第07讲 涡流、电磁阻尼和电磁驱动（寒假预习讲义）高二物理人教版

第07讲 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 内容导航——预习三步曲 第一步 学 析教材·学知识：教材精讲精析、全方位预习 练习题·讲典例：教材习题学解题、快速掌握解题方法 练考点·强知识：5大核心考点精准练 第二步 记 串知识·识框架：思维导图助力掌握知识框架、学习目标复核内容掌握 第三步 测 过关测·稳提升：小试牛刀检测预习效果、查漏补缺快速提升 知识点一　电磁感应现象中的感生电场 【情境导入】 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做定向移动，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？ 答案　(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． 【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． 【重难诠释】 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用右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝n计算． 知识点二　涡流 【情境导入】 如图所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ 答案　有．变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感生电场，使导体中的自由电子发生定向移动，产生感应电流，它的形状像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流． 【知识梳理】 1．涡流：当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，用图表示这样的感应电流，就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流． 2．金属块中的涡流会产生热量，利用涡流产生的热量可以冶炼金属． 【重难诠释】 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 (1)金属块在变化的磁场中，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，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．涡流的应用与防止 (1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等． (2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯． 知识点三　电磁阻尼和电磁驱动 【情境导入】 弹簧上端固定，下端悬挂一个磁体．将磁体托起到某一高度后放开，磁体能上下振动较长时间才停下来．如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈，使磁体上下振动时穿过它(如图所示)，磁体就会很快停下来，解释这个现象． 答案　当磁体穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁体靠近或离开线圈，也就使磁体振动时除了受空气阻力外，还要受到线圈的磁场阻力，克服阻力需要做的功较多，机械能损失较快，因而会很快停下来． 【知识梳理】 电磁阻尼 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的运动，这种现象称为电磁阻尼． 电磁驱动 若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． 【重难诠释】 电磁阻尼和电磁驱动的比较 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由导体在磁场中运动形成的 由磁场运动而形成的 效果 安培力方向与导体运动方向相反，为阻力 安培力方向与导体运动方向相同，为动力 能量 转化 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 共同点 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间的相对运动 教材习题01 如图2.3-14所示，弹簧上端固定，下端悬挂一个磁体。将磁体托起到某一高度后放开，磁体能上下振动较长时间才停下来。