第3、4節(jié)　渦流 電磁阻尼 電磁驅(qū)動 自感　

第3、4節(jié)渦流

電磁阻尼

電磁驅(qū)動

自感

物理觀念(1)了解渦流、電磁阻尼和電磁制動、電磁驅(qū)動的概念。(2)通過實驗了解自感現(xiàn)象，了解自感系數(shù)。(3)知道自感現(xiàn)象的應(yīng)用與防止?？茖W(xué)思維(1)會判斷感應(yīng)電動勢的方向，并會進(jìn)行相關(guān)計算。(2)通過對渦流實例的分析，理解渦流在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。(3)會從法拉第電磁感應(yīng)定律的視角認(rèn)識自感現(xiàn)象?？茖W(xué)探究(1)觀察電磁阻尼和電磁驅(qū)動現(xiàn)象，了解其相關(guān)原理。(2)通過實驗觀察通電自感和斷電自感現(xiàn)象，并能解釋其原因。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任體會電磁感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響。核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)一、渦流1．定義：由于電磁感應(yīng)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生的像漩渦一樣的_____電流。2．特點：渦流路徑的電阻一般很小，不大的感應(yīng)電動勢可形成很強(qiáng)的渦電流，釋放出大量的________。3．防止：變壓器、電動機(jī)等設(shè)備中因渦流產(chǎn)生的熱不但會消耗很多能量，也容易損壞電器。為此，變壓器和電機(jī)中的鐵芯都不用整塊金屬，而是用許多相互絕緣的薄________疊合而成的。4．應(yīng)用：渦流的熱效應(yīng)，如高頻感應(yīng)爐、_______。感應(yīng)焦耳熱硅鋼片電磁爐二、電磁阻尼和電磁制動電磁驅(qū)動1．電磁阻尼(1)概念：當(dāng)閉合電路中的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線的運動時，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到_______，安培力總是______導(dǎo)體運動的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：①磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針迅速停止到某位置，便于讀數(shù)。②在運輸電流表時用______把正、負(fù)接線柱連在一起，以阻礙表針擺動。安培力阻礙導(dǎo)線2．電磁制動(1)概念：電動列車在進(jìn)行制動，電動機(jī)與電源斷開，并把電動機(jī)的線圈與制動電路連接成閉合回路，列車前進(jìn)時帶動電動機(jī)線圈轉(zhuǎn)動，而產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場對它的________起著制動的作用。(2)優(yōu)點：減少機(jī)械磨損，列車前進(jìn)的動能轉(zhuǎn)化為______，給蓄電池充電。3．電磁驅(qū)動(1)概念：磁場相對導(dǎo)體轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)體中產(chǎn)生__________，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運動起來的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動機(jī)。安培力電能感應(yīng)電流(1)電磁驅(qū)動和電磁阻尼都遵循楞次定律。(2)電磁驅(qū)動和電磁阻尼都是通過感應(yīng)電流受到安培力，安培力做功引起能量的轉(zhuǎn)化。

三、自感1．自感：由于導(dǎo)體_________的電流發(fā)生變化而引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。2．自感電動勢：在_______現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢。3．自感電動勢的大小4．自感系數(shù)大小的決定因素自感系數(shù)與線圈的______、_______、______，以及是否有______等因素有關(guān)。線圈本身自感自感電感亨利亨直徑形狀匝數(shù)鐵芯5．自感現(xiàn)象的應(yīng)用——日光燈(1)日光燈電路(如圖)：(2)啟動器的作用：電路接通后，可使電路自動______。(3)鎮(zhèn)流器的作用①電路斷開瞬間，鎮(zhèn)流器中的電流急劇減小，因其自感系數(shù)很大，會產(chǎn)生很高的____________，與電源電壓加在一起，加在燈管兩端，使燈管中的氣體放電，日光燈被點亮。斷開自感電動勢②日光燈點亮后，由于電感線圈對交流電有阻礙作用，鎮(zhèn)流器又起著_____限流的作用。1.如圖是用渦電流金屬探測器探測地下金屬物的示意圖。判斷下列說法的正誤。(1)探測器內(nèi)的探測線圈會產(chǎn)生交變磁場。

