2.3 涡流 电磁阻尼 电磁驱动-【金版教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册创新导学案教用Word（教科版2019）

物理 选择性必修 第二册(教科) 3．涡流　电磁阻尼　电磁驱动 1．了解涡流是怎样产生的。2.通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用，了解涡流的危害及防止。3.了解电磁阻尼和电磁驱动及其应用。 一　涡流 1．定义：由于电磁感应，在大块金属中会形成感应电流，电流在金属块内组成闭合回路，很像水的漩涡，因此叫作涡电流，简称涡流。 2．特点 大块金属沿涡流路径的电阻一般很小，不大的感应电动势就能在它内部形成强大的涡电流，释放出大量的焦耳热。 3．涡流热效应的危害及防止 涡流的热效应对于通交变电流、有铁芯的装置如变压器、电动机等的运行是有害的，为了降低涡流造成的损耗，变压器和电机中的铁芯都不用整块金属，而是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成的。 4．涡流热效应的利用 涡流有时有害，要加以限制，有时又可以利用，比如高频感应炉和电磁炉。 (1)高频感应炉的优点：速度快，温度容易控制，能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，适于冶炼特种合金和特种钢。 (2)电磁炉的优点：电磁炉在热量转化过程中的损耗低，热效率可以高达83%，耗电只有普通电炉的63%。此外，它还具有使用方便、安全等优点。 二　电磁阻尼和电磁制动 1．概念：当闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体的运动，这种现象叫作电磁阻尼。 2．应用——电磁制动：磁电式电表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置，便于读数；电动列车普遍使用了电磁制动技术。 三　电磁驱动 1．概念：感应电流受到安培力使物体运动的现象。 2．应用：感应电动机等。 判一判 (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象，不遵从法拉第电磁感应定律。(　　) (2)涡流的方向可用楞次定律判断。(　　) (3)变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，目的是减小涡流。(　　) (4)电磁阻尼是楞次定律的一种体现。(　　) (5)电磁驱动中不满足能量的转化与守恒定律。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)× 探究　涡流 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：在图a中，当磁铁插入、拔出铜环时，铜环上会出现感应电流吗？如果有，它的形状是什么样的？ 提示：在图a中，当磁铁插入、拔出铜环时，穿过铜环的磁通量发生了变化，铜环中将产生沿着铜环的环形感应电流。 活动2：在图b中，铜管外缠上绝缘导线，并通以交变电流，铜管上会出现感应电流吗？如果有，它的形状是什么样的？ 提示：在图b中的铜管的横截面是圆环，因此，铜管可以看成由许多圆环组成。绕在管外的线圈通上交流电以后，穿过每个圆环的磁通量都发生了变化，都产生了环形感应电流，这样整个铜管内部都有环形感应电流存在。 活动3：在图c中，铜柱外缠上绝缘导线，并通以交变电流，铜柱上会有感应电流产生吗？如果有，它的形状是什么样的？ 提示：在图c中，铜柱又可以看成由许多半径逐渐变化的铜管组成，每个铜管都能产生感应电流，因此整个铜柱都有沿着同一方向环绕的环形电流。 1．涡流的产生 涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，穿过这些闭合电路的磁通量变化，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流，即导体内部产生了涡流。 2．涡流的特点 大块金属沿涡流路径的电阻一般很小，不大的感应电动势就能在它内部形成强大的涡电流，释放出大量的焦耳热。 3．涡流的应用、防止 (1)涡流的应用 ①高频感应炉 图甲是冶炼金属的高频感应炉的示意图，这种电炉利用涡流熔化金属。冶炼锅内装入被冶炼的金属，让高频交流电通过炉外缠绕的线圈，被冶炼的金属内部就产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。这种方法速度快，温度容易控制，能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，适于冶炼特种合金和特种钢。 ②电磁炉 电磁炉的结构如图乙所示，当灶内的励磁线圈通有交变电流时，形成交变磁场，交变的磁感线从铁磁材料制成的烹饪锅的锅底穿过，使锅底产生涡流，从而发热。 ③金属探测器 仪器线圈中有变化的电流，会使周围的金属中感应出涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。 (2)涡流的危害 涡流的热效应对于通交变电流、有铁芯的装置如变压器、电动机等的运行是有害的，这是由于涡流产生的热不但会消耗很多能量，而且会使铁芯的温度升高，缩短线圈绝缘材料的寿命甚至酿成灾祸。 (3)涡流的防止 减小涡流的途径之一是增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大。另一个途径就是用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。 例1　(多选)电磁炉热效率高达83%，炉面无明火，无烟无废气，“火力”强劲，安全可靠。图示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是(　　) A．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 B．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 C．锅底的涡流方向与线圈平面平行 D．锅底厚一些加热效果更好 使用非金属材料锅底时，电磁炉还能加热吗？ 提示：不能。 [规范解答]　根据电磁炉的工作原理可知，电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，A正确；金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅是用绝缘材料制作的，不会产生涡流，B错误；通电线圈在锅底处产生的磁场垂直于线圈平面，根据楞次定律与安培定则可知，锅底的涡流方向与线圈平面平行，C正确；锅底较厚时，沿涡流路径的电阻较小，根据P＝，相同情况下发热功率更大，加热效果更好，D正确。 [答案]　ACD 　涡流问题的两点注意 (1)涡流是整块导体内部自身形成闭合回路发生的电磁感应现象，同样遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律等。 (2)磁场变化越快，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越强。 [变式训练1]　(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成，而不是采用一整块硅钢，这是为了(　　) A．增大涡流，提高变压器的效率 B．减小涡流，提高变压器的效率 C．增大涡流，减小铁芯的发热量 D．减小涡流，减小铁芯的发热量 答案　BD 解析　涡流产生的热不但会消耗很多能量，而且会使铁芯的温度升高，缩短线圈绝缘材料的寿命，甚至酿成灾祸，所以变压器的铁芯不采用整块硅钢，而采用相互绝缘的薄硅钢片叠压在一起，是为了减小涡流，减小铁芯的发热量，进而提高变压器的效率，故B、D正确。 探究　电磁阻尼与电磁驱动 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：如图甲所示，把金属制成的摆，悬挂在电磁铁的两极之间，并使之摆动。当电磁铁不通电时，摆的运动能维持较长时间；电磁铁通电后，摆动很快就停下来了，这是为什么呢？ 提示：摆在不均匀的磁场中运动会产生涡流。根据楞次定律，这种涡流产生的磁场总是要阻碍摆在磁场中的运动，因此在这种阻力的作用下，摆会很快停下来。 活动2：如图乙，磁电式电表的线圈绕在轻铝框上，指针也固定在铝框上。假定电表工作时指针向右转动，由于铝框转动时其中有感应电流，铝框要受到安培力。安培力对铝框的转动产生什么影响？ 提示：根据楞次定律的推论“来拒去留”，铝框受到的安培力会阻碍铝框相对磁极的转动。 活动3：如图丙所示，把蹄形磁体的两极靠近一个金属圆盘，但不接触。当磁体绕轴转动时，圆盘也绕轴转动起来。为什么会发生这样的现象？ 提示：在图丙中，当磁体转动起来后，圆盘中产生涡流，磁场对此涡流所施加的安培力阻碍它与磁体的相对运动，因而圆盘跟着磁体运动起来(但转速要低于磁体的转速)。 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 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磁场运动方向相同，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，从而对外做功 相同点 两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动 　电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动，应注意电磁驱动中阻碍的结果——导体的运动速度仍小于磁场的运动速度。 例2　(多选)我们熟知磁体不能吸引金银。但最近媒体报道了几起怪事，有人发现从正规渠道购买的金条能被磁体“吸”得动起来，当强磁体对着金条前后快速移动时，金条被“吸”得前后摆动，于是就怀疑金条有问题，但通过专业检测这些金条都符合国家标准。如图所示，检测员再次用强磁体在金条旁边上下、左右、前后缓慢移动时，未发现金条被吸引的现象，只有在前后快速移动磁体时才发现吸引现象，对此现象下列解释合理的是(　　) A．金条被“吸”是因为手的运动带动空气流动 B．前后快速移动磁体时磁通量变化较快，金条中产生感应电流，从而和磁体发生相互作用，发生摆动 C．前后缓慢移动磁体时，金条中磁通量不发生变化，所以没有感应电流 D．上下或左右缓慢移动磁体时，磁通量变化较慢，金条中感应电流很小，和磁体相互作用很弱，不足以观察到金条摆动 强磁体在金条旁边前后移动时，金条中会产生感应电流吗？ 