如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈，使磁极上下振动时穿过它，磁体就会很快地停下来。分析这个现象的产生原因，并说明此现象中能量转化的情况。 解题方法 电磁阻尼 【答案】当条形磁铁的N极靠近线圈时,线圈中向下的磁通量增加,根据楞次定律可得,线圈中感应电流的磁场方向应该向上,再根据安培定则,判断出线圈中的感应电流方向为逆时针方向(自上向下看)。感应电流的场对条形铁N极的作用力向上,阻碍条形磁铁向下运动。 当条形磁铁的N极远离线圈时,线圈中向下的磁通量减少,根据楞次定律可得,线圈中感应电流的场方向应该向下,再根据安培定则,判断出线圈中的感应电流方向为顺时针方向(自上向下看)。感应电流的场对条形磁铁N极的作用力向下,阻碍条形磁铁向上运动。 因此,无论条形磁铁怎样运动,都将受到线圈中感应电流磁场的阻碍作用,所以条形磁铁很快停了下来整个过程中,弹簧和磁铁的机械能转化为线圈的电能，说明:做这个实验时,为了现象明显,闭合线圈应当使用较宽、较厚且内径较小的铜环或铝环,这样可以产生较强的感应电流,从而对磁铁产生较大的作用力。 教材习题02 如图2.3-16所示，水平放置的绝缘桌面上有一个金属圆环，圆心的正上方有一个竖直的条形磁体。请通过分析形成以下结论:条形磁体沿水平方向移动时，金属圆环将受到水平方向运动的驱动力，驱动力的方向跟条形磁体运动的方向相同。 解题方法 电磁驱动 【答案】当条形磁铁向右移动时,金属圆环中的磁通量减少,圆环中将产生感应电流,感应电流的磁场阻碍通量的减少,故金属圆环将受到条形磁铁向右的作用力。这个力实际上就是条形磁铁的磁场对感应电流的安培力。这个安培力将驱使金属圆环向右运动。 题型1涡流的原理、应用与防止 1. 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 【答案】AD 【详解】A．飞轮在磁场中做切割磁感线运动，所以会产生感应电动势和感应电流，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； B．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； C．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动势和感应电流越大；飞轮受到的阻力越大，故C错误； D．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动势和感应电流越大，内部的涡流越强，故D正确。 故选AD。 题型2电磁灶的结构和原理 2. 下列关于电磁学现象的解释，正确的是（　　） A．安培力是洛伦兹力的宏观表现，因此两者方向总相同 B．电磁炉加热食物时，锅底发热是因金属内部自由电荷受洛伦兹力做定向运动 C．闭合线圈靠近磁铁时产生感应电流，其方向总是阻碍线圈与磁铁的相对运动 D．金属探测器利用涡流原理，工作时探测线圈中通入恒定电流以提高灵敏度 【答案】C 【详解】A．安培力是导体中所有自由电荷所受洛伦兹力的宏观合力，但单个电荷的洛伦兹力方向可能不同（如正负电荷运动方向相反），因此安培力方向与单个洛伦兹力方向未必相同，故A错误； B．电磁炉利用交变磁场在金属锅底产生涡流，涡流由变化的磁场感生电场驱动电荷运动，而非仅由洛伦兹力导致定向运动，故B错误。 C．根据楞次定律，闭合线圈靠近磁铁时，感应电流的磁场方向总是阻碍线圈与磁铁的相对运动（如靠近时表现为斥力），故C正确。 D．金属探测器需通入交变电流以产生变化的磁场，从而在金属中激发涡流；若通恒定电流，磁场不变化，无法产生涡流，灵敏度为零，故D错误。 故选C。 题型3安检警报器结构和原理 3. 如图所示，是考场使用的金属探测器，该探测器涉及的基本原理是（　　） A．静电感应 B．电磁感应 C．电磁驱动 D．静电屏蔽 【答案】B 【详解】考场使用的金属探测器，该探测器涉及的基本原理是电磁感应。利用有交流电通过金属探测器内部的线圈，产生迅速变化的磁场。这个磁场能在金属物体内部能感生涡电流。涡电流又会产生磁场，倒过来影响金属探测器内部的线圈原来的磁场，引发探测器发出鸣声，从而可以检测是否携带金属器件制作的通讯工具。 故选B。 题型4电磁阻尼与电磁驱动的理解 4. 如图，一均匀金属圆盘绕通过其圆心且与盘面垂直的轴逆时针匀速转动。现施加一垂直穿过圆盘的有界匀强磁场，圆盘开始减速。在圆盘减速过程中，以下说法不正确的是（       ） A．处于磁场中的圆盘部分，靠近圆心处电势高 B．所加磁场越强越易使圆盘停止转动 C．若所加磁场反向，圆盘将加速转动 D．若所加磁场穿过整个圆盘，圆盘将匀速转动 【答案】CD 【详解】A．把圆盘看成沿半径方向紧密排列的“辐条”，由右手定则知，靠近圆心处电势高，故A正确，不符合题意； B．