第3節(jié) 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動

第3節(jié)渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)了解感生電場，知道感生電動勢產(chǎn)生的原因。(2)了解渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動的概念。(3)了解渦流現(xiàn)象的利用和危害?？茖W思維(1)會判斷感生電動勢的方向，并會進行相關計算。(2)通過對渦流實例的分析，理解渦流在生產(chǎn)生活中的應用。科學探究觀察電磁阻尼和電磁驅(qū)動現(xiàn)象，了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動的原理。科學態(tài)度與責任通過對本節(jié)的學習，能體會電磁感應技術的應用對人類生活和社會發(fā)展的影響。一、電磁感應現(xiàn)象中的感生電場1．感生電場：磁場_____時在空間激發(fā)的一種電場。2．感生電動勢：由_________產(chǎn)生的感應電動勢。3．感應電場的方向：與所產(chǎn)生的感應電流的方向相同，可由楞次定律判斷。(1)靜電場是由電荷激發(fā)而產(chǎn)生的，感生電場是由變化的磁場激發(fā)而產(chǎn)生的。(2)靜電場的電場線不是閉合的，而感生電場的電場線是閉合的。

變化感生電場二、渦流1．定義當某線圈中的電流隨時間變化時，由于電磁感應，這個線圈附近的任何導體，如果穿過它的磁通量發(fā)生變化，導體內(nèi)產(chǎn)生的像水中的漩渦狀的_____電流。2．應用(1)渦流熱效應：真空冶煉爐、電磁爐等。(2)渦流磁效應：探雷器、安檢門等。3．防止電動機、變壓器等設備中應防止鐵芯中渦流過大而導致浪費能量，損壞電器。(1)途徑一：增大鐵芯材料的________，常用的鐵芯材料是硅鋼。(2)途徑二：用相互絕緣的_______疊成的鐵芯代替整塊硅鋼鐵芯。感應電阻率硅鋼片三、電磁阻尼與電磁驅(qū)動1．電磁阻尼(1)概念：當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到________，安培力總是_____導體運動的現(xiàn)象。(2)應用：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在運輸靈敏電流表時用______把兩個接線柱連在一起，以阻礙表針擺動。2．電磁驅(qū)動(1)概念：磁場相對導體轉(zhuǎn)動時，導體中產(chǎn)生__________，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來的現(xiàn)象。(2)應用：交流感應電動機。安培力阻礙導線感應電流(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電流受到安培力，安培力做功引起能量的轉(zhuǎn)化。

1．如圖所示為電子感應加速器，請描述一下它的原理。提示：電子在真空室內(nèi)做圓周運動，線圈中變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生環(huán)形的感生電場，感生電場使電子加速。2．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。

()√××3．思考：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)裝有強力磁鐵，當過山車進入停車區(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用。新知學習(一)|感生電場和感生電動勢[任務驅(qū)動]如圖，一個閉合電路靜止于磁場中，由于磁場強弱的變化，閉合電路內(nèi)產(chǎn)生了感生電動勢，產(chǎn)生了感應電流，你知道原理嗎？提示：導體中的自由電荷在感生電場作用下做定向運動，產(chǎn)生感應電流。

[重點釋解]磁場變化時會在空間激發(fā)感生電場，處在感生電場中的閉合導體中的自由電荷在靜電力的作用下定向運動，產(chǎn)生感應電流，或者說，導體中產(chǎn)生了感應電動勢。由感生電場產(chǎn)生的電動勢叫作感生電動勢。1．電路中電源電動勢是非靜電力對自由電荷的作用。在電池中，這種力表現(xiàn)為化學作用。2．感生電場對電荷產(chǎn)生的力，相當于電源內(nèi)部的所謂的非靜電力。感生電動勢在電路中的作用就是電源。[典例體驗][典例]如圖所示的是一個水平放置的玻璃圓環(huán)形小槽，槽內(nèi)光滑，槽寬度和深度處處相同。現(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，讓它獲得一初速度v0，與此同時，有一變化的磁場垂直穿過玻璃圓環(huán)形小槽外徑所對應的圓面，磁感應強度的大小跟時間成正比例增大，方向豎直向下。設小球在運動過程中電荷量不變，則

(

)A．小球受到的向心力大小不變B．小球受到的向心力大小不斷增大C．洛倫茲力對小球做了功D．小球受到的洛倫茲力大小與時間成正比[解析]當磁感應強度隨時間均勻增大時，將產(chǎn)生一恒定的感生電場，由楞次定律知，電場方向和小球速度方向相同，因小球帶正電，電場力對小球做正功，小球速度逐漸增大，向心力也隨著增大，A錯誤，B正確；洛倫茲力對運動電荷(小球)不做功，C錯誤；小球所受洛倫茲力F＝qBv，隨著速率的增大而增大，同時B∝t，則F和t不成正比，D錯誤。[答案]