提示：穿过金条的磁通量变化，金条中会产生感应电流。 [规范解答]　当磁体快速前后移动时，穿过金条的磁通量变化较快，金条中产生感应电流，从而和磁体发生相互作用，发生摆动，故A错误，B正确；当磁体在金条旁边上下、左右、前后缓慢移动时，穿过金条的磁通量变化较慢，金条中感应电流很小，和磁体相互作用很弱，不足以观察到金条摆动，故C错误，D正确。 [答案]　BD 　电磁阻尼、电磁驱动的几点说明 (1)电磁阻尼是感应电流受到的安培力对导体做负功，阻碍导体运动，而电磁驱动是感应电流受到的安培力对导体做正功，推动导体运动。 (2)在电磁驱动中，主动部分与被动部分的运动(或转动)方向一致，被动部分的速度(或角速度)较小。 (3)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，在这两种现象中可以运用楞次定律的推论分析导体的受力情况，运用动力学知识和能量守恒定律分析导体的运动情况和能量转化情况。 (4)从能量转化的情况看，电磁驱动过程是磁体的机械能先转化为电能，电能再转化为导体的机械能，而电磁阻尼过程是导体的机械能转化成电能，最终转化为内能。 [变式训练2]　(多选)磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，比靠摩擦力刹车更稳定。如图为该新型装置的原理图(从后面朝前看)，过山车的两侧装有铜片，停车区的轨道两侧装有强力磁体，当过山车进入停车区时，铜片与磁体的相互作用能使过山车很快停下来。下列说法正确的是(　　) A．磁力刹车的过程中动能转化为电能，最终转化成内能 B．将磁极反向，磁体会使过山车加速 C．将铜片换成尺寸相同的铝片，刹车效果会增强 D．过山车的速度越大，进入停车区时由电磁作用引起的刹车阻力越大 答案　AD 解析　磁力刹车的过程中，铜片穿过磁体时产生感应电流，在磁场中受到安培力作用，阻碍过山车的运动，故磁力刹车的过程中动能转化为电能，最终转化成内能，A正确；将磁极反向，铜片穿过磁体时仍产生感应电流，根据楞次定律的推论“来拒去留”，铜片受到的安培力仍是阻力，仍会使过山车减速，B错误；将铜片换成尺寸相同的铝片，因铝的电阻率较大，导体电阻变大，过山车进入停车区时，速度相同情况下，感应电动势相同，感应电流减弱，安培阻力减小，刹车效果会减弱，C错误；过山车的速度越大，进入停车区时，穿过铜片的磁通量变化越快，感应电动势越大，感应电流越强，安培阻力越大，D正确。 1．(涡流的产生)(多选)下列磁场垂直加在金属圆盘上能产生涡流的是(　　) 答案　BCD 解析　根据涡流的产生条件可知，只有变化的磁场能使金属圆盘产生涡流，故A错误，B、C、D正确。 2．(涡流的理解)下列关于涡流的说法中正确的是(　　) 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．在硅钢中不能产生涡流 答案　A 解析　涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流，只不过是由金属块自身构成回路，它既有热效应，也有磁效应，A正确，B、C错误；在硅钢中也可以产生涡流，D错误。 3.(涡流的应用)如图所示是冶炼金属的感应炉的示意图，感应炉中装有待冶炼的金属，线圈中通有电流，则(　　) A．感应炉的线圈中必须通有变化的电流，才会产生涡流 B．感应炉的线圈中通有恒定的电流，也可以产生涡流 C．感应炉是利用线圈中电流产生的焦耳热使金属熔化的 D．感应炉是利用线圈中电流产生的磁场使金属熔化的 答案　A 解析　根据电磁感应的条件可知，感应炉的线圈中必须通有变化的电流，才会产生涡流，A正确，B错误；感应炉的线圈中变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场穿过金属，在金属内产生强涡流，涡流产生大量的热使金属熔化，C、D错误。 4.(电磁驱动)如图所示，闭合导线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，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，穿过圆环垂直纸面向里的磁通量增加，根据楞次定律，圆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，圆环与磁铁同向转动。故A正确，B、C、D错误。 5．(电磁阻尼)(多选)如图所示，通过水平绝缘传送带输送完全相同的铜线圈，线圈等距离排列，且与传送带以相同的速度匀速运动。为了检测出个别未闭合的不合格线圈，让传送带通过一固定匀强磁场区域，磁场方向垂直于传送带运动方向，根据穿过磁场后线圈间的距离，就能够检测出不合格线圈。通过观察图示，判断下列说法正确的是(　　) A．若线圈闭合，进入磁场时，线圈中感应电流方向从上向下看为逆时针 B．若线圈闭合，传送带以较大速度匀速运动时，磁场对线圈的作用力较大 C．从图中可以看出，第2个线圈是不合格线圈 D．从图中可以看出，第3个线圈是不合格线圈 答案　BD 解析　若线圈闭合，进入磁场时，穿过线圈的磁通量向上增大，由楞次定律可知，线圈中的感应电流的磁场方向垂直于传送带向下，所以感应电流的方向从上向下看为顺时针，故A错误；若线圈闭合，根据法拉第电磁感应定律，传送带以较大速度匀速运动时，线圈中产生的感应电动势较大，则感应电流较大，磁场对线圈的作用力较大，故B正确；由题图知第1、2、4、5、6个线圈都向后发生了相对滑动，而第3个线圈没有相对传送带向后滑动，则第3个线圈不闭合，没有产生感应电流，故C错误，D正确。 