所加磁场越强，感应电流越强，安培力越大，对圆盘转动的阻碍越大，故B正确，不符合题意； C．如果磁场反向，由楞次定律可知，安培力仍阻碍圆盘转动，故C错误，符合题意； D．若将整个圆盘置于磁场中，辐条仍会切割磁场产生感应电动势，从而形成涡流，使得圆盘减速运动，故D错误，符合题意。 故选CD。 题型5电磁驱动原理的其他应用 5. 如图所示，导体小球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 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量 D．运动稳定后，小球的转速最后等于n 【答案】D 【详解】A．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加速运动，故A错误； BC．安培力对小球做的功等于小球动能的增加，故BC错误； D．运动稳定后，小球的转速最后等于与磁铁的转速相同，安培力为零，故D正确。 故选D。 1．电磁炉（如图所示）的炉盘下有一组线圈，电磁炉工作时，炉盘上的铁锅会发热，为使铁锅迅速发热，线圈应接怎样的电源（　　） A．直流高压 B．直流低压 C．迅速变化的电流 D．缓慢变化的电流 【答案】C 【详解】线圈中的电流变化，在附近的导体中（主要是铁锅的底部）产生感应电流，从而在导体中产生大量的热，这种涡流现象也是电磁感应；而迅速变化的电流，产生的感应电流较大，产生的热量越多。 故选C。 2．如图，磁体从竖直放置的铝管口静止释放，下落过程中磁体不与管壁接触且无翻转，不计空气阻力。则（　　） A．磁体在穿过铝管过程中，始终匀加速下降 B．磁体在穿过铝管过程中，所受安培力的方向先向上后向下 C．磁体在穿过铝管过程中，磁体减少的重力势能全部转化为动能 D．若更换为等质量磁性更强的磁体，穿过铝管的时间将变长 【答案】D 【详解】AB．磁体在铝管中运动的过程中，虽不计空气阻力，但在这个过程中铝管中会产生涡流，磁体会受到安培力的作用，且全程安培力的方向一直向上，根据法拉第电磁感应定律，磁体运动的速度越快，则产生的感应电动势越大，所以受到的安培力也越大，重力不变，磁体的加速度是逐渐减小的，磁体不是做匀加速运动，故AB错误； C．根据能量守恒定律，磁体在穿过铝管过程中，磁体减少的重力势能转化为动能和内能，故C错误； D．若更换为等质量磁性更强的磁体，安培力会更大，阻碍现象会更明显，时间会变长，故D正确。 故选D。 3．涡流效应可以用来检测金属材料中是否有裂隙、气泡。下图为涡流检测的示意图，激励线圈通变化的电流，从而在金属导体中感应出涡流。若金属导体中有气泡，会影响涡流大小，从而被激励线圈检测到。已知图示时刻激励线圈俯视看为顺时针电流，下列说法正确的是（　　） A．图示时刻激励线圈的电流在变小 B．图示时刻感应磁场方向向上 C．感应磁场与激励磁场的方向始终相反 D．激励线圈移动到导体内有气泡的区域上方时，金属导体中的涡流会增大 【答案】B 【详解】AB．根据安培定则可知，激励线圈中的电流产生的磁场在金属导体位置的磁场方向整体向下，而金属导体中感应出的涡流产生的磁场在金属导体位置的磁场方向向上，即图示时刻感应磁场方向向上，两磁场方向相反，根据楞次定律可知，图示时刻激励线圈的电流在变大，故A错误，B正确； C．若激励线圈的电流变小，激励线圈中的电流产生的磁场在金属导体位置的磁场减弱，根据楞次定律可知，此时涡流产生的感应磁场与激励线圈产生的激励磁场的方向相同，故C错误； D．导体内有气泡的区域电阻大一些，可知，激励线圈移动到导体内有气泡的区域上方时，金属导体中的涡流会减小，故D错误。 故选B。 4．如图所示，条形磁铁用细线悬挂在O点，O点正下方固定一个水平放置的实心铝盘。让磁铁在竖直面内从左边静止释放，虚线为释放位置的对称位置，不计空气阻力，下列说法正确的是（　　） A．磁铁由于电磁阻尼无法摆到虚线位置 B．磁铁由于电磁驱动会持续摆动 C．铝盘中的涡流总是排斥磁铁，对磁铁的作用力总是阻力 D．最终铝盘中涡流产生的焦耳热大于磁铁损失的重力势能 【答案】A 【详解】AB．由楞次定律可知，感应电流总是阻碍磁铁的相对运动，所以磁铁无法摆到虚线位置，且最终会停止，故A正确，B错误； C．由楞次定律可知，磁铁靠近铝线圈时受到斥力作用，远离铝线圈时受到引力作用，故C错误； D．根据能量守恒定律可知，最终铝盘中涡流产生的焦耳热等于磁铁损失的重力势能，故D错误； 故选A。 5．如图，一金属薄片在力F作用下自左向右从两磁极之间通过。当金属薄片中心运动到N极的正下方时，沿N极到S极的方向看，下列图中能够正确描述金属薄片内涡电流绕行方向的是（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】根据题意当金属薄片中心运动到N极正下方时，薄片右侧的磁通量在减小，左侧磁通量在增加，由于两极间的磁场竖直向下，根据楞次定律可知此时薄片右侧的涡电流方向为顺时针，薄片左侧的涡电流方向为逆时针。 