2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【重难点手册】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（人教版）浙江专用

重难点手册高中物理选择性必修第二册)（浙江专用） 第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 重点和难点 课标要求 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 重点：涡流产生的原因。 2.了解涡流的产生，了解涡流现象的利用和危害，了解电磁 难点：电磁阻尼和电磁驱动的原理， 阻尼和电磁驱动， 3.了解电磁感应规律的一般应用，会联系科技实例进行分析 」-01一必备知识梳理 基础梳理 知识点1 电磁感应现象中的感生电场 1.感生电场 国敲黑板 (1)概念：变化的磁场在周围空间激发的电场叫作感生电场 1.变化的磁场周围产生 感生电场，与是否存在闭合电 (2)特点：①感生电场的电场线与磁场方向垂直；②感生电场 路无关.如果在变化的磁场中 的强弱与磁感应强度的变化率有关 放一个闭合电路，自由电荷在 (3)感生电场与静电场的区别 感生电场的作用下发生定向 ①产生方式不同：静电场是由电荷激发的，而磁场周围的电 移动. 场则是由变化的磁场激发的. 2.电路中产生感生电动 ②电场线的特点不同：静电场的电场线不闭合，总是始于正 势的导体部分相当于电源，其 电路为内电路 电荷或无限远，终止于无限远或负电荷；而变化的磁场周围产生 的感生电场的电场线是闭合曲线，没有起点和终点， ③方向：在实际问题中通常要由磁场的方向和强弱变化的情 况根据楞次定律来判断感生电场的方向. 刀记方法司 2.感生电动势 判断感生电场的方向 由感生电场使导体产生的电动 定义势叫感生电动势 伸出右手，使拇指伸直， 四指弯曲.若磁场在增强，让 在电路中充当电源，相当于内 感 电路感生电动势的方向可以根 拇指的指向与磁场方向相反； 作用夕 据楞次定律和安培定则来判定 若磁场在减弱，让拇指的指向 EnA更 势 大小9 △t 与磁场方向相同（增反减同）. 产生感生电动势的过程中磁场 这时，弯曲的四指所指的方向 能向电能转化，且满足能量守 能量关系9 恒定律 就是感生电场的方向 60 第二章 电磁应 (2)成因 磁场 激发感入 产生感应人 驱动自由电 变化 生电场 电动势 2 荷定向移动 (3)感生电场中的非静电力：感生电场对自由电荷的作用力， 相当于电源内部的非静电力. 知识点2涡流 1.涡流的产生 P拓视野 把块状金属放在变化的磁场中，由于电磁感应金属块内将产 1.电磁炉的工作原理 生感应电流.如图中的虚线所示，这种电流在金属块内形成闭合 如图所示，电磁炉的面板 下方布满了线圈，当通上高频 电路，很像水中的漩涡，因此叫作涡电流，简称涡流， 交流电时，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 2.涡流的特点 涡流 (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.焊接原理 (2)磁场变化越快（会越大），导休的横截而积S越大，导休 如图所示，线圈中通入高 频变化的电流时，待焊接的金 材料的电阻率越小，形成的涡流就越大 属工件中会产生感应电流，由 3.涡流的利用 于焊接处的接触电阻很大，放 出的焦耳热很多，致使温度升 (1)真空冶炼炉内金属的电阻率小，涡流很强，产生的热量很 得很高，将金属熔化，把工件 多，可以用来冶炼合金钢， 焊接在一起 (2)探雷器也是利用涡流工作的.探雷器线圈中有变化的电 流，线圈在地面扫过时，如果地面下埋着金属物品，金属中会产生 线圈导线 涡流，涡流的磁场又会反过来影响线圈中的电流，使仪器报警.机 电源 场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人携带的金属物品也 待焊接工件 是这个原理 4.涡流的防止 电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上.当线圈中流过变化的 电流时，在铁芯中会产生涡流，使铁芯发热，浪费能量，还可能损 坏电器.因此，我们常采用硅钢这种电阻率比较大的材料，并且用 互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯，以便增大电 阻，减小涡流。 61 重滩点手册高中物理选择性必修第二册)（浙江专用） 知识点3电磁阻尼 1.电磁阻尼的产生 P拓视野7 当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，根 电磁阻尼摆 据楞次定律，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 b 电磁阻尼是一种十分普遍的物理现象，任何相对磁场运动的 如图，把铜片悬挂在电磁 导体，只要有感应电流通过，就会存在电磁阻尼作用 铁的两极间，形成一个摆.在 电磁铁线圈未通电时，铜片可 2.电磁阻尼的应用 以自由摆动，要经过较长时间 电磁阻尼有不少应用.使用磁电式电表进行测量时，由于指 才会停下来. 针转动轴的摩擦力矩很小，若不采取措施，线圈及指针将会在所 一旦当电磁铁通电之后， 示值附近来回摆动，不易稳定下来.为此，许多电表把线圈绕在闭 由于穿过运动导体的磁通量 合的铝框上，当线圈摆动时，在闭合的铝框中将产生感应电流，从 发生变化，铜片内将产生感应 而获得电磁阻尼力矩，以使线圈迅速稳定在所示值的位置.电气 电流.根据楞次定律，铜片的 列车中的电磁制动器也是根据电磁阻尼原理制成的。 摆动会受到阻力而迅速停止 知识点4电磁驱动 1.电磁驱动的产生 园敲黑板 如果磁场相对于导体运动，在导体中会产生感应电流，感应 在电磁驱动现象中，导体 在安培力作用下的运动速度 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 总要比磁场的运动速度慢一 用常常称为电磁驱动. 些，原因是什么？ 如图所示，当转动蹄形磁铁时，线圈也跟着转动起 在电磁驱动现象中，安培 来，产生这种现象的原因就是电磁驱动。 力的作用效果是阻碍相对运 2.电磁驱动的原因分析 动，如果导体速度和磁场速度 一样，则两者相对速度为0，便 当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化.例如，线 不会产生感应电流，这时电磁 圈处于如图所示的初始位置时，穿过线圈的磁通量为0，蹄形磁铁 驱动作用就会消失，所以导体 一转动，穿过线圈的磁通量就增加了.根据楞次定律，此时线圈中 的运动速度要小于磁场的运 就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着同向 动速度（两者的转速总是异 转动起来。 步的). 重难拓展 重难点1 感生电动势与动生电动势的比较 感生电动势 动生电动势 2划重点7 导线不动，磁场随时间变化磁场不变，由导体运动引起磁 感生电动势的本质是产 表述不同 时在导线中产生的电动势 通量的变化而产生的电动势 生涡旋电场，涡旋电场产生非 由电荷在磁场中运动时所受 静电力，使导体中的电荷向两 产生原因不同 由感生电场产生 的洛伦兹力产生 端积累产生电势差；而动生电 62 第二章 电磁感应么 续表 动势的本质是洛伦兹力充当 感生电动势 动生电动势 非静电力，使导体中的电荷向 移动电荷的非感生电场对自由电荷的作导体中自由电荷所受的洛伦 两端积累产生电势差， 静电力不同 用力 兹力沿导体方向的分力 相当于电源的 变化磁场穿过的线圈部分 运动时切割磁感线的部分导体 部分不同 △Φ的产生原 回路本身面积发生变化而引 B变化引起Φ变化 刀划重点 因不同 起Φ变化 感生电场和感生电动势的特征 大小计算 △Φ E=n △t —nS4B △t E=n4 =nB 4S =nBlv 1.感生电场 △t (1)感生电场是一种涡旋 方向判断 楞次定律 楞次定律或右手定则 电场，电场线是闭合的.感生 相互联系 感生电动势与动生电动势的本质是相同的，都遵从法拉第 电磁感应定律，体现能量转化与守恒 电场的方向可由安培定则判 断.涡旋电场也会对电荷产生 例①(2025·安徽宿城一中高二月考)如图甲，足够长光滑 力的作用. 平行金属导轨MN、PQ倾斜固定放置，斜面与水平面夹角0= (2)实际问题中我们常要 37°，导轨间距L=1m,导轨顶端与R=12的定值电阻连接，整 由磁场的方向和强弱变化的 个导轨处在垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，磁场的磁感应强 情况，根据楞次定律和安培定 度随时间的变化关系如图乙所示.质量为0.5kg、长为1m、电阻 则来确定感生电场的方向 r=0.52的金属棒ab放在导轨上，与导轨顶端相距d=0.5m, (3)感生电场的存在与电 0~1s内，给金属棒施加一个平行于导轨平面向上的拉力，使金 路是否闭合无关 属棒刚好不滑动，t=1s撤去拉力，金属棒滑动时与导轨接触良 2.感生电动势 好且始终与导轨垂直.已知sin37°=0.6，重力加速度大小取g= (1)电路中电源的电动势 10m/s2,导轨电阻不计. 