2-3涡流、电磁阻尼和电磁驱动(人教2019选择性必修第二册-)(解析版)

第二章电磁感应第3节涡流、电磁阻尼和电磁驱动【核心素养目标】物理观念了解感生电场的概念，了解电子感应加速器的工作原理.科学思维理解涡流的产生原理，了解涡流在生产和生活中的应用.科学探究理解电磁阻尼和电磁驱动的原理，了解其在生产和生活中的应用．科学态度与责任通过涡流、电磁阻尼和电磁驱动等知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。知识点一电磁感应现象中的感生电场【情境导入】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感生电场的作用下做定向移动，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？答案(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．【知识梳理】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电动势叫感生电动势．3．电子感应加速器电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备，当电磁铁线圈中电流的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速．【重难诠释】1．变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关．如果在变化的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．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＝neq\f(ΔΦ,Δt)计算．【典例精析】例1．如图所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于圆环口径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动．若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，若运动过程中小球的带电荷量不变，那么()A．磁场力对小球一直做正功B．小球受到的磁场力不断增大C．小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动D．小球仍做匀速圆周运动【答案】C【解析】因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的感应电场，电场力对带正电的小球做功，由楞次定律可判断感生电场方向为顺时针方向，在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动，选项C正确，D错误；磁场力方向始终与小球做圆周运动的线速度方向垂直，所以磁场力对小球不做功，选项A错误；小球的速率先减小到零后增大，开始时B＝0，F＝0，小球速率为零时，F＝0，可知小球受到的磁场力不是不断增大的，选项B错误．【规律方法】闭合回路(假定其存在)的感应电流方向就表示感生电场的方向．判断思路如下：eq\x(假设存在垂直磁场方向的闭合回路)→eq\x(回路中的磁通量变化)eq\o(→,\s\up7(楞次定律),\s\do5(安培定则))eq\x(回路中感应电流的方向)→eq\x(感生电场的方向)知识点二涡流【情境导入】如图所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？答案有．变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感生电场，使导体中的自由电子发生定向移动，产生感应电流，它的形状像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流．【知识梳理】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中都会产生感应电流，用图表示这样的感应电流，就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流．2．金属块中的涡流会产生热量，利用涡流产生的热量可以冶炼金属．【重难诠释】1．产生涡流的两种情况(1)块状金属放在变化的磁场中．(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动．2．产生涡流时的能量转化(1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能．(2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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．【典例精析】例2．(多选)下列哪些措施是为了防止涡流的危害()A．电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅B．探雷器的线圈中要通变化着的电流C．变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成D．变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层【答案】CD【解析】电磁炉是采用电磁感应原理，在金属锅上产生涡流，使锅体发热从而加热食物，属于涡流的应用，故A错误；探雷器的线圈中有变化的电流，如果地下埋着金属物品，金属中会感应出涡流，使仪器报警，这属于涡流的应用，故B错误；变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止，故C正确；变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止，故D正确．知识点三电磁阻尼和电磁驱动【情境导入】弹簧上端固定，下端悬挂一个磁体．将磁体托起到某一高度后放开，磁体能上下振动较长时间才停下来．如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈，使磁体上下振动时穿过它(如图所示)，磁体就会很快停下来，解释这个现象．答案当磁体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体靠近或离开线圈，也就使磁体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．【知识梳理】电磁阻尼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，这种现象称为电磁阻尼．电磁驱动若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．【重难诠释】电磁阻尼和电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动不同点成因由导体在磁场中运动形成的由磁场运动而形成的效果安培力方向与导体运动方向相反，为阻力安培力方向与导体运动方向相同，为动力能量转化克服安培力做功，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共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【典例精析】例3．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，当蹄形磁体逆时针转动时()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．线圈将逆时针转动，转速比磁体大D．线圈静止不动【答案】B【解析】当蹄形磁体转动时，线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电流，产生安培力，故线圈一定会转动，由楞次定律可知，线圈将与磁体同向转动，但转速一定小于磁体的转速，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，B正确，A、C、D错误．【规律方法】电磁阻尼、电磁驱动都是楞次定律“阻碍”的体现．阻碍磁通量的变化，阻碍导体与磁场的相对运动．针对训练一、单选题1．如图所示，下列生产生活现象中，不属于涡流的是（）A．甲图用电磁炉烹制菜肴B．乙图变压器工作时，绕制线圈的铁芯中会发热C．丙图过安检时用金属探测器探测人身是否携带金属物品D．丁图工人穿上金属丝织成的衣服进行高压带电作业【答案】D【解析】A．电磁炉是利用电磁感应原理产生涡流，将电能最终转化成内能，故A正确；B．变压器的铁芯中会发热是因为铁芯中产生了涡流，通常铁芯用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠合而成，主要是为了防止在铁芯中产生过大涡流，故B正确；C．金属探测仪探测到金属物品时物品上会产生涡流而使报警器发出警告，故C正确；D．工人穿上金属丝织成的衣服可以高压带电作业是利用静电屏蔽原理，故D错误。由于本题选择错误的，故选D。2．如图是电磁炉内部结构及锅的示意图，下列说法正确的是（）A．通电线圈接通交变电流，频率越小，加热越快B．通电线圈接通交变电流，频率越大，加热越快C．通电线圈接通恒定电流，电流越大，加热越快D．将不锈钢锅换成陶瓷锅，电流越大，加热越快【答案】B【解析】D．电磁炉是根据电磁感应原理制成的，陶瓷锅体中不能产生感应电流，不能加热，D错误；C．电磁炉是根据电磁感应原理制成的，通电线圈接通恒定电流，不能产生变化的磁场，不能在锅体中产生感应电流，不能加热，C错误；AB．根据法拉第电磁感应定律，交变电流的频率越大，磁场变化越快，产生的感应电动势越大，根据欧姆定律，锅体中的感应电流越大，加热越快，A错误，B正确。故选B。3．四川三星堆新发现6个祭祀坑。挖掘之前考古人员用图示金属探测器在地面上进行探测定位，探测器中的发射线圈产生磁场，在地下的被测金属物中感应出电流，感应电流的磁场又影响线圈中的电流，使探测器发出警报。则（）A．发射线圈产生的磁场是恒定磁场B．被测金属物中产生的电流是恒定电流C．探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱无关D．探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报【答案】D【解析】A．探测器中的发射线圈产生磁场，在地下的被测金属物中感应出电流，所以发射线圈产生的磁场是变化的磁场。A错误；B．感应电流的磁场又影响线圈中的电流，说明感应电流产生的磁场是变化的，在线圈中又产生了感应电流，从而发出警报。B错误；C．探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱有关。发射线圈中的电流越强，其产生的磁场也越强，其探测的深度越就越深。C错误；D．因为探测器产生的磁场是变化的，所以探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报。D正确。故选D。4．水平放置的玻璃板上方有一用细线悬挂的可自由旋转的小磁针，下方有一水平放置的铜圆盘。圆盘的轴线与小磁针悬线在同一直线上，初始时小磁针与圆盘均处于静止状态。当圆盘绕轴逆时针方向匀速转动时，下列说法正确的是（）A．小磁针不动B．小磁针逆时针方向转动C．小磁针顺时针方向转动D．由于圆盘中没有磁通量的变化，圆盘中没有感应电流【答案】B【解析】铜圆盘上存在许多小的闭合回路，当圆盘转动时，穿过小的闭合回路的磁通量发生变化，回路中产生感应电流（涡流），此电流产生的磁场导致磁针逆时针方向转动，构成电磁驱动。故选B。5．如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO‘转动，当从上往下看磁铁做逆时针转动后，则【】A．线圈将逆时方向转动，转速与磁铁相同B．线圈将逆时方向转动，转速比磁铁小C．线圈将逆时方向转动，转速比磁铁大D．线圈仍将静止【答案】B【解析】当转动磁铁时，导致线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电流，出现安培力，导致线圈转动从上往下看用力使磁铁作逆时针转动时，则导致线圈与磁铁转动方向相同，根据楞次定律可知，感应电流方向始终是adcba，AD错误；根据楞次定律可知，为阻碍磁通量增加，则导致线圈与磁铁转动方向相同，但快慢不一，线圈的转速一定比磁铁转速小，B正确C错误．6．如图所示，条形磁铁用细线悬挂于O点，一金属圆环放置在O点正下方的水平绝缘桌面上。现将磁铁拉至左侧某一高度后由静止释放，磁铁在竖直面内摆动，在其第一次摆至右侧最高点的过程中，圆环始终静止。则下列说法正确的是（）A．磁铁始终受到圆环的斥力作用B．圆环中的感应电流方向保持不变C．磁铁从左到右经过竖直线两侧位置时，桌面对圆环的摩擦力方向相反D．磁铁在O点两侧最高点的重力势能不相等【答案】D【解析】A．由楞次定律推论可知，磁铁靠近圆环时受到斥力作用，远离圆环时受到引力作用，A错误；B．磁铁由释放到第一次运动到右侧最高点的过程中，穿过圆环的磁通量先增大后减小，由于穿过圆环的磁场方向不变，而磁通量的变化趋势发生了改变，因此感应电流的方向发生变化，B错误；C．根据楞次定律，磁铁从左到右经过竖直线两侧位置时，圆环都有向右滑动的趋势，故桌面对圆环的摩擦力方向均向左，C错误；D．由楞次定律推论可知，感应电流总是阻碍磁铁与圆环之间的相对运动，感应电流对磁铁的作用力总是阻力，因此磁铁在右侧的最高点比释放点低，则磁铁在两侧最高点的重力势能不相等，D正确。故选D。7．动圈式的话筒和动圈式扬声器结构如图所示，扬声器中的锥形纸盆和话筒中的弹性膜片均与金属线圈粘连在一起，线圈处于永磁体的磁场中，则（）A．该扬声器可以当话筒使用B．扬声器根据电磁感应原理工作的C．话筒是根据电流的磁效应工作的D．话筒是将电信号转换成声音信号的传感器【答案】A【解析】A．根据动圈式扬声器的结构图可知，当人对着扬声器的锥形纸盆说话时，声音使纸盆振动，与纸盆相连的线圈也会随着振动，从而使得穿过线圈的磁通量发生变化，这时线圈中就会产生随着声音变化的感应电流，所以该扬声器也能当话筒使用，故A正确；B．根据动圈式扬声器的结构图可知，线圈安放在磁铁磁极间的空隙中能够自由运动，按音频变化的电流通过线圈，线圈将受到安培力的作用而运动。由于锥形纸盆与线圈连接，随线圈振动而发声，所以动圈式扬声器的原理是磁场对电流的作用产生的，故B错误；C．根据动圈式话筒的结构图可知，动圈式话筒的膜片与线圈固定在一起，线圈套在磁铁上。当我们对着话筒讲话时，膜片带动线圈一起振动，从而使得穿过线圈的磁通量发生变化，于是线圈中产生了随声音变化的电流，所以话筒是根据电磁感应原理工作的，故C错误；D．话筒作为信号接收端，通过收集声音信号，通过敏感元件，从而将声音信号转换成电信号的传感器，故D错误。故选A。8．如图所示，将一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极间，铝框可以绕竖直轴线自由转动．转动磁铁，会发现静止的铝框也会发生转动．下列说法正确的是A．铝框与磁极转动方向相反B．铝框始终与磁极转动的一样快C．铝框是因为磁铁吸引铝质材料而转动的D．铝框是因为受到安培力而转动的【答案】D【解析】AB、根据楞次定律可知，为阻碍磁通量增加，则导致铝框与磁铁转动方向相同，但快慢不一，故AB错误；CD、转动磁铁时，导致铝框的磁通量增加，从而产生感应电流，出现安培力，导致铝框转动，所以铝框是因为受到安培力而转动的，故C错误，D正确；故选D．二、多选题9．下列四个图都与涡流有关，其中说法正确的是（）A．图1中电磁炉工作时在它的面板上产生涡流加热食物B．图2金属探测器是利用被测金属中产生涡流来进行探测的C．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠合而成是为了减小涡流D．真空冶炼炉所接交流电源的频率越高，相等时间内产生的热量越多【答案】BCD【解析】A．电磁炉工作时，在锅体中产生涡流从而加热食物，故A错误；B．金属探测器中变化的电流遇到金属物体，在被测金属中产生涡流来进行探测，故B正确；C．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠合而成可以减小涡流，故C正确；D．真空冶炼炉所接交流电源的频率越高，产生的涡流越大，则相等时间内产生的热量越多，故D正确。故选BCD。10．如图甲所示是工业上探测物件表面层内部是否存在缺陷的涡流探伤技术的原理图。其原理是用通电线圈使物件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的改变，从而获得物件内部是否断裂及位置的信息。如图乙所示是一个由带铁芯的线圈L、开关S和电源连接起来的跳环实验装置，将一个套环置于线圈L上且使铁芯穿过其中，闭合开关S的瞬间，套环将立刻跳起。对以上两个实例的理解正确的是（

）A．涡流探伤技术运用了电流的热效应，跳环实验演示了自感现象B．能被探测的物件和实验所用的套环必须是导电材料C．金属探伤时接的是交流电，跳环实验装置中接的是直流电D．以上两个实例中的线圈所连接的电源也可以都是恒压直流电源【答案】BC【解析】A．涡流探伤技术的原理是用通电线圈使物件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的改变；跳环实验中线圈接在直流电源上，闭合开关的瞬间，穿过套环的磁通量改变，套环中产生感应电流，会跳起，属于演示楞次定律，A错误；B．无论是涡流探伤技术，还是演示楞次定律，都需要产生感应电流，而感应电流的产生需在导电材料内，B正确；CD．金属探伤时，是探测器中通过交变电流，产生变化的磁场，当金属处于该磁场中时，该金属中会感应出涡流；演示楞次定律的实验中，线圈接在直流电源上，C正确、D错误。故选BC。11．下图是用涡电流金属探测器探测地下金属物的示意图。关于该探测器，下列说法中正确的是（

）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电流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电流【答案】AD【解析】用涡电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AD正确，BC错误。故选AD。12．如图所示，磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是（）A．使线圈偏转角度更大 B．使线圈偏转后尽快停下来C．起电磁阻尼的作用 D．起电磁驱动的作用【答案】BC【解析】线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是起电磁阻尼的作用。故选BC。13．如图是电子感应加速器的示意图，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动上图为侧视图，下图为真空室的俯视图，电子从电子枪右端以一定的初速度逸出，沿逆时针方向运动则下列说法中正确的是（）A．若电磁铁线圈的电流大小变化时，真空室中会激发感生电场B．若电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，增大电流电子会被加速C．若电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，减小电流电子会被加速D．若电磁铁线圈电流的方向与图示方向相反时，减小电流电子会被减速【答案】AB【解析】A．电磁铁线圈的电流大小变化时，其磁场会发生变化，其周围会有感生电场产生，则A正确；BC．真空室中的磁场方向竖直向上，若线圈中的电流增强，磁场也增强，根据楞次定律，感生电场为顺时针方向，电子沿逆时针方向加速运动，故B正确；C错误；D．电磁铁线圈电流的方向与图示方向相反时，真空室中的磁场方向竖直向下，若线圈中的电流减小，线圈产生的磁场减弱，则根据楞次定律，感生电场为顺时针方向，即电子会被加速，则D错误；故选AB。14．健身车的磁控阻力原理如图所示，在铜质飞轮的外侧有一些磁铁（与飞轮不接触），人在健身时带动飞轮转动，磁铁会对飞轮产生阻碍，拉动控制拉杆可以改变磁铁与飞轮间的距离．则（）A．飞轮受到阻力大小与其材料密度有关B．飞轮受到阻力大小与其材料电阻率无关C．飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，其受到的阻力越大D．磁铁与飞轮间距离不变时，飞轮转速越大，其受到阻力越大【答案】CD【解析】AB.飞轮在磁场中做切割磁感线的运动，所以会产生电源电动势和感应电流，根据楞次定律可知，磁场会对运动的飞轮产生阻力，以阻碍飞轮与磁场之间的相对运动，所以飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力，而安培力大小与其材料的电阻率有关，与其密度无关，故AB错误；C.磁铁越靠近飞轮，飞轮处于的磁感应强度越强，所以在飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大；飞轮受到的阻力越大，故C正确；D.磁铁和飞轮间的距离一定时，根据法拉第电磁感应定律可知，飞轮转速越大，则飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大，那么飞轮受到的阻力越大，故D正确；故选CD．三、解答题15．磁悬浮列车是一种高速低耗的新型交通工具，如图（a）所示。它的驱动系统可简化为如下模型，固定在列车下端的动力绕组可视为一个矩形金属框，电阻为R的金属框置于xOy平面内，MN长为l平行于y轴，NP宽为d平行于x轴，如图（b）所示。轨道区域内存在垂直于金属框平面的磁场，磁感应强度B沿Ox方向按波长为的正弦规律分布，如图（c）所示。整个磁场以一定的速率沿Ox方向匀速平移