第2章 3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修 第二册（人教版2019，苏京）

DIERZHANG 第二章 3　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 学习目标 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(重点)。 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(重难点)。 2 内容索引 一、电磁感应现象中的感生电场 二、涡流 课时对点练 三、电磁阻尼和电磁驱动 3 一 电磁感应现象中的感生电场 4 1.麦克斯韦认为　　　的磁场能在周围空间激发电场，这种电场叫作感生电场。 2.由　　　　　产生的电动势叫感生电动势。 3.电子感应加速器是利用　　　　　使电子加速的设备，当线圈中_____ 的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速。 4.感生电场的方向根据楞次定律结合右手螺旋定则判断，感生电动势的 大小由法拉第电磁感应定律E＝ 计算。 变化 感生电场 感生电场 电流 思考与讨论 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发生定向移 动，而产生感应电流。 (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？ 答案　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。 (2)在上述情况下，哪种力扮演了非静电力的角色？ 答案　感生电场对自由电荷的作用力。 (1)只要磁场变化，即使没有电路，在空间也将产生感生电场。 (　　) (2)处于变化磁场中的导体，其内部自由电荷定向移动，是由于受到感生电场的作用。(　　) √ √ 辨析 　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。如图所示，图甲为侧视图，上、下为电磁体的两个磁极；图乙为磁极之间真空室的俯视图。若从上往下看电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动，改变电磁体线圈中电流的大小可使电子加速。则下列判断正确的是 A.真空室中产生的感生电场沿逆时针方向 B.通入电磁体线圈的电流在增强 C.电子在轨道中加速的驱动力是洛伦兹力 D.电子在轨道中做圆周运动的向心力是由静电力提供的 例1 √ 电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设 备，电子带负电，电场方向与电子运动的方向相反， 所以真空室中产生的感生电场沿顺时针方向，A错误； 电磁体线圈中电流变大，产生的磁感应强度变大， 由楞次定律可知，产生的感生电场方向是顺时针方 向，电子受感生电场的力与运动方向相同，电子的 速度增大，B正确； 由于电磁体线圈中电流可以变化，可在真空室中产生感生磁场，电子在洛伦兹力的作用下做圆周运动，D错误； 由于感生电场使电子加速，即电子在轨道中加速的驱动力是非静电力，C错误。 闭合回路(假定其存在)中的感应电流方向就表示感生电场的方向。判断思路如下： 总结提升 二 涡流 12 1.涡流：当某线圈中的　　　随时间变化时，由于电磁感应，这个线圈附近的任何导体，如果穿过它的磁通量发生变化，导体内都会产生_____ 　　　，如果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.涡流的应用与防止 (1)应用：　　　　　　、　　　　、　　　　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____ 做材料，或者用相互绝缘的　　　　叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。 电流 感应 电流 真空冶炼炉 探雷器 安检门 硅钢 硅钢片 在电磁炉的炉盘下有一个线圈。电磁炉工作时，它的盘面并不发热，在炉盘上面放置铁锅，铁锅会发热。你知道这是为什么吗？ 答案　电磁炉的盘面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上变化极快的电流时，在线圈周围产生迅速变化的磁场，变化的磁场使锅底产生涡流，铁锅迅速发热。 思考与讨论 (1)涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流。(　　) (2)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。(　　) (3)导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热。(　　) (4)涡流有热效应，但没有磁效应。(　　) × √ × × 辨析 　(2022·扬州市高二期中)如图所示为高频电磁炉的工作示意图，它采用电磁感应原理产生涡流进行加热。关于电磁炉，以下说法中正确的是 A.电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对 　食物加热 B.电磁炉是利用变化的磁场在含铁质锅底产生涡 　流对食物加热 C.电磁炉是利用变化的磁场在台面产生涡流对食物加热 D.