是非静电力对自由电荷作用 的结果：在感生电动势中感生 (1)求作用在金属棒上拉力的最小值； 电场对电荷的电场力相当于 (2)若金属棒沿导轨下滑2m时加速度已为0，则从撤去拉力 电源内部的非静电力 至金属棒沿导轨下滑2m时，回路中产生的焦耳热为多少？ (2)感生电动势的方向与 感生电场、感应电流的方向一 致，产生感生电动势的导体部 分充当电源，其电路为内电 路，当它与外电路接通后就会 对外电路供电. 解折(1)0~1s内，回路中的感应电动势E=A_△BLd At △t 5V,回路中电流1=R十，=1A,t=1s时，拉力最小，根 力的平衡可知最小拉力F=mg sin0+BIL=5N. (2)设当金属棒加速度为0时，速度为v,则ng sin0= 63 重难点手册高中物理选择性必修第二册)（浙江专用） B2L2v R+r ,解得u=9 m/s. 金属棒运动2m的过程中，设回路中产生的焦耳热为Q,根 据能量守恒定律有mgsn0·5=Q+m,产生的焦耳热Q 1455J. 256 02关键能力提升。一 题型1涡流现象及其分析 转盘的制动力越大，C错误；线圈电流一定时， 例①(2025·陕西师大附中高二期中)如 导体运动的速度越大，转盘转动产生的涡流越 图是汽车上使用的电磁制动装置示意图.电磁 强，制动力就越大，D正确. 制动是一种非接触的制动方式，其原理是当导 答案D 体在通电线圈产生的磁场中运动时，会产生涡 题型2电磁阻尼与电磁驱动问题 流，使导体受到阻碍运动的制动力.下列说法 例②随着航空领 火箭主体 正确的是( ) 域的发展，实现火箭回 轨道 线圈 收利用成为各国都在 ××××X ××××X 铁芯 磁感线 重点突破的技术其中线圆 a×××b 有个技术难题是回收 滑块 旋转轴运动导体（转盘） 时如何减缓对地面的 A.制动过程中，导体不会产生热量 碰撞，为此设计师在返回火箭的底盘安装了电 B.如果导体反向转动，此装置将不起制动 磁缓冲装置.如图，该装置的主要部件有两部 作用 分：①缓冲滑块，由高强度绝缘材料制成，其内 C.制动力的大小与线圈中电流的大小无关 部边缘绕有闭合单匝正方形线圈abcd;②火箭 D.线圈电流一定时，导体运动的速度越 主体，包括绝缘光滑缓冲轨道MN、PQ和超导 大，制动力就越大 线圈（图中未画出），超导线圈能产生方向垂直 解析电磁制动的原理是当导体在通电线 于整个缓冲轨道平面的匀强磁场.当缓冲滑块 圈产生的磁场中运动时，会产生涡流，电流流 接触地面时，滑块立即停止运动，此后线圈与 过电阻时会产生热量，A错误；如果改变线圈 火箭主体中的磁场相互作用，火箭主体一直做 中的电流方向，铁芯产生的磁感线的方向变为 减速运动直至达到软着陆要求的速度，从而实 反向，此时产生的涡流方向也相反，根据安培 现缓冲.现已知缓冲滑块竖直向下撞向地面 力的公式，电流和所处的磁场方向同时反向， 时，火箭主体的速度大小为vo,经过时间t火 安培力方向不变，故还是使导体受到阻碍运动 箭着陆，此时火箭速度为v';线圈abcd的电阻 的制动力，B错误；线圈中电流越大，产生的磁 为R,其余电阻忽略不计；ab边长为l,火箭主 场越强，转盘转动产生的涡流越强，制动器对 体质量为，匀强磁场的磁感应强度大小为 64 第二章 电磁感应么组 B,重力加速度为g,一切摩擦阻力不计.求： 方选思结 (1)缓冲滑块刚停止运动时，线圈αb边两 电磁阻尼和电磁驱动问题的分析要点 端的电势差Ub; 电磁阻尼和电磁驱动问题，其本质仍然 (2)缓冲滑块刚停止运动时，火箭主体的 是电磁感应，分析求解具体问题时，还需明 加速度大小： (3)火箭主体的速度从vo减到v'的过程 确电磁阻尼与电磁驱动的区别与联系（对比 中系统产生的电能。 见下表) 解析(1)ab边产生电动势E=Blmo,因此 电磁阻尼 电磁驱动 由于导体在磁场中由于磁场运动引起 运动而产生感应电 磁通量的变化而产 (2)安培力F=BIL,电流I=Bl】 成因 R,对火 流，从而使导体受到 生感应电流，从而使 安培力 导体受到安培力 箭主体受力分析可得Fb一mg=ma,解得a= B212V0 不 导体所受安培力的方 导体所受安培力的方 效果 向与导体运动方向相 向与导体运动方向相 (3)设下落t时间内火箭下落的高度为h, 反，阻碍导体运动 同，推动导体运动 对火箭主体由动量定理有mgt一Fbt=mu' 导体克服安培力做由于电磁感应，磁场 mo,即mg2-Bh=m0-m,化简得h= 能量功，其他形式的能转 能转化为电能，通过 R 转化化为电能，最终转化 安培力做功，电能转 mR(vo+gt-o） 为内能 化为导体的机械能 B212 .根据能量守恒定律，产生的 电能为E=mgk十mim,联立各式可 都属于电磁感应现象，电磁阻尼和电磁驱 联系 动中的安培力都是阻碍导体与磁体间的 得B-igRe旺-边1方d-m 相对运动 B2L2 65