动的表现 【对点训练5】如图甲所示，一轻质弹簧上端固定，下端悬挂一个体积很小的磁铁，在小磁铁正下方桌面上放置一个闭合铜制线圈。将小磁铁从初始静止的位置向下拉到某一位置后放开，小磁铁将做阻尼振动，位移x随时间t变化的示意图如图乙所示（初始静止位置为原点，向上为正方向，经t0时间，可认为振幅A衰减到0）。不计空气阻力，下列说法正确的是（　　） A．x＞0的那些时刻线圈对桌面的压力小于线圈的重力 B．x=0的那些时刻线圈中没有感应电流 C．更换电阻率更大的线圈，振幅A会更快地衰减到零 D．增加线圈的匝数，t0会减小，线圈产生的内能不变 【对点训练6】 如图所示为电磁打点计时器的部分结构示意图，它由底板、励磁线圈、永磁体和带有打点振针的振动片等组成．当线圈中通以6～8V、50Hz的交变电流时，电流的磁场使振动片磁化，其右端就会在永磁体的磁场中上下振动，从而使振针在拖动的纸带上打出点迹．下列关于电磁打点计时器的说法中正确的是（　　） A．当线圈中通有如图所示方向的电流时，振动片右侧受到向上的磁场力 B．接通电源后，振动片就立即以其固有频率持续稳定的振动 C．在允许的范围内增大电源电压时，会增大振针的打点频率 D．断开打点计时器电源的瞬间，振动片立即停止振动 0501 强化训练 【基础强化】 1．现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。它的基本原理如图所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁铁线圈电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速。上图为侧视图，下图为真空室的俯视图，如果从上向下看，电子沿逆时针方向运动。已知电子的电荷量为e，电子做圆周运动的轨道半径为r，因电流变化而产生的磁感应强度随时间的变化率为（k为一定值）。下列说法中正确的是（    ） A．电子受到的感生电场力提供圆周运动的向心力 B．为使电子加速，感生电场的方向应该沿逆时针方向 C．为使电子加速，当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，电流应该增大 D．电子在圆形轨道中加速一周的过程中，感生电场对电子所做的功为2keπr 2．如图所示，一长玻璃圆管内壁光滑、竖直放置。有一带正电的小球（可视为质点），以速率沿逆时针方向从管口上端贴着管壁水平射入管内，经过一段时间后从底部离开圆管。若再次重复该过程，以相同速率进入管内，同时在此空间加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间均匀增加的磁场。设运动过程中小球所带电量不变，空气阻力不计。以下说法正确的是（　　） A．加磁场后小球离开管口的速率与没加磁场时的速率的大小关系不能确定 B．加磁场后小球离开管口的时间小于没加磁场时的时间 C．加磁场后小球对玻璃管的压力一定不断增大 D．加磁场后，小球在玻璃管中运动时，只有重力做功，故小球与地球组成的系统机械能守恒 3．工业上常利用感应电炉冶炼合金，装置如图所示。当线圈中通有交变电流时，下列说法正确的是（　　） A．金属中产生恒定感应电流 B．金属中产生交变感应电流 C．若线圈匝数增加，则金属中感应电流减小 D．若线圈匝数增加，则金属中感应电流不变 4．下列与电磁感应有关的现象中，说法正确的是（    ） A．甲图变压器把硅钢切成片状的目的是为了增大涡流 B．乙图探雷器使用通以恒定电流的长柄线圈来探测地下是否有较大金属零件的地雷 C．丙图冶炼炉通高频交流电时，冶炼炉会产生涡流，涡流产生热量将炉内金属块融化 D．丁图中磁电式仪表的线圈绕在铝框骨架上，铝框起到了电磁阻尼的作用 5．关于下列四幅图中，下列说法正确的是（　　） A．甲图是电磁感应实验，说明磁可以生电 B．乙图是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，线圈产生大量热量 C．丙图是金属探测器，探测环中的发射线圈通以正弦式电流，附近的被测金属物中会产生涡流 D．丁图是电吉他中电拾音器的基本结构，金属弦被磁化，弦振动过程中线圈中会产生感应电流，从而使音箱发声。