第2章 第3节 涡流，电磁阻尼和电磁驱动（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中物理选择性必修 第二册（人教版2019）

第3节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 [学习目标] 1.了解感生电场，知道感生电动势产生的原因；了解涡流、电磁阻尼和电磁驱动的概念；了解涡流现象的利用和危害(物理观念).1.会判断感生电动势的方向，并会进行相关计算；通过对涡流实例的分析，理解涡流在生产、生活中的应用(科学思维).3.观察电磁阻尼和电磁驱动现象，了解电磁阻尼和电磁驱动的原理(科学探究).4.通过对本节的学习，能体会电磁感应技术的应用对人类生活和社会发展的影响(科学态度与责任)． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 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． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 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． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 电磁阻尼和电磁驱动 1．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． 2．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，这种作用称为电磁驱动． 1．判断下列说法的正误． (1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象，不遵从电磁感应定律．(　×　) (2)通过减小铁芯材料的电阻率可以减小涡流．(　×　) (3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流．(　√　) (4)电磁阻尼现象中的能量转化是导体克服安培力做功，把其他形式的能转化为电能，最终转化为内能．(　√　) 2．下列关于涡流的说法正确的是(　　) A．涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的 B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流 C．涡流有热效应，但没有磁效应 D．在硅钢片中不能产生涡流 答案　A 解析　涡流是一种特殊的电磁感应现象，它是感应电流，既有热效应，又有磁效应；硅钢片中能产生涡流，只是电流较小，选项A正确． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 电磁感应现象中的感生电场 【情境导学】 如图，一个闭合电路静止于磁场中，由于磁场强弱发生变化，闭合电路内也能产生感生电动势和感生电流吗？ 答案　导体中的自由电荷在感生电场作用下做定向运动，能产生感应电动势和感应电流． 1．感生电场的理解 (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．感生电场是一种漩涡状电场，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和安培定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝n计算． 2．感生电场与静电场的区别 静电场 感生电场 产生条件 由电荷激发 由变化的磁场激发 电场线 特点 静电场的电场线不闭合，总是始于正电荷或无穷远处，终止于负电荷或无穷远处，不闭合、不相交、也不相切 感生电场的电场线是闭合曲线，没有终点和起点 电场对 电荷做功 单位正电荷在静电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功为零 单位正电荷在感生电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功不为零 电场方 向的判 断方法 正电荷所受电场力的方向与静电场的方向一致，沿电场线的切线方向 感生电场方向是根据磁场的变化情况由楞次定律和安培定则判断的 3.感生电场的方向与感应电流的方向相同，因此可由楞次定律根据“一原二变三感四螺旋”的方法确定感生电场的方向． 【例题1】 关于感生电场，下列说法正确的是(　　) A．感生电场由变化的磁场产生 B．恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场 C．感生电场的方向也同样可以用楞次定律和右手定则来判定 D．感生电场的电场线是闭合曲线，其方向一定是沿逆时针方向 思维导引：(1)感生电场是由变化的磁场产生的；(2)感生电场的方向与感应电流的方向相同． 答案　A 解析　磁场变化时在空间激发感生电场，其方向与所产生的感应电流方向相同，且只能由楞次定律判断，选项A正确． 【变式1】 如图所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于圆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，若运动过程中小球所带电荷量不变，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．小球仍做匀速圆周运动 答案　C 解析　因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的感应电场，电场力对带正电的小球做功，由楞次定律可判断感生电场方向为顺时针方向，在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动，选项C正确，D错误；磁场力方向始终与小球做圆周运动的线速度方向垂直，所以磁场力对小球不做功，选项A错误；小球的速率先减小到零后增大，开始时B＝0，F＝0，小球速率为零时，F＝0，可知小球受到的磁场力不是不断增大的，选项B错误． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 涡流 【情境导学】 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，请问铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ 答案　铁块中有感应电流，它的形状像水中的涡流． 1．涡流产生的本质：电磁感应现象． 2．涡流产生的条件：穿过金属块的磁通量发生变化，涡流的大小正比于磁通量的变化率． 3．涡流的特点：整个金属块回路的电阻一般很小，涡电流很大，发热功率很大． 4．能量转化：金属块放在变化的磁场中，磁场能转化为电能，电能在金属块中转化为内能，导体内部发热的原理是电流的热效应，由Q＝I2Rt可知，在电流相同的情况下，电阻越大、时间越长，产生的热量越多． 【例题2】 (多选)如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有(　　) A．增加线圈的匝数 B．提高交流电源的频率 C．将金属杯换为瓷杯 D．