3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动 【素养目标】　1.知道感生电场及感生电动势产生的原因，会判断感生电动势的方向，会计算其大小。了解电子感应加速器的工作原理。2.通过实验了解涡流现象，知道涡流的产生原因。了解涡流现象在生产、生活中的应用与防止。3.了解电磁阻尼和电磁驱动现象及其应用。 知识点一　电磁感应现象中的感生电场 【情境导入】　如图所示，一个闭合电路静止于磁场中。 (1)磁场的强弱发生变化，闭合电路内产生感应电流，你知道其原因吗？ (2)如果将闭合电路移走，磁场的强弱仍然发生变化，会有什么现象发生？ 提示：(1)闭合电路内产生感应电流，是因为闭合电路内产生了感生电场，导体中的自由电荷在感生电场作用下做定向运动，产生感应电流，也就是说闭合电路内产生了感应电动势。 (2)将闭合电路移走，磁场的强弱仍然发生变化，感生电场仍然存在，但是没有感应电流了。 【教材梳理】(阅读教材P35完成下列填空) 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 由感生电场产生的感应电动势叫作感生电动势。 3.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。 【师生互动】　请完成下列任务： 任务1.只要磁场变化，在空间一定会产生感生电场和感应电流吗？ 任务2.感生电场的方向遵守楞次定律吗？感生电场与感生电动势是一回事吗？ 学生用书⬇第60页 任务3.感生电场的电场线与静电场的电场线一样是不闭合的吗？ 提示：任务1.磁场变化，在空间一定会产生感生电场，但是不一定有感应电流。 任务2.遵守；不是。 任务3.感生电场的电场线是闭合的。 【探究归纳】 感生电场的理解 1.感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的。 2.感生电场的存在与是否存在闭合电路无关。 3.感生电场的方向可由楞次定律判断。如图所示，当磁场增强时，产生的感生电场是与磁场方向垂直且阻碍磁场增强的电场。 4.感生电动势的大小可由法拉第电磁感应定律E＝n计算。 注意：有感生电场，不一定有感应电流。 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，图甲为侧视图，上、下为电磁铁的两个磁极；图乙为磁极之间真空室的俯视图。若从上往下看电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动，改变电磁铁线圈中电流的大小可使电子加速。则下列判断正确的是(　　) A.从上往下看真空室中产生的感生电场沿逆时针方向 B.通入电磁铁线圈的电流在增强 C.电子在轨道中加速的驱动力是洛伦兹力 D.电子在轨道中做圆周运动的向心力是由静电力提供的 答案：B 解析：电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备，电子带负电，电场方向与电子运动的方向相反，所以从上往下看真空室中产生的感生电场沿顺时针方向，A错误；电磁铁线圈中电流变大时，产生的磁感应强度变大，由楞次定律可知，产生的感生电场方向是顺时针方向，电子受感生电场的力与运动方向相同，电子的速度增大，B正确；电子在轨道中做圆周运动的向心力是由洛伦兹力提供的，感生电场使电子加速，即电子在轨道中加速的驱动力是电场力，C、D错误。故选B。 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 由静止电荷产生 由变化的磁场激发 电场线 特点 静电场的电场线总是始于正电荷或无限远，终止于无限远或负电荷，不闭合、不相交、也不相切 感生电场的电场线是闭合曲线，没有终点和起点 电场对电 荷做功 单位正电荷在静电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功为零 单位正电荷在感生电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功不为零 电场方 向的判 断方法 静电场方向与正电荷所受电场力的方向一致，沿电场线的切线方向 感生电场方向是根据磁场的变化情况由楞次定律判断的 针对练1.(多选)某空间出现了如图所示的磁场，当磁感应强度变化时，在垂直于磁场的方向上会产生感生电场，有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系，下列描述正确的是(　　) A.当磁感应强度均匀增大时，感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向 B.当磁感应强度均匀增大时，感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向 C.当磁感应强度均匀减小时，感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向 D.当磁感应强度均匀减小时，感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向 答案：AD 解析：原磁场向上且磁感应强度在增大时，由楞次定律和右手螺旋定则知，感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向；同理可知，原磁场方向向上且磁感应强度减小时，感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向。故选AD。 针对练2.如图所示，在一水平光滑绝缘塑料板上有一环形凹槽，有一质量为m、电荷量为q的带正电小球，在槽内沿顺时针方向做匀速圆周运动，现加一竖直向上且磁感应强度均匀减小的磁场，则(　　) A.小球速度变大 B.小球速度变小 C.小球速度不变 D.小球速度可能变大也可能变小 答案：B 解析：磁场的变化使空间内产生感生电场，由楞次定律知感生电场的方向为逆时针，带正电小球受到的电场力方向与运动方向相反，故小球速度变小。故选B。 学生用书⬇第61页 知识点二　涡流 【情境导入】　如图为电磁炉的加热原理图，电磁炉的锅具一般是平底的铁锅，其加热原理是什么？ 提示：通电线圈产生变化的磁场，在平底的铁锅底部产生涡流，从而使得锅底温度升高，起到加热作用。 【教材梳理】 (阅读教材P36—P37完成下列填空) 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，如果穿过它的磁通量发生变化，导体中都会产生感应电流。如果用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。 2.涡流的应用 (1)涡流热效应的应用：真空冶炼炉、电磁炉。 (2)涡流磁效应的应用：探雷器、安检门。 3.涡流的防止 电动机、变压器等设备中要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：用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。 【师生互动】　电磁炉热效率可达90％，炉面无明火，无烟无废气，电磁“火力”强劲，安全可靠。电磁炉工作原理的示意图如图所示。 任务1.使用电磁炉应通入恒定电流还是变化的电流，为什么？ 任务2.电磁炉锅体能否用陶瓷锅或耐热玻璃的材料制成？为什么？ 任务3.在打开电磁炉但没有放锅前，不慎有纸落在了放锅的位置，有没有可能将纸引燃？ 提示：任务1.电磁炉利用涡流的热效应，线圈通入变化的电流时，锅具底部金属部分产生涡流，使锅具迅速发热，用来加热和烹饪食物，因此通入恒定电流不可以工作，通入变化的电流可以。 任务2.电磁炉工作时需要在锅底产生感应电流，陶瓷或耐热玻璃不属于导体，不能产生感应电流，因此不能用。 任务3.因为纸不属于导体，不能在其中产生涡流，不能将纸加热，也不会将纸引燃。 【探究归纳】 1.涡流的产生条件：穿过金属块的磁通量发生变化，涡流的大小正比于磁通量的变化率。 2.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可知，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。 3.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。 (多选)(2025·河南新乡高二期末)如图为真空冶炼炉，真空冶炼涡流是一种利用电磁感应产生涡流的技术。通过在真空条件下对炼钢过程进行控制，可以有效地去除钢液中的气体、杂质和氧化物。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.电源可以是高压直流电 C.增大电源频率，炉内金属中产生的电流增大 D.增大电源频率，炉内金属中产生的电流减小 答案：AC 解析：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，即涡流，故A正确；该装置利用电磁感应产生涡流，电源应为高频交流电，故B错误；增大电源频率，感应电动势增大，炉内金属中产生的感应电流增大，故C正确，D错误。