第03講 渦流、電磁阻尼和電磁驅動（預習）（原卷版）-2025版高二物理寒假精-品講義

第03講渦流、電磁阻尼和電磁驅動（預習）模塊一思維導圖串知識模塊二基礎知識全梳理（吃透教材）模塊三教材習題學解題模塊四核心考點精準練（7大考點）模塊五小試牛刀過關測1．理解渦流、電磁阻尼和電磁驅動，能解釋一些現象，解決實際問題。2.明確渦流的原理，知道渦流的利與弊，能在問題情境中分析并解決問題。3.了解電磁阻尼和電磁驅動現象，理解電磁阻尼和電磁驅動的原理及其應用。知識點1：電磁感應現象中的感生電動勢【情境導入】如圖所示，B增強時，就會在空間激發(fā)一個感生電場E.如果E處空間存在閉合導體，導體中的自由電荷就會在感生電場的作用下做定向移動，產生感應電流．(1)感生電場的方向與感應電流的方向有什么關系？如何判斷感生電場的方向？(2)上述情況下，哪種作用扮演了非靜電力的角色？答案(1)感應電流的方向與正電荷定向移動的方向相同．感生電場的方向與正電荷受力的方向相同，因此，感生電場的方向與感應電流的方向相同，感生電場的方向可以用楞次定律來判定．(2)感生電場對自由電荷的作用．1．感生電場麥克斯韋認為，磁場變化時會在空間激發(fā)一種電場，這種電場叫作感生電場．2．感生電動勢由感生電場產生的電動勢叫感生電動勢．3．電子感應加速器電子感應加速器是利用感生電場使電子加速的設備，當電磁鐵線圈中電流的大小、方向發(fā)生變化時，產生的感生電場使電子加速．1．變化的磁場周圍產生感生電場，與閉合電路是否存在無關．如果在變化的磁場中放一個閉合電路，自由電荷在感生電場的作用下發(fā)生定向移動．2．感生電場可用電場線形象描述．感生電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的，而靜電場的電場線不閉合．3．感生電場的方向根據楞次定律用右手螺旋定則判斷，感生電動勢的大小由法拉第電磁感應定律E＝neq\f(ΔΦ,Δt)計算．知識點二渦流【情境導入】如圖所示，線圈中的電流隨時間變化時，導體中有感應電流嗎？如果有，它的形狀像什么？答案有．變化的電流產生變化的磁場，變化的磁場產生感生電場，使導體中的自由電子發(fā)生定向移動，產生感應電流，它的形狀像水中的漩渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流．1．渦流的產生當線圈中的電流隨時間變化時，線圈附近的任何導體中都會產生感應電流，用圖表示這樣的感應電流，就像水中的漩渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流．3．產生渦流的兩種情況(1)塊狀金屬放在變化的磁場中．(2)塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動．4．產生渦流時的能量轉化(1)金屬塊在變化的磁場中，磁場能轉化為電能，最終轉化為內能．(2)金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉化為電能，最終轉化為內能．5．渦流的應用與防止(1)應用：真空冶煉爐、探雷器、安檢門等．(2)防止：為了減小電動機、變壓器鐵芯上的渦流，常用電阻率較大的硅鋼做材料，而且用相互絕緣的硅鋼片疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯．知識點三電磁阻尼和電磁驅動【情境導入】彈簧上端固定，下端懸掛一個磁體．將磁體托起到某一高度后放開，磁體能上下振動較長時間才停下來．如果在磁體下端放一個固定的閉合線圈，使磁體上下振動時穿過它(如圖所示)，磁體就會很快停下來，解釋這個現象．答案當磁體穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產生感應電流，感應電流的磁場會阻礙磁體靠近或離開線圈，也就使磁體振動時除了受空氣阻力外，還要受到線圈的磁場阻力，克服阻力需要做的功較多，機械能損失較快，因而會很快停下來．【知識梳理】1.電磁阻尼當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體的運動，這種現象稱為電磁阻尼．2.電磁驅動若磁場相對于導體轉動，在導體中會產生感應電流，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，這種作用常常稱為電磁驅動．3.電磁阻尼和電磁驅動的比較電磁阻尼電磁驅動不同點成因由導體在磁場中運動形成的由磁場運動而形成的效果安培力方向與導體運動方向相反，為阻力安培力方向與導體運動方向相同，為動力能量轉化克服安培力做功，其他形式的能轉化為電能，最終轉化為內能磁場能轉化為電能，通過安培力做功，電能轉化為導體的機械能共同點兩者都是電磁感應現象，導體受到的安培力都是阻礙導體與磁場間的相對運動教材習題01如圖所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯。接通交流電源，一段時間后，杯內的水沸騰起來。若要縮短上述加熱時間，線圈的匝數和交流電源的頻率應該如何改變？哪種家用電器的原理與此類似？解題方法若要縮短上述加熱時間，即增大加熱功率，則可增大感應電動勢，則根據法拉第電磁感應定律可知，可以通過增加線圈的匝數或增加交流電源的頻率（即增加磁通量的變化率）來增大感應電動勢，從而縮短上述加熱時間。電磁爐的原理與此類似?！敬鸢浮吭黾泳€圈的匝數、增加交流電源的頻率，電磁爐。教材習題02一輕質彈簧上端固定，下端懸掛一條形磁鐵。一次在磁鐵下方固定一閉合線圈（如圖），另一次不放線圈，然后將磁鐵下拉相同的距離后釋放。你認為兩次磁鐵振動的時間有區(qū)別嗎？為什么？解題方法放線圈時磁鐵很快停止振動，不放線圈時磁鐵振動較長時間后才停止。在磁鐵上下振動的過程中，線圈中磁通量發(fā)生變化而會產生感應電流，感應電流的磁場使磁鐵上下振動時始終受到阻礙作用，也就使磁鐵振動時除了要克服空氣阻力做功外，還需要克服安培力做功，所以彈簧和磁鐵整體的機械能減少得更快，因而磁鐵很快就會停下來。【答案】略。教材習題03如圖所示，把一個閉合線圈放在蹄形磁體的兩極之間，蹄形磁體和閉合線圈都可以繞軸轉動。當轉動蹄形磁體時，線圈也跟著轉動起來，解釋這種現象，并說明線圈轉動的能量從何而來。解題方法當蹄形磁鐵轉動時，穿過閉合線圈的磁通量就發(fā)生變化。線圈處于圖示初始狀態(tài)時，穿過線圈的磁通量為零，蹄形磁鐵一轉動，穿過線圈的磁通量就要增加。根據楞次定律，此時線圈中就有感應電流產生，感應電流的磁場就要阻礙磁通量的增加，即線圈的轉動方向與磁鐵的轉動方向相同，以阻礙磁通量的增加，因而線圈跟著磁鐵同向轉動起來。使線圈轉動的能量是由磁鐵轉動的機械能轉化而來。【答案】略?？键c1：渦流的原理（1）渦流是整塊導體中發(fā)生的電磁感應現象；（2）導體內部發(fā)熱的原理是電流的熱效應，熱量的計算遵守能量守恒定律和焦耳定律?！镜淅?】（多選）關于渦流，下列說法正確的是（）A．渦流會使鐵芯溫度升高 B．渦流發(fā)熱，要損耗額外的能量C．渦流都是有害的 D．金屬通以恒定電流會產生渦流【變式1-1】如圖所示，金屬探測器有較高的靈敏度，可以探測到金屬物體。探測器內有電源及相應電路，打開開關后探測器內會產生電流。探測器回路很容易受到其他磁場的影響而使儀器報警。下列說法正確的是（）A．探測器回路內可能為恒定的直流電流B．用探測器掃描塑料板時，塑料板內會產生感應電流C．被探測金屬內會產生渦流，渦流產生的磁場使探測器報警D．若用探測器探測殘破的古銅幣，探測器不會報警【變式1-2】（多選）高頻焊接原理示意圖如圖所示，線圈通以高頻交流電，金屬工件的焊縫中就產生大量焦耳熱，將焊縫熔化焊接，下列情況中能使焊接處消耗的電功率增大的是（）A．其他條件不變，增大交變電流的電壓 B．其他條件不變，增大交變電流的頻率C．感應電流相同的條件下，增大焊接處的接觸電阻D．感應電流相同的條件下，減小焊接處的接觸電阻考點2：電磁灶的結構和原理【典例2】電磁爐（圖甲）是目前家庭常用的炊具，具有無明火、無污染、高效節(jié)能等優(yōu)點。某同學依據電磁爐原理自己制作了一個簡易電磁爐，其結構簡圖如圖乙所示。在線圈上放置一盛有冷水的金屬杯，接通交流電源，一段時間后杯內的水就會沸騰起來。下列說法正確的是（）A．家用電磁爐工作時，利用其面板產生的渦流來加熱食物B．家用電磁爐的鍋用鐵而不用陶瓷材料，主要是因為陶瓷的導熱性能較差C．簡易電磁爐工作時，利用自感產生的電流來加熱水D．僅增大簡易電磁爐所接交流電源的頻率，可以縮短從開始加熱到水達到沸騰的時間【變式2-1】電磁爐（或電磁灶）是家家戶戶常見的電器，如圖所示.關于電磁爐，以下說法中正確的是（）A．烹調鍋換成陶瓷的也可以正常加熱食物B．電磁爐是利用變化的磁場產生渦流，使鐵質鍋底迅速升溫，進而對鍋內食物加熱的C．電磁爐是利用變化的磁場在食物中產生渦流對食物加熱的D．在鍋和電磁爐中間放一紙板，則電磁爐不能起到加熱作用【變式2-2】為了研究電磁爐的工作原理，某個同學制作了一個簡易裝置，如圖所示，將一根電線纏繞在鐵芯外部，接通交流電源，放置在鐵芯上方的不銹鋼鍋具開始發(fā)熱，下述可以增大鍋具的發(fā)熱功率的辦法，可行的是（）A．增大交流電源的頻率 B．把不銹鋼鍋換成陶瓷鍋C．將電源換成電動勢更大的直流電源 D．把線圈內部鐵芯去掉考點3：報警器的結構和原理【典例3】如圖所示，甲、乙為形狀與大小均相同且內壁光滑的圓筒，豎直固定在相同高度。兩塊相同的釹鐵硼強磁鐵，從甲、乙上端筒口同一高度同時無初速度釋放，穿過乙筒的磁鐵先落到地面。關于兩圓筒的制作材料，下列可能正確的是（）A．甲—塑料，乙—鋁 B．甲—銅，乙—膠木C．甲—玻璃，乙—塑料 D．甲—毛竹，乙—木頭【變式3-1】水平放置的玻璃板上方有一用細線懸掛的可自由旋轉的小磁針，下方有一水平放置的銅圓盤。圓盤的軸線與小磁針懸線在同一直線上，初始時小磁針與圓盤均處于靜止狀態(tài)。當圓盤繞軸逆時針方向勻速轉動時，下列說法正確的是（）A．小磁針不動B．小磁針逆時針方向轉動C．小磁針順時針方向轉動D．由于圓盤中沒有磁通量的變化，圓盤中沒有感應電流【變式3-2】（多選）如圖所示，把一個閉合線圈放在蹄形磁鐵兩磁極之間（兩磁極間磁場可視為勻強磁場），蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞OO′軸轉動。當蹄形磁鐵勻速轉動時，線圈也開始轉動，當線圈的轉動穩(wěn)定后，有（）A．線圈與蹄形磁鐵的轉動方向相同 B．線圈與蹄形磁鐵的轉動方向相反C．線圈中產生交變電流 D．線圈中產生為大小改變、方向不變的電流考點4：磁場主動運動時的驅動力和變化趨勢【典例4】將圓柱形強磁鐵吸在干電池的負極，強磁鐵的N極朝上S極朝下，金屬導線折成上端有一支點，下端開口的導線框，使導線框的頂端支點和底端分別與電源的正極和磁鐵都接觸良好但不固定，這樣整個線框就可以繞電池旋轉起來．下列判斷正確的是（

）A．線框能旋轉起來，是因為電場力 B．俯視觀察，線框沿逆時針方向旋轉C．電池輸出的電功率大于線框旋轉的機械功率 D．導線框將上下振動【變式4-1】如圖所示，在一水平光滑絕緣塑料板上有一環(huán)形凹槽。有一質量為、電荷量為的帶正電小球，在槽內沿順時針方向做勻速圓周運動。現加一豎直向上的均勻變化的勻強磁場，則（）A．小球速度變大 B．小球速度變小 C．小球速度不變 D．小球速度可能變大也可能變小【變式4-2】（多選）如圖所示，將圓柱形強磁鐵吸在干電池負極.金屬導線折成上端有一支點、下端開口的導線框，使導線框的頂端支點和底端分別與電源正極和磁鐵都良好接觸但不固定，這樣整個線框就可以繞電池軸線旋轉起來.下列判斷中正確（

）A．線框能旋轉起來，是因為電磁感應 B．俯視觀察，線框沿逆時針方向旋轉C．電池輸出的電功率大線框能轉的機械功率 D．旋轉達到穩(wěn)定時，線框中電流比剛開始轉動時的大考點5：導體框在方向交替變化的運動磁場中的運動情況及能量轉化【典例5】電磁阻尼可以無磨損地使運動的線圈快速停下來。如圖所示，扇形銅框在絕緣細桿作用下繞轉軸O在同一水平面內快速逆時針轉動，虛線把圓環(huán)分成八等份，扇形銅框恰好可以與其中份重合。為使線框快速停下來，實驗小組設計了以下幾種方案，其中虛線為勻強磁場的理想邊界，邊界內磁場大小均相同，其中最合理的是（）A．B．C． D．【變式5-1】如圖所示，蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO‘轉動，當從上往下看磁鐵做逆時針轉動后，則【】A．線圈將逆時方向轉動，轉速與磁鐵相同 B．線圈將逆時方向轉動，轉速比磁鐵小C．線圈將逆時方向轉動，轉速比磁鐵大 D．線圈仍將靜止【變式5-2】（多選）如圖所示，豎直平面內過O點的豎直虛線左右兩側有垂直紙面大小相等、方向相反的水平勻強磁場，一導體圓環(huán)用絕緣細線連接懸掛于O點，將導體圓環(huán)拉到圖示a位置靜止釋放，圓環(huán)繞O點擺動，則（）A．導體圓環(huán)從a運動到b位置的過程中，有順時針方向電流B．導體圓環(huán)從b運動到c位置的過程中，電流總是順時針方向C．導體圓環(huán)在b位置的速度大小與c位置速度大小不相等D．導體圓環(huán)向右最多能擺到與a位置等高的位置考點6：電磁阻尼與電磁驅動的理解（1）電磁阻尼中的安培力為阻力，即安培力阻礙導體與磁場間的相對運動（2）電磁阻尼中機械能轉化為電能?！镜淅?】如圖所示，“中國第一高樓”上海中心大廈上的阻尼器，該阻尼器首次采用了電渦流技術，底部附著永磁鐵的質量塊擺動通過導體板上方時，導體板內產生渦流。關于阻尼器，下列說法正確的是（

）A．阻尼器擺動時產生的渦流源于外部電源供電B．阻尼器最終將機械能轉化為內能C．風速越大，導體板中磁通量變化率越小D．阻尼器擺動時產生的渦流源于電流的磁效應現象【變式6-1】空間中有足夠大的磁場區(qū)域，方向如圖所示，磁場內有一個豎直固定的半圓形滑軌，滑軌兩端在同一水平線上。閉合金屬環(huán)從滑軌右端靜止滑下，不計一切摩擦，下列說法正確的是（

）A．若是勻強磁場，環(huán)上滑的最大高度小于h B．若是勻強磁場，環(huán)上滑的最大高度等于hC．若是非勻強磁場，環(huán)上滑的最大高度等于h D．若是非勻強磁場，環(huán)上滑的最大高度大于h【變式6-2】（多選）如圖所示，一均勻金屬圓盤繞通過其圓心且與盤面垂直的軸逆時針勻速轉動。現施加一垂直穿過圓盤的有界勻強磁場，圓盤開始減速。在圓盤減速過程中，下列說法正確的有（）A．所加磁場越強越易使圓盤停止轉動 B．金屬圓盤中的渦流只存在于磁場邊界附近C．處于磁場中的圓盤部分，靠近圓心處電勢高 D．若所加勻強磁場穿過整個圓盤，圓盤也會減速考點7：電磁驅動原理的其他應用（1）電磁驅動中的安培力是動力，即安培力阻礙導體與磁場間的相對運動；（2）電磁驅動中，電能轉化為機械能?！镜淅?】如圖甲所示是一個“簡易電動機”，一節(jié)5號干電池的正極向上，一塊圓柱形強磁鐵吸附在電池的負極，將一段裸銅導線彎成圖中所示形狀的線框，線框上端的彎折位置與正極良好接觸，下面彎曲的兩端與磁鐵表面保持良好接觸，放手后線框就會轉動起來。該“簡易電動機”的原理圖如圖乙所示，關于該“簡易電動機”，下列說法正確的是（）A．線框①、②兩部分導線電阻在電路中是串聯關系B．從上往下看，該“簡易電動機”順時針旋轉C．其工作原理是導線切割磁感線產生感應電流從而使導線框受到安培力而轉動D．電池消耗的電能全部轉化為線框的動能【變式7-1】物理學中有很多關于圓盤的實驗，第一個是法拉第圓盤，圓盤全部處于磁場區(qū)域，可繞中心軸轉動，通過導線將圓盤圓心和邊緣與外面電阻相連。第二個是阿拉果圓盤，將一銅圓盤水平放置，圓盤可繞中心軸自由轉動，在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉的磁針，以下說法正確的是（）A．法拉第圓盤在轉動過程中，圓盤中磁通量不變，無感應電動勢，無感應電流B．阿拉果圓盤實驗中，轉動圓盤，小磁針會同向轉動，反之，轉動小磁針，圓盤則不動C．阿拉果圓盤實驗中，轉動圓盤，小磁針會同向轉動，但會滯后于圓盤D．法拉第圓盤和阿拉果圓盤都是電磁驅動的表現【變式7-2】（多選）飛機在航母上彈射起飛可以利用電磁驅動來實現。電磁驅動的原理如圖所示，當固定線圈上突然通過直流電流時，線圈附近的金屬環(huán)會被彈射出去?，F在固定線圈左側的同一位置，先后放置兩個分別由銅和鋁制成的閉合金屬環(huán)。已知兩環(huán)橫截面積相等，形狀、大小相同，且電阻率，合上開關S瞬間（）A．銅環(huán)受到的安培力等于鋁環(huán)受到的安培力 B．若將銅環(huán)放置在線圈右方，環(huán)將向右運動C．從左側看，環(huán)中感應電流的方向沿順時針方向 D．電池正負極調換后，金屬環(huán)不能向左彈射一、單選題1．2021年7月25日，臺風“煙花”登陸上海后，“中國第一高樓”上海中心大廈上的阻尼器開始出現擺動，給大樓進行減振。如圖所示為該阻尼器的簡化圖，該阻尼器首次采用了電渦流技術，底部附著永磁鐵的質量塊在導體板上方擺動時，導體板內產生渦電流。下列說法正確的是（

）A．阻尼器擺動時產生的渦電流，源于外部電源B．阻尼器最終將機械能轉化成為內能C．導體板電阻率越大，渦電流越大D．導體板上的渦電流的大小與質量塊的擺動速率無關2．為了研究電磁爐的工作原理，某個同學制作了一個簡易裝置，如圖所示，將一根電線纏繞在鐵芯外部，接通交流電源，放置在鐵芯上方的不銹鋼鍋具開始發(fā)熱，下述可以增大鍋具的發(fā)熱功率的辦法，可行的是（

）A．增大交流電源的頻率B．把不銹鋼鍋換成銅鍋C．將電源換成電動勢更大的直流電源D．把線圈內部鐵芯去掉3．電磁感應現象在科技和生活中有著廣泛的應用，下列說法正確的是（）A．圖甲中，發(fā)射線圈接入恒定電流也能實現手機充電B．圖乙中，電磁爐不能使用陶瓷鍋，是因為陶瓷導熱性能比金屬差C．圖丙中，真空冶煉爐的加熱原理是利用線圈中電流產生的焦耳熱D．圖丁中，運輸電流表時用導線把兩個接線柱連在一起，是利用了電磁阻尼4．如圖所示，將圓柱形強磁鐵吸在干電池負極，金屬導線折成上端有一支點、下端開口的導線框，使導線框的頂端支點和底端分別與電源正極和磁鐵都接觸良好但不固定，這樣整個線框就可以繞電池軸心旋轉起來。下列判斷中正確的是（）A．俯視觀察，線框沿逆時針方向旋轉B．線框能旋轉起來，是因為電磁感應C．電池輸出的電功率等于線框旋轉的機械功率D．旋轉達到穩(wěn)定時，線框中電流比剛開始轉動時的大5．電磁驅動技術在生活生產、科研和軍事中應用廣泛。如圖所示為一電磁驅動模型，在水平面上固定有兩根足夠長的平行軌道。軌道左端接有阻值為R的電阻，軌道電阻不計、間距為L，虛線區(qū)域內有勻強磁場，磁感應強度大小為B，方向垂直軌道平面向下。長度為L，質量為m、電阻為r的金屬棒ab靜置于導軌上，金屬棒與導軌間的最大靜摩擦力大小為，當磁場以速度v水平向右勻速移動時，下列說法中正確的是（）A．金屬棒中感應電流的方向為從b到aB．金屬棒被驅動后做水平向右的勻加速直線運動C．金屬棒受到安培力所做的功等于回路中產生的焦耳熱D．若磁場區(qū)域足夠大，金屬棒最終在磁場中達到穩(wěn)定狀態(tài)時的速度小于ν6．黃岡市進入了高鐵時代。如圖所示為安檢門原理圖，左側面有一通電線圈，右側面有一接收線圈。從左往右看，工作過程中某段時間通電線圈中存在順時針方向增大的電流，則（

）

A．無人通過安檢門時，接收線圈中無感應電流B．若接收線圈中有感應電流，方向一定與左側線圈電流方向相同C．通過人員攜帶金屬時，金屬中會產生渦漩電流D．通過人員攜帶金屬時，接收線圈中無感應電流7．為了使靈敏電流計的指針在零刻度附近快速停下，實驗小組的同學利用“電磁阻尼”來實現。他們設計了如圖所示的甲、乙兩種方案。甲方案：在指針轉軸上裝上扇形鋁板，磁場位于鋁板中間；乙方案：在指針轉軸上裝上扇形鋁框，磁場位于鋁框中間。下列說法正確的是（

）A．甲方案中，鋁板擺動時磁通量不變，不會產生感應電流B．甲方案中，鋁板擺動時能產生渦流，起到電磁阻尼的作用C．乙方案中，鋁框小幅度擺動時會產生感應電流D．乙方案比甲方案更合理二、多選題8．下列說法正確的是（）A．圖甲中裝置可以利用導體棒左右運動研究磁場對通電導線的作用力方向B．圖乙中增大電子槍的加速電壓，粒子在磁場中運動周期不變C．圖丙中真