取走线圈中的铁芯 思维导引：(1)交变电源产生变化的磁场，磁场在金属杯中产生涡流；(2)由法拉第电磁感应定律知，匝数增多、频率变大都会使感应电动势增大，有铁芯要比没有铁芯时的磁场强；(3)瓷杯是绝缘体，不形成涡流． 答案　AB 解析　增大线圈的匝数，可以增大通过金属杯的磁通量及磁通量的变化率，从而增大金属杯中产生的感应电流的大小，增大加热功率，缩短加热时间，选项A正确；提高交流电源的频率，最大磁通量不变，但电流交替变化加快也能提高磁通量的变化率，产生更大的感应电流，达到缩短加热时间的目的，选项B正确；瓷杯是绝缘体，不能产生感应电流，不能加热，选项C错误；取走铁芯，金属杯中的磁通量变小，磁通量的变化率也变小，从而导致加热功率变小，加热时间加长，选项D错误． 【变式2】 (多选)高频焊接原理示意图，如图所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中会产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，要使焊接处产生的热量较大可采用(　　) A．增大交变电流的电压 B．增大交变电流的频率 C．增大焊接缝的接触电阻 D．减小焊接缝的接触电阻 答案　ABC 解析　增大交变电流的电压和交变电流的频率均可使电流的变化率增大，由E＝n知，感应电动势和涡流均增大，焊接处的发热功率增大；若增大焊接缝的接触电阻，则焊接处的电压、功率分配就越大，产生的热量就会越大，选项A、B、C正确，D错误． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 电磁阻尼和电磁驱动 【情境导学】 弹簧上端固定，下端悬挂一个磁体．将磁体托起到某一高度后放开，磁体能上下振动较长时间才停下来．如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈，使磁体上下振动时穿过它(如图所示)，磁体就会很快停下来，解释这个现象． 答案　当磁体穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁体靠近或离开线圈，也就使磁体振动时除了受空气阻力外，还要受到线圈的磁场阻力，克服阻力需要做的功较多，机械能损失较快，因而会很快停下来． 电磁阻尼与电磁驱动的比较 电磁阻尼 电磁驱动 不 同 点 成因 由于导体在磁场中运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力 由于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 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 联系 都属于电磁感应现象，电磁阻尼和电磁驱动中的安培力都阻碍导体与磁体间的相对运动 【例题3】 (多选)如图所示，磁电式仪表的线圈通常用铝框作为骨架，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 思维导引：(1)闭合铝框处于磁场中，当铝框转动时会因切割磁感线而产生感应电流；(2)由楞次定律知，感应电流要阻碍相对运动． 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，选项B、C正确，A、D错误． 【变式3】 如图所示，蹄形磁体和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动．从上向下看，当蹄形磁体逆时针转动时(　　) A．线圈将逆时针转动，转速与磁体相同 B．线圈将逆时针转动，转速比磁体小 C．线圈将逆时针转动，转速比磁体大 D．线圈静止不动 答案　B 解析　当蹄形磁体转动时，线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电流，产生安培力，故线圈一定会转动，由楞次定律可知，线圈将与磁体同向转动，但转速一定小于磁体的转速，如两者的转速相同，磁感线与线圈处于相对静止状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，选项B正确，A、C、D错误． 1．(涡流)如图所示，金属探测器是用来探测金属的仪器，关于其工作原理，下列说法正确的是(　　) A．探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场 B．只有有磁性的金属才会被探测器探测到 C．探测到金属是因为金属中产生了涡流 D．探测到金属是因为探测器中产生了涡流 答案　C 解析　金属探测器探测金属时，探测器内的探测线圈会产生变化的磁场，被测金属中产生了涡流，选项A、D错误，C正确；所有的金属都能在变化的磁场中产生涡流，选项B错误． 2．(涡流)如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水．给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是(　　) A．恒定直流、小铁锅 B．恒定直流、玻璃杯 C．变化的电流、小铁锅 D．变化的电流、玻璃杯 答案　C 解析　通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流；通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，在空间中产生感生电场，小铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温，选项C正确． 3．(电磁驱动)如图所示，闭合导线圆环和条形磁铁都可以绕水平的中心轴OO′自由转动，开始时磁铁和圆环都静止在竖直平面内．若条形磁铁突然绕OO′轴N极向纸里、S极向纸外转动，则在此过程中，圆环将(　　) A．产生逆时针方向的感应电流，圆环上端向里、下端向外随磁铁转动 B．产生顺时针方向的感应电流，圆环上端向外、下端向里转动 C．产生逆时针方向的感应电流，圆环并不转动 D．产生顺时针方向的感应电流，圆环并不转动 答案　A 解析　磁铁转动时，环中穿过环向里的磁通量增加，根据楞次定律，环中产生逆时针方向的感应电流；磁铁转动时，为阻碍磁通量的变化，导线圆环与磁铁同向转动，选项A正确． 4．(电磁阻尼)如图甲所示是一个电磁阻尼现象演示装置，钢锯条上端固定在支架上，下端固定有强磁铁，将磁铁推开一个角度释放，它会在竖直面内摆动较长时间；如图乙所示，若在其正下方固定一铜块(不与磁铁接触)，则摆动迅速停止．关于实验，以下分析与结论正确的是(　　) 　 A．如果将磁铁的磁极调换，重复实验将不能观察到电磁阻尼现象 B．用闭合的铜制线圈替代铜块，重复实验将不能观察到电磁阻尼现象 C．在图乙情况中，下摆和上摆过程中磁铁和锯条组成的系统机械能均减少 D．在摆动过程中铜块不受磁铁的作用力 答案　C 解析　当磁铁在铜块上面摆动时，在铜块中产生涡流，与磁场相互作用阻碍磁铁的运动；如果将磁铁的磁极调换，重复实验仍能观察到电磁阻尼现象，选项A错误；用闭合的铜制线圈替代铜块，仍能在线圈中产生感应电流，从而对磁铁产生阻碍作用，则重复实验仍能观察到电磁阻尼现象，选项B错误；在图乙情况中，下摆和上摆过程中均会产生涡流从而消耗机械能，则磁铁和锯条组成的系统机械能均减少，选项C正确；由上述分析可知，在摆动过程中铜块对磁铁有阻碍作用，同时铜块也要受磁铁的作用力，选项D错误． 学科网（北京）股份有限公司 $$