第2章 3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第二册同步导学案配套PPT课件（人教版）单选

3　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 第二章　电磁感应 [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(重点)。 课时作业 巩固提升 要点1　电磁感应现象中的感生电场 要点2　涡流 要点3　电磁阻尼和电磁驱动 内容索引 要点1　电磁感应现象中的感生电场 一 4 1.感生电场 __________认为，磁场变化时会在空间激发一种_________，这种电场叫作感生电场。 2.感生电动势 由感生电场产生的电动势叫感生电动势。 3.电子感应加速器 电子感应加速器是利用____________使电子加速的设备，当电磁铁线圈中_________的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速。 梳理 必备知识 自主学习 麦克斯韦 电场 感生电场 电流 5 [思考与讨论] 如图所示，B增强，那么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在电场力的作用下定向移动，产生感应电流。 6 (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? 提示：(1)感应电流的方向与正电荷定向移动的方向 相同，感生电场的方向与正电荷受力的方向相同， 因此，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)上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色? 提示：(2)感生电场对自由电荷的作用。 7 1.变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关。如果在变化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，即： 归纳 关键能力 合作探究 2.感生电场可用电场线形象描述。感生电场是一种漩涡电场，电场线是闭合的，而静电场的电场线不闭合。 3.感生电场的方向根据楞次定律和安培定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝n计算。 8 [例1]　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。它的基本原理如图所示,在上、下两个电磁铁的磁极之间有一个环形真空室,电子在真空室中做圆周运动。电磁铁线圈中电流的大小、方向可以变化,所产生的感生电场使电子加速。甲图为侧视图,乙图为真空室的俯视图。若此时电磁铁中通有图示电流,电子沿逆时针方向运动,则下列说法正确的是(　　) A.若电磁铁中电流减小,则电子被加速 B.若电磁铁中电流增大,则电子被加速 C.若电子被加速,是因为洛伦兹力对其做正功 D.电子受到的感生电场力提供其做圆周运动的向心力 [答案]　B 当电磁铁线圈中电流增大时,产生向上增大的磁场,根据楞次定律可知,感生电场的方向为顺时针方向,电子将沿逆时针方向做加速运动;反之,若电磁铁中电流减小,则电子不能被加速,选项B正确,A错误;洛伦兹力方向与电子的速度方向垂直,可知洛伦兹力不做功,选项C错误;电子受到的感生电场力使电子加速,洛伦兹力提供其做圆周运动的向心力,选项D错误。 [针对训练]　1.某空间存在如图所示的磁场,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的方向关系,下列描述正确的是(　　) A.当磁感应强度不变时,也能产生感生电场 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 D 磁感应强度不变,不能产生感生电场,故A错误。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在增大,感生磁场方向应与原磁场方向相反,即感生磁场方向向下,再由右手螺旋定则知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,故D正确,B、C错误。 二 要点2　涡流 14 1.定义：由于___________，在导体中产生的像水中漩涡样的________ 电流。 2.特点：金属块中的涡流会产生____________。 3.应用 (1)涡流热效应：如______________、电磁炉。 (2)涡流磁效应：如__________、__________。 梳理 必备知识 自主学习 电磁感应 感应 热量 真空冶炼炉 探雷器 安检门 15 4.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)增大铁芯材料的____________。 (2)用互相绝缘的____________叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。 电阻率 硅钢片 16 [思考与讨论] 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? 提示：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。 17 1.涡流产生的本质：电磁感应现象。 2.涡流产生的条件：穿过金属块的磁通量发生变化，涡流的大小正比于磁通量的变化率。 3.涡流的特点：整个金属块回路的电阻一般很小，涡电流很大，发热功率很大。 4.能量转化：金属块放在变化的磁场中，磁场能转化为电能，电能在金属块中转化为内能，导体内部发热的原理是电流的热效应。 归纳 关键能力 合作探究 18 [例2]　(2024·广东清远高二统考)电磁炉具有无明火、无污染、高效节能等优点,某同学仿照电磁炉原理自己制作了一个简易电磁炉,其结构简图如图所示。在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,接通交流电源,一段时间后杯内的水就会沸腾起来。下列说法正确的是(　　) A.若将交流电源改为恒定电流,则简易电磁炉仍能正常工作 B.若将金属杯换作陶瓷器皿,则简易电磁炉仍能正常工作 C.若仅增大交流电的频率,则简易电磁炉的功率增大 D.在线圈和金属杯之间放一层绝缘垫片,简易电磁炉将不能正常工作 [答案]　C 交流电源产生变化的磁场,通过金属杯的磁通量发生变化而产生涡流,利用涡流来加热食物或者水,如果将交流电源改为恒定电流或者将金属杯换作陶瓷器皿,将不能再产生涡流,即简易电磁炉不能正常工作,A、B错误;仅增大交流电的频率,根据法拉第电磁感应定律可知,涡流增大,简易电磁炉的功率增大,C正确;交流电源产生变化的磁场能穿过绝缘垫片,通过金属杯的磁通量仍会发生变化而产生涡流,故电磁炉仍能正常工作,D错误。 [针对训练]　2.高频焊接原理示意图如图所示,线圈通以高频交变电流,金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热,将焊缝熔化焊接。要使焊接处产生的热量较大,可(　　) A.减小交变电流的电压 B.减小交变电流的频率 C.增大焊接缝的接触电阻 D.减小焊接缝的接触电阻 C 增大交变电流的电压和交变电流的频率均可使电流的变化率增大,由E=n知,感应电动势和涡流均增大,焊接处的发热功率增大,若增大焊接缝的接触电阻,则焊接处的电压、功率分配都增大,产生的热量就会增大,故C正确,A、B、D错误。 三 要点3　电磁阻尼和电磁驱动 24 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_________， 安培力总是_________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____________使指针迅速停止到某位置，便于读数。 梳理 必备知识 自主学习 安培力 阻碍 电磁阻尼 25 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____________，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动。 (2)应用：交流感应电动机。 感应电流 26 [思考与讨论] 一个闭合线圈放在蹄形磁体的两磁极之间，如图所示，蹄形磁体和闭合线圈都可以绕轴转动。当蹄形磁体顺时针转动时线圈也顺时针转动;蹄形磁体逆时针转动时线圈也逆时针转动。 27 (1)蹄形磁体转动时，穿过线圈的磁通量是否变化? 提示：(1)变化。 (2)线圈转动起来的动力是什么力?线圈的转动速 度与蹄形磁体的转动速度有什么关系? 提示：(2)线圈内产生感应电流使线圈受到安培 力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来。 线圈的转动速度小于蹄形磁体的转动速度。 28 电磁阻尼与电磁驱动的比较 归纳 关键能力 合作探究 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，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 29 角度1　对电磁阻尼的理解 [例3]　弹簧上端固定,下端挂一只条形磁体,使磁体上下振动,磁体的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁体,如图所示,观察磁体的振幅将会发现(　　) A.S闭合时振幅逐渐减小,S断开时振幅不变 B.S闭合时振幅逐渐增大,S断开时振幅不变 C.S闭合或断开,磁体的振动幅度都不变 D.S闭合或断开,磁体的振动幅度均发生变化 A 当S闭合时,线圈构成闭合回路,当条形磁体竖直运动时,穿过线圈的磁通量发生变化,从而使线圈产生感应电流,由楞次定律可知,感应电流的磁场阻碍磁体的运动,使振幅减小,不闭合开关,不会产生感应电流,振幅不变,故A正确,B、C、D错误。 角度2　对电磁驱动的理解 [例4]　如图所示,蹄形磁铁的两极之间放置一个线圈abcd,磁铁和线圈都可以绕OO'轴转动,当磁铁按图示方向绕OO'轴转动时,线圈的运动情况是(　　) A.俯视,线圈顺时针转动,转速与磁铁相同 B.俯视,线圈逆时针转动,转速与磁铁相同 C.线圈与磁铁转动方向相同,但转速小于磁铁的转速 D.线圈静止不动 C 当磁铁转动时,由楞次定律知,线圈中有感应电流产生,以阻碍磁通量的增加,即线圈的转动方向将与磁铁相同,但转速一定小于磁铁的转速,如果两者转速相同,则线圈与磁铁相对静止,线圈不切割磁感线,无感应电流产生,故C正确。 [针对训练]　3.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 D 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。 4.如图所示,在光滑水平桌面上放一条形磁体,分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁体的一端且给它们一个相同的初速度,让其向磁体滚去,观察小球的运动情况是(　　) A.都做匀速运动 B.铁球和铝球做加速运动 C.铁球做加速运动,铝球做减速运动,木球做匀速运动 D.铁球做减速运动,铝球做加速运动,木球做匀速运动 答案:C 铁球将做加速运动,其原因是铁球被磁化后与磁体之间产生相互吸引的力;铝球将做减速运动,其原因是铝球内产生了感应电流,感应电流产生的磁场阻碍其相对运动;木球将做匀速运动,其原因是木球既不能被磁化,也不能产生感应电流,所以磁体对木球不产生力的作用。