如果选用铜质弦，电吉他也能正常工作 6．动圈式的话筒和动圈式扬声器结构如图所示，扬声器中的锥形纸盆和话筒中的弹性膜片均与金属线圈粘连在一起，线圈处于永磁体的磁场中，则（　　） A．该扬声器可以当话筒使用 B．扬声器根据电磁感应原理工作的 C．话筒是根据电流的磁效应工作的 D．话筒是将电信号转换成声音信号的传感器 【素养提升】 7．如图所示，在O点正下方有一个有理想边界的匀强磁场，铜环在A点由静止释放向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是（　　） A．A、B两点在同一水平线 B．A点高于B点 C．铜环最终将做等幅摆动 D．最终环将静止于最低点 8．如图所示，磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是（　　） A．使线圈偏转角度更大 B．使线圈偏转后尽快停下来 C．起电磁阻尼的作用 D．起电磁驱动的作用 9．飞机在航母上弹射起飞可以利用电磁驱动来实现。电磁驱动的原理如图所示，当固定线圈上突然通过直流电流时，线圈附近的金属环会被弹射出去。现在固定线圈左侧的同一位置，先后放置两个分别由铜和铝制成的闭合金属环。已知两环横截面积相等，形状、大小相同，且电阻率，合上开关S瞬间（　　） A．铜环受到的安培力等于铝环受到的安培力 B．若将铜环放置在线圈右方，环将向右运动 C．从左侧看，环中感应电流的方向沿顺时针方向 D．电池正负极调换后，金属环不能向左弹射 10．神舟十二号乘组在与香港大中学生进行的天地连线中，聂海胜示范了太空踩单车。太空自行车是利用电磁力增加阻力的一种体育锻炼器材。某同学根据电磁学的相关知识，设计了这样的单车原理图：其中圆形结构为金属圆盘，当航天员踩脚踏板时，金属圆盘随之旋转。则下列设计中可行的方案有（　　） A． B． C． D． 【能力培优】 11．电磁灶（又叫电磁炉）的基本结构图如图甲所示，利用电磁感应产生涡流的原理对食物进行加热， 利用涡流现象来冶炼钢铁的炼钢炉装置如图乙所示，下列说法正确的是（　　）    A．电磁灶的加热原理先是电能变成磁能，然后产生涡流最后产生焦耳热 B．铁质锅换成铜、铝锅，其加热效果与铁质锅一样 C．炼钢炉通上恒定电流也可以冶炼钢铁 D．炼钢炉的涡流现象与电磁灶的涡流现象本质相同，结构也类似 12．金属探测器已经广泛应用在考场检测、车站安检等领域，其利用的是电磁感应原理：探测器内的线圈中通以大小与方向快速变化的电流从而产生快速变化的磁场，该磁场会在金属物体内部感应出“涡流”（感应电流）。“涡流”会产生磁场，从而影响原始磁场，导致检测器发出蜂鸣声而报警．下列说法正确的是（　　） A．欲使待检测物体内部产生“涡流”（感应电流），探测器需在待检测物上方不停地晃动 B．探测器静止在待检测物上方，待检测物内部仍然可以产生“涡流”（感应电流） C．若待检测物为塑料则不能报警，因为检测区域内没有磁通量变化 D．若待检测物为塑料则不能报警，因为待检测物中没有能够自由移动的带电粒子或很少 13．如图所示，把一个闭合线圈放在蹄形磁铁两磁极之间（两磁极间磁场可视为匀强磁场），蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO′轴转动。当蹄形磁铁匀速转动时，线圈也开始转动，当线圈的转动稳定后，有（　　） A．线圈与蹄形磁铁的转动方向相同 B．线圈与蹄形磁铁的转动方向相反 C．线圈中产生交变电流 D．线圈中产生为大小改变、方向不变的电流 14．为防止意外发生，游乐场等大型设施都配备有电磁阻尼装置，如图所示为某款阻尼缓冲装置的原理示意图：带有光滑轨道的机械主体，能产生垂直缓冲轨道平面的匀强磁场，边缘绕有闭合矩形线圈abcd的高强度缓冲滑块撞到竖直墙时，被瞬间强制制动，机械主体以及磁场由于惯性继续缓冲减速，对缓冲过程，下列说法正确的是（　　） A．线圈bc段受到向右的安培力 B．同一匝线圈中b端的电势高于c端的电势 C．线圈ab段中电流方向为由b到a D．若磁场反向，则装置起不到缓冲作用 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！14 学科网（北京）股份有限公司 $$