第2章 3 涡流 电磁阻尼 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（教科版2019）

DIERZHANG 第二章 3　涡流　电磁阻尼　电磁驱动 学习目标 1.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)。 2.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、涡流 二、电磁阻尼和电磁制动 课时对点练 三、电磁驱动 3 一 涡流 4 在如图所示的铜环、铜管、铜柱上会出现感应电流吗？ 答案　在题图(a)中，当磁铁插入铜环时，穿过铜环的磁通量发生了变化，铜环中将产生沿着铜环逆时针方向的(俯视)的环形感应电流。 在题图(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。 在题图(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，因此整个圆柱都有沿着同一方向环绕的环形电流。 1.涡流：由于电磁感应，在大块金属中会形成 ，电流在金属块内组成 ，很像水的漩涡，因此叫作涡电流，简称涡流。 梳理与总结 感应电流 闭合回路 2.涡流现象的应用 (1)涡流的热效应：如高频感应炉、电磁炉等。 (2)涡流的磁效应：如金属探测器、安检门等。 3.涡流现象的防止 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 叠合成的铁芯代替整个硅钢铁芯。 薄硅钢片 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？ 讨论交流 答案　电磁炉的台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，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量。 (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。(　　) × √ × 辨析 　(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，它的工作原理是：在封口机工作时，套在瓶口上的封口头内的线圈有电流通过，致使靠近线圈(但与线圈绝缘)的铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在被封容器的瓶口处，达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是 A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔 B.该封口机可用干电池作为电源以方便携带 C.封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决 D.该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属 容器 例1 √ √ 由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电源，A、B错误； 减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，可解决温度过高的问题，C正确； 封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样会被加热，只能是玻璃、塑料等材质，D正确。 二 电磁阻尼和电磁制动 13 如图所示，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　题图中下方放有闭合线圈的磁体振动时除了 受空气阻力外，还受到线圈的感应电流产生的磁场 的安培阻力，所以很快停下来。 1.电磁阻尼 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 ，感应电流使导体受到安培力，安培力总是 导体的运动，这种现象叫作电磁阻尼。 梳理与总结 感应电流 阻碍 2.电磁制动 电磁制动，与电磁阻尼本质上是相同的，即在要进行制动时，电动机与电源断开，并把电动机的线圈与制动电路连接成 ，列车前进时带动电动机线圈转动，而产生感应电流，磁场对它的安培力起着 的作用，列车前进的动能转化为 ，不但减少了机械磨损，而且还可以用这部分能量给蓄电池充电。 闭合回路 制动 电能 　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2 √ 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。 (多选)如图所示，是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是 A.2是磁体，在1中产生涡流 B.1是磁体，在2中产生涡流 C.该装置的作用是使指针能够转动 D.该装置的作用是使指针能很快稳定下来 针对训练 √ √ 当电表的指针摆动时，金属框1在蹄形磁体2中同时转动，金属框中的磁通量发生变化，则产生感应电流——即涡流，金属框在磁场中所受的安培力阻碍其间的相对运动，使指针很快稳定下来，故A、D正确。 三 电磁驱动 21 如图所示，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。 电磁驱动 (1)概念：感应电流受到安培力使物体 的现象。 (2)应用：感应电动机等。 梳理与总结 运动 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3 √ 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　涡流 1.(2023·四川省内江市第六中学高二月考)如图所示是一种焊接方法的原理示意图。将圆形待焊接金属工件放在线圈中，然后在线圈中通以某种电流，待焊接工件中会产生感应电流，感应电流在焊缝处产生大量的热量将焊缝两边的金属熔化，待焊接工件就焊接在一起了。我国生产的自行车车轮圈就是用这种办法焊接的。下列说法中正确的是 A.这种焊接方法的原理是电流的磁效应 B.线圈中通入的交流电频率越高，焊缝处温度升高得越快 C.线圈中的电流是很强的恒定电流 D.待焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向总是相反 基础对点练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中产生涡流，根据法拉第电磁感应定律分析可知，线圈中通入交流电频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处的温度升高得越快，故A错误，B正确； 恒定电流不能在工件中产生感应电流，故C错误； 若磁通量减少时，焊接工件中的感应电流方向与 线圈中的电流方向相同，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2.(2022·四川省成都市武侯中学高二月考)在生产和生活中，有时候需要利用涡流效应，有时候需要避免涡流效应，下列关于涡流应用的说法中不正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A.真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置 B.家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的 C.阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动 D.变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，能减小涡流 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 真空冶炼炉是线圈中的电流做周期性变化，在金属中产生涡流，从而产生大量的热量来熔化金属，选项A正确，不符合题意； 家用电磁炉锅体中的涡流是由 变化的磁场产生的，选项B错 误，符合题意； 根据楞次定律，阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，选项C正确，不符合题意； 变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，能减小涡流，选项D正确，不符合题意。 3.(多选)(2022·营口市高二期末)金属探测器是用来探测金属的仪器，如图所示，关于其工作原理，下列说法中正确的是 A.探测器内的探测线圈会产生变化的磁场 B.只有有磁性的金属物才会被探测器探测到 C.探测到金属物是因为金属物中产生了涡流 D.探测到金属物是因为探测器中产生了涡流 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 金属探测器利用涡流探测金属物品的原理是：线圈中交变电流产生交变的磁场，会在金属物品中产生交变的感应电流，而金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流，引起线圈中交变电流发生变化，从而被探测到，故选A、C。 考点二　电磁阻尼和电磁制动 4.(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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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， 最终转化为内能，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错误； 整个过程重力势能转化为电能，机械能不守恒，故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。 5.(多选)如图为磁控健身车车轮处的结构示意图，在金属飞轮的外侧有一些磁体(与飞轮不接触)，人用力蹬车带动飞轮旋转时，磁体会对飞轮产生阻碍作用，拉动旋钮拉线可以改变磁体与飞轮间的距离。下列说法正确的有 A.飞轮受到的阻力主要来源于磁体对它的安培力 B.飞轮转速一定时，磁体越靠近飞轮，飞轮受到 的阻力越小 C.磁体和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，受到的阻力越小 D.磁体和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，内部的涡流越强 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 根据题意，人用力蹬车带动飞轮旋转时，磁体会对飞轮产生阻碍作用，飞轮受到的阻力主要来源于磁体对它的安培力，选项A正确； 飞轮转速一定时，磁体越靠近飞轮，飞轮受到安培力越大，即阻力越大，选项B错误； 磁体和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，磁通量的变化率越大，则飞轮内部的涡流越强，产生的安培力越大，受到的阻力越大，选项C错误，D正确。 考点三　电磁驱动 6.(2023·四川省甘孜州康定中学高二月考)如图甲所示为探究电磁驱动的实验装置。某个铝笼置于U形磁铁的两个磁极间，铝笼可以绕支点自由转动，其截面图如图乙所示。开始时，铝笼和磁铁均静止，转动磁铁，会发现铝笼也会跟着发生转动，下列说法正确的是 A.铝笼是因为受到安培力而转动的 B.铝笼转动的速度的大小和方向与磁铁相同 C.磁铁从图乙位置开始转动时，铝笼中的感 应电流的方向为a→d→c→b→a D.当磁铁停止转动后，如果忽略空气阻力和摩擦阻力，铝笼将保持匀速转动 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 磁铁从题图乙位置开始转动时，导致通过 铝笼的磁通量增加，从而产生感应电流， 方向为a→b→c→d→a，铝笼受到安培力 作用而转动，A项正确，C项错误； 根据楞次定律可知，为阻碍通过铝笼的磁通量增加，则铝笼与磁铁转动方向相同，但快慢不相同，铝笼的转速一定比磁铁的转速小，B项错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 当磁铁停止转动后，如果忽略空气阻力和摩擦阻力，由于铝笼转动的过程中仍然能产生感应电流，所以铝笼会受到与运动方向相反的安培力作用逐渐减速直到停止运动，D项错误。 7.(2022·北京朝阳区模拟)著名的“圆盘实验”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。下列说法正确的是 A.磁针的磁场使圆盘磁化，圆盘产生的磁场导致磁针转动 B.圆盘内的涡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发生了变化 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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 铜不会被磁针磁化，磁针转动的原因在于圆盘与磁 针存在相对运动，使圆盘切割磁感线，产生了涡流， 而涡流的磁场导致磁针转动，故A错误，B正确； 在圆盘转动的过程中，圆盘位置和面积均未变，根据磁针周围磁感线的分布情况可知磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量未变，故C错误； 圆盘中的自由电子随圆盘一起运动，但铜离子也会随圆盘一起运动，二者产生的等效电流为大小相同、方向相反，即可认为圆盘整体不会因圆盘转动产生电流，故D错误。 8.(2023·北京市西城区高二期末)如图所示，一根长1 m左右的空心铝管竖直放置，把一枚磁性比较强的小圆柱形永磁体从铝管上端放入管口，圆柱直径略小于铝管的内径。让磁体从管口处由静止下落，磁体在管内运动时，没有跟铝管内壁发生摩擦。有关磁体在铝管中下落的过程，下列说法可能正确的是 A.磁体做自由落体运动 B.磁体受到铝管中涡流的作用力方向先向上后向下 C.磁体受到的合力方向一直向下 D.磁体的机械能先增大后减小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 能力综合练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 磁体下落时，由于是无缝空心铝管，故会产生电磁感应， 出现涡流，根据楞次定律可知会产生阻力阻止小圆柱永 磁体的下落。开始时，速度较小，阻力小于重力，合力 向下，当速度逐渐增大时，磁体所受阻力也增大，加速 度减小。当空心铝管足够长时，磁体会先做加速度逐渐减小的加速运动，最大速度时，小圆柱所受阻力等于重力，做匀速直线运动，因此磁体不可能做自由落体运动，且磁体受到铝管中涡流的作用力方向一直向上，故A、B错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 当铝管长度有限时，磁体可能达不到最大速度就穿过了 铝管，即该过程中磁体的合力方向一直向下，故C正确； 由于一直存在阻力做负功，因此磁体的机械能一直减小， 故D错误。 9.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恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通 量发生变化。在A图中，系统震动时，紫 铜薄板随之上下及左右振动，在磁场中的 部分有时多有时少，磁通量发生变化，产 生感应电流，受到安培力，阻碍系统的震动； 在B、D图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流，而上下振动无电流产生； 在C图中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，都不会产生感应电流。故选A。 10.(2022·菏泽市高二期中)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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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。 11.(多选)(2023·茂名市期末)如图所示为某种售货机硬币识别系统简图。虚线框内存在磁场，从入口A进入的硬币沿斜面滚落，通过磁场区域后，由测速器测出速度大小，若速度在某一合适范围，挡板B自动开启，硬币就会沿斜面进入接收装置；否则挡板C开启，硬币进入另一个通道拒绝接受。下列说法正确的是 A.磁场能使硬币的速度增大得更快 B.由于磁场的作用，硬币的机械能减小 C.硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力 D.如果没有磁场，则测速器示数会更大一些 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 根据题意可知，硬币进入磁场和离开磁场时， 穿过硬币的磁通量发生变化，硬币中产生感 应电流，硬币受到安培力作用会阻碍硬币的 相对运动，即硬币进入磁场的过程会受到来 自磁场的阻力，若磁场阻力大于硬币重力沿斜面的分力，硬币将做减速运动，若磁场阻力等于硬币重力沿斜面的分力，硬币将匀速进入磁场，若磁场阻力小于硬币重力沿斜面的分力，硬币继续加速运动，但速度增加变慢，综上所述，A错误，C正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 安培力对硬币做负功，使硬币的机械能减小， 故B正确； 如果没有磁场，对硬币没有阻碍作用，由动 能定理可知，硬币到达测速器位置时速度更 大一些，故D正确。 12.(多选)(2023·天津市第四十二中学高二期末)如图甲所示，一半径为r的光滑绝缘细圆管固定在水平面上，一质量为m、电荷量为q的带负电小球在细圆管中运动。垂直细圆管平面存在方向竖直向上的匀强磁场，其磁感应强度大小随时间的变化规律如图乙所示(取竖直向上为正，图中B0、t0为已知量)。已知当磁感应强度均匀变化时，在圆管内产生电场强度大小处处相等的感生电场(电场线闭合的涡旋 电场)，原来静止的小球在管内做圆周运动， 小球可看作点电荷且电荷量保持不变。则下 列说法正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 尖子生选练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由楞次定律可知感生电场的方向沿顺时针(从上往下看)，小球带负电，故小球沿逆时针(从上往下看)方向运动，A错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A.小球沿顺时针(从上往下看)方向运动 B.管内电场强度大小为 C.小球由静止开始运动第一周所用时间为t0 D.小球第2次回到出发点的速度大小为2r 产生的感生电场的电场强度E＝＝，B正确； 小球做加速度大小不变的加速曲线运动，小球受到的电场力方向始终与速度方向相同，当成匀加速直线运动处理，根据运动学公式2πr＝×t2，解得t＝，C错误； 由动能定理可得mv2＝2qE·2πr＝2q·，解得v＝2r，D正确。 $$