故C正确。 四 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 [A组　基础巩固练] 1.(2024·天津河西高二统考)在一些常用的家用电器中。应用电磁感应现象的是(　　) B 电磁炉是利用交变电流产生变化的磁场,从而使金属锅产生涡流的,应用了电磁感应现象;电暖风机、电饭煲和电烤炉都利用了电流的热效应,没有应用电磁感应现象,故选B。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2.下列关于涡流的说法正确的是(　　) 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A 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;硅钢中产生的涡流较小,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 3.(2024·重庆沙坪坝高二检测)如图所示,高考考生入场时监考老师要用金属探测器进行安检。手持金属探测器工作时,探测器内部的线圈通有正弦交流电,产生变化的磁场。当探测器靠近金属物体时,会引起探测器内线圈中的电流异常变化,报警器就会发出警报,则该探测器工作时(　　) A.利用的是静电感应现象 B.利用的是磁场对金属的吸引作用 C.能准确区分金属种类 D.靠近金属,金属中会产生涡流 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 探测器内部的线圈通有正弦交流电,产生变化的磁场,当探测器靠近金属物体时,金属中会产生涡流,涡流产生的磁场会引起探测器内线圈中的电流异常变化,报警器就会发出警报,利用了电磁感应现象;只要是金属物体就能产生涡流,不能准确区分金属种类。故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 4.下列说法不正确的是(　　) A.感生电场由变化的磁场产生 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 B 磁场变化时在空间激发感生电场,感生电场的电场线是闭合曲线,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A、C、D项正确,B项错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 5.(2024·黑龙江实验中学高二检测)“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。如图所示为一手持式封口机,它的工作原理是:当接通电源时,内置线圈产生磁场,当磁感线穿过封口铝箔材料时,瞬间产生大量小涡流,致使铝箔自行快速发热,熔化复合在铝箔上的溶胶,从而粘贴在待封容器的封口处,达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A.该封口机利用了电磁感应现象,可以用交流电源供电 B.该封口机可用干电池作为电源以方便携带 C.该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口,也适用于金属容器的封口 D.封口材料可用陶瓷薄片来代替铝箔 答案:A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 该封口机利用了电磁感应现象,可以用交流电源供电,导体放入变化的磁场才能产生涡流现象,而干电池通电后,导线周围产生恒定的磁场,不能产生涡流,不能用干电池作为电源,A正确,B错误;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,因为金属容器同样产生涡流,不利于迅速封口,只适用于对玻璃、塑料等材质的容器封口,C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 6.(2024·北京海淀高二阶段检测)当线圈中的电流随时间变化时,由于电磁感应,线圈附近的导体中都会产生感应电流。如图所示,将绝缘导线绕在圆柱形铁块上,导线内通以交变电流,铁块内就会产生虚线所示的感应电流,即涡流。当线圈中的电流方向如图所示且正在减小时,下列判断正确的是(　　) A.线圈内部空间的磁感线方向竖直向下 B.从上往下看,铁块内沿虚线圆的涡流方向为顺时针方向 C.为减小涡流,可以把铁块沿横向切成很薄的铁片,涂上绝 缘层后叠放起来 D.为减小涡流,可以把铁块沿纵向切成很薄的铁片,涂上绝缘层后叠放起来 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 线圈内部的磁场由通过线圈的电流产生,根据安培定则可知,其磁感线方向竖直向上,故A错误;因为线圈中的电流正在减小,则线圈中电流产生的磁场减弱,根据楞次定律和安培定则可知,涡流的方向为逆时针方向,故B错误;由于产生的感应电动势的大小一定,而要减小涡流,需要增大铁块电阻,根据电阻定律可知,可减小铁块的横截面积,故可以把铁块沿纵向切成很薄的铁片,涂上绝缘层后叠放起来,故C错误,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 7.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定磁场。