电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热 例2 电磁炉是利用变化的磁场在含铁质锅底产生涡流对食物加热，故B正确，A、C、D错误。 √ 　(2022·盐城市东台创新高级中学高二月考)某个同学制作了一个简易加热器，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.提高交流电源的频率 B.减少线圈的匝数 C.将金属杯换为陶瓷杯 D.将交流电源换成电动势更大的直流电源 例3 √ 由题意可知，本题中是涡流现象的应用，即采用线圈 产生的磁场使金属杯产生感应电流从而进行加热的， 由法拉第电磁感应定律可知，增加线圈的匝数、提高 交流电的频率均可以提高发热功率，则可以缩短加热 时间，故B错误，A正确； 将杯子换为陶瓷杯不会产生涡流，则无法加热水，故C错误； 将交流电源换成电动势更大的直流电源不会产生涡流，故D错误。 三 电磁阻尼和电磁驱动 19 (1)如图甲所示，将两磁体在同一高度释放，下方放有闭合线圈的磁体很快停止振动，而下方不放闭合线圈的磁体能振动较长时间，如何解释这个现象？ 答案　图甲中下方放有闭合线圈的磁体振动时除了受空气阻力外，还受到线圈产生的磁场的阻力，所以很快停下来。 (2)如图乙所示，当顺时针或逆时针转动蹄形磁体时线圈怎样转动？使线圈转动起来的动力是什么？ 答案　当蹄形磁体顺时针转动时，线圈也顺时针转动；当蹄形磁体逆时针转动时，线圈也逆时针转动。线圈内产生感应电流，线圈受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来。 梳理与总结 1.电磁阻尼 当　　　　　　　　　时，感应电流会使导体受到安培力作用，安培力总是　　　导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。 2.电磁驱动 (1)如果　　　　　　　　　　，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。 (2)交流感应电动机是利用　　　　　的原理工作的，它能把　　　转化成　　　　。 导体在磁场中运动 阻碍 磁场相对于导体转动 安培力 安培力 电磁驱动 电能 机械能 　某同学搬运如图所示的磁电式电流表时，发现表针晃动剧烈且不易停止。按照老师建议，该同学在两接线柱间接一根导线后再次搬运，发现表针晃动明显减弱且能很快停止。下列说法正确的是 A.未接导线时，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势 B.未接导线时，表针晃动剧烈是因为表内线圈受到安培力的 　作用 C.接上导线后，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势 D.接上导线后，表针晃动减弱是因为表内线圈受到安培力的作用 例4 √ 未接导线时，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势， 但不构成闭合回路，故不产生感应电流，不受安培力作 用，A、B错误； 接上导线后，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势， 在闭合回路中产生感应电流，受到安培力的作用，是电磁阻尼的表现，C错误，D正确。 　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 例5 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，B正确，A、C、D错误。 √ 总结提升   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 四 课时对点练 考点一　电磁感应现象中的感生电场 1.下列说法正确的是 A.感生电场由恒定的磁场产生 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安培定则来判定 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 基础对点练 √ 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，可由楞次定律和安培定则判断，故C项正确。 2.如图所示，内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上，环内有一带负电的小球，整个装置处于竖直向下的磁场中，当磁场突然增强时，小球将 A.沿顺时针方向运动 B.沿逆时针方向运动 C.在原位置附近往复运动 D.仍然保持静止状态 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 磁感应强度的方向竖直向下，当磁场突然增强时，由楞次定律和安培定则可知，感生电场沿逆时针方向，由于小球带负电，所以小球将沿顺时针方向运动，A正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 考点二　涡流 3.(2023·南京汉开书院高二期末)下列关于图片相关内容解释错误的是 A.真空冶炼炉利用涡流通过金属产生的热量 　使金属熔化 B.电磁炉接直流电也可以正常工作 C.用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块 　硅钢铁芯可以减小变压器铁芯中的涡流 D.用来探测金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷的探雷器是利用涡流 　工作的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 真空冶炼炉利用涡流通过金属产生的热量 使金属融化，故A正确，不符合题意； 电磁炉是依靠交流电产生迅速变化的磁场 使锅底产生涡流发热的，接直流电不可以 正常工作，故B错误，符合题意； 用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整 块硅钢铁芯可以减小变压器铁芯中的涡流，故C正确，不符合题意； 用来探测金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷的探雷器是利用涡流工作的，故D正确，不符合题意。 4.(2022·淮安市高二期中)如图为士兵用探雷器进行扫雷，该探雷器利用涡流工作。下列说法正确的是 A.探雷器使用直流电工作 B.涡流是在探雷器的线圈中产生的 C.探雷器静止在地雷上方时，将无法报警 D.该探雷器探测网状金属物品时，灵敏度会降低 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 探雷器利用了电磁感应原理，即必须使用交流电工 作，探雷器产生的变化的磁场在金属物品内部产生 涡流，涡流又会产生磁场，反过来影响原来的磁场， 引发探雷器发出信号，故A、B错误； 探雷器静止在地雷上方时，因为探雷器产生变化的磁场，所以地雷中也能产生涡流，从而引发探雷器报警，故C错误； 如果该探雷器探测网状金属物品时，涡流现象会减弱，则灵敏度会降低，故D正确。 5.(2022·南通市高二期末)涡流探伤是工业上常用的技术之一，该技术通过励磁线圈使构件中产生涡流，再借助探测线圈测定涡流的变化量从而获得构件缺陷的有关信息。则 A.工作时励磁线圈必须要与被测构件接触 B.涡流探伤也适用于检测橡胶构件的缺陷 C.励磁线圈中应该通入恒定电流完成检测 D.探测线圈是根据接收到的涡流产生的磁场工作的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 涡流探伤技术其原理是用励磁线圈使被测构件内产生涡 流，借助探测线圈测定涡流的改变，故工作时励磁线圈 不需要与被测构件接触，故A错误； 因橡胶构件不能产生涡流，所以涡流探伤不适用于检测橡胶构件的缺陷，故B错误； 励磁线圈中通入交变电流才能产生变化的磁场，当金属构件处于该磁场中时，该金属构件中才会发生电磁感应现象产生涡流，完成检测，由此可知，探测线圈是根据接收到的涡流的磁场工作的，故C错误，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 考点三　电磁阻尼和电磁驱动 6.(2023·连云港市赣榆智贤中学高二月考)1824年，科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”。实验中将一铜圆盘水平放置，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，如图所示。实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后。下列说法不正确的是 A.圆盘上产生了感应电动势 B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动 C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量不变 D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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，A正确； 圆盘在径向的金属条切割磁感线过程中，内部距离圆心 远近不同的点电势不等而形成涡流，涡流产生的磁场导致磁针转动，B正确，D错误； 圆盘转动过程中，圆盘位置、面积和磁场都没有发生变化，所以没有磁通量的变化，C正确。 7.(2023·扬州市高二期中)汽车使用的电磁制动原理示意图如图所示，当导体在固定通电线圈产生的磁场中运动时，会产生涡流，使导体受到阻碍运动的制动力。下列说法正确的是 A.制动过程中，导体不会发热 B.制动力的大小与导体运动的速度无关 C.改变线圈中的电流方向，导体就可获得动力 D.制动过程中导体获得的制动力逐渐减小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 由于导体中产生了涡流，制动过程中，导体会发 热，A错误； 导体运动速度越大，穿过导体中回路的磁通量的 变化率越大，产生的涡流越大，则所受安培力， 即制动力越大，即制动力的大小与导体运动的速度有关，B错误； 根据楞次定律可知，原磁场对导体的安培力总是要阻碍导体的相对运动，即改变线圈中的电流方向，导体受到的安培力仍然为阻力，C错误； 制动过程中，导体的速度逐渐减小，穿过导体中回路的磁通量的变化率变小，产生的涡流变小，则导体所受安培力，即制动力变小，D正确。 8.(2023·南通市高二期末)2021年7月25日，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开始出现摆动，给大楼进行减振。如图所示为该阻尼器的简化图，该阻尼器首次采用了电涡流技术，底部附着永磁体的质量块在导体板上方摆动时，导体板内产生涡流。下列说法正确的是 A.