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2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
人教版（2019）物理（选择性必修第二册）
第二章 电磁感应
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
正确教育
素养目标
1.了解感生电场，知道感生电动势产生的原因，会判断感生电动势的方向
2.知道涡流是如何产生的，知道涡流对我们有不利和有利两方面的影响，以及如何利用和防止涡流
3.理解电磁阻尼和电磁驱动
思考：为什么水会沸腾起来呢？
思考：镊子为什么会变红？
新课讲解
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），英国著名物理学家、数学家。除了奠定电磁理论、开创经典电动力学之外，他还是统计物理学的奠基人之一。
因为公式太复杂，人们更多地选择记住了牛顿和爱因斯坦
与牛爵爷、爱神平起平坐的麦克斯韦
形成
电流
形成
静电
电荷
激发
静电场
电场力
自由电荷
认为
变化的磁场
感生电场
电场力
自由电荷
激发
感生电场
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，我们把它叫作感生电场。
感生电场特点
① 变化的磁场周围产生电场，与闭合电路是否存在无关。
② 感生电场是电场的一种形式，是客观存在的一种物质。
③ 感生电场是涡旋场，电场线闭合，静电场电场线不闭合。
④ 感生电场可以对带电粒子做功，使其加速或偏转。
感生电场：由于磁场的变化而激发的电场
感生电动势：由感生电场产生的感应电动势
安培定则：右手握住通电螺线管，四指指向电流方向，大拇指所指一端为通电螺线管的N极
楞次定律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化
如何判断感生电场的方向呢？
B
E
提示
如图所示，当磁感应强度B增强时，
↑
E
由楞次定律可知回路中感应电流产生的磁场方向向下，由安培定则可判断出电流方向为顺时针方向（俯视）。B减弱呢？
B
B
E
↓
静电场和感生电场的区别有什么？
由静止的电荷产生 由变化的磁场在周围空间激发
由正电荷发出，到负电荷终止，电场线不闭合 感应电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的
正电荷受力的方向 楞次定律＋右手螺旋定则
对电荷做功不同：
电荷在静电场中沿闭合路径移动一周时，电场力所做的功为零，即静电力做功与路径无关；而电荷在感生电场中沿着闭合路径移动一周时，电场力所做的功不为零，即感生电场中的电场力做功与路径有关.
试着求试探电荷+q沿圆周AB从A点移动到B点时电场力所做的功
A
B
W=F|AB|-F|BA|=0
E
静电场
B
E
感生电场
W=F|AB|+F|BA|
B
A
功能：
现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。
电子感应加速器
(2) 结构：
如图甲所示，上、下为电磁体的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁体线圈中电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速。
当电磁铁线圈电流的方向与如图所示方向一致时，电流的大小应该怎样变化才能使电子加速？
真空室
i
i
电子枪
真空室
B
i感
F洛
F洛
F洛
F洛
v
v
v
v
F
F
F
F
E感
E感
E感
E感
v0=0
真空室
B
i感
E感
E感
E感
E感
i
i
柱形电磁铁：产生变化的磁场；
环形真空管道：是电子运行的轨道
电子枪
真空室
B
i感
F洛
F洛
F洛
F洛
v
v
v
v
F
F
F
F
E感
E感
E感
E感
v0=0
真空室
B
i感
E感
E感
E感
E感
工作过程： 磁场发生变化时，就会沿管道方向产生感生电场。射入其中的电子就受到感生电场的持续作用而不断加速。根据楞次定律，为产生顺时针方向的感生电场，磁场应由弱变强。即电磁铁线圈电流应该由小变大。
感生电场的特点：
⑤感生电场位于与磁场垂直的平面上；
⑦感应电场方向与感应电流的方向相同
⑧通过判断感应电流的方向的方法判断感生电场—楞次定律+右手螺旋定则。
E感
真空室
i感
B
B感
增加
i
增大
增大
E感
B
⑥感生电场的电场线是闭合的。
思考与讨论：
在电磁炉的炉盘下有一个线圈。电磁炉工作时，它的盘面并不发热，在炉盘上面放置铁锅，铁锅会发热。你知道这是为什么吗？
电磁感应→感生电流→电流的热效应
思考：电磁炉产生变化的磁场，使穿
过铁锅（导体）的磁场发生变化，在
铁锅（导体回路）中产生了感应电流，
从而感应电流的热效应实现了铁锅发热，那么是什么力充当非静电力使得自由电荷发生定向运动呢？
电荷的定向移动形成电流
→铁锅中感生电场的产生
→铁锅中的电荷受到了感生电场力的作用
涡流
现将线圈与高频交流电源连接，几分钟后，让同学摸摸铁板，并说出感受
实验装置：一个线圈和一块铁板，铁板位于线圈正下方。
如图所示
体会涡流的产生
发现：铁板变热了。
说明了什么？试着讨论一下。
线圈接入反复变化的电流，某段时间内，若电流变大（变小），则磁场变强（变弱），根据麦克斯韦理论，变化的磁场激发出感生电场。
看作
电流在导体的电阻中流动时，就会产生电热这就是涡流的热效应
感生电场
导体
许多闭合线圈
感生电动势
涡旋状的感应电流
B↑
线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，靠近它的导体内会产生漩涡状电流，叫做涡电流，简称涡流。
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。磁场变化越快（越大）、导体的横截面积S越大、导体材料的电阻率越小，则形成的涡流就越大。
冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。
涡流冶炼的优点：
加热快、能耗少、易控温、无杂质
涡流的应用
冶炼炉
电磁炉
金属探测器
高频焊接
安检门
涡流的应用
经典例题
工业上常利用感应电炉冶炼合金，装置如图所示。当线圈中通有交变电流时，下列说法正确的是( )
A.金属中产生恒定感应电流
B.金属中产生交变感应电流
C.若线圈匝数增加，则金属中感应电流减小
D.若线圈匝数增加，则金属中感应电流不变

B
答案：B
解析：AB.当线圈中通有交变电流时，感应电炉金属内的磁通量也不断随之变化，金属中产生交变感应电流，A错误，B正确；
CD.若线圈匝数增加，根据电磁感应定律可知，感应电动势增大，则金属中感应电流变大，CD错误。
涡流的防止
涡流的防止：
（1）增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率较大。
（2）用互相绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯
铁芯中的涡流被限制在狭窄的薄片之内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，涡流产生的热量也就减少了。为了保护铁芯不被烧坏，减少涡流带来的电能损耗，所以铁芯用薄片叠合而成。
增大铁芯的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢。用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
电磁阻尼
电磁驱动
分析图中线圈中感应电流的方向和所受安培力的方向，并研究安培力对线圈的运动有何影响
v
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。
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——电磁阻尼。
电磁阻尼
将磁铁托到某高度h释放，使磁铁竖直振动，记录磁铁振动的时间t1；
磁铁固定一线圈，仍将磁铁托到高度h后释放，记录磁铁振动的时间t2，试着比较t1与t2有何不同？为什么会产生这种现象？
实验装置：固定好的弹簧、弹簧下端悬挂一根磁铁，以及线圈。
如图所示
体会电磁阻尼
N
S
B
线圈
发现：t2＞t1
说明了什么？试着讨论一下。
磁场阻碍磁铁靠近（或远离）线圈
产生
磁铁
闭合线圈
感生电流
磁场
穿过
产生
N
S
B
线圈
当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而运动起来的现象。线圈转动与磁铁同向，但转速小于磁铁，即同向异步。
交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的。
连接到三相电源时能产生旋转的磁场
一种交流感应电动机的结构
电磁驱动
联系：
电磁阻尼和电磁驱动，都是由于导体相对于磁场运动引起磁通量的变化，产生感应电流，安培力的方向与导体的相对运动方向相反，阻碍导体的相对运动。
区别：
电磁阻尼是导体运动（或者速度较大）时，安培力的方向与导体的运动方向相反，阻碍导体的运动。
电磁驱动是磁场运动，导体静止（或者速度较小）时，安培力对导体提供动力，使导体随磁场运动。
电磁阻尼与电阻驱动的区别和联系
将铝框安置在底座上，其中铝框位于蹄形磁铁的两个磁极间，且可以绕支点自由转动。
