3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动（举一反三讲义）物理人教版选择性必修第二册

本高中物理讲义聚焦涡流、电磁阻尼和电磁驱动，以感生电场为理论基础，系统梳理涡流的产生原理、应用与防止，进而延伸至电磁阻尼和电磁驱动的实例分析，构建“理论-现象-应用”的学习支架。 资料含思维导图可视化知识脉络，通过情景引入（如电磁炉）和思考讨论培养科学思维，结合电子感应加速器等实例深化科学探究。课中辅助教师引导学生建立物理观念，课后巩固训练助力学生查漏补缺，强化知识应用。

第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 【目录】 【学习目标】 1 【思维导图】 1 【知识梳理】 2 知识点1：电磁感应现象中的感生电场 2 知识点2：涡流 10 知识点3：电磁阻尼 14 知识点4：电磁驱动 19 【巩固训练】 23 【学习目标】 1． 了解感生电场，知道感生电动势产生的原因。会判断感生电动势的方向，并会计算它的大小。 2． 通过实验了解涡流现象，知道涡流是怎样产生的，了解涡流现象的利用和危害。 3． 通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生产生活中的应用。 4． 了解电磁阻尼和电磁驱动。 重点： 1． 涡流的概念及其应用。 难点： 1． 电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。 【思维导图】 【知识梳理】 知识点1：电磁感应现象中的感生电场 1．情景引入：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？ 　　　　 ①什么力能使导体中的自由电荷发生定向移动呢？这个力有什么特点？ ②设磁场和感应电流的方向如图所示，则由磁场激发的电场的方向是怎样的？ 2．感生电场： （1）感生电场：__________的磁场在其周围空间激发的电场。 （2）由于磁场的__________，在电路中形成了感生电场，其电场线是与磁场方向__________的曲线。电路中的自由电荷在__________的作用下定向移动形成感应电流。 （3）判断感生电场方向的方法：__________、__________。 （4）注意：感生电场__________静电场。 ①____________________激发的电场叫静电场。静电场的电场线由__________出发，终于__________，电场线是__________的。 ②感生电场是一种__________电场，电场线是__________的。 ③感生电场施加的电场力__________静电力，感生电场施加的电场力做功是____________________。 3．电子感应加速器 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__________使电子加速的设备。如图所示，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__________，产生的__________使电子加速。 图中的磁场方向由下向上，如果从上向下看，电子沿逆时针方向运动。电子带负电，它在电场中受力的方向与电场方向__________。所以为使电子加速，电磁铁在真空室中产生的感生电场应沿__________方向。为此，根据楞次定律，磁场应该__________。也就是说，为使电子加速，电磁铁线圈中的电流应该__________。 【例1】电磁炉利用电磁感应产生的涡流，使锅底发热从而加热食物，下列有关说法正确的是（　　） A．锅底中涡流的强弱与磁场变化的频率有关 B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作 C．环保绝缘材料制成的锅底都可以利用电磁炉来烹饪食物 D．电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递减少热损耗 【变式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 【变式2】某同学通过查阅资料了解到电磁炉利用电磁感应原理工作，于是自制了一个简易电磁炉，结构简图如图所示。为验证其工作原理，他在线圈上放置一个盛有冷水的杯子，接通交流电源后，一段时间杯中水沸腾。该同学所使用的杯子最可能是以下哪种（　　） A．纸杯 B．玻璃杯 C．塑料杯 D．金属杯 【变式3】如图所示为电磁炉的线圈及其工作示意图，下列说法正确的是（　　） A．电磁炉工作时，线圈内与锅体中的磁场方向时刻相反 B．可通过改变线圈内交变电流的频率来改变电磁炉的功率 C．电磁炉工作时，每匝线圈在锅体中产生的感应电动势均相同 D．电磁炉工作时，若线圈中电流的频率为f，则锅体中涡流的频率为 【例2】（多选题）电子感应加速器基本原理如图所示，图甲中上、下两个电磁铁线圈中电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使真空室中的电子加速。如图乙所示，从上向下看电子沿逆时针方向加速运动。下列说法正确的是（　　） A．电磁铁线圈中通入正弦交流电也能使电子持续加速 B．变化的磁场在真空室中激发出的电场不同于静电场 C．若线圈中的电流方向如图甲所示，则电磁铁线圈中电流正在减小 D．若电子运动的轨道半径不变，则电子轨道处的磁感应强度随电子速度的增大而增大 【变式1】（多选题）电子感应加速器是加速电子的一类常见加速器，结构示意主视图、俯视图如甲所示，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、方向变化，产生的感生电场使电子加速，规定图甲中所示电流产生的磁场方向为正方向。磁极在真空室区域内产生磁感应强度大小为B=kt（k>0）的变化磁场，使电子逆时针加速，已知磁场随时间均匀变化时感生电场的大小，其中R为此时电子做圆周运动的轨迹半径，元电荷电晕为e，则下列说法正确的是（　　） A．电子绕真空室一圈，动能增量为 B．磁感应强度随时间线性减小时，电子也能被加速 C．若磁感应强度随时间按图丙所示规律变化，电子在加速器中全程均可被加速 D．若磁感应强度随时间按图丙所示规律变化，电子在加速器中仅在周期内可被加速 【变式2】（多选题）电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备。若将其中的环形真空管内外不均匀的磁场，整体换成匀强磁场，如图所示，磁场方向垂直于真空管，磁感应强度随时间变化的关系式为（为大于0的常数），在真空管内产生如虚线所示的感生电场，虚线上各点电场强度大小相等。电子从距离环形真空管圆心的位置静止释放，若加速电子未达到高速，下列说法正确的是（　　） A．电子将沿逆时针方向加速 B．电子释放点处的电场强度大小是 C．电子可能做加速圆周运动 D．