故选C。 6．阻尼器是一种提供运动阻力，耗减运动能量的装置，也被称为避震器、减震器或阻尼装置。图为一同学设计的“涡流阻尼器”的原理图，一磁体通过细绳悬挂在铁架台上，在悬点的正下方放置一铜板。将磁体拉至左侧某一高度，让磁体由静止向下摆动，忽略空气阻力，下列说法正确的是（　　） A．磁体还能回到原高度 B．磁体从左侧向下摆动的过程中，铜板受到向右的摩擦力 C．磁体向上摆动的过程中，铜板对地面的压力小于自身的重力 D．磁体运动到最低点时，铜板对地面的压力小于自身的重力 【答案】C 【详解】A．磁体在运动过程中，铜板会产生涡流，涡流产生的磁场会阻碍磁体的运动，所以磁体不可能回到原高度，故A错误； B．磁体从左侧向下摆动的过程中，铜板会产生涡流，根据楞次定律，涡流所受的水平安培力向右，所以铜板受到向左的摩擦力，故B错误； C．磁体向上摆动的过程中，铜板会产生涡流，根据楞次定律，涡流所受的安培力向上，铜板对地面的压力小于自身的重力，故C正确； D．当磁体在最低点时，铜板的竖直方向上没有安培力，所以铜板对地面的压力等于铜板的重力，故D错误。 故选C。 7．磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，该刹车装置的原理图（从车后朝前看）如图所示，停车区的轨道两侧装有强力磁铁，当过山车进入停车区时铜片从强力磁铁间穿过，车很快停下来，则（　　） A．过山车进入停车区时铜片不会产生热量 B．过山车运动的速度越大，在停车区制动力越大 C．若将铜片换成有机玻璃片，也能达到相同的刹车效果 D．若将强力磁铁的磁极对调，过山车在停车区将加速运动 【答案】B 【详解】A．过山车进入停车区时铜片从强力磁铁间穿过，穿过铜片的磁通量发生变化，铜片中会产生感应电流，会产生热量，故A错误； B．过山车运动的速度越大，穿过铜片的磁通量变化率越大，产生的感应电动势越大，铜片中的感应电流越大，受到的安培力越大，即在停车区制动力越大，故B正确； C．有机玻璃片不是导体，当其进入停车区从强力磁铁间穿过时，不会产生感应电流，达不到同样的刹车效果，故C错误； D．若将强力磁铁的磁极对调，铜片所受安培力仍是阻力，过山车在停车区仍做减速运动，故D错误。 故选B。 8．电磁技术的应用非常广泛：图甲是磁流体发电机的原理图、图乙是回旋加速器的示意图、图丙是磁电式电流表的内部结构、图丁是利用电磁炉加热食物。下列说法正确的是（　　） A．磁流体发电机的A板是电源的正极，B板是电源的负极 B．通过增大回旋加速器狭缝间的电压，可使粒子获得的最大动能增大 C．磁电式电流表中的铝框可使指针较快停止摆动，这是利用了电磁阻尼的原理 D．将电磁炉的电源换成电动势更大的直流电源，可以增加锅具的发热功率 【答案】C 【详解】A．图甲中，根据左手定则可知正离子向下偏转，负离子向上偏转，则B板带正电，A板带负电，B板是电源的正极，A板是电源的负极，故A错误； B．当粒子在磁场中的轨道半径等于D形盒半径时，粒子的动能最大，则有 可得粒子获得的最大动能为 可知增大回旋加速器狭缝间的电压，不能使粒子获得的最大动能增大，故B错误； C．磁电式仪表中的铝框可使指针较快停止摆动，是利用了电磁阻尼的原理，故C正确； D．电磁炉使用交流电作为电源，则将电磁炉的电源换成电动势更大的直流电源，锅具无法发热，故D错误。 故选C。 9．如图是我校学生食堂用的饭卡内部实物图，其由线圈和芯片组成电路，当饭卡处于感应区域时，刷卡机会激发变化的磁场，从而在饭卡内线圈中产生感应电流来驱动芯片工作，已知线圈面积为S，共n匝，某次刷卡时，线圈平面与磁场垂直，全部处于磁场区域内，且在感应时间内，磁感应强度方向向外由0均匀增大到，此过程中（    ） A．线框中磁通量最大为 B．此现象为涡流现象 C．线框中产生的感应电流一直增大 D．线框中感应电动势大小为 【答案】D 【详解】A．线框中磁通量最大为与线圈匝数无关，故A错误； B．穿过卡片内部线圈的磁通量发生变化，从而在线圈内产生感应电流，该现象不是涡流现象，故B错误； CD．磁感应强度方向向外且由0均匀增大到，电动势大小为 电动势大小不变，线框中产生的感应电流一直不变，故C错误，D正确。 故选D。 10．如图为真空冶炼炉的示意图，下列相关说法正确的是（　　） A．线圈应接高压直流电源 B．线圈应接高频交流电源 C．线圈中的焦耳热加热金属，使其融化 D．炉体中的涡流产生热量加热金属，使其融化 【答案】B 【详解】真空冶炼炉的原理是通过接高频交流电源在炉内金属中产生涡流，从而产生大量的热量来熔化金属的，则线圈应接高频交流电源； 故选B。 11．某次上课前朱老师喊几位同学搬运实验室磁电式电流表的时候，有同学发现表针晃动剧烈、不易停止。