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(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A 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,系统振动时,紫铜薄板随之上下及左右振动,都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化,产生感应电流,受到安培力,阻碍系统的振动;在B、D图中,只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流,而上下振动无感应电流产生;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。故最有效的方案为A。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 [B组　综合强化练] 8.如图所示是一个水平放置的玻璃圆环形小槽,槽内光滑,槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中,让它获得一初速度v0(方向已在图中标出),与此同时,有一变化的磁场垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所在的区域,磁感应强度的大小跟时间成正比例增大,方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变,则(　　) A.小球需要的向心力大小不变 B.小球需要的向心力大小不断增大 C.磁场力对小球做了功 D.小球受到的磁场力大小与时间成正比 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 B 当磁感应强度随时间均匀增大时,将产生一恒定的感生电场,由楞次定律知,电场方向和小球初速度方向相同,因小球带正电,感生电场的作用力对小球做正功,小球速率逐渐增大,向心力也随着增大,故选项A错误,B正确;小球所受磁场力与小球运动方向垂直,对小球不做功,故选项C错误;带电小球所受洛伦兹力F=qBv,小球速率逐渐增大,同时B∝t,则F和t不成正比,故选项D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 9.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总热量是(　　) A.mgb　　　　　　　　 B.mv2 C.mg(b-a) D.mg(b-a)+mv2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 金属块在曲面上滑动的过程中,由初状态到末状态(金属块在磁场区域内往复运动)能量守恒。取x轴所在水平面为重力势能零势能面。 初状态机械能E1=mgb+mv2 末状态机械能E2=mga 总热量Q=E1-E2=mg(b-a)+mv2。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 10.图甲为磁控健身车,图乙为其车轮处结构示意图,在金属飞轮的外侧有一些磁铁(与飞轮不接触),人用力蹬车带动飞轮旋转时,磁铁会对飞轮产生阻碍,拉动旋钮拉线可以改变磁铁与飞轮间的距离。下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A.飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力 B.飞轮转速一定时,磁铁越靠近飞轮,飞轮受到的阻力越小 C.磁铁和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,受到的阻力越小 D.磁铁和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,内部的涡流越弱 答案:A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 飞轮在磁场中做切割磁感线运动,所以会产生感应电流,根据楞次定律可知,磁场会对运动的飞轮产生阻力,以阻碍飞轮与磁场之间的相对运动,所以飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力,故A正确;磁铁越靠近飞轮,飞轮处的磁感应强度越强,所以在飞轮转速一定时,磁铁越靠近飞轮,飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大,飞轮受到的阻力越大,故B错误;磁铁和飞轮间的距离一定时,根据法拉第电磁感应定律可知,飞轮转速越大,飞轮上产生的感应电流越大,飞轮受到的阻力越大,故C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 [C组　培优选做练] 11.如图所示,光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连,水平轨道上方有一足够长的金属杆,杆上挂有一光滑螺线管A。在弧形轨道上高为h的地方,无初速度释放一磁体B(可视为质点),B下滑至水平轨道时恰好沿螺线管A的中心轴运动,设A、B的质量分别为M、m,最终A、B速度分别为vA、vB。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (1)螺线管A将向哪个方向运动? 答案:(1)向右运动　 (1)磁体B向右运动时,螺线管中产生感应电流,感应电流产生电磁驱动作用,使得螺线管A向右运动。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (2)求全过程中整个电路所消耗的电能。 答案: (2)mgh-M-m (2)全过程中,磁铁减少的重力势能转化为A、B的动能和螺线管中的电能,故 mgh=M+m+E电 则E电=mgh-M-m。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 $$