第2章 3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【成才之路·学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步新课程学习指导(人教版)

067 3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动 ●目标重点展示 素养目标 学习重点 知道什么是感生电场和感生电动势；知道涡流现象的原 物理观念 理是电磁感应现象，会分析涡流现象中的能量转化。 (1)感生电场的理解和方 通过实验了解涡流、电磁阻尼和电磁驱动现象；了解电子 科学探究 向的判断 感应加速器的基本结构和原理。 (2)涡流的理解 (3)电磁阻尼和电磁驱动 能举例说明涡流现象在生产生活中的应用；会分析电磁 科学态度 的理解和应用 阻尼和电磁驱动现象的原理，体会物理知识与科学技术 与责任 之间的关系。 探究点1电磁感应现象中的感生电场 [提示] (1)闭合电路内产生 ●新知导学 感应电流，是因为闭 合电路内产生了感生 情境：如图所示，一个闭合电路静止于磁场中。 磁场变强 电场，使得导体中的 探究：(1)磁场的强弱发生变化，闭合电路内产生感应电 自由电荷在电场力作 流，你知道其原因吗？ 用下做定向运动，产 (2)如果将闭合电路移走，磁场的强弱仍然发生变化，会有 生感应电流，也就是 什么现象发生？ [提示] 说闭合电路内产生了 感生电动势。 ●要点归纳 (2)将闭合电路移 1.感生电场 走，磁场的强弱仍然 (1)定义：磁场 时会在空间激发一种电场，我们把它叫作感生 发生变化，感生电场 电场。 仍然存在，但是没有 (2)感生电场的方向：与所产生的感应电流的方向相同，可 感应电流了。 根据楞次定律和安培定则判断。当磁场增强时，产生的感生电 [比较]感生电动势 场与磁场方向垂直，如图所示。 与动生电动势的 (3)感生电场的理解 对比 ①感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的。 感生电动势的本质是 ②感生电场的存在与是否存在闭合电路无关。 产生感生电场，感生 电场产生非静电力， 2.感生电动势 使导体中的电荷向两 (1)定义：由 产生的感应电动势。 端积累，产生电势 (2)感生电动势中的非静电力：就是感生电场对自由电荷的作用。 差，而动生电动势是 磁场 「激发感 感生电场驱动自 变化 生电场 由电荷定向移动 产生感应电流 洛伦兹力充当非静电 力，使导体中的电荷 (3)感生电动势大小：E= [比较] 向两端积累，产生电 势差。 068 3.电子感应加速器 电子感应加速器是利用 使电子加速的设备，当电磁铁线圈中 的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速。 4.感生电场与静电场的比较 比较项目 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 总是始于正电荷，终止于负电 感生电场的电场线是闭合曲 特点 荷，不闭合。 线，没有终点和起点 单位正电荷在静电场中沿闭合 单位正电荷在感生电场中沿 电场对电 路径运动一周时，电场力所做 荷做功 闭合路径运动一周时，电场力 的功为零 所做的功不为零 [判断正误] (1)感生电场线是闭合的。 (2)磁场变化时，可以产生感生电场，并不需要电路闭合这一条件。 ( (3)感生电场是产生感生电动势的原因。 ( (4)处于变化磁场中的导体，其内部自由电荷定向移动，是由于受到了感生电 场的作用。 ) 类型一：感生电场方向的判断 [规律方法]闭合回 例1：现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加 路（假定其存在）的 速器是利用感生电场使电子加速的设备。如图 感应电流方向就表 所示，图甲为侧视图，上、下为电磁体的两个磁极； ,真空室 示感生电场的方 图乙为磁极之间真空室的俯视图。若从上往下看 向。判断思路 电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动，改变 !甲侧视图 如下： 电磁体线圈中电流的大小可使电子加速。则下列 假设存在垂直磁场方向 判断正确的是 ( ) 的间合回路 A.真空室中产生的感生电场沿逆时针方向 电子 轨道 B.通入电磁体线圈的电流在增强 回路中的磁通量变化 C.电子在轨道中加速的驱动力是洛伦兹力 三龟电子枪 楞次定律安培定则 D.电子在轨道中做圆周运动的向心力是由静电 乙真空室俯视图 回路中感应电流的方向 力提供的 [规律方法] 感生电场的方向 类型二：感生电场做功的计算 例2：英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间 B 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B,环 上套一电荷量为+g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 Bgk C.2mr2gh D.Tr2gk 069 [提示] 探究点2涡流 (1)涡流是整块金属 ●新知导学 发生的电磁感应现 象，同样遵循法拉第 情境：真空治炼炉是用来熔化金属并对其进行治炼、、(/ 电磁感应定律。 (2)涡流是发生电 的装置，如图所示为其示意图，炉内放入金属，线圈中通 磁感应现象时产生的 入迅速变化的电流，炉内的金属中产生涡流，涡流产生的 接高频交 感应电流，故涡流的 流电源 产生条件：①金属块 热量使金属熔化。这种冶炼方法速度快，温度易控制，整 本身能够形成闭合回 个过程可以在真空中进行，能避免杂质混入金属中，因此 路；@穿过金属块的 磁通量发生变化。 适于冶炼高质量的合金。 (3)只要穿过能构成 探究： 闭合回路的金属块的 磁通量发生变化，就 (1)涡流是在整块金属中产生的漩涡状电流，是否遵循法拉第电磁感应 可以产生涡流，则可 定律？ 以采取以下方式使金 属块中产生涡流： (2)涡流的产生条件是什么？ ①金属块处在变化的 (3)我们可以通过哪些方式使金属块中产生涡流？ 磁场中；@金属块进 出磁场或在非匀强磁 (4)请分析金属块产生涡流的过程中能量是如何转化的。 [提示] 场中运动。 (4)①当金属块处在 ●要点归纳 变化的磁场中时，磁 场能转化为电能，最 1.定义：由于 ,在导体中产生像水中漩涡样的 电流。 终转化为内能； 2.涡流的产生条件：穿过金属块的磁通量发生变化，涡流的大小正比于®当金属决进出磁场 或在非匀强磁场中运 磁通量的变化率。 动时，由于要克服安 3.特点：若金属电阻率很小，则涡流往往 ,产生的热量 培力做功，所以金属 块的机械能转化为电 能，最终转化为内能。 4.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[思考] 金属块中转化为内能 块状金属在匀强磁场 中运动时，能否产生 5.涡流的应用与防止 涡流？利用涡流加热 (1)应用： 等。 时，为什么使用高频 交流电源？ (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 提示：不能。块状金 做材料，或者用互相绝缘的 叠成的铁芯来代替整块硅钢铁 属在匀强磁场中运动 时，穿过金属块的磁 芯。 [思考]通量不变，所以金属 块中不能产生涡流。 [判断正误] 涡流就是感应电流， (1)导体中有涡流时，导体本身会产热。 ( ）使用高频交流电源， 能产生高频变化的磁 (2)利用涡流制成的探雷器可以探出“石雷”。 ( 场，磁场中导体内磁 (3)涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流 ( )通量的变化更迅速， 产生的感应电流更 (4)在匀强磁场中匀速运动的金属块会产生涡流。 ( 大，加热效果更好。 070 例3：电磁炉热效率高达90%，无明火，无烟无废 气，电磁炉“火力”强劲，安全可靠。如图 [规律方法] !炉面板 所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列 (1)电磁炉是通过锅 旺 说法正确的是 通电线圈 具底部产生涡流使锅 通电线圈产生的磁场 A.当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场， 底发热来加热食 恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好→恒定电流产生恒定磁场，不产生感 物的。 B.电磁炉线圈通交流电后，在锅底产生涡流，应电流，不能起到加热作用 (2)电磁炉线圈通交 进而发热工作电磁炉线圈接通交流电后，在锅底产生变化的磁场，变化的磁场产生 变电流，在锅具底部 C电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅感应电流，感应电流产生热量 产生变化的磁场。 主要原因是这些材料的导热性能较差→电磁锅的锅不能用绝缘材科 (3)电磁炉加热食物 D在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用 的热源来自锅具底 此时，在电磁炉锅底仍然有变化的磁场，能起到加热作用 部，而不是电磁炉发 热传给锅具。 ●[规律方法] 跟踪训练1：(2024·甘肃卷)工业上常利用感应电 [提示] 炉冶炼合金，装置如图所示。当线圈中通有交变电流 （1)转动磁体，铝框 时，下列说法正确的是 内的磁通量发生变化 产生感应电流，受到 A.金属中产生恒定感应电流 安培力作用，阻碍铝 B.金属中产生交变感应电流 框与磁体间的相对运 C.若线圈匝数增加，则金属中感应电流减小 动，于是铝框随磁体 D.若线圈匝数增加，则金属中感应电流不变 转动起来。 (2)如果铝框的转动 探究点3电磁阻尼与电磁驱动 速度和磁体的转动速 度一样，则两者相对 ●新知导学 速度为零，便不会产 生感应电流，这时的 情境：如图所示，一个铝框放在蹄形磁体的两个磁极 电磁驱动作用就会消 间，可以绕支点自由转动 失，所以铝框的转动 探究：(1)转动磁体，铝框也随之转动起来，为什么？ 速度比磁体的转动速 (2)在铝框随磁体转动的过程中，铝框的转动速度比 度慢一些。 磁体的转动速度慢一些，原因是什么？ (3)磁体停止转动， 而铝框仍在转动，铝 (3)停止转动磁体，手抓把手不动，磁体立刻停止转 框内的磁通量发生变 动，铝框也会在较短的时间内停止转动，为什么？ 化，产生感应电流， ●[提示] 受到安培力的作用， 阻碍铝框与磁体间的 ●要点归纳 相对运动，于是铝框 1.电磁阻尼 很快停止转动。 (1)定义：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到 ,安 培力的 总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。 (2)应用：磁电式电流表中利用 使指针迅速停止到某位置，便于 读数。 071 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。 3.电磁阻尼和电磁驱动的比较 项目 电磁阻尼 电磁驱动 图示 ×?XX文 :×××××X 不 成因 由于导体在磁场中运动引起 由于磁场运动引起 同 点 安培力的方向与导体运动方向相反， 效果 安培力的方向与导体运动方向相同，为动力 为阻力 能量 导体克服安培力做功，其他形式的能 磁场能通过安培力做功，电能转化为导体的 转化 转化为电能，最终转化为内能 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 [判断正误] (1)电磁阻尼是导体因感应电流受到的安培力对导体做负功的现象，阻碍导体运动。 (2)电磁阻尼现象实质上不是电磁感应现象。 ( (3)电磁驱动遵循楞次定律。 ( (4)发生电磁驱动时，被驱动的导体中有感应电流。 ( 类型一：电磁阻尼 例4：（多选）如图所示，长为L=1.25m的铝管竖直固定放置，让质量均为3× 102kg的铁钉和小磁铁分别各自从铝管的上端口由静止释放进行两次 实验。已知铝管内壁光滑，不计空气阻力，g=10m/s2,关于两个物体（可 视为质点)的运动，下列说法正确的是 A.铁钉、小磁铁在铝管中的运动时间均为0.5s B.铁钉运动到铝管的下端口时的动量为0.15kg·/s C.小磁铁穿过铝管的过程中，合力的冲量小于0.15N·s D.若铝管下端口未封闭，小磁铁下落过程没有电磁感应现象，小磁铁机械能守恒 072 类型二：对电磁驱动的理解 例5：（多选）位于光滑水平面的小车上水平固定一螺线管，一个比” 螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v水平穿入乙 螺线管，并最终穿出，如图所示，在此过程中 A.磁铁做匀速直线运动 B.磁铁做减速运动 77777777777i7777777 C.小车向右做加速运动 D.小车先加速后减速 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[16】 4.互感和自感 ●目标重点展示 素养目标 学习重点 知道互感现象和互感电动势；知道互感现象可以传递能 量；知道自感现象和自感电动势；会从法拉第电磁感应定 物理观念 律的视角认识自感现象，知道自感系数的大小与什么因 素有关，会分析自感现象中的能量转化。 (1)通电自感和断电自感 现象的分析 通过实验观察通电自感和断电自感现象，并能解释其工 (2)自感电动势和自感 科学探究 作原理。 系数 科学态度 了解互感现象、自感现象在生产生活中的应用，提高学以 与责任 致用的意识。 探究点1 [提示] 互感现象 (1)当线圈L,中的电 ●新知导学 流为恒定电流时，在 其周围空间产生的磁 情境：如图是法拉第实验线圈。在实验 场不变，则在另一个 中，两个线圈并没有用导线连接。 线图L2中就不会产生 探究：(1)当线圈L,中的电流恒定时，另 感应电流。 一个线圈L,中是否会产生感应电流？ (2)当线圈L1中的电 (2)当线圈L,中的电流变化时，另一个线圈，中是否会产生感应电流？ 流变化时，穿过两个 其原因是什么？ 线圈的磁通量都会变 (3)问题(2)的现象属于什么现象？ [提示] 化，在另一个线圈L ●要点归纳 中会产生感应电流， 其原因是L2中产生了 1.互感现象：两个线圈之间没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化 感应电动势。 时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生 的现象。 (3)互感现象。 2.互感电动势：互感现象中产生的感应电动势。跟踪训练1：B当线圈中通有交变电流时，感应电炉金属内的 磁通量也不断随之变化，金属中产生交变感应电流，A错误，B 正确；若线圈匝数增加，根据电磁感应定律可知，感应电动势 增大，则金属中感应电流变大，C、D错误。故选B。 探究点3电磁阻尼与电磁驱动 要点归纳 1.(1)安培力方向(2)电磁阻尼2.(1)感应电流 判断正误 (1)V(2)×(3)V(4)V 例4：BC铁钉在铝管中做自由落体运动，有L=2,代入数 据得t=0.5s,小磁铁在铝管中下落时，由于存在电磁阻尼，所 以在铝管中的运动时间要大于0.5s,故A错误：铁钉运动到 铝管下端口时的动量为p=,又有v=gt,代入数据得p= 0.15kg·m/s,故B正确；小磁铁穿过铝管的过程中，由于存 在电磁阻尼，到达铝管下端口时的速度小于铁钉的速度，即 <v,根据动量定理I。=可知，小磁铁所受合力的冲量小于 铁钉所受合力的冲量，即小磁铁穿过铝管的过程中，合力的冲 量小于0.15N·s,故C正确：若铝管下端口未封闭，小磁铁下 落过程，仍产生电磁感应现象，因此小磁铁机械能不守恒，故 D错误。 例：BC磁铁水平穿人螺线管时，螺线管中将产生感应电流， 由楞次定律可知，产生的感应电流将阻碍磁铁的运动：同理， 磁铁穿出时，由楞次定律可知，产生的感应电流将阻碍磁铁的 运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，选项A错误，B正确： 对于小车上的螺线管来说，螺线管受到的安培力方向始终为 水平向右，这个安培力使螺线管和小车向右运动，且一直做加 速运动，选项C正确，D错误。 4.互感和自感 探究点1互感现象 要点归纳 1.感应电动势 3.互感 判断正误 (1)×(2)V(3)× 例1：D题中给出目前无线充电桩充电的有效距离为15~ 20cm,达不到在百米之外充电，故A错误；无线充电的原理是 电磁感应，地面供电装置连接恒压直流电源时不能产生电磁 感应现象，不可以实现对汽车充电，故B错误；根据电磁感应 中的互感现象可知地面供电装置发射的电流频率等于车身感 应线圈中产生的感应电流频率，故C错误：根据楞次定律的内 容可知车身感应线圈中的感应电流磁场总是要阻碍引起感应 电流的磁通量的变化，故D正确。 探究点2自感现象 1.线圈本身 3.(1)自感 判断正误 (1)×(2)V 例2：ABC自感作用延缓了电路中电流的变化，使得在通电瞬 间含线圈的电路相当于断路，而断电时线圈相当于一个电源， 通过放电，回路将贮存的能量释放出来。而一般的纯电阻电 路可以认为通电时立即有电流，断电时电流立即消失。本题 中只闭合S时，由于线圈的自感作用，流过Q灯的电流将逐 2 渐增大，故A正确（注意，P灯是立即就亮）；闭合S、S,稳定 后，由于R,为零，P灯被短路，故P灯是暗的，B正确；保持S2 闭合，断开S瞬间，自感线圈L和P灯构成放电回路，由于自 感作用，L中的电流值将由稳定逐渐减小，而原来12>1，所以 P灯将亮一下再熄灭，电流并不流过Q灯，故Q灯立即熄灭， 故C正确，D错误。 跟踪训练1：C闭合开关S,电路稳定灯泡正常发光时，如果电 感线圈L中的电阻比灯泡的电阻大，则电感线圈L中的电流 I,比灯泡A中的电流I小，当开关S断开，则由于自感现象， L和灯泡A构成回路使L和灯泡A中的电流从I开始减小， 因此不可能看到小灯泡闪亮的现象，C正确。 例3：AC由题图乙得，从计时开始两条支路都存在电流，分别 是I1和12，断开K瞬间，L的电流要减小，于是L中产生自感 电动势，阻碍自身电流的减小，电流逐渐减小为零，因此该实 验演示的是断电自感现象，故A正确：断开开关前后的一小段 时间内，通过自感线圈的电流方向是不变的，则自感线圈所在 支路的电流如曲线α所示，题图乙中的曲线a表示电流传感 器A2测得的数据；山，>2，说明电感线圈的直流电阻小于灯泡 的电阻；断开开关之前通过线圈的电流大于通过小灯泡的电 流，则断开开关后，线圈产生自感电动势阻碍电流减小，线圈 相当电源，由于线圈和灯泡重新组成回路，则小灯泡先闪亮一 下再逐渐熄灭，故C正确，B、D错误。 探究点3自感系数自感现象中的能量变化 1,L:自感系数 △t 3.(1)能量能量(2)电流变化 判断正误 (1)×(2)×(3)V(4)V(5)V 例4：D由E=LA可知，自感电动势的大小与电流的变化率成 △t 正比，与电流的大小及电流变化的大小无关，故选项A、B错 误；线圈的自感系数仅由线圈自身的因素决定，如线圈的大 小、形状、匝数、有无铁芯等，与其他因素无关，故选项C错误， 选项D正确。 素养能力提升 例5：B闭合开关，电容器充电，并且充电电流越来越小，电容器 两极间电压越来越大，灯泡B越来越亮：线圈产生自感电动势 阻碍电流增大，但电流变化率越来越小，自感电动势越来越 小，灯泡A两端电压等于线圈两端电压，灯泡A越来越暗。S 闭合足够长时间后，线圈不再产生自感电动势，线圈两端电压 为零，灯泡A熄灭：电容器充电完毕，两端电压最大，灯泡B最 亮。故选B。 章末整合素养提升 知识网络构建 阻得磁通量磁通量正n把子感应电流 硅钢片安培力安培力自身变化 高考真题专练 1.C由题意可知，铜丝构成的“莫比乌斯环”形成了两匝(n= 2)线圈串联的闭合回路，穿过回路的磁场有效面积为S=, 根据法拉第电磁感应定律可知，回路中产生的感应电动势大 小为E=n=nAB:S=2km。故选C。 △t △t 8