电子一定做加速近心运动 【变式3】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。它的基本原理如图甲所示，上、下为电磁体的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室。图乙为真空室的俯视图，电磁体线圈中电流的大小、方向可以变化，产生变化的磁场，变化的磁场在环形真空室内感生出同心环状的感生电场，电子在感生电场的作用下被加速，并在洛伦兹力的作用下做圆周运动。已知电子的质量为、电荷量为，做圆周运动的轨道半径为。某段时间内，电磁体线圈产生的磁场方向向上，磁场分布如图甲所示，穿过电子圆形轨道平面的磁通量随时间变化的关系为（，且为已知量）。电子加速过程中忽略相对论效应。 （1）若在电子轨道上放置一等大的金属细圆环，求金属圆环的感生电动势； （2）求电子运动轨道处感生电场的场强大小； （3）求电子轨道处磁感应强度随时间的变化率。 知识点2：涡流 1．思考与讨论： 如图所示，在变化磁场中的金属块会逐渐升温变红。这是为什么？ 　　 2．涡流： （1）定义：导体中的自由电子在__________的作用下定向移动而产生的漩涡状的感应电流叫__________，简称__________。 （2）涡流的应用： ①真空冶炼炉：冶炼炉外有线圈，线圈中通入__________的电流，炉内的金属中产生__________。__________产生的热量使金属熔化。利用涡流冶炼金属的优点是，整个过程可以在__________中进行，能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。 ②电磁炉：__________的电流通过电磁炉面板下方的线圈时，线圈周围产生迅速变化的__________，变化的__________使面板上方的铁锅底部产生__________，铁锅迅速发热，从而达到加热食物的目的。 ③安检设备、扫雷设备：这些设备中都有__________的电流。如果在其检测区域中有金属物品，金属中会感应出__________，__________的磁场反过来影响线圈中的电流，使设备报警。 （3）涡流的防止： ①涡流的危害：金属器件中感应产生的涡流能使金属器件发热，浪费了能量，还可能损坏电器。 ②涡流的防止：途径一，增大铁芯材料的__________。常用铁芯材料是硅钢，其__________比较大。 途径二，用互相__________的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。 【例3】如图是一种电加热装置，当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．若把一个铜块伸入线圈中，铜块的温度不会升高 C．线圈中电流越强，铁块升温更快 D．线圈中电流变化越快，铁块升温越快 【变式1】涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示，线圈中通以一定频率的正弦交变电流，靠近待测工件时，工件内会产生涡流，同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法中正确的是（　　） A．涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化 B．涡流的频率小于通入线圈的交变电流频率 C．通电线圈和待测工件间存在恒定的作用力 D．待测工件可以是塑料或橡胶制品 【变式2】如图所示，用绝缘轻质细线将一个金属圆环悬于O点，水平虚线以下存在垂直纸面向外的匀强磁场。将金属圆环从图中所示的位置由静止释放，圆环在摆动过程中始终与磁场垂直，忽略空气阻力，则金属圆环（　　） A．进入磁场的过程中产生逆时针方向的电流 B．第一次刚要进入和完全离开磁场时，速度大小相等 C．摆动幅度逐渐减小，最终停止在最低点 D．摆动幅度先逐渐减小，后保持不变 【变式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 知识点3：电磁阻尼 1．思考与讨论： 如图所示，一个单匝线圈落入磁场中，它在图中位置时感应电流的方向和所受安培力的方向如何？安培力对线圈的运动有什么影响？ 2．电磁阻尼 （1）电磁阻尼：当导体在磁场中运动时，__________会使导体受到安培力，安培力的方向总是__________导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。 （2）应用： ①磁式电流表的铝框骨架： 磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，指针也固定在铝框上，如图所示。假定仪表工作时指针向右转动，铝框中的感应电流沿什么方向？由于铝框转动时其中有感应电流，铝框要受到安培力。安培力是沿什么方向的？安培力对铝框的转动产生什么影响？ ②运输灵敏电流计时，将两个接线柱连在一起： 取一只微安表，用手晃动表壳，观察表针相对表盘摆动的情况。用导线把微安表的两个接线柱连在一起，如图所示，再次晃动表壳，表针相对表盘的摆动情况与刚才有什么不同？怎样解释这种差别？为什么灵敏电流表在运输时总要用导体把两个接线柱连在一起？ 【例4】（多选题）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。下列说法正确是（　　） A．未接导线时，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势 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 【变式1】（多选题）如图甲所示是磁电式电表内部结构示意图，蹄形磁体的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，在铝框上绕有铜线圈。电表指针固定在铝框上，可与线圈一起转动，线圈的两端分别接在两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈。蹄形磁体与铁芯间的磁场可看作是均匀辐射分布的，如图乙所示，无论线圈转到什么位置，线圈平面总与线圈所在磁场的方向平行。则（　　） A．磁电式电表的原理是通电线圈在磁场中因受安培力而转动 B．改变线圈中电流的方向，指针会反向偏转 C．减少线圈的匝数可以提高电表的灵敏度 D．用塑料框代替铝框，在使用电表时可以使指针更迅速稳定在示数位置上 【变式2】（多选题）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 【变式3】（多选题）如图所示，三个长度、内径、管壁厚度相同的木管、铜管、银管竖直固定放置（相距很远），其下端到地面的高度相同。在每个管正上方各有一个完全相同的圆柱形磁铁，分别为a、b、c，它们下表面N极也在同一水平面上。现让a、b、c同时静止释放，它们分别无碰撞地穿过对应管道，忽略空气阻力，已知银的电阻率比铜的电阻率小。