新教材适用2024-2025学年高中物理第2章电磁感应3.涡流电磁阻尼和电磁驱动学案新人教版选择性必修第二册

3．涡流、电磁阻尼和电磁驱动课程标准1．了解感生电场及其作用，知道感生电动势产生的缘由。2．了解涡流现象和涡流在生产、生活中的应用。3．理解电磁阻尼和电磁驱动，了解它们在实际生活中的应用。素养目标1．物理观念：通过试验，了解电磁阻尼和电磁驱动。2．科学思维：了解感生电场，知道感生电动势产生的缘由。会推断感生电动势的方向，并会计算它的大小。3．科学探究：通过试验了解涡流现象，知道涡流是怎样产生的，了解涡流现象的利用和危害。4．科学看法与责任：通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生产生活中的应用。学问点1电磁感应现象中的感生电场1．感生电场磁场变更时会在空间激发一种_电场__，这种电场与静电场不同，它不是由_电荷__产生的，我们把它叫作感生电场。2．感生电动势磁场变更时，感应电动势是由_感生电场__产生的，它也叫感生电动势。3．感生电场的方向感生电场的方向，可用安培定则推断，磁场增大时，大拇指指向磁场反方向，四指环绕方向就是感生电场方向，反之也是。学问点2涡流1．定义在变更的磁场中的导体内产生的_感应电流__，就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。2．涡流的特点若金属的电阻率小，涡流往往_很强__，产生的热量_许多__。3．涡流的应用(1)涡流热效应的应用：如_真空冶炼炉__、_电磁炉__。(2)涡流磁效应的应用：如_探雷器__、_安检门__。4．涡流的防止电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致奢侈能量，损坏电器。(1)途径一：增大铁芯材料的_电阻率__。(2)途径二：用相互绝缘的_硅钢片__叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。『判一判』(1)涡流跟平常常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变更而产生的。(√)(2)涡流有热效应，但没有磁效应。(×)(3)电磁灶是在金属锅体中产生热效应，从而达到加热和烹饪食物的目的。(√)(4)制造变压器用的铁芯是利用了涡流。(×)『选一选』(多选)(2024·内蒙古高二期中)关于物理学问在生产生活中的应用，下列说法中正确的是(AC)A．真空金属冶炼炉的线圈中必需接沟通电，金属材料中才能产生焦耳热B．真空金属冶炼炉的原理是电流的磁效应C．电磁炉的原理是电磁感应D．一般陶瓷砂锅也可以利用电磁炉来煲汤解析：真空金属冶炼炉的原理是电磁感应，真空金属冶炼炉的线圈中必需接沟通电，金属材料中才能产生涡流，A正确，B错误；电磁炉的原理是：电磁感应现象，电磁炉的炉面采纳了耐热陶瓷板。通以交变电流时陶瓷板下面的线圈会产生强弱和方向变更的磁场，导致电磁炉上方的铁锅产生感应电流，让锅底立刻发热，就可以快速的加热食物，C正确；一般陶瓷砂锅没有自由电子，无法形成涡流，所以一般陶瓷砂锅不行以利用电磁炉来煲汤，D错误。『想一想』金属探测器是一种特地用来探测金属的仪器(如图)，除了用于探测有金属外壳或金属部件的地雷之外，还可以用来探测隐藏在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至能够地下探宝，发觉埋藏在地下的金属物体。你能说明其工作原理吗？解析：金属探测器是利用涡流工作的。交变电流通过金属探测器的线圈时，会产生的磁场。假如探测器四周有金属，金属内便产生涡流，涡流本身又会产生磁场反过来影响原有的磁场。这样就会引发探测器发出鸣叫声。学问点3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，安培力的方向总是_阻碍__导体的运动。2．应用磁电式仪表中利用_电磁阻尼__使指针快速停止摇摆，便于读数。沟通感应电动机。『判一判』(5)发生电磁驱动时，导体与磁场的速度应相同。(×)探究电磁感应现象中的感生电场情|境|导|入如图所示，B增加，那么就会在空间激发一个感生电场E。假如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移动，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？如何推断感生电场的方向？(2)上述状况下，哪种作用力扮演电源中非静电力的角色？提示：(1)感应电流的方向与正电荷移动的方向相同，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判定。(2)感生电场对自由电荷的作用力。要|点|提|炼1.产生：如图所示，当磁场变更时，产生感生电场。感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线。2．方向：闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就表示感生电场的电场方向。依据试验存在的或假定存在的回路结合楞次定律判定感生电场的方向。3．对感生电场的理解(1)变更的磁场四周产生感生电场，与闭合电路是否存在无关。假如在变更的磁场中放一个闭合电路，电路中的自由电荷在感生电场作用下，做定向移动，形成电流。在这种状况下所谓的非静电力就是感生电场的作用。(2)感生电场是电场的一种形式，是客观存在的一种特别物质。(3)感生电场可用电场线形象描述，但感生电场的电场线是闭合曲线，所以感生电场又称为涡旋电场。这一点与静电场不同，静电场的电场线不闭合。(4)感生电场可以对带电粒子做功，可使带电粒子加速和偏转。典|例|剖|析典例1闻名物理学家费曼曾设计这样一个试验装置：一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动，在圆板的中部有一个线圈，圆板的四周固定着一圈带电的金属小球，如图所示。当线圈接通电源后，将有图示方向的电流流过，则下列说法正确的是(D)A．接通电源瞬间，圆板不会发生转动B．线圈中电流的增大或减小会引起圆板向相同方向转动C．接通电源后，保持线圈中电流不变，圆板转动方向与线圈中电流流向相同D．若金属小球带负电，接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相同解析：线圈接通电源瞬间，变更的磁场产生的电场，导致带电小球受到电场力，使其转动，故A错误；不论线圈中电流增大或减小都会引起磁场的变更，从而产生电场，使小球受到电场力，从而转动，由于电场力与电荷带正负电有关，故B错误；接通电源后，保持线圈中电流不变，则磁场不变，不会产生电场，小球不受到电场力，故C错误；接通电源瞬间小球受到电场力作用而转动，由于金属小球带负电，圆盘转动方向与线圈中电流流向相同，故D正确。推断感生电场方向的思路对点训练❶英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变更时会在空间激发感生电场。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，环上套一带电荷量为＋q的小球，已知磁感应强度B随时间匀称增加，其变更率为k，若小球在环上运动一周，试求感生电场对小球的作用力所做功的大小。解：依据法拉第电磁感应定律可知，磁场变更产生的感生电动势为E＝eq\f(ΔB,Δt)πr2＝kπr2，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为W＝qE＝πr2qk。探究对涡流的理解情|境|导|入高考考场用的金属探测器是一根长的黑色扁棒，运用时监考老师手持探测器，在考生前后左右和简单藏东西的部位划过，如藏有金属物品，即便是一粒金属纽扣，探测器也会鸣响。金属探测器的原理是什么？提示：涡流金属探测器通过其通有沟通电的探测线圈，在隐藏金属中产生涡流，涡流的磁场又影响探测线圈，从而变更原沟通电的大小和相位，从而起到探测作用。要|点|提|炼1.对涡流的理解本质电磁感应现象条件穿过金属块的磁通量发生变更，并且金属块本身可自行构成闭合回路特点整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大2.产生涡流的两种状况(1)块状金属放在变更的磁场中。(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。3．产生涡流时的能量转化：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。(1)金属块放在了变更的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能。(2)假如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。4．涡流的应用与防止(1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等。(2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。典|例|剖|析典例2(多选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品，安检门中接有线圈，线圈中通有交变电流，关于其工作原理，以下说法正确的是(BD)A．人身上携带的金属物品会被地磁场磁化，在线圈中产生感应电流B．人在由线圈中的交变电流产生的变更的磁场里运动时，金属物品中产生感应电流C．线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流D．金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流解析：安检门利用涡流探测金属物品的工作原理：线圈中的交变电流产生交变磁场，使金属物品中产生涡流，该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流，而线圈中交变电流的变更可以被检测到。对点训练❷(多选)如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通沟通电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有(AB)A．增加线圈的匝数B．提高沟通电源的频率C．将金属杯换为陶瓷杯D．取走线圈中的铁芯解析：当电磁铁接通沟通电源时，金属杯处在变更的磁场中产生涡流发热，使水温上升。要缩短加热时间，需增大涡流，即增大感应电动势或减小电阻。增加线圈匝数、提高交变电流的频率都可以增大感应电动势，陶瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致磁性减弱而减小感应电动势。探究电磁阻尼与电磁驱动情|境|导|入有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动，假如在转动时将蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触(如图所示)，铜盘就能在较短的时间内停止，请思索这是什么缘由。提示：铜盘转动时假如加上磁场，则在铜盘中产生涡流，磁场对这个涡流的作用力阻碍它的转动，故在较短的时间内铜盘停止转动。要|点|提|炼1.电磁驱动和电磁阻尼的形成缘由当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变更。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零。当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，依据楞次定律，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动力，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相对的两个方面，不行分割。2．电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动不同点成因由于导体在磁场中运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力由于磁场运动引起磁通量的变更而产生感应电流，从而使导体受到安培力效果安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍物体运动导体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，而对外做功相同点两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动。电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的效果是阻碍相对运动，应留意电磁驱动中导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度。典|例|剖|析典例3(2024·江苏扬州高二期中)零刻度在表盘正中间的电流计，特别灵敏，通入电流后，线圈所受安培力和螺旋弹簧的弹力作用达到平衡时，指针在示数旁边的摇摆很难停下，使读数变得困难。在指针转轴上装上的扇形铝框或扇形铝板，在合适区域加上磁场，可以解决此困难。下列方案合理的是(D)解析：如图所示，A、C中当指针向左偏转时，铝框或铝板可能会离开磁场，产生不了涡流，起不到电磁阻尼的作用，指针不能很快停下，A、C方案不合理，A、C错误；B图是铝框，磁场在铝框中间，当指针偏转角度较小时，铝框不能切割磁感线，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，B方案不合理，B错误；D图是铝板，磁场在铝板中间，无论指针偏转角度大小，都会在铝板上产生涡流，起到电磁阻尼的作用，指针会很快稳定的停下，便于读数，D方案合理，D正确。对点训练❸(2024·广东高州市高二月考)如图所示，一轻质绝缘横杆两侧各固定一金属环，横杆可绕中心点自由转动，老师拿一条形磁铁插向其中一个小环，后又取出插向另一个小环，同学们看到的现象及现象分析正确的是(D)A．磁铁插向左环，横杆发生转动B．磁铁插向右环，横杆不发生转动C．磁铁插向左环，左环中不产生感应电动势和感应电流D．磁铁插向右环，右环中产生感应电动势和感应电流解析：磁铁插入金属环，金属环磁通量发生变更，产生感应电动势。但左环未闭合，不产生感应电流，不形成感应磁场，不会发生转动。右环是闭合环，磁通量变更时，会产生感应电流，形成磁场，与磁铁相互作用，发生转动。故A、B、C错误，D正确。感生电动势与动生电动势的对比感生电动势动生电动势产生缘由磁场的变更导体做切割磁感线运动移动电荷的非静电力感生电场对自由电荷的电场力导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力回路中相当于电源的部分处于变更磁场中的线圈部分做切割磁感线运动的导体方向推断方法由楞次定律推断通常由右手定则推断，也可由楞次定律推断大小计算方法由E＝neq\f(ΔΦ,Δt)计算通常由E＝Blvsinθ计算，也可由E＝neq\f(ΔΦ,Δt)计算案例如图所示，两根相距为L＝1m的足够长的平行光滑金属导轨，位于水平的xOy平面内，一端接有阻值为R＝6Ω的电阻。在x>0的一侧存在垂直纸面对里的磁场，磁感应强度B只随t的增大而增大，且它们间的关系为B＝kt，其中k＝4T/s。一质量为m＝0.5kg的金属杆与金属导轨垂直，可在导轨上滑动，当t＝0时金属杆静止于x＝0处，有一大小可调整的外力F作用于金属杆，使金属杆以恒定加速度a＝2m/s2沿x轴正向做匀加速直线运动。除电阻R以外其余电阻都可以忽视不计。求：当t＝4s时施加于金属杆上的外力为多大。解析：t＝4s时，金属杆移动的位移x＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)×2×16m＝16m，此时的速度v＝at＝2×4m/s＝8m/s。切割产生的动生电动势E1＝BLv＝ktLv＝4×4×1×8V＝128V。磁场变更产生的感生电动势E2＝eq\f(ΔB,Δt)Lx＝4×1×16V＝64V。依据楞次定律和右手定则知，两个电动势的方向相同，则总电动势E＝E1＋E2＝192V。则感应电流的大小I＝eq\f(E,R)＝eq\f(192,6)A＝32A，依据牛顿其次定律得，F－BIL＝ma，解得F＝BIL＋ma＝4×4×32×1N＋0.5×2N＝513N。答案：513N一、电磁感应现象中的感生电场1．(多选)某空间出现了如图所示的一组闭合电场线，方向从上向下看是顺时针的，这可能是(AC)A．沿AB方向磁场在快速减弱B．沿AB方向磁场在快速增加C．沿BA方向磁场在快速增加D．沿BA方向磁场在快速减弱解析：由安培定则可知，感应电场产生的磁场方向竖直向下，假如磁场方向沿AB，则感应磁场与原磁场方向相同，由楞次定律可知，原磁场在减弱，A正确，B错误；假如磁场沿BA方向，则感应磁场方向与原磁场方向相反，由楞次定律可知，原磁场在增加，C正确，D错误，故选AC。2．(2024·浙江舟山高二期末)现代科学探讨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，上面为侧视图，上、下为电磁体的两个磁极；下面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，变更电磁体线圈中电流的大小可使电子加速。则下列推断正确的是(B)A．真空室中产生的感生电场沿逆时针方向B．通入电磁体线圈的电流在增加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电场力解析：电子沿逆时针方向加速，则电子所受电场力沿逆时针方向，所以感生电场的方向沿顺时针方向，A错误；当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一样时，若电流增大，依据楞次定律，可知涡旋电场的方向为顺时针方向，电子将沿逆时针方向做加速运动，B正确；由于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错误；电子在轨道中做圆周运动的向心力是洛伦兹力，D错误。二、涡流3．高频焊接原理示意图如图所示，线圈通以高频沟通电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，要使焊接处产生的热量较大，下列措施不行采纳是(A)A．减小焊接缝的接触电阻B．增大焊接缝的接触电阻C．增大交变电流的电压D．增大交变电流的频率解析：增大电阻，在相同电流下，焊缝处热功率大，温度升得很高，B正确，不符合题意；A错误，符合题意；当增大交变电流的电压时，线圈中交变电流增大，则磁通量变更率增大，因此产生的感应电动势增大，感应电流也增大，所以焊接时产生的热量也增多，C正确，不符合题意；高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中就产生感应电流，依据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变更的频率越高，磁通量变更频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处的温度上升得越快，D正确，不符合题意。4．(2024·福建南靖县高二期中)如图所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采纳电磁感应原理产生涡流加热的，电磁炉工作时产生的电磁波，是由线圈内高频变更的电流产生的且完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所汲取，不会泄漏，对人体健康无危害。关于电磁炉，以下说法正确的是(C)A．电磁炉是利用变更的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的B．电磁炉和电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的C．电磁炉是利用变更的磁场产生涡流，使含铁质锅底快速升温，进而对锅内食物加热的D．目前家庭购买的电磁炉加热食物时通常用的是铁质锅，不用铝锅的缘由是铝锅放在电磁炉上锅底不会产生涡流解析：电磁炉是利用变更的磁场产生涡流，使含铁质锅底快速升温，进而对锅内食物加热的，故涡流是由于锅底中的电磁感应产生的，C正确，A、B错误；铝锅放在电磁炉上也会形成涡流，所以不用铝锅的缘由并不是铝锅放在电磁炉上锅底不会产生涡流，D错误。三、电磁阻尼5．如图所示是电流表的内部结构，以下说法正确的是(C)A．为了测量电流时更加灵敏，框架应当用塑料框B．因为磁场是辐向磁场，所以框架在转动的过程中穿过框架的磁通量没有变更C．框架在转动的过程中有感应电流产生，感应电流方向与外界的电流方向相反D．电表在运输的过程中不须要做任何的处理解析：电流表的内部线圈绕在闭合的铝框上，当线圈在磁场中转动时，导致穿过铝框的磁通量变更，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摇摆，使得测量电流时更加灵敏，A错误；因为磁场是辐向磁场，所以框架在转动的过程中线圈平面总是与磁场平行，但磁通量变更率不为零，则线圈转动过程中穿过框架的磁通量会发生变更，B错误；框架在转动的过程中磁通量要发生变更，所以有感应电流产生；因为外界电流使线圈转动，而转动时又产生感应电流，分别依据左手定则和右手定则可知，感应电流方向与