()(2)探測器只能探測到有磁性的金屬物。

()(3)探測器能探測到地下的金屬物是因為探頭中產(chǎn)生了渦電流。

()√××降壓2.磁力剎車是游樂場中過山車采用的一種新型剎車裝置，工作效應(yīng)比靠摩擦力剎車更穩(wěn)定，如圖為該新型裝置的原理圖(從后面朝前看)：過山車的兩側(cè)裝有銅片，停車區(qū)的軌道兩側(cè)裝有強(qiáng)力磁鐵，當(dāng)過山車進(jìn)入停車區(qū)時銅片與磁鐵的相互作用能使過山車很快停下來。這種剎車裝置的原理是什么？提示：這種剎車裝置是電磁阻尼的一種應(yīng)用。3.如圖所示，一個鋁框放在蹄形磁體的兩個磁極間，可以繞支點自由轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動磁體，鋁框也隨之運動起來，但鋁框的轉(zhuǎn)動速度比磁體的轉(zhuǎn)動速度慢一些，原因是什么？提示：如果鋁框的轉(zhuǎn)動速度和磁體的轉(zhuǎn)動速度一樣，則兩者相對速度為零，便不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這時的電磁驅(qū)動作用就會消失，所以鋁框的轉(zhuǎn)動速度比磁體的轉(zhuǎn)動速度慢一些。4．如圖所示兩個電路(線圈L自感很大，電阻忽略不計)，判斷下列說法的正誤。

甲乙

(1)甲圖中開關(guān)閉合時，A1先亮。

()(2)甲圖中開關(guān)閉合時，A2先亮，A1逐漸變亮。

()(3)乙圖中開關(guān)斷開時，燈泡A會閃亮一下再熄滅。

()×√√5.

讓幾位同學(xué)“串聯(lián)”在電路中，電源只需1節(jié)干電池。閉合開關(guān)S前，學(xué)生的體驗——“無感覺”；閉合開關(guān)S后，學(xué)生的體驗——“無感覺”；斷開開關(guān)S瞬間，同學(xué)突然受到電擊——“迅速收回雙手”。這是為什么呢？提示：斷開開關(guān)S，線圈中電流變小，線圈L中產(chǎn)生自感電流以阻礙電路中原電流的減小，所以人會受到電擊。[典例體驗][典例]

光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖所示，拋物線的方程為y＝x2，其下半部處在一個水平方向的勻強(qiáng)磁場中，磁場的上邊界是y＝a的直線(如圖中的虛線所示)。一個小金屬塊從拋物線上y＝b(b>a)處以速度v沿拋物線下滑，假設(shè)滑動的時間足夠長，則金屬塊在曲面上滑動的過程中產(chǎn)生的焦耳熱總量是

(

)[拓展]對應(yīng)[典例]中的情境，若虛線下方的磁場為非勻強(qiáng)磁場，則金屬塊在曲面上滑動時產(chǎn)生的焦耳熱總量是多少？/方法技巧/(1)金屬塊進(jìn)出勻強(qiáng)磁場時，產(chǎn)生焦耳熱，損失機(jī)械能。(2)金屬塊整體在勻強(qiáng)磁場中運動時，其機(jī)械能不再損失，在磁場中做往復(fù)運動。(3)金屬塊整體在非勻強(qiáng)磁場中運動時，金屬塊內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，金屬塊的機(jī)械能仍轉(zhuǎn)化為電能。[針對訓(xùn)練]1.

某手持式考試金屬探測器如圖所示，它能檢查出考生違規(guī)攜帶的電子通信儲存設(shè)備。工作時，探測環(huán)中的發(fā)射線圈通以正弦式電流，附近的被測金屬物中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場反過來影響探測器線圈中的電流，使探測器發(fā)出警報。則

(

)A．被測金屬物中產(chǎn)生的是恒定電流B．被測金屬物中產(chǎn)生的是交變電流C．探測器與被測金屬物相對靜止時不能發(fā)出警報D．違規(guī)攜帶的手機(jī)只有發(fā)出通信信號時才會被探測到解析：工作中的探測器靠近金屬物體時，在金屬物體中就會產(chǎn)生渦流，這種渦流是交變電流，A錯誤，B正確；根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，探測器產(chǎn)生的是變化的磁場，使靠近的金屬物體產(chǎn)生渦流，探測器與被測金屬物相對靜止時也能發(fā)出警報，C錯誤；探測器的工作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，和手機(jī)是否發(fā)出通信信號無關(guān)，D錯誤。答案：B

2．電磁爐熱效率高達(dá)90%，爐面無明火，無煙無廢氣，“火力”強(qiáng)勁，安全可靠，如圖所示是描述電磁爐工作原理的示意圖，下列說法正確的是

(

)A．當(dāng)恒定電流通過線圈時，會產(chǎn)生恒定磁場，恒定磁場越強(qiáng)，電磁爐加熱效果越好B．在鍋和電磁爐中間放一紙板，則電磁爐不能起到加熱作用C．電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要原因是這些材料的導(dǎo)熱性能較差D．電磁爐通電線圈加變化的電流后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱工作解析：鍋體中的渦流是由變化的磁場產(chǎn)生的，所加的電流是變化的電流，不是恒定的電流，A錯誤，D正確；在鍋和電磁爐中間放一紙板，不會影響電磁爐的加熱作用，B錯誤；金屬鍋自身產(chǎn)生無數(shù)小渦流而直接加熱鍋，陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋屬于絕緣材料，里面不會產(chǎn)生渦流，C錯誤。答案：D

(1)金屬框為什么會運動？若金屬框不受阻力，將如何運動？(2)當(dāng)金屬框始終受到Ff＝1N的阻力時，金屬框的最大速度是多少？(3)當(dāng)金屬框始終受到Ff＝1N的阻力時，要使金屬框維持最大速度，每秒鐘需消耗多少能量？這些能量是誰提供的？[解析]

(1)因為磁場向右運動，金屬框相對于磁場向左運動，于是金屬框ad、bc兩邊切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)金屬框在題圖中實線位置時，由右手定則知，產(chǎn)生逆時針方向的電流，金屬框受到向右的安培力作用，所以金屬框跟隨勻強(qiáng)磁場向右運動。如果金屬框處于題圖中虛線位置，則產(chǎn)生順時針方向的感應(yīng)電流，由左手定則知，金屬框所受安培力方向仍然是水平向右的，故只要兩者處于相對運動狀態(tài)，金屬框就始終受到向右的安培力作用。金屬框開始時處于靜止?fàn)顟B(tài)(對地)，受安培力作用后，向右做加速運動，若金屬框不受阻力，當(dāng)速度增大到5m/s時，金屬框相對磁場靜止，做勻速運動。[系統(tǒng)歸納]電磁阻尼與電磁驅(qū)動的對比分析

電磁阻尼電磁驅(qū)動

不同點成因由于導(dǎo)體在磁場中運動而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力由于磁場運動引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力效果安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相反，阻礙導(dǎo)體運動導(dǎo)體受安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相同，推動導(dǎo)體運動能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)體克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能由于電磁感應(yīng)，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能，從而對外做功相同點兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都遵循楞次定律，都是安培力阻礙引起感應(yīng)電流的導(dǎo)體與磁場間的相對運動

[針對訓(xùn)練]1．很多相同的絕緣銅圓環(huán)沿豎直方向疊放，形成一很長的豎直圓筒。一條形磁鐵沿圓筒的中心軸豎直放置，其下端與圓筒上端開口平齊。讓條形磁鐵從靜止開始下落。條形磁鐵在圓筒中的運動速率

(

)A．均勻增大B．先增大，后減小C．逐漸增大，趨于不變D．先增大，再減小，最后不變解析：條形磁鐵在下落過程中，絕緣銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致條形磁鐵做加速度逐漸減小的加速運動，故其速率逐漸增大，最后趨于不變，C正確，A、B、D錯誤。答案：C

2.(多選)位于光滑水平面的小車上放置一螺線管，一個比螺線管長的條形磁鐵沿著螺線管的軸線水平穿過，如圖所示，在此過程中

(

)A．磁鐵受到螺線管水平向右的力的作用B．磁鐵受到螺線管水平向左的力的作用C．小車向右做加速運動D．小車先加速后減速解析：磁鐵水平穿過螺線管時，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電磁阻尼并結(jié)合牛頓第三定律，整個過程中，磁鐵受到螺線管水平向左的力的作用，A錯誤，B正確；對于小車上的螺線管，在此過程中，螺線管會產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電磁驅(qū)動，使小車向右運動起來，在磁鐵穿過螺線管過程中，小車一直向右做加速運動，C正確，D錯誤。答案：BC

[解析]自感作用延緩了電路中電流的變化，使得在通電瞬間含線圈的電路相當(dāng)于斷路，而斷電時線圈相當(dāng)于一個電源，通過放電回路將貯存的能量釋放出來。而一般的純電阻電路可以認(rèn)為通電時立即有電流，斷電時電流立即消失。S2斷開，S1合上瞬間，由于線圈的自感作用，流過Q燈的電流將逐漸增大，A正確(注意，P燈是立即就亮)；合上S1、S2，穩(wěn)定后，由于RL為零，P燈被短路，故P燈是暗的，B正確；保持S2閉合，斷開S1瞬間，線圈L和P燈構(gòu)成放電回路，由于自感作用，L中的電流值將由原來穩(wěn)定值逐漸減小，而原來IL＞IP，所以P燈將亮一下再熄滅，而跟Q燈并聯(lián)的是電阻，故Q燈立即熄滅，故C正確，D錯誤。[答案]

ABC/方法技巧/(1)斷開開關(guān)后，燈泡是否瞬間變得更亮，取決于電路穩(wěn)定時兩支路中電流的大小關(guān)系，即由兩支路中電阻的大小關(guān)系決定。(2)若斷開開關(guān)后，線圈與燈泡不能組成閉合回路，則燈泡會立即熄滅。(3)自感線圈直流電阻小與直流電阻不計含義不同，穩(wěn)定時，前者相當(dāng)于定值電阻，后者出現(xiàn)短路。

[系統(tǒng)歸納]1．對自感現(xiàn)象的分析思路(1)明確通過自感線圈的電流的變化情況(是增大還是減小)。(2)根據(jù)“增反減同”，判斷自感電動勢的方向。(3)分析阻礙的結(jié)果：當(dāng)電流增大時，由于自感電動勢的作用，線圈中的電流逐漸增大，與線圈串聯(lián)的元件中的電流也逐漸增大；當(dāng)電流減小時，由于自感電動勢的作用，線圈中的電流逐漸減小，與線圈串聯(lián)的元件中的電流也逐漸減小。2．兩種電路的分析[針對訓(xùn)練]1.如圖所示，多匝線圈和電池的內(nèi)阻均為0，兩個電阻的阻值均為R，開關(guān)S斷開時，電路中的電流為I?，F(xiàn)將S閉合，于是電路中產(chǎn)生自感電動勢，此自感電動勢的作用是

(

)A．使電路中的電流減小，最后由I減小到0B．有阻礙電流的作用，最后電流小于IC．有阻礙電流增大的作用，故電流總保持不變D．有阻礙電流增大的作用，但電流還是增大，最后變?yōu)?I解析：當(dāng)S閉合后，電路總電阻減小，電流增大，線圈產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流增大，但“阻礙”并不是“阻止”，電流最終仍增大到2I，D正確。答案：D

2.

某同學(xué)為了驗證斷電自感現(xiàn)象，自己找來帶鐵芯的線圈L、小燈泡A、開關(guān)S和電池組E，用導(dǎo)線將它們連接成如圖所示的電路。檢查電路后，閉合開關(guān)S，小燈泡發(fā)光；再斷開開關(guān)S，小燈泡僅有不顯著的延時熄滅現(xiàn)象。雖經(jīng)多次重復(fù)，仍未見老師演示時出現(xiàn)的小燈泡閃亮現(xiàn)象，他冥思苦想找不出原因。你認(rèn)為最有可能造成小燈泡未閃亮的原因是

(

)A．電源的內(nèi)阻較大B．小燈泡電阻偏大C．線圈電阻偏大D．線圈的自感系數(shù)較大(4)明確電路中元件與自感線圈的連接方式，若元件與自感線圈串聯(lián)，元件中的電流與線圈中電流有相同的變化規(guī)律；若元件與自感線圈并聯(lián)，元件上的電壓與線圈上的電壓有相同的變化規(guī)律；若元件與自感線圈構(gòu)成臨時回路，元件成為自感線圈的臨時外電路，元件中的電流大小與線圈中電流大小有相同的變化規(guī)律。[典例體驗][典例]

如圖所示的電路中，電源的電動勢為E，內(nèi)阻為r，線圈L的電阻不計，電阻R的阻值大于燈泡D的阻值。在t＝0時刻閉合開關(guān)S，經(jīng)過一段時間后，在t＝t1時刻斷開開關(guān)S。如選項圖所示，表示A、B兩點間電壓UAB隨時間t變化的圖像中，正確的是

(

)[針對訓(xùn)練]1.

某興趣小組探究斷電自感現(xiàn)象的電路如圖所示。閉合開關(guān)S，待電路穩(wěn)定后，通過電阻R的電流為I1，通過線圈L的電流為I2。t1時刻斷開開關(guān)S，下列圖像中能正確描述通過電阻R的電流IR和通過線圈L的電流IL的是

(

)解析：S斷開后，線圈與電阻R構(gòu)成回路，電阻R中的電流反向，大小與線圈中的電流相等，并逐漸減小，A正確，B錯誤；斷開S后，電阻R與線圈串聯(lián)，流過線圈的電流減小，線圈中產(chǎn)生與原電流方向相同的感應(yīng)電動勢，且電動勢慢慢變小，則線圈中電流方向不變，大小逐漸變小，而且變小得越來越慢，C、D錯誤。答案：A

2.

在如圖所示的電路中，兩個相同的小燈泡A1和A2分別串聯(lián)一個帶鐵芯的線圈L和一個滑動變阻器R。閉合開關(guān)S后，調(diào)整R，使A1和A2發(fā)光的亮度一樣，此時流過兩個燈泡的電流均為I。然后，斷開開關(guān)S，若t′時刻再閉合開關(guān)S，則在t′前后的一小段時間內(nèi)，圖中正確反映流過A1的電流i1、流過A2的電流i2隨時間t變化的圖像是

(

)解析：由題中給出的電路可知，電路是線圈L與A1串聯(lián)，A2與滑動變阻器R串聯(lián)，然后兩個支路并聯(lián)。在t′時刻，A1支路中的電流因為有線圈L的自感作用，所以i1由0逐漸增大。A2支路為純電阻電路，i2不存在逐漸增大的過程，若不計電池的內(nèi)阻，則i2不變；若考慮電池的內(nèi)阻，i2會略有減小，B正確。答案：B

一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——渦流1．(選自魯科版新教材“迷你實驗室

”)

如圖所示，在一個繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上面放一口小鐵鍋，鍋內(nèi)放少許水，給線圈通入一段時間(通電時間不能過長)的交變電流；再用玻璃杯代替小鐵鍋，通入相同時間的交變電流。鐵鍋和玻璃杯中的水溫變化有什么不同？為什么？解析：鐵鍋中的水溫明顯升高，因為通入交變電流時，所產(chǎn)生的磁場是變化的，因鐵鍋是導(dǎo)體，鐵鍋中產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高，而玻璃是絕緣體，玻璃杯中無渦流產(chǎn)生，杯中水溫不變。答案：見解析

科學(xué)思維——對電磁阻尼的理解2．(選自魯科版新教材課后練習(xí))如圖所示，有一個銅盤，輕輕撥動它，能長時間地繞軸自由轉(zhuǎn)動。如果在轉(zhuǎn)動時把U形磁鐵放在銅盤邊緣，但并不與銅盤接觸，則銅盤

(

)A．不受影響，和原先一樣轉(zhuǎn)動B．很快停下來C．比原先需要更長時間停下來D．比原先更快地轉(zhuǎn)動解析：銅盤由于受到電磁阻尼的作用而很快停下來，故B正確，A、C、D錯誤。答案：B

科學(xué)探究——探究自感現(xiàn)象3．(選自魯科版新教材“迷你實驗室”)取一根長約1m的漆包線繞在一把銼刀上，再讓

一節(jié)干電池的正極與銼刀接觸，負(fù)極則與導(dǎo)線的一端接觸。手執(zhí)導(dǎo)線的另外一端，讓裸露的導(dǎo)線頭在銼刀上來回刮動，如圖所示。你觀察到了什么現(xiàn)象？想想看，為什么會發(fā)生這一現(xiàn)象？二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．(2023·全國乙卷)一學(xué)生小組在探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象時，進(jìn)行了如下

比較實驗。用圖(a)所示的纏繞方式，將漆包線分別繞在幾何尺寸

相同的有機(jī)玻璃管和金屬鋁管上，漆包線的兩端與電流傳感器接

通。兩管皆豎直放置，將一很小的強(qiáng)磁體分別從管的上端由靜止

釋放，在管內(nèi)下落至管的下端。實驗中電流傳感器測得的兩管上流過漆包線的電流I隨時間t的變化分別如圖(b)和圖(c)所示，分析可知

(

)A．圖(c)是用玻璃管獲得的圖像B．在鋁管中下落，小磁體做勻變速運動C．在玻璃管中下落，小磁體受到的電磁阻力始終保持不變D．用鋁管時測得的電流第一個峰到最后一個峰的時間間隔比用玻璃管時的短解析：小磁體在鋁管中運動，鋁管會形成渦流，小磁體在鋁管中加速后很快達(dá)到平衡狀態(tài)，做勻速直線運動，而在玻璃管中的小磁體則一直做加速運動，故由圖像可知圖(c)的脈沖電