故选AC。 针对练1.(2025·河北衡水高二月考)如图所示，金属探测器有较高的灵敏度，可以探测到金属物体。探测器内有电源及相应电路，打开开关后探测器内会产生电流。探测器回路很容易受到其他磁场的影响而使仪器报警。下列说法正确的是(　　) 学生用书⬇第62页 A.探测器回路内可能为恒定的直流电流 B.用探测器扫描塑料板时，塑料板内会产生感应电流 C.被探测金属内会产生涡流，涡流产生的磁场使探测器报警 D.若用探测器探测残破的古铜币，探测器不会报警 答案：C 解析：变化的磁场才能使金属中产生涡流，涡流产生的磁场影响探测器，进而使其报警，可知探测器回路内的电流为变化的电流，A错误，C正确；塑料板内无大量可自由移动的电子，不会产生感应电流，B错误；残破的古铜币内会产生涡流，探测器会报警，D错误。故选C。 针对练2.(多选)如图甲为常见的家用电磁炉，图乙为电磁炉的工作原理图。当通以迅速变化的电流时，线圈产生的磁场会随电流的大小和方向的变化而变化，使电磁炉上方的铁锅产生感应电流，从而使其发热。下列说法正确的是(　　) A.磁场变化的频率越高，电磁炉的加热效果越好 B.由上往下看，图乙的线圈中该时刻的电流方向为顺时针 C.电磁炉是利用电磁感应在锅体中产生涡流来工作的 D.普通陶瓷砂锅也可以利用电磁炉来煲汤 答案：AC 解析：磁场变化的频率越高，磁通量变化率越大，由法拉第电磁感应定律可知，产生的感应电动势越大，回路中的电流越大，加热效果越好，故A正确；由上往下看，根据右手螺旋定则可知，题图乙线圈中该时刻的电流沿逆时针方向，故B错误；电磁炉的工作原理是利用交变电流通过线圈产生交变磁场，使金属锅自身产生涡流从而加热锅内的食物，故C正确；交变磁场在普通陶瓷砂锅内不能形成涡流，则不能用来加热，故D错误。故选AC。 知识点三　电磁阻尼与电磁驱动 【情境导入】　(1)如图甲所示，两根相同的弹簧上端分别固定，下端分别悬挂一个相同的条形磁体，左侧磁体下端放有固定的闭合线圈(磁体可以穿过线圈)，右侧磁体下不放闭合线圈，将两个磁体上提至同一高度同时释放，两个磁体上下振动，左侧磁体很快停止振动，而右侧磁体能振动较长时间，是什么原因？ (2)如图乙所示，通过手柄使蹄形磁体顺时针(或逆时针)转动时线圈会跟着磁体顺时针(或逆时针)转动，使线圈转动起来的动力是什么？ 提示：(1)题图甲中左侧磁体下端放有闭合线圈，磁体上下振动时，闭合线圈中会产生感应电流，根据楞次定律可知，磁体除了受空气阻力外，还受到线圈中感应电流产生的磁场的阻力，所以很快停下来。 (2)当蹄形磁体顺时针(或逆时针)转动时，线圈内产生感应电流，线圈受到安培力的作用，根据楞次定律可知，安培力会阻碍蹄形磁体与线圈间的相对运动，安培力作为动力使线圈跟着磁体顺时针(或逆时针)转动。 【教材梳理】(阅读教材P37—P38完成下列填空) 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的运动。 (2)应用：磁电式仪表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：磁场相对于导体转动时，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。 (2)应用：交流感应电动机。 【师生互动】　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。 任务1.顺时针(或逆时针)转动磁体时铝框也随之顺时针(或逆时针)转动，但是转动过程中，铝框的转动速度总是比磁体的转动速度小一些，原因是什么？ 学生用书⬇第63页 任务2.磁体和铝框转动起来后，突然用手抓住把手不动使磁体立刻停止转动，铝框也会在较短的时间内停止转动，为什么？ 提示：任务1.顺时针(或逆时针)转动磁体，铝框内的磁通量发生变化产生感应电流，受到安培力作用，阻碍铝框与磁体间的相对运动，于是铝框会随磁体顺时针(或逆时针)转动起来。如果铝框的转动速度和磁体的转动速度一样，则两者相对速度为零，便不会产生感应电流，这时的电磁驱动作用就会消失，所以铝框的转动速度总是比磁体的转动速度慢一些。 任务2.磁体停止转动，而铝框仍在转动，铝框内的磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力的作用，阻碍铝框与磁体间的相对运动，于是铝框会在较短的时间内停止转动。 