第2章 第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第3节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 知识导图 核心素养 1.物理观念：通过感生电场及感生电动势的提出，体会物理概念的产生过程 2.科学思维：通过涡流的实例分析，体会物理模型在探索自然规律中的作用 3.科学态度与责任：通过涡流、电磁阻尼和电磁驱动在生产、生活中的应用，体会科学对社会发展的推动作用 [知识梳理] 知识点一　电磁感应现象中的感生电场 1．感生电场：磁场 变化 时在空间激发的一种电场． 2．感生电动势：由 感生电场 产生的感应电动势． 3．感生电场的方向：可根据楞次定律判断． 知识点二　涡流 1．定义：由于 电磁感应 ，在导体中产生的像水中漩涡样的 感应 电流． 2．应用 (1)涡流热效应：如 真空冶炼炉 、电磁炉． (2)涡流磁效应：如 探雷器 、 安检门 ． 3．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 硅钢片 叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯． 知识点三　电磁阻尼　电磁驱动 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，安培力的方向总是 阻碍 导体运动的现象． (2)应用：磁电式仪表． 2．电磁驱动 (1)概念：磁场相对于导体转动时，导体中产生感应电流，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． [基础自测] 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象，不遵从电磁感应定律．( × ) (2)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流．( √ ) (3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流．( √ ) 2．(多选)下列说法中正确的是(　　) 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右手定则来判定 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 解析：AC　[磁场变化时在空间激发感生电场，其方向与所在闭合电路中产生的感应电流方向相同，可由楞次定律和右手定则判定，故选项A、C正确，选项B、D错误．] 3．下列做法中可能产生涡流的是(　　) A．把金属块放在匀强磁场中 B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动 C．让金属块在匀强磁场中做变速运动 D．把金属块放在变化的磁场中 解析：D　[涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化．而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误；把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确．] 　　　　　　　　　　 对感生电场和感生电动势的理解 ◆[探究导引] 　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． (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？ (2)上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？ 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)感生电场对自由电荷的作用． ◆[探究归纳] 1．感生电动势 (1)电场线：如图所示，当磁场变化时，产生的感生电场的电场线是与磁场方向垂直的闭合曲线，感生电场是一种涡旋电场． (2)如果空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，或者说导体中产生了感应电动势． 2．感生电场的方向 (1)判断：假定存在闭合环形回路，回路中感应电流的方向就表示感生电场的方向，判定方向要依据实际存在的或假定存在的回路结合楞次定律和右手定则来进行． (2)决定因素：感生电场是否存在仅取决于有无变化的磁场，与是否存在导体及是否存在闭合回路无关． [例1]　 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，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．洛伦兹力对小球做了功 D．小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比 [解析]　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，电场力对小球做正功，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；洛伦兹力对运动电荷不做功，故选项C错误；带电小球所受洛伦兹力F＝qBv，随着速率的增大而增大，同时B∝t，则F和t不成正比，故选项D错误．] [规律总结]　感生电场的三点注意 (1)感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的． (2)感生电场的产生跟空间中是否存在闭合电路无关． (3)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． ◆[跟进训练] 1. (多选)某空间出现了如图所示的一组闭合电场线，方向从上向下看是顺时针的，这可能是(　　) A．沿AB方向磁场在迅速减弱 B．沿AB方向磁场在迅速增强 C．沿BA方向磁场在迅速增强 D．沿BA方向磁场在迅速减弱 解析：AC　[感生电场的方向从上向下看是顺时针的，假设在平行感生电场的方向上有闭合回路，则回路中的感应电流方向从上向下看也应该是顺时针的，由右手螺旋定则可知，感应电流的磁场方向向下，根据楞次定律可知，原磁场有两种可能：原磁场方向向下且沿AB方向减弱，或原磁场方向向上，且沿BA方向增强，所以A、C有可能．] 2. (多选)如图所示，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于圆环直径的带正电的小球，以速率v0沿逆时针方向匀速转动(俯视)，若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场．若运动过程中小球带电荷量不变，那么(　　) A．小球对玻璃圆环的压力一定不断增大 B．小球所受的洛伦兹力一定不断增大 C．小球先沿逆时针方向减速运动，过一段时间后沿顺时针方向加速运动 D．