转动磁体，观察铝框的运动。
实验装置：铝框，蹄形磁铁，底座。
如图所示
体会电磁驱动
发现：铝框会随着磁体转动起来，且铝框的转动方向与磁体的转动方向相同。
说明了什么？试着讨论一下。
为阻碍磁场的变化，铝框随磁体转动
磁体
变化磁场
铝框
感应电流
转动
产生
体会电磁驱动
应用
电动机
保护电流计
电磁驱动
经典例题
为了使在磁场中转动的绝缘轮快速停下来，小明同学设计了以下四种方案：图甲、乙中磁场方向与轮子的转轴平行，图甲中在轮上固定闭合金属线圈，图乙中在轮上固定未闭合金属线圈；图丙、丁中磁场方向与轮子的转轴垂直，图丙中在轮上固定闭合金属线框，图丁中在轮上固定一些细金属棒。四种方案中效果最好的是( )
A.甲 B.乙
C.丙 D.丁
C
答案：C
解析：AB.图甲和图乙中当轮子转动时，穿过线圈的磁通量都是不变的，不会产生感生感应电流，则不会有磁场力阻碍轮子的运动，故AB错误；
C.图丙中在轮上固定一些闭合金属线框，线框长边与轮子转轴平行，当轮子转动时会产生感应电动势，形成感应电流，则会产生磁场力阻碍轮子转动，使轮子很快停下来，故C正确；
D.图丁中在轮上固定一些细金属棒，当轮子转动时会产生感应电动势，但是不会形成感应电流，则也不会产生磁场力阻碍轮子转动，故D错误。
故选C。
如图甲所示为探究电磁驱动的实验装置。某个铝笼置于U形磁铁的两个磁极间，铝笼可以绕支点自由转动，其截面图如图乙所示。开始时，铝笼和磁铁均静止，转动磁铁，会发现铝笼也会跟着发生转动，
下列说法正确的是( )
A.铝笼是因为受到安培力而转动的
B.铝笼转动的速度的大小和方向与磁铁相同
C.磁铁从图乙位置开始转动时，铝笼截面abcd中的感应电流的方向为a→d→c→b→a
D.当磁铁停止转动后，如果忽略空气阻力和摩擦阻力，铝笼将保持匀速转动
A
答案：A
解析：AC.磁铁从图乙位置开始转动时，导致通过铝笼截面的磁通量增加，从而产生感应电流，方向为a→d→c→b→a，因而受到安培力作用，导致铝笼转动，所以铝笼是因为受到安培力而转动的，A项正确，C项错误；
B.根据楞次定律可知，为阻碍磁通量增加，则导致铝笼与磁铁转动方向相同，但快慢不相同，铝笼的转速一定比磁铁的转速小，B项错误；
D.当磁铁停止转动后，如果忽略空气阻力和摩擦阻力，由于铝笼转动的过程中仍然能产生感应电流，所以铝笼会受到反方向安培力作用逐渐减速直到停止运动，D项错误。
导体附近的线圈中的电流随时间变化
发生
改变
穿过导体的磁通量
导体内产生感应电流
涡流的热效应
安培力总是阻碍导体的运动
导体在磁场中运动时
产生
感应电流（导体中）
安培力
安培力使导体运动起来
磁场相对于导体运动
产生
感应电流（导体中）
安培力
1.关于涡流、电磁阻尼、电磁驱动，下列说法不正确的是( )
A.金属探测器、探测地雷的探雷器利用涡流工作
B.变压器中用互相绝缘的硅钢片叠成铁芯利用涡流工作
C.磁电式仪表中用来做线圈骨架的铝框能起电磁阻尼的作用
D.用来冶炼合金钢的真空冶炼炉是利用涡流来产生热量
B
答案：B
解析：A.金属探测器、探雷器中辐射的变化磁场遇到金属物体，在金属物体上产生涡流，故是利用涡流工作，故A正确
B.变压器中用互相绝缘的硅钢片叠压成铁芯，是为了防止涡流，而不是利用涡流，故B错误；
C.铝框做骨架，当线圈在磁场中转动时，导致铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动，故C正确；
D.真空冶炼炉是线圈中的电流做周期性变化，在冶炼炉中产生涡流，从而产生大量的热量，故D正确。
2.电磁灶热效率高达90%，灶面无明火，无烟，无废气，“火力”强劲，安全可靠.如图所示是描述电磁灶工作原理的示意图，下列说法正确的是( )
A.当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁灶加热效果越好
B.电磁灶的励磁线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作
C.在锅和电磁灶中间放一纸板，则电磁灶不能起到加热作用
D.电磁灶的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差
B
答案：B
解析：锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流,故A错误;根据电磁灶的工作原理可知，电磁灶的励磁线圈加交流电后,在锅底产生涡流,进而发热工作，故B正确;在锅和电磁灶中间放一纸板,不会影响电磁灶的加热作用,故C错误;金属锅自身产生无数小涡流而发热，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，不会产生涡流,故D错误.
