2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动 学案（含答案）

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1、第第 3 3 节节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动涡流、电磁阻尼和电磁驱动 核心 素养 目标 物理观念 知道涡流、电磁阻尼和电磁驱动的概念。 科学思维 区别电磁驱动和电磁阻尼产生机制。 科学态度与责任 了解生产、生活中涡流现象的利用和危害。 知识点一 电磁感应现象中的感生电场 观图助学 如图，一个闭合电路静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，闭合电路内产生了 感生电动势，产生了感生电流，你知道原理吗？ 1.感生电场 (1)定义：麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发一种电场。这种电场与静电 场不同，它不是由电荷产生的，我们把它叫感生电场。 (2)方向：感生电场的方向根据闭合电路(或假想的闭合电路)中的感应

2、电流方向确定。 2.感生电动势：由感生电场产生的感应电动势。 思考判断 (1)感生电场线是闭合的。() (2)只要磁场变化，即使没有电路，在空间也将产生感生电场。() (3)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。() 导体中的自由电荷在感生电场作用下做定向运动，产生感应电流。 如果空间不存在闭合电路，变化的磁场周围不会产生感应电流，但存在感生电场。 知识点二 涡 流 1.定义：在变化的磁场中的导体内产生的感应电流，就像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流， 简称涡流。 2.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。 3.

3、防止 电动机、 变压器等设备中为防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量， 损坏电器， 应采取如下措施。 (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。 思考判断 (1)涡流也是一种感应电流。() (2)导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热。() (3)利用涡流制成的探测器也可探测毒品。() (4)涡流是一种有害的电磁感应现象。() 用涡流加热的优点： 1.加热速度快，加热效率高。 2.通过改变不同频率的交变电流可以得到不同的加热温度。 知识点三 电磁阻尼 观图助学 如图，一个单匝线圈落入磁场中，分析它在图示位置时感应电流的

4、方向和所受 安培力的方向。安培力对线圈的运动有什么影响？ 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，安培力的方向 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下来，便于读数。 思维拓展 如图所示装置，可以用来演示电磁阻尼现象。把铜片悬挂在电磁铁的两极间，形 成一个摆。在电磁铁线圈(图中未画出)未通电时，铜片可以自由摆动，要经过较 长时间才会停下来。而电磁铁线圈通电后，铜片会很快稳定并停下来。为什么？ 答案 当电磁铁被励磁之后，由于穿过运动的铜片的磁通量发生变化，铜片内将 产生感应电流。根据楞次定律，感应电流的效果总是反抗引起感应电

5、流的原因。因此，铜片的 摆动便因受到阻力而迅速停止，这就是电磁阻尼作用的结果。 用导线把微安表的两个接线柱连在一起，继续晃动表壳，发现指针很快就停下。原因是连接后 由于电磁感应线圈阻尼变得极大，指针摆动很快停止。 知识点四 电磁驱动 观图助学 如图，一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极间，可以绕支点自由转动。转动磁铁， 观察铝框的运动。怎样解释铝框的运动？ 1.定义：磁场相对于导体转动时，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。 蹄形磁铁转动时，铝框内的磁通量变化，铝框中产生了感应电流以阻碍磁通量的变化。

6、核心要点 对感生电场的理解 要点归纳 对感生电场的理解 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。 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。 试题案例 例 1 如图所示是一个水平放置的玻璃圆环形小槽，槽内光滑，槽宽度和深 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玻璃圆环形小槽外径所在的区 域，磁感应强度的大小跟时间成正比例增大，方向竖直向下。设小球在运动 过程中电荷量不变，则(

7、) 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，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，向心力也 随着增大，故选项 A 错误，B 正确；洛伦兹力对运动电荷不做功，故选项 C 错误；带电小球 所受洛伦兹力 FqvB，随着速率的增大而增大，同时 Bt，则 F 和 t 不成正比，故选项 D 错 误。 答案 B 方法凝炼 闭合回路(可假定其存在)的感应电流方向就表示感生电场的方向。判断思路 如下： 针对训

8、练 1 (多选)某空间出现了如图所示的一组闭合的电场线，这可能是( ) A.沿 AB 方向磁场在迅速减弱 B.沿 AB 方向磁场在迅速增强 C.沿 BA 方向磁场在迅速增强 D.沿 BA 方向磁场在迅速减弱 答案 AC 核心要点 对涡流的理解 要点归纳 1.涡流的本质：电磁感应现象。 2.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。 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)金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能。 (2)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动

9、，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。 试题案例 例 2 如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃 杯水。给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是 ( ) A.恒定直流、小铁锅 B.恒定直流、玻璃杯 C.变化的电流、小铁锅 D.变化的电流、玻璃杯 解析 通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流；通入变化的电流，所产生的 磁场发生变化，在空间产生感生电场。铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为 内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温。 答案 C 方法

10、凝炼 涡流问题的三点注意 (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。 (2)金属能够自身形成闭合回路，形成涡流。 (3)磁场变化越快 B t 越大 ，导体的横截面积 S 越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就 越强。 针对训练 2 (多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化 工等生产行业的产品封口环节中，如图所示为一手持式封口机，它的工作原 理是：当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡 流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在承封容器的封口处，达到 迅速封口的目的。下列有关说法正确的是( ) A

