第2章 第3节 涡流 电磁阻尼 电磁驱动-【优学精讲】2026-2027学年高中物理选择性必修二同步教参（教科版·新教材）

第3节　涡流　电磁阻尼　电磁驱动 　 1．了解涡流是怎样产生的。　2.了解涡流现象的应用和防止。　3.通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用。　4.了解电磁阻尼和电磁驱动。 一、涡流 1．定义：由于电磁感应，在大块金属中会形成感应电流，电流在金属块内组成闭合回路，很像水的漩涡，因此叫作涡电流，简称涡流。 2．特点：大块金属沿涡流路径的电阻一般很小，不大的感应电动势就能在它内部形成强大的涡电流，释放出大量的焦耳热。 3．防止：为了降低涡流造成的损耗，变压器和电机中的铁芯用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成。 4．利用 (1)冶炼金属的高频感应炉利用涡流熔化金属。 (2)电磁炉灶内的励磁线圈通有交变电流时，形成交变磁场，使锅底产生涡流，从而发热。 二、电磁阻尼和电磁制动 1．电磁阻尼：当闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体的运动，这种现象叫作电磁阻尼。 2．电磁阻尼和电磁制动的应用 (1)在磁电式电表中，线圈绕在一个轻铝框上，线圈通电后受力转动，铝框内产生涡流，在电磁阻尼的作用下，线圈很快停止摆动，使指针稳定。 (2)在电表搬运过程中，用导线将正、负接线柱短路，在电磁阻尼的作用下，可避免指针剧烈摆动。 (3)电动列车中的电磁制动，即在电动列车制动时，电动机与电源断开，与制动线圈连接成闭合回路，列车前进时带动电动机线圈转动，产生感应电流，受到安培力，将动能转化为电能。 三、电磁驱动 1．定义：当磁体转动起来后，圆盘中产生涡流，磁场对此涡流产生的安培力阻碍它与磁体的相对运动，使圆盘运动起来，这种感应电流受到安培力使物体运动的现象称为电磁驱动。 2．应用：感应电动机。 (1)高频感应炉是应用涡流的热效应工作的。(　　) (2)涡流现象能够将变化磁场的磁场能转化为感应电流的电能。(　　) (3)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流的产生。(　　) (4)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(　　) (5)在电磁阻尼与电磁驱动中安培力所起的作用相同。(　　) 提示：(1)√　(2)√　(3)√　(4)√　(5)× 知识点一　涡流的产生及其应用 高考考场用的金属探测器是一根长的黑色扁棒，使用时监考教师手持探测器，在考生前后左右和容易藏东西的部位划过，如藏有金属物品，即便是一粒金属纽扣，探测器也会发出鸣响。金属探测器的原理是什么？ [提示]　金属探测器的探测线圈中有变化着的电流，会在隐蔽金属中感应出涡流，涡流的磁场反过来影响探测线圈中的电流，使探测器报警。 1．涡流的产生 涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流，即导体内部产生了涡流。 2．能量转化 伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能，最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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．涡流的热效应 (1)为了减小涡流，变压器、电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成的，而是用薄薄的硅钢片叠合而成。 (2)用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入反复变化的电流，炉内的金属中产生涡流，涡流产生的热量使金属熔化。 4．涡流的磁效应 通有变化电流的长柄线圈在扫过地面时，地下金属物体在交变磁场中被激发出涡流，涡流产生磁场影响线圈的磁场，从而触发报警，这就是应用涡流的磁效应工作的金属探测器的原理。 角度1　涡流的产生 　(2025·河南卷，T5)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(　　) [解析]　根据题意可知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。 [答案]　C 角度2　涡流的热效应 　(多选)高频焊接原理示意图如图所示。线圈中通以高频交变电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是(　　) A．交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快 B．交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小 D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 [解析]　交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快，根据法拉第电磁感应定律，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大，而放出的热量与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高，焊缝处放出的热量越多；焊缝处与其他地方的电流大小一样，根据Q＝I2Rt，工件上只有焊缝处温度升得高，是因为焊缝处电阻很大，故A、D正确。 [答案]　AD 　电磁炉又名电磁灶(图1)，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。图2是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是(　　) A.电磁炉通电线圈加直流电，电流越大，电磁炉加热效果越好 B．电磁炉原理是通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 C．在锅和电磁炉中间放一绝缘物质，电磁炉不能起到加热作用 D．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 [解析]　电磁炉通电线圈加直流电，会产生恒定磁场，穿过锅底的磁通量不会发生变化，不能产生涡流，所以没有加热效果，故A错误；电磁炉的原理是利用交变电流通过线圈产生交变磁场，在锅底产生涡流，进而发热工作，故B正确；在锅和电磁炉中间放一绝缘物质，不会影响涡流的产生，因此不会影响电磁炉的加热作用，故C错误；金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，不会产生涡流，并不是因为导热性能较差，故D错误。 [答案]　B 角度3　涡流的磁效应 　(多选)用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图如图所示。关于该探测器，下列说法正确的是(　　) A．探测器内的探测线圈会产生交变磁场 B．探测器只能探测到有磁性的金属物 C．探测器能探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流 D．探测器能探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流 [解析]　用涡流金属探测器探测地下金属物时，探测器内的探测线圈会产生交变磁场，从而使金属物中产生涡流，而涡流产生的磁场再被探测器探测到，而被探测物只要是金属即可，不一定具有磁性，故A、D正确，B、C错误。 [答案]　AD 知识点二　电磁阻尼与电磁驱动 　 (1)弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁。将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它(如图甲所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象。 (2) 一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图乙所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕轴转动。当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动；蹄形磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动。 ①蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量是否变化？ ②使线圈转动起来的力是什么力？线圈的转动速度与磁铁的转动速度之间有什么关系？ [提示]　(1)当磁铁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铁靠近或离开线圈，也就使磁铁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。 (2)①变化。 ②线圈内产生感应电流，因此线圈受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来。线圈的转动速度小于磁铁的转动速度。 1．电磁驱动和电磁阻尼的形成原因 当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化。例如，线圈处于如图所示的初始状态时，穿过线圈的磁通量为0，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来；从动力学的观点来看，线圈中产生的感应电流受到的安培力是使线圈转动起来的力，对线圈而言是电磁驱动；而线圈对磁铁的作用力对磁铁的转动起阻碍作用，对磁铁而言是电磁阻尼，因此电磁驱动和电磁阻尼是矛盾的两个方面，不可分割。 2．电磁阻尼与电磁驱动的比较 项目 电磁阻尼 电磁驱动 不 同 点 成因 导体在磁场中运动产生感应电流，从而使导体受到安培力 磁场运动引起磁通量的变化产生感应电流，从而使导体受到安培力 效果 导体所受安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动 导体所受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动 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 由于电磁感应，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 　如图，将一空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上，在“”形木框两侧各固定一个强钕磁铁，用电钻控制木框匀速转动，发现木框虽然不与易拉罐接触，但易拉罐也会随木框转动。下列说法正确的是(　　) A.木框的转速总比易拉罐的大 B．易拉罐与木框的转动方向相反 C．易拉罐与木框保持相同的转速同方向转动 D．两个磁铁必须异名磁极相对 [解析]　根据电磁驱动原理，易拉罐与木框的转动方向相同，木框的转速总比易拉罐的大，A正确，B、C错误；两个磁铁异名磁极或同名磁极相对均可，在磁极附近的易拉罐导体中都会产生涡流，在磁场中受安培力使易拉罐跟着木框转动起来，D错误。 [答案]　A 　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不产生感应电动势 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 [解析]　未接导线时，表针晃动过程中线圈切割磁感线，表内线圈会产生感应电动势，故A错误；未接导线时，未连成闭合回路，没有感应电流，所以表内线圈不受安培力，故B错误；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。 [答案]　D 1．(涡流的产生)下列做法中可能产生涡流的是(　　) A．把金属块放在匀强磁场中 B．让金属块在匀强磁场中匀速运动 C．让金属块在匀强磁场中做变速运动 D．把金属块放在变化的磁场中 解析：选D。涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化。而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误；把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确。 2．(涡流的应用)(多选)高达632 m的上海中心大厦在图甲所示的“上海慧眼”阻尼器的作用下，抵挡住超级台风的影响。图乙为阻尼器的简化示意图，重达1 000 t的质量块由吊索悬挂，质量块下方圆盘状的永磁体与楼体导体地板正对。在大厦受到风力作用摇晃时，质量块发生受迫振动，能够使大厦减振减摆。下列说法正确的是(　　) A．质量块的摆动方向总与大厦摇晃方向相同 B．质量块摆动的频率等于大厦摇晃的频率 C．质量块随大厦摇晃时，在质量块内产生涡流 D．质量块下方正对的地板必须是导体，才能实现减振 解析：选BD。阻尼器起到减震减摆作用，由于惯性，质量块的振动方向相对大厦摆动方向相反，故A错误；大厦受到风力作用摇晃时，阻尼器做受迫振动，阻尼器质量块的振动频率等于大厦的摇晃频率，故B正确；地板随大厦摇晃时，在地板内产生涡流，使大厦摇晃的机械能最终转化为内能，故C错误；由题意可知，该阻尼器依靠电磁感应原理产生涡流实现减振，地板必须是导体才行，故D正确。 3．(电磁阻尼)(2025·内蒙古赤峰市期末)为了使灵敏电流计的指针在零刻度附近快速停下，实验小组的同学利用“电磁阻尼”来实现。他们设计了如图所示的甲、乙两种方案。甲方案：在指针转轴上装上扇形铝板，磁场位于铝板中间；乙方案：在指针转轴上装上扇形铝框，磁场位于铝框中间。下列说法正确的是(　　) A．甲方案中，铝板摆动时磁通量不变，不会产生感应电流 B．甲方案中，铝板摆动时能产生涡流，起到电磁阻尼的作用 C．乙方案中，铝框小幅度摆动时会产生感应电流 D．乙方案比甲方案更合理 解析：选B。甲方案中，铝板摆动时，扇形铝板的半径切割磁感应线，在铝板内产生涡流，起电磁阻尼的作用，指针能很快停下来，故A错误，B正确；乙方案中，当指针偏转角度较小时，铝框中磁通量不变，不能产生感应电流，起不到电磁阻尼的作用，指针不能很快停下，因此，甲方案更合理，故C、D错误。 4．(电磁驱动)(多选)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使杯子底部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，从而达到搅拌杯内液体的效果。通电搅拌时，下列说法正确的是(　　) 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 解析：选AD。根据电磁感应原理可知，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；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；加快磁场旋转速度时，由于感应电流增大、作用力增大，金属粒也会加快旋转，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $