第二章 3．涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【名师导航】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册教师用书word（人教版）

本讲义聚焦“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”核心知识点，从麦克斯韦感生电场理论切入，系统梳理感生电动势的产生与计算，进而阐述涡流的形成、应用（如真空冶炼炉）与防止措施，最后对比电磁阻尼和驱动的原理及应用，构建连贯的电磁感应知识学习支架。 该资料以“问题初探”引导预习，结合电磁炉、磁电式仪表等生活实例设计“思考讨论”，通过典例分析培养科学推理能力，分层作业兼顾基础与提升。既助力课堂中教师引导学生建构物理模型，又便于课后学生通过实例回顾与练习查漏补缺，体现科学思维与科学探究素养的培养。

3．涡流、电磁阻尼和电磁驱动 [学习目标]　1．知道感生电动势的产生以及与感生电场的联系，会判断感生电动势的方向并计算其大小。2．了解涡流的产生过程、应用和危害。3．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。4．了解电磁阻尼和电磁驱动及应用。 [教用·问题初探]——通过让学生回答问题来了解预习教材的情况 问题1　感生电场是如何产生的？ 问题2　涡流是感应电流吗？ 问题3　电磁阻尼和电磁驱动中的力是什么力？ 　电磁感应现象中的感生电场 【链接教材】　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：铁锅中产生了感应电流使铁锅发热。 【知识梳理】　 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．感应电动势 如果此刻空间存在闭合导体，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，也就是说导体中产生了感应电动势。 3．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。 提醒：(1)感生电动势中的非静电力是感生电场对自由电荷的作用。 (2)感生电场的方向根据楞次定律与安培定则判断。 【思考讨论】　如图所示，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在感生电场的作用下定向移动，而产生感应电流。 问题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：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。 问题2　上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？ 提示：感生电场对自由电荷的作用。 【知识归纳】　 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。如果在变化的磁场中放一个闭合电路，自由电荷将会在感生电场的作用下发生定向移动。 2．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。 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。 【典例1】　(感生电场方向的判断)现代科学研究中常用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场加速电子的设备。电子感应加速器主要有上、下电磁铁磁极和环形真空盒组成。当电磁铁绕组通以变化的电流时，产生变化的磁场，穿过真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化，这时真空盒空间内 就产生感应涡旋电场，电子将在涡旋电场作用下加速。如图所示(上图为侧视图、下图为真空盒的俯视图)，若电子被“约束”在半径为R的圆周上运动，当电磁铁绕组通有图中所示的电流时(　　) A．若电子沿逆时针运动，保持电流的方向不变，电流增大，电子将加速 B．若电子沿顺时针运动，保持电流的方向不变，电流增大，电子将加速 C．若电子沿逆时针运动，保持电流的方向不变，电流减小，电子将加速 D．被加速时电子做圆周运动的周期不变 A　[当电磁铁绕组通有题图中所示的电流时，由安培定则可知将产生向上的磁场，若电子沿逆时针运动，根据楞次定律和安培定则可知，这时真空盒空间内应产生顺时针方向的感生电场，此时电磁铁绕组中电流增大，电子将加速，A正确，同理可得B、C错误；由于电子被“约束”在半径为R的圆周上运动，由T＝知电子被加速或减速时做圆周运动的周期变化，D错误。] 　 　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．特点：若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量很多。 3．应用 (1)涡流热效应：如真空冶炼炉。 (2)涡流磁效应：如探雷器、安检门。 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)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。 【思考讨论】　在一铁块的外面绕有如图所示的线圈，当线圈通有如图所示的交变电流时。 问题1　铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ 提示：有。像水中的漩涡。 问题2　涡流的方向怎样判定？ 提示：用楞次定律判定。 问题3　涡流在铁块内的分布是均匀的吗？ 提示：不是均匀分布的，越靠近铁块表面层电流越强。 【知识归纳】　 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。 3．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)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。 【典例2】　(涡流的应用)(人教版教材P36图改编)(多选)如图所示，真空冶炼炉冶炼合金钢时，在线圈中通入迅速变化的电流，炉内的金属中产生涡流，涡流的热量使金属熔化。下列说法正确的是(　　) A．炉内金属中产生的涡流是感应电流 B．炉内金属发生了电磁感应现象 C．处于变化的磁场中的金属内都有涡流产生 D．炉内金属电阻率越小，形成的涡流越小 ABC　[涡流的实质是一种电磁感应现象，任何金属处在变化的磁场中时，均产生感应电流，这样的感应电流即为涡流，A、B、C正确；炉内金属电阻率越小，形成的涡流越大，D错误。] 　电磁阻尼和电磁驱动 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，安培力总是阻碍导体运动的现象。 (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：磁场相对导体转动时，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。 【思考讨论】　如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴转动。 问题1　若将磁铁拿走，轻转线圈，观察线圈的转动；若安装上磁铁，用同样的力转动线圈，你会观察到两次现象有什么不同，为什么？ 提示：观察到没有磁铁时线圈转动的时间比有磁铁时转动的时间长很多；有磁铁时，线圈转动会产生感应电流，感应电流的安培力阻碍线圈的转动。 问题2　先让线圈静止，转动磁铁，观察线圈有什么现象发生，为什么？ 提示：观察到线圈随着磁铁的转动会慢慢转动起来；线圈中产生感应电流，感应电流的安培力阻碍线圈相对磁铁的运动，即使线圈慢慢随磁铁转动起来。 【知识归纳】　 对电磁阻尼与电磁驱动的理解 项目 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由导体在磁场中运动形成 由磁场相对于导体运动形成 效果 安培力的方向与导体运动方向相反，为阻力 安培力的方向与导体运动方向相同，为动力 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 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 相同点 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的相对运动 【典例3】　(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．使线圈偏转角度更大 B．使线圈偏转后尽快停下来 C．起电磁阻尼的作用 D．起电磁驱动的作用 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，阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是起电磁阻尼的作用。故选BC。] 【典例4】　(电磁驱动)如图所示，铝制小球A在光滑的绝缘水平圆形轨道上处于静止状态，现在使小球正上方的条形磁铁在轨道正上方做匀速圆周运动，转速为n。关于小球的运动，下列说法正确的是(　　) A．磁铁转动过程中远离小球时小球加速，靠近小球时小球减速 B．安培力对小球做的功大于小球动能的增加量 C．安培力对小球做的功等于小球内部产生的焦耳热和小球动能的增加量 D．小球的转速最后稳定 D　[磁铁转动过程中无论远离还是靠近小球，小球在安培力作用下都做加速运动，故A错误；安培力对小球做的功等于小球动能的增加量，故B、C错误；小球的转速最后稳定，故D正确。] 　对电磁阻尼与电磁驱动的理解 (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)在电磁阻尼、电磁驱动现象中，安培力的作用效果都是阻碍相对运动，应注意电磁驱动阻碍的结果中，导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度。 1．如图所示，内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上，环内有一带负电的小球，整个装置处于竖直向下的磁场中，当磁场突然增强时，小球将(　　) A．沿顺时针方向运动 B．沿逆时针方向运动 C．在原位置附近往复运动 D．仍然保持静止状态 A　[磁感应强度的方向竖直向下，当磁场突然增强时，由楞次定律和安培定则可知，感生电场沿逆时针方向，由于小球带负电，所以小球将沿顺时针方向运动，A正确。] 2．电磁炉是目前家庭常用的炊具，由线圈盘、陶瓷面板等部件组成，如图所示。下列说法正确的是(　　) A．电磁炉是利用陶瓷面板发热来加热食物的 B．电磁炉可以用陶瓷材料的锅来加热食物 C．锅底越是靠近陶瓷面板，锅的加热效果就越好 D．电磁炉加热食物时线圈盘中通有恒定电流 C　[电磁炉是在线圈盘中通交变电流，产生变化的磁场，在锅底产生涡流进行加热食物的，故不可以用陶瓷材料的锅，且锅底越是靠近陶瓷面板，产生的涡流就越强，锅的加热效果就越好。故选C。] 3．(人教版教材P39T1改编)如图所示，有一铜盘被轻轻拨动后会绕转轴自由转动，如果转动时把蹄形磁体的两极放在铜盘的边缘，但不与铜盘接触。则下列说法正确的是　(　　) A．铜盘转得越来越快 B．铜盘中会有涡流产生 C．这是电磁驱动现象 D．上下交换磁极铜盘会转得越来越快 B　[由于电磁阻尼作用，铜盘转得越来越慢，故A、C错误；可以将铜盘分成很多部分，铜盘转动时穿过铜盘的各个部分的磁通量发生变化，故产生涡流，故B正确；上下交换磁极，铜盘同样会转得越来越慢，故D错误。] 4．如图是一个铝框放在蹄形磁体的两个磁极之间。铝框可以绕支点自由转动，先使铝框和磁体静止，转动磁体，观察铝框的运动，可以观察到(　　) A．铝框与磁体转动方向相反 B．铝框始终与磁体转动的一样快 C．铝框是因为受到安培力而转动的 D．当磁体停止转动后，如果没有空气阻力和摩擦阻力，铝框将保持匀速转动 C　[根据楞次定律的推论“来拒去留”可知，转动磁体时，铝框会跟着转动，且转动方向与磁体转动方向一致，A错误；铝框转动的本质是磁体转动过程中， 穿过铝框的磁通量发生了变化，在铝框中产生了感应电流，然后感应电流受到磁体周围的磁场对它的安培力作用，从而使铝框转动起来，又因为感应电流的磁场只是阻碍磁通量的变化，并不是阻止，所以铝框转动的速度要比磁体慢，B错误，C正确；当磁体停止转动后，铝框由于惯性会继续转动，在转动过程中与磁体的位置发生了变化，穿过铝框的磁通量发生了变化，所以铝框中产生感应电流，则铝框中会有焦耳热产生，铝框的动能会慢慢减少，所以即使没有空气阻力和摩擦力铝框也会停下来，D错误。] 回归本节知识，完成以下问题： (1)利用涡流加热时为什么采用高频交流电？ 提示：磁通量变化得越快，产生的感应电流越大，热量越多。 (2)从能量角度分析电磁阻尼的实质。 提示：机械能转化为电能导致机械能减小，表现为“阻碍”。 (3)交流电动机是利用什么原理工作的？ 提示：电磁驱动。 课时分层作业(七)　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 题组一　电磁感应现象中的感生电场 1．(多选)下列说法中正确的是(　　) A．感生电场是由变化的磁场产生的 B．恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场 C．感生电场的方向可以用楞次定律来判定 D．感生电场的电场线是闭合曲线，其方向一定沿逆时针方向 AC　[变化的磁场可以在周围产生电场，叫作感生电场，故A正确；恒定的磁场在周围不产生电场，故B错误；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，故C正确；感生电场的电场线是闭合曲线，其方向不一定沿逆时针方向，故D错误。] 2．(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 AC　[由安培定则可知，感应电场产生的磁场方向竖直向下，如果磁场沿AB方向，则感应磁场方向与原磁场方向相同，由楞次定律可知，原磁场在减弱，A正确，B错误；如果磁场沿BA方向，则感应磁场方向与原磁场方向相反，由楞次定律可知，原磁场在增强，C正确，D错误，故选AC。] 题组二　涡流 3．(多选)如图所示，电磁炉是利用感应电流(涡流)的加热原理工作的。下列关于电磁炉的说法，正确的是(　　) A．电磁炉面板采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部 B．电磁炉面板采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品 C．电磁炉可用陶瓷器皿作为锅具对食品加热 D．可通过改变通过线圈的交流电的频率来改变电磁炉的功率 AD　[电磁炉的上表面如果用金属材料制成，使用电磁炉时，上表面材料发生电磁感应要损失电能，因此电磁炉上表面要用绝缘材料制作，发热部分为铁锅底部，电磁炉产生变化的电磁场，导致加热锅底出现涡流，从而产生热量，A正确，B、C错误；锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，D正确。] 4．(多选)高频焊接原理示意图如图所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接。下列情况能使焊接处消耗的电功率增大的是(　　) A．增大交变电流的电压，其他条件不变 B．增大交变电流的频率，其他条件不变 C．感应电流相同条件下，增大焊接缝的接触电阻 D．感应电流相同条件下，减小焊接缝的接触电阻 ABC　[增大交变电流的电压，其他条件不变，则线圈中交变电流增大，磁通量变化率增大，因此产生的感应电动势增大，感应电流也增大，那么焊接处消耗的电功率增大，故A正确；高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中产生感应电流，根据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处消耗的电功率越大，故B正确；感应电流相同条件下，增大焊接缝的接触电阻，焊缝处消耗的电功率增大，故C正确，D错误。] 5．如图所示，用丝线将一个圆形金属板悬于O点，竖直虚线左边有垂直于纸面向外的匀强磁场，而右边没有磁场，不计空气阻力，现将金属板从图示位置由静止释放，金属板面在摆动过程中始终与磁场垂直。下列说法正确的是(　　) A．金属板离开磁场时板内不产生感应电流，进入磁场时板内产生感应电流 B．板内始终不能产生感应电流，金属板摆动不会停止 C．金属板的摆动幅度逐渐减小，摆动一段时间后会停止 D．板内虽然能产生感应电流，但受到的安培力合力为零，故金属板摆动幅度不会改变 C　[当金属板进入或离开磁场区域时磁通量都发生变化，都会产生感应电流，故A、B错误；金属板在摆进或摆出磁场时有感应电流产生，根据楞次定律可知感应电流的产生会阻碍线圈运动，即有机械能通过安培力做负功转化为内能，所以金属板的摆动幅度逐渐减小，摆动一段时间后会停止，故C正确，D错误。故选C。] 题组三　电磁阻尼与电磁驱动 6．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(　　) A　　　　　　　　　B C　　　　　　　D A　[施加磁场来快速衰减STM的微小振动，其原理是电磁阻尼，STM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，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，当紫铜薄板上下振动、左右振动时，通过它的磁通量都可能不变。方案D中，当紫铜薄板上下振动时，通过它的磁通量可能不变。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，故A正确。] 7．(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体沿着螺线管的轴线以初速度v水平穿过，如图所示，在此过程中(　　) A．磁体做匀速直线运动 B．磁体做减速运动 C．小车向右做加速运动 D．小车先加速后减速 BC　[磁体水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律知该电流产生的磁场阻碍磁体的运动，同理，磁体穿出时该电流产生的磁场也阻碍磁体的运动，故整个过程中，磁体做减速运动，A错误，B正确；而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右，使小车向右一直做加速运动，C正确，D错误。] 8．如图为上海中心大厦的上海慧眼阻尼器。质量块和吊索构成一个巨型复摆，质量块下方有一圆盘状的大型电磁铁，大厦产生晃动时，复摆与主体做相同晃动，电磁铁通电后，质量块中会产生涡流，受到电磁阻尼作用，从而减弱大楼的晃动，保持大厦的稳定和安全。下列说法正确的是(　　) A．阻尼过程中，电能转化为动能 B．涡流的大小与质量块摆动速度有关 C．改变电磁铁中电流方向，质量块不会受到电磁阻尼作用 D．质量块受到的电磁阻力与电磁铁的磁场强弱无关 B　[阻尼过程中产生涡流，质量块的动能转化为电能，故A错误；根据法拉第电磁感应定律，感应电动势与磁通量的变化率有关，质量块摆动速度越大，磁通量的变化率越大，感应电动势越大，感应电流越大，故B正确；改变电磁铁中电流方向，同样会在质量块中出现涡流，阻碍质量块的运动，故C错误；根据安培力F＝BIL，可得质量块受到的电磁阻力与电磁铁的磁场强弱有关，故D错误。] 9．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 D　[根据法拉第电磁感应定律可知，该磁场变化产生的感生电动势为E＝·S＝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。] 10．(多选)摩托车和汽车上装有的磁性转速表的结构原理图如图所示，转轴Ⅰ随待测物沿图示方向旋转，永磁体同步旋转。铝盘、游丝和指针固定在转轴Ⅱ上，铝盘靠近永磁体，当待测物以一定的转速旋转时，指针所指的刻度盘刻度即对应被测物的转速。下列说法正确的是(　　) A．铝盘接通电源后，通有电流的铝盘才会在磁场作用下带动指针转动 B．永磁体转动时，铝盘中产生感应电流，感应电流使铝盘受磁场力作用而转动 C．铝盘与永磁体的转动方向相同 D．若去掉游丝和指针，使转轴Ⅱ可以无阻碍地自由转动，铝盘就能同永磁体完全同步转动 BC　[当永磁体随转轴转动时，产生转动的磁场，铝盘中会产生感应电流，这时永磁体会对铝盘有力的作用，从而产生一个转动的力矩，由于游丝的反力矩，会使指针稳定指在某一刻度上，故A错误，B正确；铝盘与永磁体的转动方向相同，故C正确；若去掉游丝和指针，使转轴Ⅱ可以无阻碍地自由转动，永磁体固定在转轴Ⅰ上，铝盘固定在转轴Ⅱ上，由楞次定律知，铝盘不能同永磁体完全同步转动，其转速低于永磁体的转速，故D错误。故选BC。] 11．光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，抛物线的方程是y＝x2，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(图中的虚线所示)。一个小金属块从抛物线上y＝b(b>a)处以初速度v沿抛物线下滑。假设抛物线足够长，金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是(　　) A．mgb B． C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋ D　[金属块最终在y＝a以下来回摆动，以y＝b(b>a)处为初位置，y＝a处为末位置，可知末位置的速度为零，在整个过程中，重力势能减小，动能减小，减小的机械能转化为内能，根据能量守恒定律得Q＝mg(b－a)＋mv2，故选D。] 16 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