B[針對訓練]1．(多選)關于感生電場，下列說法中正確的是

(

)A．感生電場由變化的磁場產(chǎn)生B．恒定的磁場也能在周圍空間產(chǎn)生感生電場C．感生電場的方向可以用楞次定律來判定D．感生電場的電場線是閉合曲線，其方向一定是沿逆時針方向解析：磁場變化時在空間激發(fā)感生電場，其方向與所產(chǎn)生的感應電流方向相同，可由楞次定律判斷，A、C正確，B、D錯誤。答案：AC2．(2022·青島高二檢測)如圖所示，一個帶正電的粒子在垂直于勻強

磁場的平面內(nèi)做圓周運動，當磁感應強度均勻增大時，此粒子的

動能將

(

)A．不變

B．增加C．減少

D．以上情況都有可能解析：當磁場增強時，將產(chǎn)生逆時針方向的電場，帶正電的粒子將受到這個電場對它的電場力的作用，動能增大，B正確。答案：B

3．某空間出現(xiàn)了如圖所示的一組閉合電場線，方向從上向下看是順

時針的，這可能是原磁場

(

)A．沿AB方向且在迅速減弱B．沿AB方向且在迅速增強C．沿BA方向且恒定不變D．沿BA方向且在迅速減弱解析：感生電場的方向從上向下看是順時針的，假設在平行于感生電場的方向上有閉合回路，則回路中的感應電流方向從上向下看也是順時針的，由右手螺旋定則可知，感應電流的磁場方向向下，根據(jù)楞次定律可知，原磁場有兩種可能：原磁場沿AB方向且在迅速減弱，或原磁場沿BA方向且在迅速增強，A正確。答案：A[答案]

D[拓展]對應[典例]中的情境，若虛線下方的磁場為非勻強磁場，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)金屬塊進出勻強磁場時，產(chǎn)生焦耳熱，損失機械能。(2)金屬塊整體在勻強磁場中運動時，其機械能不再損失，在磁場中做往復運動。(3)金屬塊整體在非勻強磁場中運動時，金屬塊內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，金屬塊的機械能仍轉(zhuǎn)化為電能。[針對訓練]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)生感應電流，感應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現(xiàn)象，和手機是否發(fā)出通信信號無關，D錯誤。答案：B

2．電磁爐熱效率高達90%，爐面無明火，無煙無廢氣，

“火力”強勁，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．當恒定電流通過線圈時，會產(chǎn)生恒定磁場，恒定磁場越強，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：D3．(選自滬科版教材課后練習)強大的渦電流在金屬內(nèi)流動時，

會釋放大量的熱能。工業(yè)上利用這種熱效應，制成高頻電磁

感應電爐來冶煉金屬，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。請分析它的

工作原理。

提示：線圈中的高頻電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生感應電場，感應電場產(chǎn)生感應電流——渦流，渦流產(chǎn)生熱效應來冶煉金屬。(2)當金屬框始終受到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)生感應電流，當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狀態(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，當速度增大到5m/s時，金屬框相對磁場靜止，做勻速運動。[答案]

(1)見解析(2)1.875m/s

(3)5J由磁場提供的[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體在磁場中運動而產(chǎn)生感應電流，從而使導體受到安培力由于磁場運動引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應電流，從而使導體受到安培力效果安培力的方向與導體運動方向相反，阻礙導體運動導體受安培力的方向與導體運動方向相同，推動導體運動能量轉(zhuǎn)化導體克服安培力做功，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，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導體的機械能，從而對外做功相同點兩者都是電磁感應現(xiàn)象，都遵循楞次定律，都是安培力阻礙引起感應電流的導體與磁場間的相對運動[針對訓練]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)生感應電流，導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，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。答案：BC

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

科學思維——對電磁阻尼的理解2．(選自魯科版教材課后練習)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

科學態(tài)度與責任——渦流在日常生活中的應用3．(選自魯科版教材課后練習)(多選)如圖所示，電磁爐是利

用感應電流(渦流)的加熱原理工作的。下列關于電磁爐的說

法，正確的是

(

)A．電磁爐面板采用陶瓷材料，發(fā)熱部分為鐵鍋底部B．電磁爐面板采用金屬材料，通過面板發(fā)熱加熱鍋內(nèi)食品C．電磁爐可用陶瓷器皿作為鍋具對食品加熱D．可通過改變電子線路的頻率來改變電磁爐的功率解析：電磁爐面板為陶瓷材料，發(fā)熱部分為鐵鍋底部，電磁爐不能對陶瓷器皿加熱，A正確，B、C錯誤；電流頻率越大，產(chǎn)生的渦流越強，D正確。答案：AD

二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．(多選)圖甲為磁控健身車，圖乙為其車輪處結(jié)構(gòu)示意圖，在金屬飛輪的外側(cè)有一些磁鐵(與飛輪不接觸)，人用力蹬車帶動飛輪旋轉(zhuǎn)時，磁鐵會對飛輪產(chǎn)生阻礙作用，拉動旋鈕拉線可以改變磁鐵與飛輪間的距離。下列說法正確的是

(

)A．飛輪受到的阻力主要來源于磁鐵對它的安培力B．飛輪轉(zhuǎn)速一定時，磁鐵越靠近飛輪，飛輪受到的阻力越小C．磁鐵和飛輪間的