下列说法正确的是（　　） A．磁铁刚进入铜管时，俯视时铜管电流方向为逆时针 B．a、b、c落地时的速度大小关系为va > vc > vb C．a、b、c下落过程中机械能都不守恒 D．从释放到落地，三根管中磁通量的变化量相同 知识点4：电磁驱动 1．思考与讨论： 如图所示，一个铝框放在蹄形磁体的两个磁极间，可以绕支点自由转动。转动磁体，铝框怎样运动？怎样解释这种运动？ 2．电磁驱动： （1）电磁驱动：__________相对于导体转动，在导体中产生__________，感应电流使导体受到__________，安培力使导体__________磁场转动，这种现象称为电磁驱动。 （2）应用：交流感应电动机 交流感应电动机利用__________的原理工作。配置的三个线圈连接到三相电源上，就能产生类似前面实验中的旋转磁场，磁场中的导线框也就随着转动。就这样，电动机把__________能转化成__________能。 （3）电磁驱动与电磁阻尼的关系： 电磁驱动与电磁阻尼都是导体与磁场之间存在__________，导体的__________因相对运动而发生变化，使导体中产生__________。因安培力的方向与相对运动的方向__________，__________相对运动，所以实现了驱动或阻尼的效果。 电磁驱动是__________相对于__________运动，导体原本__________或__________，安培力起到__________作用，使__________随__________一起运动。电磁阻尼是__________相对于__________运动，导体原本速度__________，安培力起到__________作用，__________导体原本的运动。 【例5】（多选题）如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴转动。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 【变式1】如图所示，截去一半的塑料瓶周围贴上三块强磁铁，用木棍从内部撑起塑料瓶，它的两边有用木棍支撑起倒立的铝质的易拉罐，当从上往下看顺时针转动中间的塑料瓶时，那么两边的易拉罐转动情况是（　　） A．两边的易拉罐不动 B．两边的易拉罐都是逆时针转动 C．两边的易拉罐都是顺时针转动 D．稳定时，易拉罐转动的角速度等于塑料瓶转动的角速度 【变式2】电磁驱动是21世纪初问世的新概念，该技术被视为将带来交通工具大革命。在日常生活中，摩托车和汽车上装有的磁性转速表就是利用了电磁驱动原理。如图所示是磁性转速表及其原理图，永久磁铁随车轮系统的转轴转动，铝盘固定在指针轴上，与永久磁铁不固定。关于磁性式转速表的电磁驱动原理，下列说法正确的是（　　） 　　 A．铝盘接通电源，通有电流的铝盘在磁场作用下带动指针转动 B．永久磁体随转轴转动产生运动的磁场，在铝盘中产生感应电流，感应电流使铝盘受磁场力而转动 C．铝盘转动的方向与永久磁体转动方向相反 D．由于铝盘和永久磁体被同转轴带动，所以两者转动是完全同步的 【变式3】如图甲为利用电磁驱动原理制作的交流感应电动机。三个线圈连接到三相电源上，电流形成的磁场可等效为以角速度ω0转动的辐向磁场。边长为l、总电阻为R的单匝正方形线框ABCD可绕其中心轴OO′旋转，图乙为这种驱动装置的俯视图，线框的两条边AB、CD所处位置的磁感应强度大小均为B。当线框由静止开始转动时，AB、CD两条边受到的阻力均为Ff=kv，其中比例系数，v为AB、CD两条边的线速度大小。不计其他阻力。则当线框达到稳定转动时（　　） A．线框的转动方向与辐向磁场的转动方向相反 B．线框的角速度大小为 C．线框的感应电动势大小为 D．线框AB边所受安培力大小为 【巩固训练】 1．《梦溪笔谈》中记录了一次罕见的雷击事件：房屋被雷击后，屋内的银饰、宝刀等金属熔化了，但是漆器、刀鞘等非金属却完好（原文为：有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚钢，就刀室中熔为汁，而室亦俨然）。导致金属熔化而非金属完好的原因可能为（　　） A．摩擦生热 B．雷声振幅大 C．电磁感应产生涡流 D．雷光亮度大 2．台风“贝碧嘉”登陆上海，中国自主研发的千吨阻尼器——“上海慧眼”（如图所示）摆动明显，保障了上海中心大厦的安全。“上海慧眼”采用了电涡流阻尼技术，永磁体形成的磁场与质量块一起摆动时，与其下方固定的导体板产生相对运动，从而在导体板中产生电涡流。关于该阻尼器，下列说法正确的是（　　） A．阻尼器的电涡流阻尼技术原理是电流的磁效应 B．振动稳定时，阻尼器的振动频率小于大厦的振动频率 C．阻尼器将机械能最终转化为内能 D．若将阻尼器下方的导体板换成木地板，对使用效果没有影响 3．如图所示，石锅鱼味道鲜美，不仅保留了食物的自然味道，还含有多种微量元素和矿物质。某种铁合金复合石锅在电磁炉上也能使用。已知电磁炉只能加热含有磁性材料的锅具。下列相关说法正确的是（　　） A．将该石锅换成陶瓷锅后也一定能通过电磁炉加热食物 B．电磁炉接电压合适的直流电源后也能正常加热该石锅内的食物 C．该石锅放置在电磁炉上能加热食物的原理是电磁感应现象 D．该石锅放置在电磁炉上能加热食物的原理是电流的磁效应 4．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． 5．如图所示，竖直平面内有一固定直导线水平放置，导线中通有恒定电流I，导线正下方有一个质量为m的铝质球，某时刻无初速释放铝球使其下落，不计空气阻力，下列说法正确的是（　　） A．小球下落过程机械能一定减小 B．小球下落过程机械能一定守恒 C．小球下落过程机械能一定增加 D．小球下落过程机械能先增加后不变 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．某电磁缓冲装置的结构简图如图所示，该装置总质量为5kg，线圈和其所连设备质量为2.5kg，线圈到磁铁底端的距离为，线圈所在处辐向磁场磁感应强度大小恒为，单匝线圈电阻，半径。某次测试时该装置以1m/s的速度在水平面上运动，某时刻磁铁底端与竖直挡板发生弹性碰撞（时间极短），不计一切摩擦，若线圈相对磁铁运动过程恰能不与磁铁底部接触，则线圈匝数大概为（　　） A．125 B．255 C．510 D．725 8．如图所示，足够长铝管竖直放置在水平桌面上，把一小磁体从铝管上端管口放入，小磁体不与管壁接触，且无翻转，不计空气阻力。小磁体在铝管内下落的过程中（　　） A．小磁体受合外力一直向下 B．小磁体做自由落体运动 C．铝管对桌面的压力大于铝管的重力 D．小磁体动能的增加量大于重力势能的减少量 9．物理学中有很多关于圆盘的实验，第一个是法拉第圆盘，圆盘全部处于磁场区域，可绕中心轴转动，通过导线将圆盘圆心和边缘与外面电阻相连。第二个是阿拉果圆盘，将一铜圆盘水平放置，圆盘可绕中心轴自由转动，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，以下说法正确的是（　　） A．