【探究归纳】 电磁阻尼与电磁驱动的比较 比较项目 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间的相对运动 电磁阻尼问题 (2025·江苏宿迁高二期中)如图为上海中心大厦上的阻尼器，该阻尼器首次采用了电涡流技术，底部附着永磁体的质量块摆动通过导体板上方时，导体板内产生涡流。关于阻尼器，下列说法正确的是(　　) A.阻尼器摆动时产生的涡流源于外部电源供电 B.阻尼器最终将机械能转化为内能 C.风速越大，导体板中磁通量变化率越小 D.阻尼器摆动时产生的涡流源于电流的磁效应现象 答案：B 解析：阻尼器摆动时，永磁体通过导体板上方使之磁通量发生变化，从而在导体板中产生涡流，属于电磁感应现象，故A、D错误；通过阻碍质量块和永磁体的运动，阻尼器将动能转化为电能，并通过电流做功将电能最终转化为内能，故B正确；风速越大，质量块摆动越快，则导体板中磁通量变化率越大，故C错误。故选B。 针对练.(2025·云南师大附中高二期末)电磁阻尼现象在日常生活中得到广泛应用，如汽车的减震悬架等。某车型的减震系统由两部分组成：一部分是机械弹簧主减震系统；另一部分是电磁辅助减震系统。装置示意图如图所示，强磁体固定在汽车底盘上，阻尼线圈固定在轮轴上，轮轴与底盘通过弹簧主减震系统相连，在震动过程中磁体可在线圈内上下移动。则(　　) A.对调磁体的磁极，电磁辅助减震系统就起不到减震效果 B.增多线圈匝数，不影响安培力的大小 C.只要产生震动，电磁辅助减震系统就能起到减震效果 D.震动过程中，线圈中有感应电流，且感应电流方向不变 答案：C 解析：对调磁体的磁极，震动过程线圈仍会产生感应电流，不影响减震效果，故A错误，C正确；根据法拉第电磁感应定律，E＝n，线圈匝数越多，产生的感应电动势越大，线圈电流越大，电磁阻尼现象越明显，即增多线圈匝数会影响安培力的大小，故B错误；震动过程中，线圈中磁通量的变化情况会根据磁体的靠近或者远离而不同，由楞次定律可知，感应电流方向也会随之改变，故D错误。故选C。 电磁驱动问题 (2025·陕西西安高二期末)十九世纪，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”。实验中将一铜圆盘水平放置，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，如图所示。实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后。下列说法不正确的是(　　) A.圆盘上产生了感应电动势 B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动 C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量不变 D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动 答案：D 解析：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，A正确；圆盘在径向的辐条切割磁感线过程中，内部距离圆心远近不同的点电势不等而形成涡流，涡电流产生的磁场导致磁针转动，B正确；圆盘转动过程中，圆盘面积和圆盘位置的磁场都没有发生变化，所以没有磁通量的变化，C正确；当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，引起涡流，从而磁体对电流有力的作用，导致电磁驱动，D错误。故选D。 学生用书⬇第64页 针对练.如图所示，蹄形磁体和矩形线圈均可绕竖直轴OO'转动。从上向下看，当磁体逆时针转动时(俯视)，则(　　) A.线圈将逆时针转动，转速与磁体相同 B.线圈将逆时针转动，转速比磁体小 C.线圈转动时将产生恒定电流 D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda 答案：B 解析：由楞次定律可知，线圈将与磁体同向转动，如两者的转速相同，磁感线与线圈处于相对静止状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，则线圈转速一定小于磁体的转速，故A错误，B正确；两者的相对运动相当于磁体不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，则线圈中产生大小、方向周期性变化的电流，故C、D错误。故选B。 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