6．(涡流与电磁阻尼)(多选)台风“烟花”登陆上海后，“中国第一高楼”上海中心大厦上的阻尼器“上海慧眼”开始出现摆动，摆幅达1.4米，给大楼进行减振。“上海慧眼”阻尼器首次采用了电涡流技术，其外形和结构如图所示，12根吊索吊着重达1000吨的质量块构成了一个巨型复摆，在质量块下方，圆盘状的磁场源与金属板构成了电涡流阻尼系统。关于该阻尼器，下列说法正确的是(　　) A．质量块中产生涡流的原因是穿过质量块的磁通量发生了变化 B．质量块摆动得越快，质量块上产生的涡流越小 C．质量块采用铜制作，是因为铜的导电性能好，产生的阻尼效果好 D．阻尼器摆动幅度不受风力大小影响 答案　AC 解析　涡流属于感应电流，其产生的原因是由于穿过导体的磁通量发生变化，故A正确；质量块摆动得越快，穿过质量块的磁通量变化越快，质量块上产生的涡流越大，故B错误；质量块采用铜制作，是因为铜的电阻率低，导电性能好，相同摆动条件下，产生的涡流大、阻尼大，阻尼效果好，故C正确；由受迫振动发生机制可知，阻尼器摆动幅度受风力大小影响，故D错误。 7.(涡流的应用)(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 答案　AB 解析　当线圈接交流电源时，金属杯处在变化的磁场中，产生涡电流发热，使水温升高。要缩短加热时间，需增大涡电流，即增大感应电动势。增加线圈的匝数、提高交变电流的频率都可以增大感应电动势，瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致感应电动势减小。故A、B正确，C、D错误。 8.(涡流的应用)(多选)金属探测器原理如图，外环线圈中通有正弦交流电(电流大小、方向随时间按正弦规律变化)，它产生的磁场会与所遇的金属物发生作用，导致金属物自身也会产生微弱的电流，来自金属物变化的磁场会影响内环线圈的电流，检测器检测到内环线圈电流的改变从而发出报警声。若外环线圈某时刻在金属物中产生向下且增强的磁场，则下列说法中正确的是(　　) A．此时金属物中的涡流从上往下看是沿逆时针方向 B．探测器相对金属物静止时，金属物中不会产生涡流 C．探测器只能检测含铁、镍、钴等有铁磁性的金属 D．若外环线圈中通入均匀变化的电流，则探测器不能正常工作 答案　AD 解析　探测器外环线圈在金属物中产生的磁场向下且增强时，根据楞次定律可知，金属物中感应电流产生的磁场方向应向上，用安培定则可判断，金属物中感应电流从上往下看是沿逆时针方向，故A正确；探测器相对金属物静止时，外环线圈中通有正弦交流电，穿过金属物的磁通量变化，金属物中会产生涡流，故B错误；无论何种金属物在探测器下方，金属物中都会产生涡流，金属物变化的磁场均会影响内环线圈的电流，从而使探测器检测到内环线圈电流的改变而发出报警声，C错误；若外环线圈中通入均匀变化的电流，则外环线圈中的电流会在金属物处产生均匀变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律，金属物中会产生大小恒定的涡电流，金属物中恒定的电流在内环线圈产生恒定的磁场，此磁场不会在内环线圈中产生感应电动势，不会影响内环线圈的电流，探测器无法发出报警声，即不能正常工作，故D正确。 9.(电磁驱动)电磁驱动是21世纪初问世的新概念、新技术，现已广泛应用在我们的日常生活中。装在汽车上的磁性转速表就利用了电磁驱动，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．永久磁体和铝盘应装在同一转轴上，两者同步转动 B．永久磁体和铝盘应装在不同的转轴上，两者转动方向相反 C．永久磁体相对铝盘转动，铝盘中产生感应电流，并受安培力而转动 D．在电磁驱动的过程中，通过克服安培力做功将机械能转化为电能 答案　C 解析　根据电磁驱动的概念可知，永久磁体和铝盘固定在不同的转轴上，当永久磁体随转轴转动时，在铝盘中产生感应电流，这时永久磁体的磁场会对铝盘上的感应电流有安培力的作用，使铝盘转动，由于弹簧游丝的作用，会使指针稳定在某一刻度上，故A错误，C正确；该转速表运用了电磁感应原理，由楞次定律的“来拒去留”可知，铝盘转动方向与永久磁体转动方向应相同，且两者的转动不是同步的，故B错误；在电磁驱动的过程中，通过安培力做功将电能转化为机械能，故D错误。 10．(电磁阻尼)扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示。无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加匀强磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是(　　) 答案　A 解析　出现扰动后，其扰动方向不确定，在选项C这种情况下，紫铜薄板上下或左右振动时，穿过薄板的磁通量难以改变，不能发生电磁感应现象，没有电磁阻尼效应；在选项B、D这两种情况下，紫铜薄板上下振动时，也没有发生电磁阻尼现象；选项A这种情况下，不管紫铜薄板上下振动还是左右振动时，都会发生电磁感应现象，产生电磁阻尼效应。故选A。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$