11、.封口材料可用普通塑料来代替铝箔 B.该封口机可用干电池作为电源以方便携带 C.封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决 D.该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器 解析 由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流 电，选项 A、B 错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，即控制 温度，选项 C 正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样 会被熔化，只能是玻璃、塑料等材质，选项 D 正确。 答案 CD 核心要点 对电磁阻尼和电磁驱动的理解 要点归纳 电磁阻尼与电磁驱动的比较 电

12、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相对磁场 运动方向相反，阻碍导体运动 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，从而对外做功 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 试题案例 例3 (多选)如图所示， 蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴

13、OO转动。 从上向下看， 当磁铁逆时针转动时，则( ) A.线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同 B.线圈将逆时针转动，转速比磁铁小 C.线圈转动时将产生方向变化的电流 D.线圈转动时感应电流的方向始终是 abcda 解析 由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁铁同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转 动的角速度，如果两者相等，磁感线与线圈相对静止，线圈不会切割磁感线，将无感应电流的 产生，则线圈不会转动，故 A 项错误，B 项正确；当磁铁逆时针转动时，等价于固定磁铁， 顺时针转动线圈，从而切割磁感线，产生感应电流，在磁铁不断转动的过程中，导致线圈 abcd 中磁通量时而正向穿过增大或减小，时而反向

14、穿过增大或减小，所以感应电流的方向一定会发 生改变，故 C 项正确，D 项错误。 答案 BC 方法总结 (1)由楞次定律的推广含义知，线圈的运动可以阻碍两者间的相对运动，所以其角速度必小于 磁铁转动的角速度。 (2)电磁驱动和电磁阻尼的联系：电磁驱动和电磁阻尼现象中安培力的作用效果均为阻碍导体 与磁场间的相对运动。 针对训练 3 很多相同的绝缘铜圆环沿竖直方向叠放，形成一很长的竖直圆筒。一条形磁铁沿 圆筒的中心轴竖直放置，其下端与圆筒上端开口平齐。让条形磁铁从静止开始下落。条形磁铁 在圆筒中的运动速率( ) A.均匀增大 B.先增大，后减小 C.逐渐增大，趋于不变 D.先增大，再减小，最后不变

15、 解析 条形磁铁在下落过程中受到向上的排斥力，绝缘铜环内产生感应电流，导致条形磁铁做 加速度逐渐减小的加速运动，故其速率逐渐增大，最后趋于不变，选项 C 正确，A、B、D 错 误。 答案 C 1.(对涡流的理解)下列关于涡流的说法正确的是( ) A.涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的 B.涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流 C.涡流有热效应，但没有磁效应 D.在硅钢片中不能产生涡流 解析 涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流，只不过是由金属块自身构成回路， 它既 有热效应，也有磁效应，所以 A 正确，B、C 错误；硅钢中产生的涡流较小，D 错

16、误。 答案 A 2.(涡流的应用)(多选)安检门是一个用于安全检查的“门”， “门框”内有线圈， 线圈里通有交 变电流，交变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场 又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警。以下关于这个安检门的说法正确的是( ) A.这个安检门也能检查出毒品携带者 B.这个安检门只能检查出金属物品携带者 C.如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者 D.这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应 解析 这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出金属物品携带者，选项 A 错误，B 正 确；若“门框”的线圈中通上

17、恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使块状金属产生电流，因 而不能检查出金属物品携带者，C 错误；安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电 流的磁效应，D 正确。 答案 BD 3.(对电磁阻尼的理解)如图所示，上端开口、内壁光滑的铜管 P 和塑料管 Q 竖直放置。 小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放， 并落至底部， 则小磁块(不计空气阻力)( ) A.在 P 和 Q 中都做自由落体运动 B.在两个下落过程中的机械能都守恒 C.在 P 中的下落时间比在 Q 中的长 D.落至底部时在 P 中的速度比在 Q 中的大 解析 小磁块下落过程中，在铜管 P 中产生感应电流，小磁块受到向上的磁场力

18、，不做自由 落体运动，而在塑料管 Q 中只受到重力，做自由落体运动，选项 A 错误；根据功能关系知， 在 P 中下落时，小磁块机械能减少，在 Q 中下落时，小磁块机械能守恒，选项 B 错误；在 P 中加速度较小，下落时间较长，选项 C 正确；由于在 P 中下落时要克服磁场力做功，机械能 有损失，故落至底部时的速度比在 Q 中的小，选项 D 错误。 答案 C 4.(对电磁驱动的理解)如图所示， 光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面 上，环 1 竖直，环 2 水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正 上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是 ( ) A.两环都向右运动 B.两环都向左运动 C.环 1 静止，环 2 向右运动 D.两环都静止 解析 条形磁铁向右运动时，环 1 中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止；环 2 中磁通 量变化，根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流的效果使环 2 向右运动。选项 C 正 确。 答案 C