第2章 3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动(word教参)-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册同步练测（人教版2019）

3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动 学习目标 1.了解涡流、电磁阻尼和电磁驱动的概念,能解释自然现象及解决实际问题。 2.了解涡流的原理,能在问题情境中应用其性质进行分析,获得结论。 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及其在生活、生产中的应用 [对应学生用书第40页] 一、电磁感应现象中的感生电场 1.感生电场 （1）定义：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）感生电场的方向根据闭合电路（或假想的闭合电路）中感应电流的方向确定。 2.感生电动势：由感生电场产生的感应电动势。 3.电子感应加速器是使用变化的磁场产生感生电场的电场力对电子做功使电子不断地加速的设备。 二、涡流 1.定义：在变化的磁场中的导体内产生的感应电流就像水中的旋涡,所以把它叫作涡电流,简称涡流。 2.涡流大小的决定因素：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,形成的涡流就越大。 3.应用 （1）涡流热效应的应用：如真空冶炼炉。 （2）涡流磁效应的应用：如探雷器、安检门。 4.防止 　　电动机、变压器等设备中为防止铁芯中产生涡流而导致浪费能量、损坏电器,应采取如下措施。 （1）途径一：增大铁芯材料的电阻率。 （2）途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。 三、电磁阻尼和电磁驱动 1.电磁阻尼 （1）产生：当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体的运动。 （2）应用：电学仪表中利用电磁阻尼使指针很快地停下来,便于读数。 2.电磁驱动 （1）产生：如果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。 （2）应用：交流感应电动机。 1.判断下列说法的正误（正确的画“√”,错误的画“×”）。 （1）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。 （×） （2）电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律。（√） （3）电磁阻尼发生的过程,存在机械能向内能的转化。（√） （4）电磁驱动中有感应电流产生,电磁阻尼中没有感应电流产生。 （×） （5）磁场可以对电荷做功。 （×） （6）感生电场可以对电荷做功。 （√） （7）磁场越强,磁场变化时产生的感生电场越强。 （×） 2.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线,如图所示,抛物线的方程为y＝x2,其下半部处在一个水平方向的匀强磁场中,磁场的上边界是y＝a的直线（如图中的虚线所示）。一个质量为m的小金属块从抛物线上y＝b（b＞a）处以速度v沿抛物线下滑,假设曲面足够长,重力加速度为g,则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量为　　　　　。  答案　mg（b－a）＋mv2 [对应学生用书第42页] 要点一　对感生电场的理解 如图,一个闭合电路静止于磁场中,由于磁场强弱的变化,闭合电路内产生了感生电动势,产生了感生电流,你知道原理吗？ 提示　导体中的自由电荷在感生电场作用下做定向运动,产生感应电流。 1.产生：如图所示,变化的磁场周围产生感生电场,与是否存在闭合电路无关。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.方向：闭合环形回路（可假定存在）的电流方向就表示感应电场的电场方向。依据实际存在的或假定存在的回路结合楞次定律判定感应电场的方向。 3.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。 [例1]　著名物理学家费曼曾设计这样一个实验装置：一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动,在圆板的中部有一个线圈,圆板的四周固定着一圈带电的金属小球,如图所示。当线圈接通电源后,将有图示方向的电流流过,则下列说法正确的是 （　　） A.接通电源瞬间,圆板不会发生转动 B.线圈中电流的增大或减小会引起圆板向相同方向转动 C.接通电源后,保持线圈中电流不变,圆板转动方向与线圈中电流流向相同 D.若金属小球带负电,接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相同 [解析]　线圈接通电源瞬间,则变化的磁场产生变化的电场,从而导致带电小球受到电场力,使其转动,故A错误；不论线圈中电流增大或减小都会引起磁场的变化,从而产生电场,使小球受到电场力,从而转动,由于电场力的方向与电荷的正负有关,故B错误；接通电源后,保持线圈中电流不变,则磁场不变,则不会产生电场,小球不受到电场力,故C错误；接通电源瞬间小球受到电场力作用而转动,由于金属小球带负电,再根据电磁场理论可知,圆盘转动方向与线圈中电流流向相同,故D正确。 [答案]　D 判断感生电场方向的思路 以实际存在或假设存在的垂直于磁场的环形回路为研究对象→→ 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.r2qk C.2πr2qk D.πr2qk 解析　根据法拉第电磁感应定律可知,磁场变化产生的感生电动势E＝πr2＝kπr2,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W＝qE＝πr2qk,故D正确。 答案　D 要点二　涡流 在现代家庭的厨房中,电磁炉（如图所示）是人们非常青睐的炊具,它具有热效率高、温控准确、安全性好、清洁卫生等特点。你知道电磁炉的锅不能用陶瓷锅、耐热玻璃锅的原因是什么吗？ 提示　电磁炉的台面下布满了金属导线缠绕的线圈,利用变化的磁场产生涡流,进行加热的原理工作。当通上交替变化极快的电流时,在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场,磁感线穿过锅体,使锅底产生强涡流,当磁场内的磁感线通过铁质锅底时会产生无数的涡流,使锅体本身自行快速发热,就放出大量的热量,然后再作用于锅内食物,将饭菜煮熟。而陶瓷和玻璃是绝缘体,不能产生感应电流,从而不能加热锅内食物。 1.涡流的本质：电磁感应现象。 2.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。 3.产生涡流时的能量转化：伴随着涡流现象,其他形式的能转化成电能,最终在金属块中转化为内能。 （1）金属块放在变化的磁场中,磁场能转化为电能,最终转化为内能。 （2）如果是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。 [例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 [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,A正确；提高交流电的频率,最大磁通量不变,但交替变化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,B正确；瓷杯是绝缘体,不能产生感应电流,不能加热,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,D错误。 [答案]　AB 2.（多选）考生入场时，监考老师要用金属探测器对考生进行安检后才允许其进入考场。探测器内有通电线圈，当探测器靠近金属材料物体时，就会引起探测器内线圈中电流变化，报警器就会发出警报；靠近非金属物体时则不发出警报。关于探测器的工作原理，下列说法正确的是（　　） A.探测器利用的是静电感应现象 B.探测器利用的是磁场对金属的吸引作用 C.探测器利用的是电磁感应现象 D.当探测器靠近金属物体时，能在金属中形成涡流，进而引起线圈中电流的变化 解析　当探测器靠近金属物体时，金属物体中会产生涡电流，而金属物体中的电流产生的磁场又引起探测器内线圈中的磁通量发生变化，进而引起探测器内线圈中电流的变化，报警器就会发出警报，D正确；由以上分析可知探测器利用的是电磁感应原理，而不是静电感应现象，也不是磁场对金属的吸引作用，A、B错误，C正确。故选C、D。 答案　CD 要点三　电磁阻尼与电磁驱动 （1）如图甲所示,将磁体在同一高度释放,下端放有闭合线圈的那块磁体很快停止振动,而另一个磁体能振动较长时间,如何解释这个现象？ （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力？ 提示　（1）甲图中下端放有闭合线圈的磁体振动时除了受空气阻力,还受到线圈的磁场阻力,所以很快停止振动。 （2）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 　　电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律。 [例3]　如图，将一个空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上，在形木框两侧各固定一个强铷磁铁，用电钻控制木框匀速转动，发现木框虽然不与易拉罐接触，但易拉罐也会随木框转动。则下列说法正确的是（　　） A.木框的转速总比易拉罐的大 B.易拉罐与木框的转动方向相反 C.易拉罐与木框保持相同的转速同方向转动 D.两个磁铁必须异名磁极相对 [解析]　根据电磁驱动原理，易拉罐与木框的转动方向相同，木框的转速总比易拉罐的大，A正确，BC错误；两个磁铁异名磁极相对或同名磁极相对均可，在磁极附近的易拉罐导体中都会产生涡流，在磁场受安培力使易拉罐跟着木框转动起来，D错误。故选A。 [答案]　A 　　（1）由楞次定律的推广含义知,线圈的运动可以阻碍两者间的相对运动,所以其角速度必小于磁体转动的角速度。 （2）电磁驱动和电磁阻尼的联系：电磁驱动和电磁阻尼现象中安培力的作用效果均为阻碍导体间的相对运动。 3.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左右振动的衰减最有效的方案是 （　　） 解析　施加磁场来快速衰减STM的微小振动,其原理是电磁阻尼,在振动时通过紫铜薄板的磁通量发生变化,紫铜薄板中产生感应电动势和感应电流,则其受到安培力作用,其受到的安培力阻碍紫铜薄板振动,即促使其振动衰减。方案A中,无论紫铜薄板上下振动还是左右振动,通过它的磁通量都发生变化。方案B中,当紫铜薄板上下振动时,通过它的磁通量可能不变；当紫铜薄板向右振动时,通过它的磁通量不变；方案C中,紫铜薄板上下振动、左右振动时,通过它的磁通量可能不变。方案D中,当紫铜薄板上下振动时,紫铜薄板中磁通量可能不变。综上可知,对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是A。 答案　A [对应学生用书第44页] 1.（感生电场）（多选）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。电子感应加速器主要由上、下为电磁铁的两个磁极和环形真空室组成。当电磁铁线圈通以变化的电流时，产生变化的磁场，穿过真空室所包围的区域内的磁通量也随时间变化，这时真空室空间内就产生感生电场，电子在感生电场的作用下得到加速。如图所示（上部分为侧视图，下部分为真空室的俯视图），若电子被“约束”在半径为R的圆周上运动，当电磁铁线圈通有图中所示的电流时 （　　） A.若线圈中电流增大，初始状态静止的电子在轨道上逆时针运动 B.若电子沿逆时针方向运动，保持电流的方向不变，当电流增大时，电子将加速 C.若电子沿逆时针方向运动，保持电流的方向不变，当电流减小时，电子将加速 D.电子被加速时做圆周运动的周期不变 解析　当线圈中的电流增大时，磁场增强，根据楞次定律，感生电场产生的磁场要阻碍它增强，所以感生电场为顺时针方向，所以初始状态静止的电子沿逆时针方向运动，在电场力作用下加速运动。当电流减小时，磁场减弱，根据楞次定律，可知感生电场的方向为逆时针方向，电子将沿逆时针方向做减速运动。在电子被加速的过程中，由于磁场的变化，导致电子做圆周运动的周期变化，故选A、B。 答案　AB 2.（涡流的应用）（多选）安检门是一个用于安全检查的“门”,“门框”内有线圈,线圈里通有交变电流,交变电流在“门”内产生交变磁场,金属物品通过“门”时能产生涡流,涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流,从而引起报警。以下关于这个安检门的说法正确的是 （　　） A.这个安检门也能检查出毒品携带者 B.这个安检门只能检查出金属物品携带者 C.如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流,也能检查出金属物品携带者 D.这个安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应 解析　这个安检门是利用涡流工作的,因而只能检查出金属物品携带者,A错误,B正确；若“门框”的线圈中通上恒定电流,只能产生恒定磁场,它不能使块状金属产生电流,因而不能检查出金属物品携带者,C错误；安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应,D正确。 答案　BD 3.（电磁阻尼）（多选）2024年9月16日，台风“贝碧嘉”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，该阻尼器采用了涡电流技术，带有永磁体的质量块附着在阻尼器的底部。质量块在摆动中通过导体板上方时，导体板内产生涡电流。关于阻尼器，下列说法正确的是 （　　） A.阻尼器摆动时产生的涡电流源于电磁感应现象 B.阻尼器摆动时产生的涡电流源于外部电源供电 C.阻尼器将电能转化成机械能 D.质量块通过导体板上方时，导体板中涡电流大小与质量块的速率有关 解析　阻尼器摆动时产生的涡电流源于电磁感应现象，A正确，B错误；阻尼器将机械能转化成电能，C错误；质量块通过导体板上方时，导体板中涡电流大小与质量块的速率有关，速率越大，磁通量变化越快，产生的感应电动势越大，D正确。故选A、D。 答案　AD 4.（电磁驱动）（多选）1824年,法国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。下列说法正确的是 （　　） A.圆盘上产生了感应电动势 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 解析　把圆盘切割成无数根沿半径方向的导体棒,圆盘转动时,每一根导体棒都在切割磁感线,但每一根导体棒所处的磁场强弱不同,每根导体棒产生的感应电动势不同,故会在圆盘内形成以导体棒为电源的涡流。涡流产生的磁场对小磁针有带动作用,小磁针跟着圆盘的转动而同向转动,A、B正确；对于圆盘整体,转动过程中穿过整个盘面的磁通量不变,C错误；圆盘呈电中性,无磁场时圆盘的转动不能形成电动势, 引起磁针转动的电流是导体切割磁感线产生的，D错误。 答案　AB 学科网（北京）股份有限公司 $$