第二章 3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【金版教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册创新导学案word（人教版）

物理　选择性必修 第二册 RJ 3．涡流、电磁阻尼和电磁驱动 1．了解感生电场，知道感生电动势产生的原因，了解电子感应加速器的工作原理。2.了解涡流是怎样产生的，通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用，了解涡流的危害及防止。3.了解电磁阻尼和电磁驱动及其应用。 任务　电磁感应现象中的感生电场 1．感生电场：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．感生电动势：如果感应电动势是由感生电场产生的，它也叫作感生电动势。 3．应用：电子感应加速器 基本原理如图所示，上、下为电磁铁的两个磁极，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，产生的感生电场使电子加速。 判一判 (1)如果空间不存在闭合电路，变化的磁场周围不会产生感生电场。(　　) (2)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。(　　) (3)感生电场就是感应电动势。(　　) 提示：(1)×　麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发感生电场，与是否存在闭合电路无关。 (2)√　(3)× 1．感生电场的理解 (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 (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。 2．感生电场与静电场的区别 静电场 感生电场 产生条件 由电荷激发 由变化的磁场激发 电场线特点 静电场的电场线不闭合，总是始于正电荷或无穷远处，终止于负电荷或无穷远处，不闭合、不相交、也不相切 感生电场的电场线是闭合曲线，没有终点和起点 电场对电荷做功 单位正电荷在静电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功为零 单位正电荷在感生电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功可能不为零 3.感生电动势与动生电动势的比较 感生电动势 动生电动势 产生原因 感生电场 导体做切割磁感线运动 移动自由电荷 的非静电力 感生电场对自由电荷的电场力 导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力 回路中相当于电源的部分 处于变化磁场中的导体回路 做切割磁感线运动的导体 (多选)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方向的关系，下列描述正确的是(　　) A．当磁感应强度增大时，感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向 B．当磁感应强度增大时，感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向 C．当磁感应强度减小时，感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向 D．当磁感应强度减小时，感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向 [解析]　由题图可知，原磁场方向向上，当磁感应强度增大时，由楞次定律可知，在垂直于磁场的平面内有闭合线圈的情况下，感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反，即向下，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，当磁感应强度减小时，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。 [答案]　AD 感生电场方向的判断 闭合回路(假定其存在)的感应电流方向就表示感生电场的方向。判断思路如下： [跟进训练]　(多选)如图所示，一个闭合线圈静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，而使线圈中产生了感应电动势，下列说法正确的是(　　) A．使电荷定向移动形成电流的力是磁场力 B．磁场变化时，会在空间激发一个电场 C．从上往下看，当磁场增强时，线圈中有逆时针方向的感应电流 D．使电荷定向移动形成电流的力是电场力 答案：BD 解析：磁场变化时，会在周围产生感生电场，B正确；因线圈处于激发的电场中，电场力使线圈中的自由电荷定向移动，从而产生了感应电流，A错误，D正确；当磁场增强时，由楞次定律可知，感应电流的磁场方向向下，由安培定则可知，从上往下看，线圈中有顺时针方向的感应电流，C错误。 任务　涡流 1.涡流的定义：当穿过导体的磁通量发生变化时，由于电磁感应，导体内会产生像水中的漩涡一样的感应电流，我们把它叫作涡电流，简称涡流(如图所示)。 