法拉第圆盘在转动过程中，圆盘中磁通量不变，无感应电动势，无感应电流 B．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘，小磁针会同向转动，反之，转动小磁针，圆盘则不动 C．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘，小磁针会同向转动，但会滞后于圆盘 D．法拉第圆盘和阿拉果圆盘都是电磁驱动的表现 10．发电机是把机械能转化为电能的装置，其他动力作为机械驱动，对如图甲、乙所示的两类发电机，下列说法正确的是（　　） A．有一种发电机并不满足法拉第电磁感应定律 B．图甲是旋转电枢式发电机，图乙是旋转磁极式发电机 C．图甲所示的发电机可输出几千伏到几万伏的高压 D．发电机在实际运行过程中将机械能转化为电能的效率可达 15 / 16 学科网（北京）股份有限公司 $ 第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 【目录】 【学习目标】 1 【思维导图】 1 【知识梳理】 2 知识点1：电磁感应现象中的感生电场 2 知识点2：涡流 10 知识点3：电磁阻尼 14 知识点4：电磁驱动 19 【巩固训练】 23 【学习目标】 1． 了解感生电场，知道感生电动势产生的原因。会判断感生电动势的方向，并会计算它的大小。 2． 通过实验了解涡流现象，知道涡流是怎样产生的，了解涡流现象的利用和危害。 3． 通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生产生活中的应用。 4． 了解电磁阻尼和电磁驱动。 重点： 1． 涡流的概念及其应用。 难点： 1． 电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。 【思维导图】 【知识梳理】 知识点1：电磁感应现象中的感生电场 1．情景引入：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？ 　　　　 ①什么力能使导体中的自由电荷发生定向移动呢？这个力有什么特点？ 电场力。这个电场力不是由静电场作用于自由电荷的，而是变化的磁场激发的电场作用于自由电荷，使其定向移动的，所以是非静电力。 ②设磁场和感应电流的方向如图所示，则由磁场激发的电场的方向是怎样的？ 与感应电流的方向相同。 2．感生电场： （1）感生电场：变化的磁场在其周围空间激发的电场。 （2）由于磁场的强弱变化，在电路中形成了感生电场，其电场线是与磁场方向垂直的曲线。电路中的自由电荷在感生电场的作用下定向移动形成感应电流。 （3）判断感生电场方向的方法：楞次定律、安培定则。 （4）注意：感生电场不是静电场。 ①静止的电荷激发的电场叫静电场。静电场的电场线由正电荷出发，终于负电荷，电场线是不闭合的。 ②感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的。 ③感生电场施加的电场力不是静电力，感生电场施加的电场力做功是非静电力做功。 3．电子感应加速器 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。如图所示，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，产生的感生电场使电子加速。 图中的磁场方向由下向上，如果从上向下看，电子沿逆时针方向运动。电子带负电，它在电场中受力的方向与电场方向相反。所以为使电子加速，电磁铁在真空室中产生的感生电场应沿顺时针方向。为此，根据楞次定律，磁场应该由弱变强。也就是说，为使电子加速，电磁铁线圈中的电流应该由小变大。 【例1】电磁炉利用电磁感应产生的涡流，使锅底发热从而加热食物，下列有关说法正确的是（　　） A．锅底中涡流的强弱与磁场变化的频率有关 B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作 C．环保绝缘材料制成的锅底都可以利用电磁炉来烹饪食物 D．电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递减少热损耗 【答案】A 【详解】A．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故A正确； B．直流电不能产生变化的磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能使用直流电，故B错误； C．锅体只能用铁磁性导体材料，不能使用绝缘材料制作锅体，故C错误； D．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，电磁炉上表面要用绝缘材料制作，D错误。 故选A。 【变式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。 【变式2】某同学通过查阅资料了解到电磁炉利用电磁感应原理工作，于是自制了一个简易电磁炉，结构简图如图所示。为验证其工作原理，他在线圈上放置一个盛有冷水的杯子，接通交流电源后，一段时间杯中水沸腾。该同学所使用的杯子最可能是以下哪种（　　） A．纸杯 B．玻璃杯 C．塑料杯 D．金属杯 【答案】D 【详解】根据电磁炉利用电磁感应原理工作可知，交流电源在金属杯中产生涡流从而产生大量的热来加热水，可知杯子必须是能够产生涡电流的金属杯。 故选D。 【变式3】如图所示为电磁炉的线圈及其工作示意图，下列说法正确的是（　　） A．电磁炉工作时，线圈内与锅体中的磁场方向时刻相反 B．可通过改变线圈内交变电流的频率来改变电磁炉的功率 C．电磁炉工作时，每匝线圈在锅体中产生的感应电动势均相同 D．电磁炉工作时，若线圈中电流的频率为f，则锅体中涡流的频率为 【答案】B 【详解】A．由楞次定律可知，电磁炉工作时，当线圈内的磁场增加时，锅体中的磁场方向与之相反，当线圈内的磁场减小时，锅体中的磁场方向与之相同，故A错误； B．锅体中感应电动势与线圈中电流的变化率成正比，可通过改变线圈内交变电流的频率来改变锅体中感应电动势的大小，进而改变电磁炉的功率，故B正确； C．由图可知，电磁炉的每匝线圈的面积不同，根据法拉第电磁感应定律可知，电磁炉工作时，每匝线圈在锅体中产生的感应电动势均不相同，故C错误； D．根据法拉第电磁感应定律可知，电磁炉工作时，若线圈中电流的频率为f，则锅体中涡流的频率为f，故D错误。 故选B。 【例2】（多选题）电子感应加速器基本原理如图所示，图甲中上、下两个电磁铁线圈中电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使真空室中的电子加速。如图乙所示，从上向下看电子沿逆时针方向加速运动。下列说法正确的是（　　） A．电磁铁线圈中通入正弦交流电也能使电子持续加速 B．变化的磁场在真空室中激发出的电场不同于静电场 C．