阻尼器摆动时产生的涡流源于外部电源供电 B.阻尼器最终将机械能转化为内能 C.导体板电阻率越大，阻尼越明显 D.导体板的涡流大小与质量块摆动速率无关 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 能力综合练 √ 阻尼器摆动时，永磁体通过导体板上方使之磁通量发 生变化，从而在导体板中产生涡流，属于电磁感应现 象，A错误； 通过阻碍质量块和永磁体的运动，阻尼器将动能转化 为电能，并通过电流做功将电能最终转化为内能，B正确； 导体板电阻率越大，导体的电阻越大，阻尼越不明显，C错误； 质量块通过导体上方的速度越快，磁通量变化越快，产生的感应电动势和涡流也越大，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 9.(2023·连云港市高二校考阶段练习)为了使灵敏电流计的指针在零刻度附近快速停下，实验小组的同学利用“电磁阻尼”来实现。他们设计了如图所示的甲、乙两种方案，甲方案：在指针转轴上装上扇形铝板，磁场位于零刻度中间；乙方案：在指针转轴上装上扇形铝框，磁场位于零刻度中间。下列说法正确的是 A.甲方案中，铝板摆动时磁通量不变，不会产生感应 　电流 B.甲方案中，铝板左右摆动时能产生涡流，起电磁阻 　尼的作用 C.乙方案中，铝框小幅度摆动时一定会产生感应电流 D.由于铝框更轻，所以乙方案比甲方案更加合理 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 甲方案中，铝板摆动时，扇形铝板的半径切割 磁感线，在铝板内产生涡流，起电磁阻尼的作 用，指针能很快停下来，故A错误，B正确； 乙方案中，当指针偏转角度较小时，铝框中磁 通量不变，不能产生感应电流，起不到电磁阻 尼的作用，指针不能很快停下，因此，甲方案更合理，故C、D错误。 10.(2023·南京市第一中学高二期末)在一水平通电直导线的正下方，有一半圆形光滑圆弧轨道。一导体圆环自轨道左侧的A点无初速度释放，则下列说法中正确的是 A.圆环最终停在轨道的最低点B B.圆环能滑到轨道右侧与A点等高处C C.圆环运动过程中机械能守恒 D.圆环在运动过程中感应电流方向一直是顺时针方向 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 由于圆环运动的范围内，各处的磁感应强度不同，所 以圆环运动的过程中机械能不断转化为电能，故圆环 的机械能会越来越小，最终停在最低点B，故A正确； 因为圆环在运动的过程中产生感应电流，对整个过程由能量守恒定律得，重力势能转化为电能，故不能上升到右侧与C点等高处，故B、C错误； 圆环来回运动，磁通量不断变化，所以感应电流方向不断变化，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 11.如图所示，扇形铜框在绝缘细杆作用下绕点O在同一水平面内快速逆时针转动，虚线把圆环分成八等份，其中虚线为匀强磁场的理想边界，扇形铜框恰好可以与其中一份重合。下列线框停止最快的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 当线框转动时，如果穿过线框的磁通量发生变 化，则线框中产生感应电流，线框就会受到安 培力的阻碍作用，磁通量变化越快，阻碍作用 越大，越容易停下来。由选项A、B图可知， 线框转动时，磁通量不变，没有感应电流产 生，无阻碍作用，不会停下来，故A、B错误； 由选项C、D图可知，线框转动时，D项的磁通量变化快，阻碍作用更大，更容易停下来，故C错误，D正确。 12.(2022·苏州市震泽中学高二月考)如图所示为家用单相电能表的结构示意图，其中电流线圈串联在电路中，电压线圈并联在电路中，通过电流线圈和电压线圈的交变电流产生的交变磁场使铝盘中产生涡电流，交变磁场对涡流的安培力推动铝盘转动，转动方向如图中箭头所示。旁边还固定一块永久磁铁，铝盘转动时要从磁铁两极之间通过。关于家用单相电能表，下列说法正确的是 A.用户功率越大，电压线圈在铝盘中产生的涡流越大 B.用户功率减小，电流线圈在铝盘中产生的涡流变大 C.永久磁铁对铝盘起着电磁阻尼的作用 D.当停止用电时，永久磁铁可以使铝盘继续转动 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 电流线圈串联在电路中，用户功率越大则电流 越大，产生的磁场越强，则涡流越大，而电压 线圈并联在电路中，其电流与用户功率无关， 电流大小不变，因此其产生的涡流不变，故A、 B错误； 当停止用电时，铝盘失去继续转动的动力，线圈转动切割磁感线产生电磁阻尼效果，避免由于惯性继续转动而带来计量误差，故C正确，D错误。 13.(2022·宿迁泗阳中学能力诊断测试)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B，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，则产生的电场对小球的作用力所做功的大小是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 尖子生选练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13  n A.0 B. C.2πkqr2 D.πkqr2 根据法拉第电磁感应定律可得，产生的感应电动势为E＝n＝＝kπr2＝U，所以产生的电场对小球的作用力所做的功为W＝qU＝πkqr2，故选D。 $$