该同学根据上课所学的知识，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产生感生电动势 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原因 C．接上导线后，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电流 D．接上导线后，表针晃动减弱是因为表内线圈受到电磁阻尼的原因 【答案】D 【详解】A．未接导线时，表针晃动过程中导线切割磁感线，表内线圈会产生动生电动势，故A错误； B．未接导线时，未连成闭合回路，没有感应电流，所以不受安培力，故B错误； CD．接上导线后，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势，根据楞次定律可知，表针晃动减弱是因为表内线圈受到安培力的作用（即受到电磁阻尼），故C错误，D正确。 故选D。 12．电吉他是现代科学技术的产物，从外形到音响都与传统的吉他有着明显的差别。电吉他中电拾音器的基本结构如图所示，固定的条形磁体附近的金属弦被磁化，当金属弦上下振动时，在线圈中产生与弦振动情况对应的弱电流，电流经电路放大后传送到音箱发出声音。下列说法正确的是（　　） A．电吉他利用了自感现象 B．电吉他利用了电磁阻尼 C．金属弦可能是铜制的 D．增加线圈匝数可以增大线圈中的感应电动势 【答案】D 【详解】AB．自感现象是由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，在电吉他中，金属弦被磁化后，其上下振动使穿过固定线圈中的磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电流，属于电磁感应现象，但不是自感现象，故AB错误 C．铜不可以被磁化，则选用铜质弦，电吉他不能正常工作，故C错误； D．根据法拉第电磁感应定律可知，增加线圈匝数可以增大线圈中的感应电动势，故D正确。 故选D。 13．图甲为无线磁力搅拌杯，其工作原理如图乙所示，杯体底部安装通电线圈，相关电路控制线圈电流从而产生一个逆时针旋转的磁场（俯视图），杯内中心放置一搅拌金属粒，在旋转磁场作用下金属粒也产生旋转，从而达到搅拌杯内溶液的效果。通电搅拌时，以下说法正确的是（　　） A．金属粒中会产生感应电流 B．金属粒内不会产生焦耳热 C．金属粒旋转方向与磁场旋转方向相反 D．加大磁场旋转速度，则金属粒旋转速度也加大 【答案】AD 【详解】AB．根据电磁感应原理，当金属粒处于变化的磁场中时会产生感应电动势，进而形成感应电流，产生焦耳热，故A正确，B错误； C．金属粒在旋转磁场的作用下，其内部产生的感应电流会受到安培力的作用，从而驱动金属粒跟随磁场旋转，金属粒旋转方向与磁场旋转方向一致，故C错误； D．当加快磁场旋转速度时，由于感应电流增大、作用力和力矩增大，金属粒也会加快旋转，故D正确。 故选AD。 14．如图所示，铜板放在绝缘地面上，铜板的正上方悬挂着用绝缘材料制成的轻弹簧，劲度系数为k，弹簧下端吊着质量为m的条形磁铁。重力加速度为g．当弹簧处于原长时，由静止释放条形磁铁，弹簧的形变在弹性限度内。不计空气阻力，则（    ） A．条形磁铁再次上升到最高点时，弹簧仍处于原长 B．条形磁铁向下运动过程中，弹簧向上的拉力等于条形磁铁的重力时条形磁铁速度最大 C．在条形磁铁向下加速运动的过程中，条形磁铁减小的重力势能大于磁铁增加的动能与弹簧增加的弹性势能的和 D．当条形磁铁最后静止时，弹簧向上的拉力等于条形磁铁的重力 【答案】CD 【详解】A．由于条形磁铁振动过程中，铜板中会产生涡流，产生热量，因此条形磁铁和弹簧组成的系统机械能会减小，因此再次上升到最高点，弹簧一定不在原长处，在原长处下方，故A错误； B．磁铁向下运动过程中，弹簧向上的拉力与铜板中感应电流磁场对磁铁向上的磁场力之和等于磁铁重力时速度最大，故B错误； C．当条形磁铁向下加速运动时，条形磁铁减小的重力势能等于磁铁增加的动能、弹簧增加的弹性势能及铜板中产生的内能之和，故C正确； D．条形磁铁静止后，铜板中没有涡流产生，磁铁的重力和弹簧的弹力平衡，故D正确。 故选CD。 15．如图所示，让一铝制圆盘靠近U形磁铁的两级，但不接触，且磁铁的中心轴线与圆盘的中心在同一竖直线上．现让磁铁按照图示的方向转动，则下列说法正确的是 （    ） A．磁铁不能吸引铝，因此圆盘不会随磁铁转动而转动 B．圆盘跟随磁铁转动的原因是内部产生的涡流引起的 C．磁铁停止转动后，由于电磁阻尼作用圆盘很快也会停止转动 D．磁铁转动时，圆盘内磁通量并未发生了变化，因此圆盘不会随磁铁转动而转动 【答案】BC 【详解】ABD．在磁铁转动过程中，穿过整个圆盘的磁通量不发生变化，以圆盘盘面的其中一条直径为界，两侧穿过圆盘的磁感线的方向不同，当磁铁转动时，穿过圆盘两侧局部的磁通量发生变化，从而在圆盘上的不同位置产生涡流，由楞次定律可知，涡流会阻碍磁铁与圆盘间的相对运动，因此圆盘会跟随磁铁一起转动，故B正确；AD错误； C．磁铁停止转动后，由于电磁阻尼作用圆盘很快也会停止转动，故C正确； 故选BC。 2 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $ 第07讲 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 内容导航——预习三步曲 第一步 学 析教材·学知识：教材精讲精析、全方位预习 练习题·讲典例：教材习题学解题、快速掌握解题方法 练考点·强知识：5大核心考点精准练 第二步 记 串知识·识框架：思维导图助力掌握知识框架、学习目标复核内容掌握 第三步 测 过关测·稳提升：小试牛刀检测预习效果、查漏补缺快速提升 知识点一　电磁感应现象中的感生电场 【情境导入】 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做定向移动，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？ 【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． 【重难诠释】 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用右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝n计算． 知识点二　涡流 【情境导入】 如图所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ 【知识梳理】 1．涡流：当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，用图表示这样的感应电流，就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流． 2．金属块中的涡流会产生热量，利用涡流产生的热量可以冶炼金属． 【重难诠释】 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 (1)金属块在变化的磁场中，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，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．涡流的应用与防止 (1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等． (2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯． 知识点三　电磁阻尼和电磁驱动 【情境导入】 弹簧上端固定，下端悬挂一个磁体．将磁体托起到某一高度后放开，磁体能上下振动较长时间才停下来．如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈，使磁体上下振动时穿过它(如图所示)，磁体就会很快停下来，解释这个现象． 【知识梳理】 电磁阻尼 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的运动，这种现象称为电磁阻尼． 电磁驱动 若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． 【重难诠释】 电磁阻尼和电磁驱动的比较 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由导体在磁场中运动形成的 由磁场运动而形成的 效果 安培力方向与导体运动方向相反，为阻力 安培力方向与导体运动方向相同，为动力 能量 转化 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 共同点 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间的相对运动 教材习题01 如图2.3-14所示，弹簧上端固定，下端悬挂一个磁体。将磁体托起到某一高度后放开，磁体能上下振动较长时间才停下来。如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈，使磁极上下振动时穿过它，磁体就会很快地停下来。分析这个现象的产生原因，并说明此现象中能量转化的情况。 解题方法 电磁阻尼 【答案】当条形磁铁的N极靠近线圈时,线圈中向下的磁通量增加,根据楞次定律可得,线圈中感应电流的磁场方向应该向上,再根据安培定则,判断出线圈中的感应电流方向为逆时针方向(自上向下看)。感应电流的场对条形铁N极的作用力向上,阻碍条形磁铁向下运动。 当条形磁铁的N极远离线圈时,线圈中向下的磁通量减少,根据楞次定律可得,线圈中感应电流的场方向应该向下,再根据安培定则,判断出线圈中的感应电流方向为顺时针方向(自上向下看)。感应电流的场对条形磁铁N极的作用力向下,阻碍条形磁铁向上运动。 因此,无论条形磁铁怎样运动,都将受到线圈中感应电流磁场的阻碍作用,所以条形磁铁很快停了下来整个过程中,弹簧和磁铁的机械能转化为线圈的电能，说明:做这个实验时,为了现象明显,闭合线圈应当使用较宽、较厚且内径较小的铜环或铝环,这样可以产生较强的感应电流,从而对磁铁产生较大的作用力。 教材习题02 如图2.3-16所示，水平放置的绝缘桌面上有一个金属圆环，圆心的正上方有一个竖直的条形磁体。请通过分析形成以下结论:条形磁体沿水平方向移动时，金属圆环将受到水平方向运动的驱动力，驱动力的方向跟条形磁体运动的方向相同。 解题方法 电磁驱动 【答案】当条形磁铁向右移动时,金属圆环中的磁通量减少,圆环中将产生感应电流,感应电流的磁场阻碍通量的减少,故金属圆环将受到条形磁铁向右的作用力。这个力实际上就是条形磁铁的磁场对感应电流的安培力。这个安培力将驱使金属圆环向右运动。 题型1涡流的原理、应用与防止 1. 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 题型2电磁灶的结构和原理 2. 下列关于电磁学现象的解释，正确的是（　　） A．安培力是洛伦兹力的宏观表现，因此两者方向总相同 B．电磁炉加热食物时，锅底发热是因金属内部自由电荷受洛伦兹力做定向运动 C．闭合线圈靠近磁铁时产生感应电流，其方向总是阻碍线圈与磁铁的相对运动 D．金属探测器利用涡流原理，工作时探测线圈中通入恒定电流以提高灵敏度 题型3安检警报器结构和原理 3. 如图所示，是考场使用的金属探测器，该探测器涉及的基本原理是（　　） A．静电感应 B．电磁感应 C．电磁驱动 D．静电屏蔽 题型4电磁阻尼与电磁驱动的理解 4. 如图，一均匀金属圆盘绕通过其圆心且与盘面垂直的轴逆时针匀速转动。现施加一垂直穿过圆盘的有界匀强磁场，圆盘开始减速。在圆盘减速过程中，以下说法不正确的是（       ） A．处于磁场中的圆盘部分，靠近圆心处电势高 B．所加磁场越强越易使圆盘停止转动 C．若所加磁场反向，圆盘将加速转动 D．若所加磁场穿过整个圆盘，圆盘将匀速转动 题型5电磁驱动原理的其他应用 5. 如图所示，导体小球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 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量 D．运动稳定后，小球的转速最后等于n 1．电磁炉（如图所示）的炉盘下有一组线圈，电磁炉工作时，炉盘上的铁锅会发热，为使铁锅迅速发热，线圈应接怎样的电源（　　） A．直流高压 B．直流低压 C．迅速变化的电流 D．缓慢变化的电流 2．如图，磁体从竖直放置的铝管口静止释放，下落过程中磁体不与管壁接触且无翻转，不计空气阻力。则（　　） A．磁体在穿过铝管过程中，始终匀加速下降 B．磁体在穿过铝管过程中，所受安培力的方向先向上后向下 C．磁体在穿过铝管过程中，磁体减少的重力势能全部转化为动能 D．若更换为等质量磁性更强的磁体，穿过铝管的时间将变长 3．涡流效应可以用来检测金属材料中是否有裂隙、气泡。下图为涡流检测的示意图，激励线圈通变化的电流，从而在金属导体中感应出涡流。若金属导体中有气泡，会影响涡流大小，从而被激励线圈检测到。已知图示时刻激励线圈俯视看为顺时针电流，下列说法正确的是（　　） A．图示时刻激励线圈的电流在变小 B．图示时刻感应磁场方向向上 C．感应磁场与激励磁场的方向始终相反 D．激励线圈移动到导体内有气泡的区域上方时，金属导体中的涡流会增大 4．如图所示，条形磁铁用细线悬挂在O点，O点正下方固定一个水平放置的实心铝盘。让磁铁在竖直面内从左边静止释放，虚线为释放位置的对称位置，不计空气阻力，下列说法正确的是（　　） A．磁铁由于电磁阻尼无法摆到虚线位置 B．磁铁由于电磁驱动会持续摆动 C．铝盘中的涡流总是排斥磁铁，对磁铁的作用力总是阻力 D．最终铝盘中涡流产生的焦耳热大于磁铁损失的重力势能 5．如图，一金属薄片在力F作用下自左向右从两磁极之间通过。当金属薄片中心运动到N极的正下方时，沿N极到S极的方向看，下列图中能够正确描述金属薄片内涡电流绕行方向的是（　　） A． B． C． D． 6．阻尼器是一种提供运动阻力，耗减运动能量的装置，也被称为避震器、减震器或阻尼装置。图为一同学设计的“涡流阻尼器”的原理图，一磁体通过细绳悬挂在铁架台上，在悬点的正下方放置一铜板。将磁体拉至左侧某一高度，让磁体由静止向下摆动，忽略空气阻力，下列说法正确的是（　　） A．磁体还能回到原高度 B．磁体从左侧向下摆动的过程中，铜板受到向右的摩擦力 C．磁体向上摆动的过程中，铜板对地面的压力小于自身的重力 D．磁体运动到最低点时，铜板对地面的压力小于自身的重力 7．磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，该刹车装置的原理图（从车后朝前看）如图所示，停车区的轨道两侧装有强力磁铁，当过山车进入停车区时铜片从强力磁铁间穿过，车很快停下来，则（　　） A．过山车进入停车区时铜片不会产生热量 B．过山车运动的速度越大，在停车区制动力越大 C．若将铜片换成有机玻璃片，也能达到相同的刹车效果 D．若将强力磁铁的磁极对调，过山车在停车区将加速运动 8．电磁技术的应用非常广泛：图甲是磁流体发电机的原理图、图乙是回旋加速器的示意图、图丙是磁电式电流表的内部结构、图丁是利用电磁炉加热食物。下列说法正确的是（　　） A．磁流体发电机的A板是电源的正极，B板是电源的负极 B．通过增大回旋加速器狭缝间的电压，可使粒子获得的最大动能增大 C．磁电式电流表中的铝框可使指针较快停止摆动，这是利用了电磁阻尼的原理 D．将电磁炉的电源换成电动势更大的直流电源，可以增加锅具的发热功率 9．如图是我校学生食堂用的饭卡内部实物图，其由线圈和芯片组成电路，当饭卡处于感应区域时，刷卡机会激发变化的磁场，从而在饭卡内线圈中产生感应电流来驱动芯片工作，已知线圈面积为S，共n匝，某次刷卡时，线圈平面与磁场垂直，全部处于磁场区域内，且在感应时间内，磁感应强度方向向外由0均匀增大到，此过程中（    ） A．线框中磁通量最大为 B．此现象为涡流现象 C．线框中产生的感应电流一直增大 D．线框中感应电动势大小为 10．如图为真空冶炼炉的示意图，下列相关说法正确的是（　　） A．线圈应接高压直流电源 B．线圈应接高频交流电源 C．线圈中的焦耳热加热金属，使其融化 D．炉体中的涡流产生热量加热金属，使其融化 11．某次上课前朱老师喊几位同学搬运实验室磁电式电流表的时候，有同学发现表针晃动剧烈、不易停止。该同学根据上课所学的知识，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产生感生电动势 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原因 C．接上导线后，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电流 D．接上导线后，表针晃动减弱是因为表内线圈受到电磁阻尼的原因 12．电吉他是现代科学技术的产物，从外形到音响都与传统的吉他有着明显的差别。电吉他中电拾音器的基本结构如图所示，固定的条形磁体附近的金属弦被磁化，当金属弦上下振动时，在线圈中产生与弦振动情况对应的弱电流，电流经电路放大后传送到音箱发出声音。下列说法正确的是（　　） A．电吉他利用了自感现象 B．电吉他利用了电磁阻尼 C．金属弦可能是铜制的 D．增加线圈匝数可以增大线圈中的感应电动势 13．图甲为无线磁力搅拌杯，其工作原理如图乙所示，杯体底部安装通电线圈，相关电路控制线圈电流从而产生一个逆时针旋转的磁场（俯视图），杯内中心放置一搅拌金属粒，在旋转磁场作用下金属粒也产生旋转，从而达到搅拌杯内溶液的效果。通电搅拌时，以下说法正确的是（　　） A．金属粒中会产生感应电流 B．金属粒内不会产生焦耳热 C．金属粒旋转方向与磁场旋转方向相反 D．加大磁场旋转速度，则金属粒旋转速度也加大 14．如图所示，铜板放在绝缘地面上，铜板的正上方悬挂着用绝缘材料制成的轻弹簧，劲度系数为k，弹簧下端吊着质量为m的条形磁铁。重力加速度为g．当弹簧处于原长时，由静止释放条形磁铁，弹簧的形变在弹性限度内。不计空气阻力，则（    ） A．条形磁铁再次上升到最高点时，弹簧仍处于原长 B．条形磁铁向下运动过程中，弹簧向上的拉力等于条形磁铁的重力时条形磁铁速度最大 C．在条形磁铁向下加速运动的过程中，条形磁铁减小的重力势能大于磁铁增加的动能与弹簧增加的弹性势能的和 D．当条形磁铁最后静止时，弹簧向上的拉力等于条形磁铁的重力 15．如图所示，让一铝制圆盘靠近U形磁铁的两级，但不接触，且磁铁的中心轴线与圆盘的中心在同一竖直线上．现让磁铁按照图示的方向转动，则下列说法正确的是 （    ） A．磁铁不能吸引铝，因此圆盘不会随磁铁转动而转动 B．圆盘跟随磁铁转动的原因是内部产生的涡流引起的 C．磁铁停止转动后，由于电磁阻尼作用圆盘很快也会停止转动 D．磁铁转动时，圆盘内磁通量并未发生了变化，因此圆盘不会随磁铁转动而转动 2 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $