25-26学年物理(人教版)选择性必修二课件：2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动

第3节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动第二章　电磁感应1.了解感生电场的概念。2.知道涡流、电磁驱动和电磁阻尼的概念,理解涡流的产生原理。3.理解电磁驱动和电磁阻尼的原理,了解其在生产和生活中的应用。学习目标目 录CONTENTS知识点1知识点二　涡　流知识点一　电磁感应现象中的感生电场知识点三　电磁阻尼和电磁驱动知识点一　电磁感应现象中的感生电场1.感生电场__________认为,磁场变化时会在空间激发一种______,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__________使电子加速的设备,当电磁铁线圈中______的大小、方向发生变化时,产生的感生电场使电子加速。麦克斯韦电场感生电场电流4.感生电场的理解 (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 5.感生电场与静电场的区别【思考判断】 (1)只要磁场变化,即使没有电路,在空间也将产生感生电场。( ) (2)处于变化磁场中的导体,其内部自由电荷定向移动,是由于受到感生电场的作用。( ) (3)感生电场的电场线和静电场的电场线一样,都是不闭合的。( )√×√AD例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,感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向B.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向C.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向D.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向解析　由楞次定律知,原磁场向上且磁感应强度在增大时,闭合导线中的感应电流的磁场方向向下,再由右手螺旋定则知感应电流的方向即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,所以A、D正确。判断感生电场方向的思路AD训练1 (多选)(2025·辽宁沈阳二中高二期中)电子感应加速器基本原理如图所示,图甲的上、下两个电磁铁线圈中电流的大小、方向可以变化,产生的感生电场使真空室中的电子加速。如图乙所示,从上向下看电子沿逆时针方向运动。下列说法正确的是(　　)A.磁场变化才能产生感生电场B.变化的磁场在真空室中激发出的电场与静电场完全相同C.当图乙中感生电场沿逆时针方向时,电子沿逆时针方向加速运动D.图甲线圈中的电流增大的过程中,图乙中形成顺时针方向的感生电场解析　由法拉第电磁感应定律可知,磁场变化时才会产生感生电场,故A正确;变化的磁场在真空室中激发出的电场为无源场,电场线为封闭曲线,与静电场不同,故B错误;当图乙中感生电场沿逆时针方向时,电子沿顺时针方向加速运动,故C错误;图甲线圈中的电流增大的过程中,竖直向上的磁场增强,由楞次定律可知图乙中形成顺时针方向的感生电场,故D正确。知识点二　涡　流　　　在一铁块的外面绕有如图所示的线圈,当线圈通有如图所示的交变电流时,请问铁块中有感应电流吗?如果有,它的形状像什么?提示　铁块中有感应电流,它的形状像水中的漩涡。1.定义:在变化的磁场中的导体内产生的__________,看起来就像水中的漩涡,所以把它叫作涡电流,简称涡流。2.应用 (1)涡流________的应用:真空冶炼炉、电磁炉等。 (2)涡流________的应用:探雷器、安检门等。感应电流热效应磁效应3.防止 电动机、变压器等设备中为防止铁芯中__________而导致浪费能量,损坏电器,应采取如下措施: (1)增大铁芯材料的________。 (2)用互相绝缘的________叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。涡流过大电阻率硅钢片4.对涡流的进一步理解 (1)涡流产生的本质:电磁感应现象。 (2)涡流产生的条件: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。 (3)涡流的特点:整个金属块回路的电阻一般很小,涡流很大,发热功率很大。 (4)能量转化:金属块放在变化的磁场中,磁场能转化为电能,电能在金属块中转化为内能,导体内部发热的原理是电流的热效应。【思考】1.块状金属在匀强磁场中运动时,能否产生涡流? 提示　不能。块状金属在匀强磁场中运动时,穿过金属块的磁通量不变,所以金属块中不能产生涡流。2.利用涡流加热时,为什么使用高频交流电源? 提示　涡流就是感应电流,使用高频交流电源,能产生高频变化的磁场,磁场中导体内磁通量的变化更迅速,产生的感应电流更大,加热效果更好。3.为什么变压器、电动机的铁芯都不是整块金属,而是由许多互相绝缘的薄片叠合而成的? 提示　因为线圈绕在铁芯上,线圈中电流发生变化时,会在整块的铁芯中产生较大的涡流使铁芯发热,浪费能量。采用互相绝缘的薄片叠合是为了增大电阻,减小涡流。例2 (多选)(教材P36图2.3-3改编)如图所示,真空冶炼炉冶炼合金钢时,在线圈中通入迅速变化的电流,炉内的金属中产生涡流,涡流的热量使金属熔化。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.炉内金属发生了电磁感应现象C.处于变化的磁场中的金属内都有涡流产生D.炉内金属电阻率越小,形成的涡流越小ABC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,这样的感应电流即为涡流,A、B、C正确;炉内金属电阻率越小,形成的涡流越大,D错误。ABD训练2 (多选)(2025·吉林省吉林市月考)下列四幅图都与涡流有关,其中说法正确的是( 　　)A.图甲中真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B.图乙中自制金属探测器是利用被测金属中产生的涡流来进行探测的C.图丙中电磁炉工作时在它的面板上产生涡流加热食物D.图丁中变压器的铁芯用互相绝缘的硅钢片叠合而成是为了减小涡流解析　真空冶炼炉是线圈中的电流做周期性变化,在金属中产生涡流,从而产生大量的热量,熔化金属的,故A正确;金属探测器中变化电流遇到金属物体,在被测金属中产生涡流来进行探测,故B正确;家用电磁炉工作时,在锅体中产生涡流,加热食物,故C错误;当变压器中的电流变化时,在其铁芯将产生涡流,使用硅钢片做成的铁芯可以尽可能减小涡流,故D正确。知识点三　电磁阻尼和电磁驱动　　　(1)如图甲所示,弹簧上端固定,下端悬挂一个磁体,将磁体在同一高度释放,下端放有固定的闭合线圈,磁体上下振动穿过线圈,磁体很快停止振动,而磁体下不放闭合线圈,磁体能振动较长时间,解释这个现象;提示　下端放有闭合线圈时,磁体上下振动时除了受空气阻力外,还受到线圈的磁场阻力,所以很快停下来。(2)如图乙所示,当顺时针或逆时针转动蹄形磁体时线圈怎样转动?使线圈转动起来的动力是什么?提示　当蹄形磁体顺时针转动时,线圈也顺时针转动;当蹄形磁体逆时针转动时,线圈也逆时针转动。线圈内产生感应电流,线圈受到安培力的作用,安培力作为动力使线圈转动起来。1.电磁阻尼 (1)定义: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______导体的运动的现象。 (2)应用:电学仪表中利用__________使指针很快地停下来,便于读数。2.电磁驱动 (1)产生: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________的作用,________ 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。阻碍电磁阻尼安培力安培力【思考】1.分别从力的角度和能量的角度解释电磁阻尼的本质。 提示　从力的角度来看:当导体与磁场相对运动时,导体中产生感应电流,感应电流在磁场中受到安培力,阻碍导体与磁场的相对运动。从能量的角度来看:导体产生感应电流的过程也是机械能转化为电能的过程,导体机械能的减少表现为“阻碍”。2.电磁驱动现象中,导体在安培力作用下的运动速度总要比磁场的运动速度慢一些,原因是什么? 提示　如果导体速度和磁场速度一样,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,所以导体的运动速度总要比磁场的运动速度慢一些。3.强磁铁通过无缺口和有缺口的铝管时,为什么下落得快慢不同?提示　强磁铁通过无缺口的铝管,使铝管中产生感应电流,感应电流对强磁铁相对铝管的运动有阻碍作用,故在有缺口的铝管中下落得更快。D角度1　电磁阻尼例3 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,表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势,但不构成闭合回路,故不产生感应电流,不受安培力作用,A、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,在闭合回路中产生感应电流,受到安培力的作用,是电磁阻尼的表现,C错误,D正确。课后巩固训练2BC题组一　电磁感应中的感生电场1.(多选)由于方向竖直向上的磁场的磁感应强度B变化,产生了如图所示的感生电场,下列说法中正确的是(　　)基础对点练A.若磁场周围有一个水平的金属线圈,则线圈中电流方向与图中电场线的方向相反B.若磁场周围有一个水平的金属线圈,则线圈中电流方向与图中电场线的方向相同C.磁感应强度一定在增大D.磁感应强度一定在减小解析　若磁场周围有一个水平的金属线圈,则线圈中的电子在静电力的作用下逆时针方向(俯视)运动,线圈中的电流方向为顺时针方向(俯视),故选项A错误,B正确;由于假设的金属线圈中的感应电流方向为顺时针方向(俯视),由安培定则可知感应电流产生的磁场方向向下,与原磁场方向相反,由楞次定律可知原磁场磁感应强度是增大的,故选项C正确,D错误。D2.著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验装置:一块绝缘圆板可绕其中心竖直的光滑轴自由转动,在圆板的中部有一个线圈,圆板的四周固定着一圈金属小球,如图所示。在线圈接通电源的瞬间发现圆板做顺时针转动(俯视),则下列说法正确的是(　　)A.圆板上的金属小球一定带正电B.圆板上的金属小球一定带负电C.圆板上的金属小球可能不带电D.圆板上的金属小球可能带负电解析　线圈通电瞬间,根据麦克斯韦电磁场理论可知,变化的磁场产生电场,从而使带电的金属小球受到电场力,使圆板转动起来,但由于线圈中电流方向未知,产生的感生电场的方向未知,所以不能确定小球的电性,但若小球不带电,那么就不会受到感应电场的电场力,圆板就不会转动,故D正确,A、B、C错误。ACD题组二　涡流3.(多选)(2025·山东济宁高二期中)下列仪器或器件利用涡流的是(　 　) A.金属探测器 B.变压器中用互相绝缘的硅钢片叠成铁芯 C.用来冶炼合金钢的真空冶炼炉 D.磁电式仪表的线圈用铝框做骨架 解析　金属探测器是变化的电流遇到金属物体,在金属物体上产生涡流,故A符合题意;变压器中用互相绝缘的硅钢片叠成铁芯,是避免涡流产生热量,故B不符合题意;用来冶炼合金钢的真空冶炼炉是利用涡流产热来冶炼金属,故C符合题意; 磁电式仪表的线圈用铝框做骨架是利用铝框中产生的涡流来阻碍线圈的转动,故D符合题意。AB4.(多选)如图所示,在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,现接通交流电源,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(　　)A.增加线圈的匝数B.提高交流电源的频率C.将金属杯换为瓷杯D.取走线圈中的铁芯解析　当线圈接通交流电源时,金属杯处在变化的磁场中产生涡流从而发热,使水温升高。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、提高交流电源的频率都是为了增大感应电动势;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,故A、B正确,C、D错误。BD题组三　电磁阻尼和电磁驱动5.(多选)(2025·福建漳州高二期末)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,精密实验仪器的防震装置等。