15 第二章 第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【正禾一本通】2024-2025学年高中物理选择性必修2同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

第3节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 课标解读 名词点击 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。 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 感生电场(induced electric field) 涡流(eddy current) 探究点一　电磁感应现象中的感生电场 如图所示，磁场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？ (2)如何判断感生电场的方向？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：(1)相同。(2)感生电场的方向可以用楞次定律来判定。 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。这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把它叫作感生电场。 (2)方向：感生电场的方向可根据闭合电路(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：一种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。 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)感生电场线是闭合的。(√) (2)磁场越强，磁场变化时产生的感生电场越强。 (×) (3)只要磁场变化，即使没有电路，在空间也将产生感生电场。(√) (4)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。(√) 2．如图所示，由内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上，环内有一带负电的静止小球，整个装置处于竖直向下的匀强磁场中。当磁场随时间一直均匀增强时，小球将如何运动？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：磁感应强度竖直向下，B随时间增加，由楞次定律可知，变化的磁场产生的感生电场沿逆时针方向；小球带负电，小球所受电场力沿顺时针方向，则小球沿顺时针方向加速运动。 1．感生电场的产生：变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关。 2．感生电场的方向：闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就表示感生电场的方向。可利用楞次定律判断。 3．感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝n计算。 4．感生电场可用电场线形象描述。静电场的电场线不闭合，而感生电场的电场线是闭合的。 【典例1】 (多选)某空间出现了如图所示的磁场，当磁感应强度变化时，在垂直于磁场的方向上会产生感生电场，有关磁感应强度的变化与感生电场方向的关系，下列描述正确的是(　　) A．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 B．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 C．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 D．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 解析：选AD。感生电场中磁场的方向用楞次定律来判定，原磁场方向向上且磁感应强度增大时，在周围有闭合导线的情况下，感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反，即感应电流的磁场方向向下，再由右手螺旋定则知感应电流的方向即感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向；同理可知，原磁场方向向上且磁感应强度减小时，感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向，所以A、D正确。 [规律方法]判定感生电场方向的思路 探究点二　涡流 如图所示，变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的。为什么不采用一整块硅钢？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：这样做的目的是增大铁芯中的电阻，阻断涡流回路，来减少电能转化成铁芯的内能，提高效率。 (1)涡流的定义：在变化的磁场中的导体内产生的感应电流，就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。 (2)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。 (3)防止：电动机、变压器等设备中为防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器，应采取如下措施。 途径一：增大铁芯材料的电阻率。 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。 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (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)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。(×) (3)涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过回路的磁通量变化而产生的。(√) 2．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，在炉盘上面放置的铁锅会发热。你知道这是为什么吗？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：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，铁锅迅速发热。 1．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。 2．产生涡流时的能量转化 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，则磁场能转化为电能，最终转化为内能。 (2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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。 3．涡流问题的三点注意 (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。 (2)金属块自身能够形成闭合回路，形成涡流。 (3)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。 【典例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，其下半部分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，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是(　　 ) A．mgb B．mv2 C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2 解析：选D。金属块在进出磁场的过程中有涡流产生，所以机械能有损失，最终状态为金属块在磁场区域内往复运动。初状态机械能E1＝mgb＋mv2，末状态机械能E2＝mga，由能量守恒可得，产生的焦耳热总量Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋故选项D正确。 [思维延伸] “典例2”中，若磁场为非匀强磁场，且越靠近O点，磁场越强，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是多少？ 提示：金属块因产生涡流而损失机械能，最终将停在O点，所以产生的焦耳热总量是mgb＋mv2。 【针对训练1】 (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：选AB。根据题意，金属杯中产生了涡流，使水温升高，要缩短加热时间，应使涡流增大，根据法拉第电磁感应定律，增加线圈的匝数、提高交流电源的频率，均可使涡流增大，A、B正确；瓷杯是绝缘体，不能产生涡流，C错误；取走铁芯，涡流减小，D错误。 探究点三　对电磁阻尼和电磁驱动的理解 (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？ (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？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：(1)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，还受到线圈的磁场阻力，所以很快停下来。 (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。 1．电磁阻尼 (1)概念：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，这种现象称为电磁阻尼。 (2)应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置，便于读数。 2．电磁驱动 (1)概念：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的现象。 (2)应用：交流感应电动机。 【基点辨析】 如图所示的装置可以用来演示电磁阻尼现象。把铜片悬挂在电磁铁的两极间，形成一个摆，电磁铁线圈(图中未画出)未通电时，铜片可以自由摆动，要经过较长时间才会停下来。电磁铁线圈通电后，铜片会很快稳定并停下来，为什么？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：电磁阻尼作用。 电磁阻尼与电磁驱动的比较 项目 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相对磁场运动的方向相反，阻碍导体运动 导体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，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，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场的相对运动 【典例3】 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 解析：选B。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；整个圆盘是电中性的，圆盘整体不会因圆盘转动产生电流，故D错误。 [名师提醒] 错因剖析 对照反思 (1)不能正确识别“磁针也随着一起转动”的现象为电磁驱动； (2)认为整个盘面的磁通量不变，所以无电磁感应现象 【针对训练2】 (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 解析：选AD。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，飞轮受到的安培力越大，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，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。 　　电磁感应封口机 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。 学科网（北京）股份有限公司 $$