2．涡流的应用 (1)涡流热效应的应用：如真空冶炼炉、电磁炉。 (2)涡流磁效应的应用：如探雷器、安检门。 3．涡流的防止：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：用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。 判一判 (1)铝块靠近磁体时，铝块中不会产生电流。(　　) (2)涡流的方向可用楞次定律判断。(　　) 提示：(1)×　(2)√ 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。 如图所示为一种电加热装置，把一铁块放入线圈中且不接触线圈，稍等片刻，铁块就会“烧”得通红。小明同学由此做出了以下一些猜想，其中正确的是(　　) A．若把一干燥的木棍伸入线圈中，木棍会被烧着 B．线圈内部一定通有随时间变化的电流 C．线圈内部一定通有强度很大的恒定直流 D．铁块是否会变红与线圈中电流是否变化无关 [解析]　由题意可知这是电磁感应现象，干燥木棍是绝缘体，伸入线圈中不能形成感应电流，故木棍不会被烧着，A错误；只有变化的电流才能产生变化的磁场，进而在铁块内部产生涡流，通过电流的热效应把铁块烧红，C、D错误，B正确。 [答案]　B 涡流问题的两点注意 (1)涡流是整块导体内部自身形成闭合回路发生的电磁感应现象，同样遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律等。 (2)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。 [跟进训练]　(多选)电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，“火力”强劲，安全可靠。图示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是(　　) A．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 B．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 C．锅底的涡流方向与线圈平面平行 D．锅底厚一些加热效果更好 答案：ACD 解析：根据电磁炉的工作原理可知，电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，A正确；电磁炉通过在金属锅底部产生无数小涡流而达到加热食物的目的，陶瓷锅或耐热玻璃锅是用绝缘材料制作的，不会产生涡流，从而无法用其加热食物，B错误；通电线圈在锅底处产生的磁场垂直于线圈平面，根据楞次定律与安培定则可知，锅底的涡流方向与线圈平面平行，C正确；锅底较厚时，沿涡流路径的电阻较小，根据P＝，可知相同情况下其发热功率更大，加热效果更好，D正确。 任务　电磁阻尼与电磁驱动 如图所示，一个单匝线圈落入磁场中，分析它在图示位置时电流的方向和所受安培力的方向。安培力对线圈的运动有什么影响？ 提示：线圈下边切割磁感线，线圈中产生逆时针方向的感应电流，所以线圈下边受到向上的安培力，即安培力对线圈的运动有阻碍作用。 1．电磁阻尼 (1)定义：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很快地停下来，便于读数。 2．电磁驱动 (1)定义：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，这种作用常常称为电磁驱动。 (2)应用：交流感应电动机。 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 导体所受安培力的方向与磁场运动方向相同，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 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——导体的运动速度仍小于磁场的运动速度。 电磁阻尼现象在日常生活中得到广泛应用，如汽车的减震悬架等。某车型的减震系统就由两部分组成：一部分是机械弹簧主减震系统；另一部分是电磁辅助减震系统。装置示意图如图所示，强磁体固定在汽车底盘上，阻尼线圈固定在轮轴上，轮轴与底盘通过弹簧主减震系统相连，在震动过程中磁体可在线圈内上下移动。则(　　) A．对调磁体的磁极，电磁减震系统就起不到减震效果 B．增多线圈匝数，不影响安培力的大小 C．只要产生震动，电磁减震系统就能起到减震效果 D．震动过程中，线圈中有感应电流，且感应电流方向不变 [解析]　只要产生震动，穿过线圈的磁通量就会发生变化，线圈中就会产生感应电流，从而受到安培阻力的作用，电磁减震系统就能起到减震效果，对调磁体的磁极，同样会产生电磁感应现象，电磁减震系统仍起到减震效果，故A错误，C正确；根据法拉第电磁感应定律E＝n，可知在震动情况相同时，线圈匝数越多，产生的感应电动势越大，线圈电流越大，安培力越大，故增多线圈匝数，会影响安培力的大小，故B错误；震动过程中，线圈中磁通量的变化情况会根据磁体的靠近或者远离而不同，由楞次定律和安培定则可知，线圈中的感应电流方向也会随之改变，故D错误。 [答案]　C 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 [解析]　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，受到安培力作用，故线圈一定会转动，由楞次定律的推论可知，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。 [答案]　B 课后课时作业 知识点一　电磁感应现象中的感生电场 1.(多选)某空间出现了如图所示的一组闭合的电场线，这可能是因为(　　) A．沿AB方向的磁场在迅速减弱 B．沿AB方向的磁场在迅速增强 C．沿BA方向的磁场在迅速增强 D．沿BA方向的磁场在迅速减弱 答案：AC 解析：假设存在圆形闭合回路，回路中应产生与电场同向的感应电流，由安培定则，环形感应电流在其轴心处的磁场向下，根据楞次定律，引起感应电流的原因可能是沿AB方向的磁场在迅速减弱，或沿BA方向的磁场在迅速增强，故A、C正确。 知识点二　涡流 2.如图所示是冶炼金属的感应炉的示意图，感应炉中装有待冶炼的金属，线圈中通有电流，则(　　) A．感应炉的线圈中必须通有变化的电流，才会产生涡流 B．感应炉的线圈中通有恒定的电流，也可以产生涡流 C．感应炉是利用线圈中电流产生的焦耳热使金属熔化的 D．感应炉是利用线圈中电流产生的磁场使金属熔化的 答案：A 解析：根据电磁感应的条件可知，感应炉的线圈中必须通有变化的电流，才会产生涡流，A正确，B错误；感应炉的线圈中变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场穿过金属，在金属内产生强涡流，涡流产生大量的热使金属熔化，C、D错误。 3．(多选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品，安检门中接有线圈，线圈中通有交变电流，关于其工作原理，以下说法正确的是(　　) A．人身上携带的金属物品会被地磁场磁化，在线圈中产生感应电流 B．人体在由线圈中的交变电流产生的磁场里运动，产生感应电动势，并在金属物品中产生感应电流 C．线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流 D．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 答案：CD 解析：安检门利用涡流探测金属物品的工作原理：线圈中的交变电流产生交变磁场，使金属物品中产生涡流，该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流，而线圈中交变电流的变化可以被检测到，故C、D正确，A、B错误。 知识点三　电磁阻尼与电磁驱动 4.如图所示，铝管竖直置于水平桌面上，小磁体从铝管正上方由静止开始下落，在磁体穿过铝管的过程中，磁体不与管壁接触且无翻转，不计空气阻力，下列说法正确的是(　　) A．磁体做自由落体运动 B．磁体做加速度增大的加速运动 C．磁体可能一直做加速度减小的加速运动 D．磁体先做加速运动，最后做减速运动 答案：C 解析：磁体在铝管中下落的过程中，铝管相对磁体向上运动，产生感应电流，受到安培力作用，从而阻碍两者的相对运动，即铝管会受到向下的安培力，由牛顿第三定律可知，铝管对磁体的作用力方向向上，且随着磁体下落速度的增大，铝管中产生的感应电流增大，则铝管所受安培力增大，根据牛顿第三定律可知，磁体所受铝管的作用力增大，对磁体，由牛顿第二定律有mg－F＝ma，可知磁体的加速度随其速度的增大而减小，则磁体不可能做自由落体运动，A、B错误。若铝管较短，磁体一直做加速度减小的加速运动；若铝管较长，磁体先做加速度减小的加速运动，后做匀速运动，C正确，D错误。 5.如图所示，闭合导线环和条形磁体都可以绕水平的中心轴OO′自由转动，开始时磁体和圆环都静止在竖直平面内，若条形磁体突然绕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、下端向外随磁体转动 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 答案：A 解析：磁体转动时，穿过圆环向里的磁通量增加，根据楞次定律，圆环中产生逆时针方向的感应电流。磁体转动时，为阻碍磁通量的变化，圆环与磁体同向转动。故A正确。 6.(多选)磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，比靠摩擦力刹车更稳定。如图为该新型装置的原理图(从后面朝前看)，过山车的两侧装有铜片，停车区的轨道两侧装有强力磁体，当过山车进入停车区时，铜片与磁体的相互作用能使过山车很快停下来。下列说法正确的是(　　) A．磁力刹车的过程中动能转化为电能，最终转化成内能 B．将磁极反向，磁体会使过山车加速 C．将铜片换成尺寸相同的铝片，刹车效果会增强 D．过山车的速度越大，进入停车区时由电磁作用引起的刹车阻力越大 答案：AD 解析：磁力刹车的过程中，铜片穿过磁体时产生感应电流，在磁场中受到安培力作用，阻碍过山车的运动，故磁力刹车的过程中动能转化为电能，最终转化成内能，A正确；将磁极反向，铜片穿过磁体时仍产生感应电流，根据楞次定律的推论“来拒去留”，铜片受到的安培力仍是阻力，仍会使过山车减速，B错误；将铜片换成尺寸相同的铝片，因铝的电阻率较大，导体电阻变大，过山车进入停车区时，速度相同情况下，感应电动势相同，感应电流减弱，安培阻力减小，刹车效果会减弱，C错误；过山车的速度越大，进入停车区时，穿过铜片的磁通量变化越快，感应电动势越大，感应电流越强，安培阻力越大，D正确。 