若线圈中的电流方向如图甲所示，则电磁铁线圈中电流正在减小 D．若电子运动的轨道半径不变，则电子轨道处的磁感应强度随电子速度的增大而增大 【答案】BD 【详解】A．若电磁铁线圈中通入正弦交流电，激发的电场方向会发生变化，不能使电子持续加速，故A错误； B．变化的磁场在真空室中激发的电场为无源场，电场线为封闭曲线，与静电场不同，故B正确； C．若线圈中的电流方向如图甲所示时，原磁场与感应电流的磁场方向相反，故电磁铁线圈中磁通量增加，电流在增大，故C错误； D．若电子运动的轨道半径不变，粒子在磁场中洛伦兹力提供向心力，则 解得 故电子轨道处的磁感应强度随电子速度的增大而增大，故D正确。 故选BD。 【变式1】（多选题）电子感应加速器是加速电子的一类常见加速器，结构示意主视图、俯视图如甲所示，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、方向变化，产生的感生电场使电子加速，规定图甲中所示电流产生的磁场方向为正方向。磁极在真空室区域内产生磁感应强度大小为B=kt（k>0）的变化磁场，使电子逆时针加速，已知磁场随时间均匀变化时感生电场的大小，其中R为此时电子做圆周运动的轨迹半径，元电荷电晕为e，则下列说法正确的是（　　） A．电子绕真空室一圈，动能增量为 B．磁感应强度随时间线性减小时，电子也能被加速 C．若磁感应强度随时间按图丙所示规律变化，电子在加速器中全程均可被加速 D．若磁感应强度随时间按图丙所示规律变化，电子在加速器中仅在周期内可被加速 【答案】AD 【详解】A．该过程中感生电场 该过程属于变力做功，则由动能定理有 则 A正确； B．使电子被逆时针加速，涡旋电场方向应为顺时针方向，当俯视时，若原磁场方向垂直向内、大小线性减小时，产生的感应电场为顺时针，但此时电子所受洛伦兹力背离圆心，无法提供向心力，电子会撞上真空室壁，B错误； CD．变化时对应的电场方向如图所示（俯视） 发现电子只可能在第一个、第三个周期内被加速，但第三个周期时，电子所受洛伦兹力背离圆心，无法提供向心力，所以电子在该加速器中仅在第一个周期内可被加速，C错误；D正确。 故选AD。 【变式2】（多选题）电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备。若将其中的环形真空管内外不均匀的磁场，整体换成匀强磁场，如图所示，磁场方向垂直于真空管，磁感应强度随时间变化的关系式为（为大于0的常数），在真空管内产生如虚线所示的感生电场，虚线上各点电场强度大小相等。电子从距离环形真空管圆心的位置静止释放，若加速电子未达到高速，下列说法正确的是（　　） A．电子将沿逆时针方向加速 B．电子释放点处的电场强度大小是 C．电子可能做加速圆周运动 D．电子一定做加速近心运动 【答案】ABD 【详解】AB．根据楞次定律可知，真空管内产生的感生电场的方向为顺时针方向，大小为 故电子由静止释放后将沿逆时针方向加速，故AB正确； CD．假设电子发射后沿虚线圆轨道运动，则有， 洛伦兹力 所需的向心力 联立上式可知 因此假设不成立，电子做加速近心运动，故C错误，D正确。 故选ABD。 【变式3】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。它的基本原理如图甲所示，上、下为电磁体的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室。图乙为真空室的俯视图，电磁体线圈中电流的大小、方向可以变化，产生变化的磁场，变化的磁场在环形真空室内感生出同心环状的感生电场，电子在感生电场的作用下被加速，并在洛伦兹力的作用下做圆周运动。已知电子的质量为、电荷量为，做圆周运动的轨道半径为。某段时间内，电磁体线圈产生的磁场方向向上，磁场分布如图甲所示，穿过电子圆形轨道平面的磁通量随时间变化的关系为（，且为已知量）。电子加速过程中忽略相对论效应。 （1）若在电子轨道上放置一等大的金属细圆环，求金属圆环的感生电动势； （2）求电子运动轨道处感生电场的场强大小； （3）求电子轨道处磁感应强度随时间的变化率。 【答案】(1) ；(2) ；(3) 【详解】(1) 金属圆环的感生电动势 (2) 电子运动轨道处感生电场的场强大小 (3) 电子轨道处磁感应强度随时间的变化率 知识点2：涡流 1．思考与讨论： 如图所示，在变化磁场中的金属块会逐渐升温变红。这是为什么？ 　　 2．涡流： （1）定义：导体中的自由电子在感生电场的作用下定向移动而产生的漩涡状的感应电流叫涡电流，简称涡流。 （2）涡流的应用： ①真空冶炼炉：冶炼炉外有线圈，线圈中通入迅速变化的电流，炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化。利用涡流冶炼金属的优点是，整个过程可以在真空中进行，能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。 ②电磁炉：迅速变化的电流通过电磁炉面板下方的线圈时，线圈周围产生迅速变化的磁场，变化的磁场使面板上方的铁锅底部产生涡流，铁锅迅速发热，从而达到加热食物的目的。 ③安检设备、扫雷设备：这些设备中都有变化的电流。如果在其检测区域中有金属物品，金属中会感应出涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使设备报警。 （3）涡流的防止： ①涡流的危害：金属器件中感应产生的涡流能使金属器件发热，浪费了能量，还可能损坏电器。 ②涡流的防止：途径一，增大铁芯材料的电阻率。常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大。 途径二，用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。 【例3】如图是一种电加热装置，当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．若把一个铜块伸入线圈中，铜块的温度不会升高 C．线圈中电流越强，铁块升温更快 D．线圈中电流变化越快，铁块升温越快 【答案】D 【详解】A．干燥的木棍是绝缘体，不能形成涡流，而该加热装置是利用电磁感应产生的涡流使导体发热，所以木棍不会被烧着，故A错误； B．铜块是导体，将铜块伸入线圈中，穿过铜块的磁通量发生变化，会产生涡流，从而使铜块温度升高，故B错误； CD．线圈中电流变化越快，穿过铁块的磁通量变化率越大，铁块中产生的感应电动势越大，涡流越大，产生的热量越多，铁块升温越快，故C错误，D正确。 故选D。 【变式1】涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示，线圈中通以一定频率的正弦交变电流，靠近待测工件时，工件内会产生涡流，同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法中正确的是（　　） A．涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化 B．涡流的频率小于通入线圈的交变电流频率 C．通电线圈和待测工件间存在恒定的作用力 D．待测工件可以是塑料或橡胶制品 【答案】A 【详解】A．根据楞次定律得可知感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，故涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化， A正确； B．感应电流的频率与原电流的频率是相同的，涡流的频率等于通入线圈的交流电频率， B错误； C．因为线圈交流电是周期变化的，故在工件中引起的交流电也是周期性变化的，可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力， C错误； D．电磁感应只能发生在金属物体上，故待测工件只能是金属制品， D错误。 故选A。 【变式2】如图所示，用绝缘轻质细线将一个金属圆环悬于O点，水平虚线以下存在垂直纸面向外的匀强磁场。将金属圆环从图中所示的位置由静止释放，圆环在摆动过程中始终与磁场垂直，忽略空气阻力，则金属圆环（　　） A．进入磁场的过程中产生逆时针方向的电流 B．第一次刚要进入和完全离开磁场时，速度大小相等 C．摆动幅度逐渐减小，最终停止在最低点 D．摆动幅度先逐渐减小，后保持不变 【答案】D 【详解】A．进入磁场的过程中，磁通量向外增大，根据楞次定律，可知圆环产生顺时针方向的电流，故A错误； B．进入和离开磁场的过程中一部分机械能转化为电能，则圆环第一次进入磁场时的速度大于第一次离开磁场时的速度，故B错误； CD．进入磁场和离开磁场的过程中机械能减小，故摆动幅度逐渐减小，当不再出磁场时，机械能不变，摆动幅度保持不变，故C错误，D正确。 故选D。 【变式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。 知识点3：电磁阻尼 1．思考与讨论： 如图所示，一个单匝线圈落入磁场中，它在图中位置时感应电流的方向和所受安培力的方向如何？安培力对线圈的运动有什么影响？ 在线圈进入磁场的过程中，由楞次定律，线圈中垂直纸面向里的磁通量变大，则其感应电流的磁场阻碍线圈中磁通量的增大，即感应电流的磁场应垂直纸面向外。 由安培定则可以判断，感应电流的方向是逆时针的。 由左手定则，线圈下方横边所受的安培力竖直向上，与线圈向下落的运动方向相反。即安培力阻碍线圈进入磁场（来拒去留），阻碍线圈下落。 2．电磁阻尼 （1）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。 （2）应用： ①磁式电流表的铝框骨架： 磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，指针也固定在铝框上，如图所示。假定仪表工作时指针向右转动，铝框中的感应电流沿什么方向？由于铝框转动时其中有感应电流，铝框要受到安培力。安培力是沿什么方向的？安培力对铝框的转动产生什么影响？ 由右手定则可知，线圈左侧的感应电流垂直直面向外，右侧的感应电流垂直纸面向里。 由左手定则可知，线圈左侧所受安培力与线圈偏转方向相反，右侧所受安培力与线圈偏转方向也相反。 所以，安培力起到了阻碍线圈转动的作用，即电磁阻尼作用。 由此可知，铝框骨架可以使线圈收到安培阻力的作用，使线圈很快停止摆动。 ②运输灵敏电流计时，将两个接线柱连在一起： 取一只微安表，用手晃动表壳，观察表针相对表盘摆动的情况。用导线把微安表的两个接线柱连在一起，如图所示，再次晃动表壳，表针相对表盘的摆动情况与刚才有什么不同？怎样解释这种差别？为什么灵敏电流表在运输时总要用导体把两个接线柱连在一起？ 没有连接接线柱时，表针摆动幅度大。连接接线柱后，表针摆动幅度小。 两个接线柱连在一起后，导线与微安表构成闭合回路。运输途中，指针发生摆动时，闭合回路内会产生感应电流，感应电流所受的安培力会阻碍指针摆动，防止指针与边缘发生碰撞而损坏指针。 【例4】（多选题）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。下列说法正确是（　　） A．未接导线时，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势 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 【答案】AD 【详解】A．未接导线时，表针晃动过程中导线切割磁感线，表内线圈会产生感应电动势，故A正确； 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，故C错误，D正确。 故选AD。 【变式1】（多选题）如图甲所示是磁电式电表内部结构示意图，蹄形磁体的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，在铝框上绕有铜线圈。电表指针固定在铝框上，可与线圈一起转动，线圈的两端分别接在两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈。蹄形磁体与铁芯间的磁场可看作是均匀辐射分布的，如图乙所示，无论线圈转到什么位置，线圈平面总与线圈所在磁场的方向平行。则（　　） A．磁电式电表的原理是通电线圈在磁场中因受安培力而转动 B．改变线圈中电流的方向，指针会反向偏转 C．减少线圈的匝数可以提高电表的灵敏度 D．用塑料框代替铝框，在使用电表时可以使指针更迅速稳定在示数位置上 【答案】AB 【详解】A．磁电式电流表的内部，在蹄形磁铁的两极间有一个可以绕轴转动的线圈，蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布，当电流通过线圈时，线圈在安培力的作用下转动，故A正确； B．改变线圈中电流的方向，线圈受力方向相反，指针会反向偏转，故B正确； C．线圈匝数减少，受到的安培力合力越小，越不容易转动，不能提高电流表的灵敏度，故C错误； D．用铝框做骨架，当线圈在磁场中转动时，导致铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动。而塑料做骨架达不到此作用，故D错误。 故选AB。 【变式2】（多选题）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。 【变式3】（多选题）如图所示，三个长度、内径、管壁厚度相同的木管、铜管、银管竖直固定放置（相距很远），其下端到地面的高度相同。在每个管正上方各有一个完全相同的圆柱形磁铁，分别为a、b、c，它们下表面N极也在同一水平面上。现让a、b、c同时静止释放，它们分别无碰撞地穿过对应管道，忽略空气阻力，已知银的电阻率比铜的电阻率小。下列说法正确的是（　　）。 A．磁铁刚进入铜管时，俯视时铜管电流方向为逆时针 B．a、b、c落地时的速度大小关系为va > vc > vb C．a、b、c下落过程中机械能都不守恒 D．从释放到落地，三根管中磁通量的变化量相同 【答案】AD 【详解】A．根据楞次定律，磁铁刚进入铜管时，俯视时铜管电流方向为逆时针，故A正确； B．a下落过程中，木管中没有感应电流，a做自由落体运动，b、c下落过程中，铜管、银管中都有感应电流，由楞次定律得b、c受到的磁场力都向上，由于银管的电阻小，银管中的平均感应电流大，银管受到的平均安培力大，由牛顿第三定律得c受到平均磁场力大， a、b、c运动的过程根据动能定理有 其中， 解得a、b、c落地时的速度大小关系为va> vb> vc 故B错误； C．根据B分析可知，a下落过程中机械能守恒，b、c下落过程中机械能不守恒，故C错误； D．圆柱形磁铁a、b、c的初、末位置相同，三根管长度、内径相等，三根管中磁通量的变化量相同，故D正确。 故选AD。 知识点4：电磁驱动 1．思考与讨论： 如图所示，一个铝框放在蹄形磁体的两个磁极间，可以绕支点自由转动。转动磁体，铝框怎样运动？怎样解释这种运动？ 转动磁体时，穿过铝框的磁通量发生变化，铝框内产生感应电流，出现安培力，导致铝框转动。 由楞次定律可知，感应电流的磁场总是阻碍磁通量的变化，故铝框与磁铁转动方向相同，但转动快慢不同。 2．电磁驱动： （1）电磁驱动：磁场相对于导体转动，在导体中产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，安培力使导体跟着磁场转动，这种现象称为电磁驱动。 （2）应用：交流感应电动机 交流感应电动机利用电磁驱动的原理工作。配置的三个线圈连接到三相电源上，就能产生类似前面实验中的旋转磁场，磁场中的导线框也就随着转动。就这样，电动机把电能转化成机械能。 （3）电磁驱动与电磁阻尼的关系： 电磁驱动与电磁阻尼都是导体与磁场之间存在相对运动，导体的磁通量因相对运动而发生变化，使导体中产生感应电流。因安培力的方向与相对运动的方向相反，阻碍相对运动，所以实现了驱动或阻尼的效果。 电磁驱动是磁场相对于导体运动，导体原本静止或速度较小，安培力起到动力作用，使导体随磁场一起运动。电磁阻尼是导体相对于磁场运动，导体原本速度较大，安培力起到阻力作用，阻碍导体原本的运动。 【例5】（多选题）如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴转动。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 【答案】BC 【详解】C．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； D．当线圈相对磁铁转过90°时，电流方向不再是abcda，故D错误； AB．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。 故选BC。 【变式1】如图所示，截去一半的塑料瓶周围贴上三块强磁铁，用木棍从内部撑起塑料瓶，它的两边有用木棍支撑起倒立的铝质的易拉罐，当从上往下看顺时针转动中间的塑料瓶时，那么两边的易拉罐转动情况是（　　） A．两边的易拉罐不动 B．两边的易拉罐都是逆时针转动 C．两边的易拉罐都是顺时针转动 D．稳定时，易拉罐转动的角速度等于塑料瓶转动的角速度 【答案】B 【详解】由于塑料瓶带动磁铁转动过程中，穿过易拉罐的磁通量不断变化，从而产生感应电流，易拉罐将受到安培力作用而转动，属于电磁驱动，所以若塑料瓶顺时针旋转，则左右两边的易拉罐都是逆时针转动，易拉罐转动的角速度小于塑料瓶转动的角速度，B选项符合题意。 故B正确。 【变式2】电磁驱动是21世纪初问世的新概念，该技术被视为将带来交通工具大革命。在日常生活中，摩托车和汽车上装有的磁性转速表就是利用了电磁驱动原理。如图所示是磁性转速表及其原理图，永久磁铁随车轮系统的转轴转动，铝盘固定在指针轴上，与永久磁铁不固定。关于磁性式转速表的电磁驱动原理，下列说法正确的是（　　） A．铝盘接通电源，通有电流的铝盘在磁场作用下带动指针转动 B．永久磁体随转轴转动产生运动的磁场，在铝盘中产生感应电流，感应电流使铝盘受磁场力而转动 C．铝盘转动的方向与永久磁体转动方向相反 D．由于铝盘和永久磁体被同转轴带动，所以两者转动是完全同步的 【答案】B 【详解】AB．当永久磁铁随转轴转动时，产生转动的磁场，在铝盘中会产生感应电流，这时永久磁铁的磁场会对铝盘上的感应电流有力的作用，而产生一个转动的力矩，使指针转动，由于弹簧游丝的反力矩，会使指针稳定指在某一刻度上，故A错误，B正确； C．该转速表运用了电磁感应原理，由楞次定律知，铝盘磁场总是阻碍永久磁铁转动，要使减小穿过铝盘磁通量的变化，永久磁铁转动方向与铝盘转动方向相同，故C错误； D．永久磁铁固定在转轴上，铝盘固定在指针轴上，铝盘和永久磁铁不是同转轴带动，所以两者转动不是同步的，故D错误。 故选B。 【变式3】如图甲为利用电磁驱动原理制作的交流感应电动机。三个线圈连接到三相电源上，电流形成的磁场可等效为以角速度ω0转动的辐向磁场。边长为l、总电阻为R的单匝正方形线框ABCD可绕其中心轴OO′旋转，图乙为这种驱动装置的俯视图，线框的两条边AB、CD所处位置的磁感应强度大小均为B。当线框由静止开始转动时，AB、CD两条边受到的阻力均为Ff=kv，其中比例系数，v为AB、CD两条边的线速度大小。不计其他阻力。则当线框达到稳定转动时（　　） A．线框的转动方向与辐向磁场的转动方向相反 B．线框的角速度大小为 C．线框的感应电动势大小为 D．线框AB边所受安培力大小为 【答案】C 【详解】A．线框的转动方向与辐向磁场的转动方向相同，A错误； BCD．设线框稳定时转动的角速度大小为ω AB边与磁场的相对速度为 AB、CD两条边产生的感应电动势为 感应电流大小为 AB边所受安培力大小为 稳定运行时根据平衡条件得 根据题意 解得，，，BD错误，C正确。 故选C。 【巩固训练】 1．《梦溪笔谈》中记录了一次罕见的雷击事件：房屋被雷击后，屋内的银饰、宝刀等金属熔化了，但是漆器、刀鞘等非金属却完好（原文为：有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚钢，就刀室中熔为汁，而室亦俨然）。导致金属熔化而非金属完好的原因可能为（　　） A．摩擦生热 B．雷声振幅大 C．电磁感应产生涡流 D．雷光亮度大 【答案】C 【详解】A．摩擦生热对金属和非金属都可能产生影响，但题目中仅金属熔化，故A错误； B．雷声振幅大（声波能量）通常不足以使金属快速熔化，且应同时影响所有物体，故B错误； C．金属是导体，在雷击的强变化磁场中会产生涡流，导致发热熔化；非金属不导电，无法形成涡流，故C正确； D．雷光亮度大（光能）可能被非金属吸收更多，但金属反射大部分光，与现象矛盾，故D错误。 故选C。 2．台风“贝碧嘉”登陆上海，中国自主研发的千吨阻尼器——“上海慧眼”（如图所示）摆动明显，保障了上海中心大厦的安全。“上海慧眼”采用了电涡流阻尼技术，永磁体形成的磁场与质量块一起摆动时，与其下方固定的导体板产生相对运动，从而在导体板中产生电涡流。关于该阻尼器，下列说法正确的是（　　） A．阻尼器的电涡流阻尼技术原理是电流的磁效应 B．振动稳定时，阻尼器的振动频率小于大厦的振动频率 C．阻尼器将机械能最终转化为内能 D．若将阻尼器下方的导体板换成木地板，对使用效果没有影响 【答案】C 【详解】B．阻尼器受迫振动，稳定时阻尼器的振动频率与大厦的振动频率相等，故B错误； ACD．根据电磁感应原理可知，永磁体通过导体板上方时会在导体板中产生电涡流，阻碍永磁体相对导体板的运动，将机械能最终转化为内能，若将阻尼器下方的导体板换成绝缘的木地板，将不会产生电涡流，影响使用效果，故AD错误，C正确。 故选C。 3．如图所示，石锅鱼味道鲜美，不仅保留了食物的自然味道，还含有多种微量元素和矿物质。某种铁合金复合石锅在电磁炉上也能使用。已知电磁炉只能加热含有磁性材料的锅具。下列相关说法正确的是（　　） A．将该石锅换成陶瓷锅后也一定能通过电磁炉加热食物 B．电磁炉接电压合适的直流电源后也能正常加热该石锅内的食物 C．该石锅放置在电磁炉上能加热食物的原理是电磁感应现象 D．该石锅放置在电磁炉上能加热食物的原理是电流的磁效应 【答案】C 【详解】CD．电磁炉里面安装有线圈，当线圈中通过高频交流电时，会产生强大的交变磁场，交变磁场穿过锅底，在锅底形成强涡流，根据电流的热效应，产生大量的热量，从而加热食物，故该石锅放置在电磁炉上能加热食物的原理是电磁感应现象，故C正确，D错误； A．由于陶瓷不是磁性材料，温度达不到加热食物的要求，故A错误； B．直流电不能产生变化的磁场，在锅体内不能产生感应电流，因此无法加热食物，故B错误。 故选C。 4．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。 5．如图所示，竖直平面内有一固定直导线水平放置，导线中通有恒定电流I，导线正下方有一个质量为m的铝质球，某时刻无初速释放铝球使其下落，不计空气阻力，下列说法正确的是（　　） A．小球下落过程机械能一定减小 B．小球下落过程机械能一定守恒 C．小球下落过程机械能一定增加 D．小球下落过程机械能先增加后不变 【答案】A 【详解】因通电直导线下方产生垂直纸面向里的磁场，且随着距离直导线的距离增加磁场逐渐减弱，可知小球下落过程中因磁通量逐渐减小在小球中产生涡流，铝制球产生热量，由能量关系可知，小球的机械能将逐渐减小。 故选A。 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．某电磁缓冲装置的结构简图如图所示，该装置总质量为5kg，线圈和其所连设备质量为2.5kg，线圈到磁铁底端的距离为，线圈所在处辐向磁场磁感应强度大小恒为，单匝线圈电阻，半径。某次测试时该装置以1m/s的速度在水平面上运动，某时刻磁铁底端与竖直挡板发生弹性碰撞（时间极短），不计一切摩擦，若线圈相对磁铁运动过程恰能不与磁铁底部接触，则线圈匝数大概为（　　） A．125 B．255 C．510 D．725 【答案】B 【详解】碰撞时，磁铁与挡板发生弹性碰撞，则碰后磁铁速度反向，而线圈速度方向不变，线圈向左运动，磁感线与运动方向垂直，则线圈切割磁感线的有效长度 碰后水平方向系统初动量为 则线圈恰运动到磁铁底部时，两部分速度均为零，则线圈可视为以的初速度切割磁感线。某时刻，线圈产生的感应电动势为 线圈中的电流为 受到的安培力为 整个运动过程安培力的冲量为 解得，故B正确。 8．如图所示，足够长铝管竖直放置在水平桌面上，把一小磁体从铝管上端管口放入，小磁体不与管壁接触，且无翻转，不计空气阻力。小磁体在铝管内下落的过程中（　　） A．小磁体受合外力一直向下 B．小磁体做自由落体运动 C．铝管对桌面的压力大于铝管的重力 D．小磁体动能的增加量大于重力势能的减少量 【答案】C 【详解】AB．磁体在铝管运动的过程中，虽不计空气阻力，但在下落过程中，受到方向向上的安培力，从而磁体的加速度小于重力加速度，所以磁体的运动不是自由落体运动，开始时重力大于安培力，合力向下；随着速度增加，向上的安培力变大，当重力等于安培力时合力为零，此时加速度为零，小磁体匀速下落，故AB错误； C．根据电磁阻尼原理可知，小磁体下落过程中受到的磁场力向上，由牛顿第三定律可知，铝管在磁体下落过程受到向下的磁场力，所以铝管对桌面的压力大于铝管的重力，故C正确。 D．磁体在整个下落过程中，除重力做功外，还有产生感应电流对应的安培力做功，导致减小的重力势能，部分转化动能外，还要产生内能，故机械能不守恒，且磁体动能的增加量小于重力势能的减少量，故D错误。 故选C。 9．物理学中有很多关于圆盘的实验，第一个是法拉第圆盘，圆盘全部处于磁场区域，可绕中心轴转动，通过导线将圆盘圆心和边缘与外面电阻相连。第二个是阿拉果圆盘，将一铜圆盘水平放置，圆盘可绕中心轴自由转动，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，以下说法正确的是（　　） A．法拉第圆盘在转动过程中，圆盘中磁通量不变，无感应电动势，无感应电流 B．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘，小磁针会同向转动，反之，转动小磁针，圆盘则不动 C．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘，小磁针会同向转动，但会滞后于圆盘 D．法拉第圆盘和阿拉果圆盘都是电磁驱动的表现 【答案】C 【详解】A．法拉第圆盘运动过程中，半径方向的金属条在切割磁感线，在圆心和边缘之间产生了感应电动势，故A错误； BC．阿拉果圆盘实验中，转动圆盘或小磁针，都产生感应电流，因安培力的作用，另一个物体也会跟着转动，则转动圆盘，小磁针会同向转动，但会滞后于圆盘，故B错误，C正确； D．如果磁场相对于导体运动，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，这种作用就是电磁驱动，显然法拉第圆盘是机械能转化为电能的过程，并不是电磁驱动，故D错误。 故选C。 10．发电机是把机械能转化为电能的装置，其他动力作为机械驱动，对如图甲、乙所示的两类发电机，下列说法正确的是（　　） A．有一种发电机并不满足法拉第电磁感应定律 B．图甲是旋转电枢式发电机，图乙是旋转磁极式发电机 C．图甲所示的发电机可输出几千伏到几万伏的高压 D．发电机在实际运行过程中将机械能转化为电能的效率可达 【答案】B 【详解】A．各种各样的发电机都是磁生电的装置，都满足法拉第电磁感应定律，A错误； B．电枢转动、磁极不动的发电机叫做旋转电枢式发电机，这种发电机的原理如图甲所示，如果磁极转动、电枢不动，线圈内磁通量发生改变，电枢同样会产生感应电动势，这种发电机叫做旋转磁极式发电机，原理如图乙所示，B正确； C．图甲是旋转电枢式发电机，旋转电枢式发电机输出不超过的电压，C错误； D．发电机在实际运行过程中存在各种能量损耗，主要包括铁芯涡流能量损耗、导线焦耳热损效率不可能达，D错误。 故选B。 22 / 30 学科网（北京）股份有限公司 $