洛伦兹力对小球一直不做功 解析：CD　[当磁场增强时，会产生顺时针方向的涡旋电场，电场力先对小球做负功使其速度减为零，后对小球做正功使其沿顺时针做加速运动，所以C正确；洛伦兹力始终与小球运动方向垂直，因此始终对小球不做功，D正确；小球在水平面内沿半径方向受两个力作用：环的挤压力FN和磁场的洛伦兹力F，这两个力的合力充当小球做圆周运动的向心力，其中F＝qvB，磁场在增强，球速先减小后增大，所以洛伦兹力不一定总在增大，故B错误；向心力F向＝m，其大小随速度先减小后增大，因此挤压力FN也不一定始终增大，故A错误．] 对涡流的理解及应用 ◆[探究导引] (1)如图所示是电磁炉的锅的工作原理图，电磁炉具为什么用平底的铁锅？涡流发生时，伴随着哪些能量发生转化？ (2)增大线圈中的电流，能否很好的提高电磁炉的加热效果？ 提示　(1)在平底的铁锅底部产生涡流，从而使得锅底温度升高，起到加热做饭或炒菜的作用．其他形式的能转化为电能，最终转化为内能． (2)不能，因为电磁炉的工作原理是电磁感应． ◆[探究归纳] 1．涡流的特点 当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强，根据公式P＝I2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大． 2．涡流中的能量转化 涡流现象中，其他形式的能转化成电能，并最终在金属块中转化为内能．如果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；如果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． [例2]　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．减少线圈的匝数 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]　B　[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，则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A错误，B正确；将杯子换为瓷杯不会产生涡流，则无法加热水，故C错误；取走铁芯磁场减弱，则加热时间变长，故D错误．] [规律总结]　解决涡流问题的三点注意 (1)涡流的产生条件及能量转化情况； (2)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； (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，形成的涡流就越大． ◆[跟进训练] 1. (多选)如图所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频交变电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是(　　) A．交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快 B．交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小 D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 解析：AD　[交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快．根据法拉第电磁感应定律，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大，而放出的热量与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高，焊缝处放出的热量越多；焊缝处与其他地方的电流大小一样，根据Q＝I2Rt，工件上只有焊缝处温度升得高，是因为焊缝处电阻很大，故A、D选项正确．] 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：D　[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．选x轴所在水平面为参考平面，初状态机械能E1＝mgb＋mv2，末状态机械能E2＝mga，焦耳热Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋mv2.] 对电磁阻尼与电磁驱动的理解 ◆[探究导引] 一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕轴转动．当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动；蹄形磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动． (1)蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量是否变化？ (2)线圈转动起来的动力是什么力？线圈的转动速度与磁铁的转动速度什么关系？ 提示　(1)变化． (2)线圈内产生感应电流受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来．线圈的转动速度小于磁铁的转动速度． ◆[探究归纳] 1．电磁阻尼与电磁驱动的比较 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 2.两点说明 (1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，都遵循楞次定律． (2)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动，应注意电磁驱动中阻碍的结果，导体的运动速度要小于磁场的运动速度． [例3]　 (多选)位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线水平穿过，如图所示，在此过程中(　　) A．磁铁做匀速直线运动 B．磁铁做减速运动 C．小车向右做加速运动 D．小车先加速后减速 [思路点拨] →→ [解析]　BC　[若磁场相对于导体(或线圈或螺线管)运动，则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，由楞次定律、安培定则、左手定则可总结如下规律：产生感应电流的导体所受安培力总是阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动．所以这个安培力驱动螺线管运动，阻碍磁铁运动，故B、C选项是正确的．] [规律总结]　对电磁阻尼和电磁驱动的理解 (1)电磁阻尼是产生感应电流的导体所受的安培力对导体做负功，阻碍导体运动；而电磁驱动是产生感应电流的导体所受的安培力对导体做正功，推动导体的运动． (2)在两种情况下，安培力均是阻碍导体与磁场之间的相对运动． (3)在电磁驱动中，主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度)． (4)电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象，均可根据楞次定律和左手定则分析导体的受力情况． ◆[跟进训练] [多维训练1]　电磁阻尼 　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左右振动的衰减最有效的方案是(　　) 解析：A　[由于要求有效衰减紫铜薄板的上下及左右的微小振动，则在紫铜薄板发生微小的上下或左右振动时，通过紫铜薄板横截面的磁通量应均能发生变化，由图可以看出，只有A图方案中才能使两方向上的微小振动得到有效衰减．] [多维训练2]　电磁驱动 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 解析：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，即线圈将与磁铁的转动方向相同，以阻碍磁通量的增加．但转速一定小于磁铁的转速，如果两者转速相同，则线圈与磁铁处于相对静止，线圈不切割磁感线，无感应电流产生．] [易错点]　不能正确运用理论诠释实际问题 [例]　如图所示是利用高频交流电焊接自行车零件的原理示意图，其中外圈A是通高频交流电的线圈，B是自行车零件，a是待焊接口，焊接时接口两端接触在一起，当A中通有交流电时，B中会产生感应电流，使得接口处金属熔化而焊接起来． (1)试分析说明，焊接的快慢与交变电流的频率有什么关系． (2)试解释说明，为什么焊接过程中，接口a处被熔化而零件其他部分并不是很热． [正解]　(1)线圈A中交变电流的频率越高，B中磁通量的变化率越大，产生的感应电动势越大，感应电流I越大，所以电流的热功率P＝I2R也越大，焊接越快． (2)B中各处电流大小相等，但接口a处是点接触，此种接触电阻很大，电流的热功率P＝I2R也很大，而其他部分电阻很小，电流的热功率也很小，所以接口a处被熔化，而其他部分并不是很热． [名师点评]　涡流现象产生的热效应取决于产生电流的强弱及电阻的大小，而电流的强弱又取决于感应电动势的大小，感应电动势的大小又受线圈交变电流变化快慢的影响，即受交变电流频率的影响． [易错分析]　如果不理解涡流现象在实际生活中的应用原理，就不能用文字作出准确说明． [误区警示]　运用文字解释相关物理问题，是高考对考生综合能力的重要考查要求．除了理解和掌握相关物理知识之外，还必须做到语言简洁、科学、准确． ◆[课堂小结] 　　　　　　　　　　　　　 1. (电磁阻尼)(多选)如图所示，磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是(　　) A．防止涡流而设计的　 B．利用涡流而设计的 C．起电磁阻尼的作用 D．起电磁驱动的作用 解析：BC　[线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，也就是涡流．涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来．所以，这样做的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用．] 2.(电磁驱动)(多选)如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动．从上向下看，若磁铁逆时针转动，则(　　) A．线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同 B．线圈将逆时针转动，转速比磁铁小 C．线圈转动时将产生感应电流 D．线圈转动时感应电流的方向始终是abcda 解析：BC　[当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生感应电流，故C正确；当线圈相对磁铁转过90°时，电流方向不再是abcda，D错误；由楞次定律可知，线圈将与磁铁同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度，故A错误，B正确．] 3. (感生电动势)如图所示，闭合导线圆环和条形磁铁都可以绕水平的中心轴OO′自由转动，开始时磁铁和圆环都静止在竖直平面内．若条形磁铁突然绕OO′轴N极向纸里、S极向纸外转动，在此过程中，圆环将(　　) A．产生逆时针方向的感应电流，圆环上端向里、下端向外随磁铁转动 B．产生顺时针方向的感应电流，圆环上端向外、下端向里转动 C．产生逆时针方向的感应电流，圆环并不转动 D．产生顺时针方向的感应电流，圆环并不转动 解析：A　[磁铁转动时，环中穿过环向里的磁通量增加，根据楞次定律，环中产生逆时针方向的感应电流．磁铁转动时，为阻碍磁通量的变化，导线圆环与磁铁同向转动，所以选项A正确．] 4．(涡流)(多选)图中的四个图都与涡流有关，下列说法正确的是(　　) A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置 B．金属探测器是利用被测金属中产生的涡流来进行探测的 C．电磁炉工作时在它的面板上产生涡流加热食物 D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅铜片叠合而成是为了减小涡流 解析：ABD　[真空冶炼炉是利用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，熔化金属的，故A正确；金属探测器中通有变化的电流，遇到金属物体时，被测金属中产生涡流，涡流的磁场反过来影响探测器中的电流，从而进行探测，故B正确；电磁炉工作时，在锅体中产生涡流，加热食物，故C错误；当变压器中的电流变化时，在其铁芯中将产生涡流，使用硅钢片制成的铁芯可以尽可能减小涡流，从而减小能量损失，故D正确．] 5．(电磁阻尼)(多选)物理课上，教师做了一个“电磁阻尼”的实验，如图甲所示，A、B两摆在通过磁场时，A摆很快停下来，B摆摆动了很长的一段时间．图乙是某同学另找器材再来探究此实验的装置，A是由摆片和细杆组成的摆，其摆动平面通过电磁铁的两极之间，当绕在电磁铁上的励磁线圈未通电时，摆片可自由摆动，要经过较长时间才会停下来；当线圈通电时，摆片应当迅速停下来．他连接好电路，重复实验，均没出现摆片迅速停下来的现象．对比老师的演示实验，下列说法正确的是(　　) A．老师实验中，A摆很快停下来的原因是摆上产生了感应电流 B．老师实验中，A摆很快停下来的原因是摆上没有产生感应电流 C．该同学没有成功的原因可能是所选线圈的匝数过多 D．该同学没有成功的原因可能是构成摆的材质是塑料的 解析：AD　[老师实验中，A摆很快停下来的原因是摆上产生了感应电流从而阻碍磁通量的变化，A正确，B错误；线圈的匝数越多，受阻碍作用越明显，则线圈越容易停下来，C错误；如果材质是塑料的，则不会产生感应电流，则线圈不会受到磁场力作用，因此不会很快停下来．D正确．] 学科网（北京）股份有限公司 $$