7．(多选)如图所示，通过水平绝缘传送带输送完全相同的铜线圈，线圈等距离排列，且与传送带以相同的速度匀速运动。为了检测出个别未闭合的不合格线圈，让传送带通过一固定匀强磁场区域，磁场方向垂直于传送带运动方向，根据穿过磁场后线圈间的距离，就能够检测出不合格线圈。通过观察图示，判断下列说法正确的是(　　) A．若线圈闭合，进入磁场时，线圈中感应电流方向从上向下看为逆时针 B．若线圈闭合，传送带以较大速度匀速运动时，磁场对线圈的作用力较大 C．从图中可以看出，第2个线圈是不合格线圈 D．从图中可以看出，第3个线圈是不合格线圈 答案：BD 解析：若线圈闭合，进入磁场时，穿过线圈的磁通量向上增大，由楞次定律可知，线圈中的感应电流的磁场方向垂直于传送带向下，所以感应电流的方向从上向下看为顺时针，故A错误；若线圈闭合，根据法拉第电磁感应定律，传送带以较大速度匀速运动时，线圈中产生的感应电动势较大，则感应电流较大，磁场对线圈的作用力较大，故B正确；由题图知第1、2、4、5、6个线圈都向后发生了相对滑动，而第3个线圈没有相对传送带向后滑动，则第3个线圈不闭合，没有产生感应电流，故C错误，D正确。 8．(多选)台风“烟花”登陆上海后，中国第一高楼上海中心大厦上的阻尼器“上海慧眼”开始出现摆动，摆幅达1.4米，给大楼进行减振。“上海慧眼”阻尼器首次采用了涡电流技术，其外形和结构如图所示，12根吊索吊着重达1000吨的圆盘质量块构成了一个巨大的摆，在质量块下方，圆盘状的磁场源与金属板构成了电涡流阻尼系统。关于该阻尼器，下列说法正确的是(　　) A．质量块中产生涡电流的原因是穿过质量块的磁通量在变化 B．质量块摆动得越快，质量块上产生的涡电流越小 C．质量块采用铜制作，是因为铜的导电性能好，产生的涡电流大、电磁阻尼大 D．阻尼器摆动幅度不受风力大小影响 答案：AC 解析：涡电流是感应电流的一种特殊形式，其产生的原因是穿过导体的磁通量发生变化，故A正确；质量块摆动得越快，穿过质量块的磁通量变化越快，质量块上产生的涡电流越大，故B错误；质量块采用铜制作，是因为铜的电阻率低，导电性能好，相同条件下，产生的涡电流大、电磁阻尼大，故C正确；由受迫振动发生机制可知，阻尼器摆动幅度受风力大小影响，故D错误。 9.(多选)电子感应加速器是利用感生电场来加速电子的一种设备。电子感应加速器主要由上、下电磁铁的磁极和环形真空室组成，当电磁铁通以变化的电流时，会在柱形电磁铁的两极间产生磁场，在磁场中安置一个环形真空室作为电子运行的轨道，如图所示(图中上部分为侧视图、下部分为俯视图)。当磁场发生变化时，产生的感生电场就会不断加速电子，电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动。下列说法正确的是(　　) A．洛伦兹力充当电子做圆周运动的向心力 B．使电子加速的是电场力 C．励磁电流必须从N端流入、从M端流出，且减小 D．励磁电流必须从M端流入、从N端流出，且增大 答案：ABD 解析：电子在真空室中运动过程中受到洛伦兹力、电场力、重力，由于重力很小，可以忽略不计，洛伦兹力方向与电子速度方向垂直，提供电子做圆周运动所需的向心力，但洛伦兹力不做功，通过电场力做功使电子加速，故A、B正确。电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动，根据左手定则可知上、下电磁铁间存在竖直向上的磁场，根据安培定则可判断励磁电流从M端流入、从N端流出；感生电场对电子做正功，使电子做加速运动，则感生电场沿顺时针方向，根据楞次定律可知原磁场应增强，故励磁电流增大，C错误，D正确。 10.电磁驱动是21世纪初问世的新概念、新技术，现已广泛应用在我们的日常生活中。装在汽车上的磁性转速表就利用了电磁驱动，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．永久磁体和铝盘应装在同一转轴上，两者同步转动 B．永久磁体和铝盘应装在不同的转轴上，两者转动方向相反 C．永久磁体相对铝盘转动，铝盘中产生感应电流，并受安培力而转动 D．在电磁驱动的过程中，通过克服安培力做功将机械能转化为电能 答案：C 解析：根据电磁驱动的概念可知，永久磁体和铝盘固定在不同的转轴上，当永久磁体随转轴转动时，在铝盘中产生感应电流，这时永久磁体的磁场会对铝盘上的感应电流有安培力的作用，使铝盘转动，由于弹簧游丝的作用，会使指针稳定在某一刻度上，故A错误，C正确；该转速表运用了电磁感应原理，由楞次定律的“来拒去留”可知，铝盘转动方向与永久磁体转动方向应相同，且两者的转动不是同步的，故B错误；在电磁驱动的过程中，通过安培力做功将电能转化为机械能，故D错误。 11.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(　　) 答案：A 解析：出现扰动后，其扰动方向不确定，在选项C这种情况下，紫铜薄板上下或左右振动时，穿过薄板的磁通量难以改变，不能发生电磁感应现象，没有电磁阻尼效应；在选项B、D这两种情况下，紫铜薄板上下振动时，也没有发生电磁阻尼现象；选项A这种情况下，不管紫铜薄板上下振动还是左右振动时，都会发生电磁感应现象，产生电磁阻尼效应。A正确。 1 学科网（北京）股份有限公司 $