3.如图，将一空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上，在“冂”型木框两侧各固定一个强铷磁铁，用电钻控制木框匀速转动，发现木框虽然不与易拉罐接触，但易拉罐也会随木框转动。则下列说法正确的是( )
A.木框的转速总比易拉罐的大
B.易拉罐与木框的转动方向相反
C.易拉罐与木框保持相同的转速同方向转动
D.两个磁铁必须异名磁极相对
A
答案：A
解析：ABC.根据电磁驱动原理，易拉罐与木框的转动方向相同，木框的转速总比易拉罐的大，A正确；BC错误；
D.两个磁铁异名磁极或同名磁极相对均可，在磁极附近的易拉罐导体中都会产生涡流，在磁场受安培力使易拉罐跟着木框转动起来，D错误。
故选A。
4.如图甲所示，是国产某型号手机无线充电装置，其工作原理图如图乙所示，送电线圈和受电线圈回路中串联的电阻阻值均为R，把送电线圈和受电线圈构成的功能部分视为理想变压器，n1>n2则下列说法正确的是( )
A.将手机换成铝片放到工作的充电器上，铝片会发热
B.受电线圈回路中电阻产生的热量比送电线圈中电阻产生的热量小
C.若手机电池出现短路故障，送电线圈两端的电压会增大
D.若受电线圈中的电流恒为
1A时，充满容量为2000mA·h
的电池，至少需要100min
A
答案：A
解析：A.将手机换成铝片放到工作的充电器上，由于充电器产生的磁场是周期性变化的磁场，则铝片会产生涡流，铝片会发热，故A正确；B.根据 ，可知受电线圈回路中电流I2大于送电线圈中的电流I1，根据Q=I2Rt，可知受电线圈回路中电阻产生的热量比送电线圈中电阻产生的热量大，故B错误；C.若手机电池出现短路故障，则受电线圈的总电阻变小，将送电线圈和受电线圈的总负载看成一个等效电阻，可知等效电阻阻值变小，根据欧姆定律可知，送电线圈中电流增大，则送电线圈中定值电阻两端电压增大，送电线圈两端的电压减小，故C错误；D.若受电线圈中的电流恒为1A时，充满容量为2000 mA·h的电池，至少需要的时间为 ，故D错误。故选A。
5.一学生小组在探究电磁感应现象时，进行了如下比较实验。用图（a）
所示的缠绕方式，将漆包线分别绕在几何尺寸相同的有机玻璃管和金属
铝管上，漆包线的两端与电流传感器接通。两管皆竖直放置，将一很小
的强磁体分别从管的上端由静止释放，在管内下落至管的下端。实验中
电流传感器测得的两管上流过漆包线的电流I随时间t的变化分别如图（b）
和图（c）所示，分析可知( )
A.在铝管中下落，小磁体做匀变速运动
B.图（c）是用玻璃管获得的图像
C.在玻璃管中下落，小磁体受到的电磁阻力始终保持不变
D.用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的短
B
答案：B
解析：AB、强磁体在铝管中下落时，铝管的磁通量变化，铝管中产生涡流，涡流对强磁体有向上的作用力，由图(b)可知感应电流的峰值保持不变，说明线圈磁通量的变化快慢不变，可得静止释放强磁体后，其在重力作用下先加速，很快达到平衡状态，穿过线圈时做匀速直线运动;强磁体在玻璃管中下落时，玻璃管是绝缘体，不会产生涡流，强磁体一直做加速运动。由图像得，图(c)中电流的峰值一直在增大，说明强磁体的速度在增大，故图(c)是用玻璃管获得的图像，故A错误，B正确;C、强磁体在玻璃管下落，由图像(c)得，电流的峰值一直在增大，导线所受安培力增大，强磁体受到的电磁阻力增大，故C错误;D、强磁体在铝管中运动时产生的电流峰值比在玻璃管中运动时产生的电流峰值小，即在铝管中运动时的速度更小，用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的长，故D错误。

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