某减震座椅工作原理示意图如图所示,除了弹簧之外,中间还有磁体和固定在底座上的线圈,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,起不到减震效果B.对调磁体的磁极,不影响减震效果C.线圈的匝数越少,电磁阻尼现象越明显D.线圈的匝数越多,电磁阻尼现象越明显 D6.(2025·浙江温州期末)高达632米的上海中心大厦,在工程师的巧妙设计下,它能抵挡15级大风,位于第126层的“电涡流摆设式调谐质量阻尼器”起到了关键作用。这款阻尼器由我国自主研发,重达1 000吨,在大厦受到风力作用摇晃时,阻尼器质量块由于惯性产生反向摆动,在质量块下方圆盘状的永磁体与楼体地板正对,由于电磁感应产生涡流,从而使大厦减振减摆,其简化示意图如图所示。下列关于该阻尼器的说法正确的是(　　)A.质量块下方相对的地板可以是导体也可以是绝缘体,对减振效果没有影响B.阻尼器的振动频率取决于自身的固有频率C.大厦受到风力作用摇晃时,阻尼器质量块的振动频率小于大厦的摇晃频率D.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热能解析　在质量块下方圆盘状的永磁体与楼体地板相对,由于电磁感应产生涡流,从而使大厦减振减摆,可知该阻尼器为电磁阻尼,只有下方地板是导体时,方可起作用,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、C错误;地板随大厦摇晃时,在地板内产生涡流,地板导体内有电阻,使大厦摇晃的机械能最终转化为热能逐渐耗散掉,符合电磁阻尼原理,故D正确。AD7.(多选)图甲为磁控健身车,图乙为其车轮处结构示意图,在金属飞轮的外侧有一些磁体(与飞轮不接触),人用力蹬车带动飞轮旋转时,磁体会对飞轮产生阻碍作用,拉动旋钮拉线可以改变磁体与飞轮间的距离。下列说法正确的有(　　)A.飞轮受到的阻力主要来源于磁体对它的安培力B.飞轮转速一定时,磁体越靠近飞轮,飞轮受到的阻力越小C.磁体和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,受到的阻力越小D.磁体和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,内部的涡流越强解析　根据题意,人用力蹬车带动飞轮旋转时,磁体会对飞轮产生阻碍作用,飞轮受到的阻力主要来源于磁体对它的安培力,选项A正确;飞轮转速一定时,磁体越靠近飞轮,飞轮受到的安培力越大,即阻力越大,选项B错误;磁体和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,磁通量的变化率越大,则飞轮内部的涡流越强,产生的安培力越大,受到的阻力越大,选项C错误,D正确。B8.(2025·江苏泰州高二期末)下列关于教材中四幅插图的说法正确的是(　　)综合提升练A.甲图中当摇动手柄使得蹄形磁体转时,铝框会同向转动,且和磁体转得一样快B.乙图中探测地雷的探测器通过长柄线圈中的电流是变化电流C.丙图是通过电磁炉生成的电磁波对食物加热D.丁图中磁电式仪表,把线圈绕在铝框骨架上,目的是起到电磁驱动的作用解析　根据电磁驱动原理,图甲中摇动手柄使得蹄形磁体转时,铝框会同向转动,且比磁体转的慢,故A错误;探测地雷的探雷器是利用涡流工作的,士兵手持一个长柄线圈在地面上扫过,线圈中通有变化的电流,如果地下埋着金属物品,金属中感应出涡流,涡流的磁场反过来影响线圈中的电流,使仪器报警,故B正确;电磁炉是采用涡流加热食物的,故C错误;丁图中磁电式仪表,把线圈绕在铝框骨架上,目的是起到电磁阻尼的作用,故D错误。D9.如图所示,矩形线圈放置在水平薄木板上,有两块相同的蹄形磁体,四个磁极之间的距离相等,当两块磁体以相同的速度匀速向右通过线圈时,线圈始终静止不动,那么线圈受到木板的摩擦力方向是(　　)A.先向左、后向右 B.先向左、后向右、再向左C.一直向右 D.一直向左解析　根据楞次定律的“来拒去留”结论可知,当两磁体靠近线圈时,线圈要阻碍其靠近,有向右移动的趋势,受到木板的摩擦力向左;当磁体远离时,线圈要阻碍其远离,仍有向右移动的趋势,受到木板的摩擦力方向仍是向左的,故选项D正确。