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

第3节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动 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、电磁感应现象中的感生电场 1．感生电场：磁场变化时会在空间激发一种电场。我们把它叫作感生电场。它是由英国物理学家麦克斯韦提出的。 2．感生电动势：如果在感生电场中存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，也就是说导体中产生了感应电动势。如果感应电动势是由感生电场产生的，它也叫作感生电动势。 二、涡流 1．概念：由于电磁感应，在导体中产生的看起来像水中漩涡的感应电流。 2．特点：整块金属的电阻率很小，涡流往往很强，产生的热量很多。 3．应用 (1)涡流热效应的应用：如真空冶炼炉。 (2)涡流磁效应的应用：如探雷器、安检门。 4．防止：电动机、变压器等设备应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，常用的铁芯材料是硅钢。 (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。 三、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，这种现象称为电磁阻尼。 2．应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止摆动，便于读数。 四、电磁驱动 1．概念：如果磁场相对于导体转动，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，这种作用常常称为电磁驱动。 2．应用：交流感应电动机。 (1)感生电场可以对电荷做功。(　　) (2)磁场越强，磁场变化时产生的感生电场越强。(　　) (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　电磁感应现象中的感生电场 如图所示，B增强时，就会在空间激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向运动，而产生感应电流。 (1)感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系？如何判断感生电场的方向？ (2)上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？ [提示]　(1)感应电流的方向与正电荷定向移动的方向相同，感生电场的方向与正电荷受力的方向相同，因此，感生电场的方向与感应电流的方向相同。感生电场的方向可以用楞次定律来判定。 (2)感生电场对自由电荷的作用。 1．感生电场的理解 变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关。如果在变化磁场中放一个闭合电路，自由电荷在感生电场的作用下发生定向移动，产生感应电流。即 2．感生电场可用电场线形象描述。感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的，而静电场的电场线不闭合。 3．感生电场的方向根据楞次定律用右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝n计算。 　(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。下列有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系的描述正确的是(　　) A．当磁感应强度增大时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 B．当磁感应强度增大时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 C．当磁感应强度减小时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 D．当磁感应强度减小时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 [解析]　感生电场中电场线的方向用楞次定律来判定。原磁场向上且磁感应强度在增大，在周围有闭合导线的情况下，感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反，即感应电流的磁场方向向下，再由安培定则得到感应电流的方向从上向下看应为顺时针方向，则感生电场的方向从上向下看为顺时针方向；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，A、D正确，B、C错误。 [答案]　AD 　一个水平放置的圆环形玻璃小槽如图所示，槽内光滑，槽的宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它获得一初速度v0，与此同时，有一变化的磁场垂直穿过圆环形玻璃小槽所在的区域，磁感应强度的大小随时间正比例增大，方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变，则(　　) A．小球需要的向心力大小不变 B．小球需要的向心力大小不断增大 C．磁场力对小球做了功 D．小球受到的磁场力大小与时间成正比 [解析]　当磁感应强度随时间均匀增大时，将产生一恒定的感生电场，由楞次定律知，感生电场方向和小球初速度方向相同，因小球带正电，电场力对小球做正功，小球速率逐渐增大，需要的向心力也随着增大，故A错误，B正确；洛伦兹力对运动电荷不做功，故C错误；带电小球所受洛伦兹力F＝qBv，随着速率的增大而增大，同时B∝t，则F和t不成正比，故D错误。 [答案]　B 感生电场与静电场的区别 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 特点 静电场的电场线总是始于正电荷或无限远处，终止于负电荷或无限远处，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 正电荷所受电场力的方向与静电场的方向一致；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和安培定则判断的 知识点二　涡流现象及应用 　　　　　　　　　　　　　　　　 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．涡流的防止和利用 (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。 　(2026·贵州毕节市期末)如图所示，电磁炉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 [解析]　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现象，而迅速变化的电流，产生的感应电流较大，产生的热量越多，铁锅能迅速发热，故选C。 [答案]　C 　(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 知识点三　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，请解释这个现象。 　　 [提示]　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远离线圈，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。 2．一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)变化。 (2)蹄形磁铁转动，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。 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 　(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]　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。 [答案]　BD 　(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]　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。 [答案]　AD 1.(对感生电场的理解)(多选)某空间产生了一组顺时针方向的感生电场(从上往下看)如图所示，这可能是(　　) A．沿AB方向的磁场迅速减弱 B．沿AB方向的磁场迅速增强 C．沿BA方向的磁场迅速增强 D．沿BA方向的磁场迅速减弱 解析：选AC。假设存在圆形闭合回路，回路中应产生与电场同向的感应电流，由安培定则知，感应电流的磁场沿AB方向，所以根据楞次定律，引起感应电流的可能是沿AB方向的磁场迅速减弱或沿BA方向的磁场迅速增强，故A、C正确。 2．(涡流的应用)下列做法可能产生涡流的是(　　) 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中穿过金属块的磁通量不发生变化，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，D正确。 3．(涡流、电磁阻尼和电磁驱动)关于教材中的四张图，下列说法不正确的是(　　) A．图甲，真空炉内待冶炼的金属中产生涡流，使金属自身熔化 B．图乙，转动蹄形磁体，会观察到放在下方的铝框同向转动 C．图丙，强磁铁从有竖直裂缝的铝管中下落，铝管内不会产生感应电动势 D．图丁，磁铁向右平移，桌面上静止的金属圆环有向右运动的趋势 解析：选C。题图甲，真空炉内通入高频交流电后，则待冶炼的金属中产生涡流，使金属自身熔化，A正确，不符合题意；题图乙，转动蹄形磁体，根据电磁驱动可知，会观察到放在下方的铝框同向转动，B正确，不符合题意；题图丙，强磁铁从有竖直裂缝的铝管中下落，磁通量发生变化，铝管内也会产生感应电动势，C错误，符合题意；题图丁，根据楞次定律 “来拒去留”，可知磁铁向右平移，桌面上静止的金属圆环有向右运动的趋势，D正确，不符合题意。 4.(电磁阻尼)(2026·河南新乡市开学考)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于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 解析：选D。圆环进入磁场的过程中，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；进入和离开磁场的过程中，圆环一部分机械能转化为电能，则圆环第一次刚要进入磁场时的速度大于第一次完全离开磁场时的速度，故B错误；由B项分析可知进入磁场和离开磁场的过程中圆环的机械能减小，故摆动幅度逐渐减小，当圆环不再出磁场时，机械能不变，摆动幅度保持不变，故C错误，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $