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3　涡流、电磁阻尼和电磁驱动
[定位·学习目标]　1.通过对感生电场、涡流概念的进一步理解,能解决感生电场、涡流的相关问题,培养物理观念核心素养。2.通过对电磁阻尼和电磁驱动概念的进一步理解,能解决电磁阻尼和电磁驱动的相关问题,培养物理观念核心素养。
知识点一　电磁感应现象中的感生电场
探究新知
1.感生电场:麦克斯韦认为,磁场变化时会在空间激发一种电场,这种电场叫作感生电场。
2.感生电动势:由感生电场产生的感应电动势叫作感生电动势。
3.电子感应加速器:电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备。电磁铁线圈中电流的大小、方向可以变化,产生的感生电场使电子加速。
正误辨析
(1)感生电场的电场线是闭合的。(　√　)
(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。(　√　)
知识点二　涡流
探究新知
1.定义:在变化的磁场中的导体内产生的感应电流,看起来就像水中的漩涡,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:真空冶炼炉。
(2)涡流磁效应的应用:探雷器、安检门。
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能量浪费,损坏电器,应采取如下
措施:
(1)增大铁芯材料的电阻率。
(2)用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
正误辨析
根据图示情境,判断下列说法的对错。
(1)金属探测器通过使用恒定电流的长柄线圈来探测地下是否有金属。(　×　)
(2)利用涡流制成的探雷器可以探出“石雷”。(　×　)
(3)涡流不是感应电流,而是一种有别于感应电流的特殊电流。(　×　)
知识点三　电磁阻尼　电磁驱动
探究新知
1.电磁阻尼
(1)产生:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体的运动的现象。
(2)应用:电学仪表中利用电磁阻尼使指针很快地停下来,便于读数。
2.电磁驱动
(1)产生:如果磁场相对于导体转动,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。
(2)应用:交流感应电动机。
正误辨析
(1)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律。(　√　)
(2)电磁阻尼发生的过程中,存在机械能向内能的转化。(　√　)
(3)用导线把微安表的“+”“-”两个接线柱连在一起后晃动电表,表针晃动幅度很小,且会很快停下,这是物理中的电磁阻尼现象。(　√　)
要点一　感生电场　涡流
情境探究
　如图所示,B增强时,就会在空间激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体,导体中的自由电荷就会在静电力的作用下定向移动,从而产生感应电流。
探究1:感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系 如何判断感生电场的方向
【答案】 感应电流的方向与正电荷定向移动的方向相同,感生电场的方向与正电荷受力的方向相同,因此,感生电场的方向与感应电流的方向相同;感生电场的方向可以用楞次定律和安培定则来判定。
探究2:上述情况下,哪种作用扮演了非静电力的角色
【答案】 感生电场对自由电荷的作用。
要点归纳
1.感生电场
(1)感生电场是一种涡旋电场,电场线是闭合的。
(2)感生电场的方向可由楞次定律判断。如图所示,当磁场增强时,产生的感生电场方向是与磁场方向垂直且阻碍磁场增强的方向。
(3)感生电场的存在与是否存在闭合电路无关。
(4)感生电场与静电场的区别。
项目 静电场 感生电场
产生条件 由电荷激发 由变化的 磁场激发
电场线特点 静电场的电场线总是始于正电荷或无限远,终止于无限远或负电荷,不闭合、不相交、不相切 感生电场的电场线是闭合曲线,没有终点和起点
电场对 电荷做功 单位正电荷在静电场中沿闭合路径运动一周时,静电力所做的功为零 单位正电荷在感生电场中沿闭合路径运动一周时,静电力所做的功不为零
电场方向的 判断方法 静电场方向与正电荷所受静电力方向一致,沿电场线的切线方向 感生电场方向是根据磁场的变化情况由楞次定律判断的
2.涡流
(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,则由于安培力做负功,金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能。
典例研习
[例1] (感生电场)物理学家费曼曾设计这样一个实验装置:一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动,在圆板的中央有一个线圈,圆板的四周固定着一圈带电的金属小球,如图所示。当线圈接通电源后,将有图示方向的电流流过,则下列说法正确的是(　　)
[A] 接通电源瞬间,圆板不会发生转动
[B] 线圈中电流的增大或减小会导致圆板向相同方向转动
[C] 接通电源后,保持线圈中电流不变,圆板转动方向与线圈中电流流向相同
[D] 若金属小球带负电,接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相同
【答案】 D
【解析】 线圈接通电源瞬间,变化的磁场产生电场,导致带电小球受到静电力,使其转动,故A错误;电流增大和减小时,根据楞次定律判断其产生的感生电场方向不同,故不会导致圆板向相同方向转动,故B错误;接通电源后,保持线圈中电流不变,则磁场不变,不会产生电场,小球不受到静电力,圆板不转动,故C错误;接通电源瞬间小球受到静电力作用而转动,由于金属小球带负电,圆盘转动方向与线圈中电流流向相同,故D正确。
[例2] (涡流)下列关于如图所示情境的解释错误的是(　　)
[A] 真空冶炼炉利用涡流通过金属产生的热量使金属熔化
[B] 使用电磁炉加热食物时使用陶瓷锅也可以
[C] 用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯可以减小变压器铁芯中的涡流
[D] 用来探测带金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷的探雷器是利用涡流工作的
【答案】 B
【解析】 真空冶炼炉利用涡流通过金属产生的热量使金属熔化,故A正确,不符合题意;使用电磁炉加热食物时,陶瓷锅内不能产生涡流,所以不可以使用陶瓷锅,故B错误,符合题意;用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯可以减小变压器铁芯中的涡流,故C正确,不符合题意;用来探测带金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷的探雷器是利用涡流工作的,故D正确,不符合题意。
要点二　电磁阻尼　电磁驱动
情境探究
　仔细观察各图,认真参与探究活动。
探究1:如图甲,一个单匝线圈落入磁场中,分析它在图示位置时电流的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
【答案】 线圈下边切割磁感线,线圈中产生逆时针方向的感应电流,所以线圈下边受到向上的安培力,即安培力对线圈的运动有阻碍作用。
探究2:如图乙,磁电式仪表的线圈绕在铝框上,指针也固定在铝框上。假定仪表工作时指针向右转动,由于铝框转动时其中有感应电流,铝框要受到安培力。安培力对铝框的转动产生什么影响
【答案】 根据楞次定律的推论“来拒去留”,铝框受到的安培力会阻碍铝框相对磁极转动。
探究3:如图丙,转动蹄形磁体,铝框也跟着转动,为什么会这样
【答案】 蹄形磁体转动时,磁场相对于铝框转动,穿过铝框的磁通量发生变化,铝框中就产生了感应电流,因而铝框会受到安培力的作用,安培力使铝框转动起来。
要点归纳
　电磁阻尼与电磁驱动的比较
项目 电磁阻尼 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 由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力
效果 导体所受安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动 导体所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
联系 都属于电磁感应现象,电磁阻尼和电磁驱动中的安培力都阻碍导体与磁场间的相对运动
典例研习
[例3] (电磁阻尼)磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置,该刹车装置的原理图(从车后朝前看)如图所示,停车区的轨道两侧装有强力磁体,当过山车进入停车区时铜片从强力磁体间穿过,车很快停下来。关于该装置的刹车原理,下列判断错误的是(　　)
[A] 过山车进入停车区时其动能转化成电能
[B] 把铜片换成有机玻璃片,也能达到相同的刹车效果
[C] 过山车进入停车区的过程中两侧的铜片中会产生感应电流
[D] 过山车进入停车区的过程中铜片受到的安培力使过山车减速
【答案】 B
【解析】 过山车进入停车区时铜片从强力磁体间穿过,铜片切割磁感线产生感应电流,故C正确,不符合题意;铜片切割磁感线产生感应电流,停车区的轨道两侧安装的强力磁体产生的磁场对铜片有安培力的作用,铜片所受安培力是阻力,使过山车减速,故D正确,不符合题意;根据上述,铜片所受安培力是阻力,安培力做负功,可知过山车进入停车区时其动能转化成电能,故A正确,不符合题意;有机玻璃片不是导体,当其进入停车区从强力磁体间穿过时,不能发生电磁感应,达不到同样的刹车效果,故B错误,符合题意。
[例4] (电磁驱动)如图所示,是磁性式转速表及其原理图,关于磁性式转速表的电磁驱动原理,下列说法正确的是(　　)
[A] 铝盘接通电源,通有电流的铝盘在磁场作用下带动指针转动
[B] 永久磁体随转轴转动产生运动的磁场,在铝盘中产生感应电流,感应电流使铝盘受磁场力而转动
[C] 铝盘转动的方向与永久磁体转动方向相反
[D] 由于铝盘和永久磁体被同一转轴带动,因此两者转动是完全同步的
【答案】 B
【解析】 当永久磁体随转轴转动时,产生运动的磁场,在铝盘中会产生感应电流,这时永久磁体的磁场会对铝盘上的感应电流有力的作用,从而产生一个转动的力矩,使指针转动,由于游丝的反力矩,会使指针稳定指在某一刻度上,A错误,B正确;该转速表运用了电磁感应原理,由楞次定律知,铝盘磁场总是阻碍永久磁体转动,要减小穿过铝盘的磁通量,永久磁体转动方向与铝盘转动方向相同,C错误;永久磁体固定在转轴上,铝盘固定在指针轴上,铝盘和永久磁体不是同一转轴带动,所以两者转动不是同步的,D错误。
1.电磁炉(图甲)是目前家庭常用的炊具,具有无明火、无污染、高效节能等优点。某同学依据电磁炉原理自己制作了一个简易电磁炉,其结构简图如图乙所示。在线圈上放置一盛有冷水的金属杯,接通交流电源,一段时间后杯内的水就会沸腾起来。下列说法正确的是(　　)
[A] 家用电磁炉工作时,利用其面板产生的涡流来加热食物
[B] 家用电磁炉的锅用铁而不用陶瓷材料,主要是因为陶瓷的导热性能较差
[C] 简易电磁炉工作时,利用自感产生的电流来加热水
[D] 仅增大简易电磁炉所接交流电源的频率,可以缩短从开始加热到水达到沸腾的时间
【答案】 D
【解析】 家用电磁炉工作时,通过锅体的磁通量发生变化,锅体中会产生涡流,利用涡流的热效应来加热食物或者水,故A错误;家用电磁炉的锅用铁而不用陶瓷材料,主要是因为陶瓷中不能产生涡流,铁中能产生涡流,故B错误;简易电磁炉工作时,金属杯中会产生涡流,利用涡流的热效应来加热水,故C错误;仅增大简易电磁炉所接交流电源的频率,通过金属杯的磁通量变化率增大,感应电动势增大,感应电流增大,电功率增大,可以缩短从开始加热到水达到沸腾的时间,故D正确。
2.(多选)航天员在与某校进行的天地连线中示范了太空踩单车。太空自行车是利用电磁力增加阻力的一种体育锻炼器材。某同学根据电磁学的相关知识,设计了这样的单车原理图:其中圆形结构为金属圆盘,当航天员踩脚踏板时,金属圆盘随之旋转。则下列设计中可行的方案有(　　)
　　　　　
[A] [B]
　　　　　
[C] [D]
【答案】 CD
【解析】 A中磁场充满整个圆盘,圆盘转动过程中产生的涡流为零,A错误,同理B也错误;C、D中将金属圆盘看成是由无数金属辐条组成,根据右手定则判断可知,圆盘上的感应电流流向边缘,所以靠近圆心处电势低,圆盘中磁场不对称,故有感应电流,同时会产生阻力,C、D正确。
3.同型号的废旧玩具直流电动机a、b、c、d,内部结构如图所示。某同学先后将各台电动机的正、负接线柱用导线直接相连,并用力扭转它们的转轴,发现a转得越快越省力,b转得越快越费力,c转动快慢阻力都一样,d无法转动,可知其中仍能正常工作的是(　　)
[A] a [B] b [C] c [D] d
【答案】 B
【解析】 将电动机的正、负接线柱用导线直接相连时,若电动机内部线路完好,则内部线圈构成了一个完好无损的闭合回路,当用力扭转转轴时,穿过线圈的磁通量发生改变,线圈中产生感应电流,该感应电流受到磁体磁场的安培力作用,根据楞次定律可知,该安培力的效果是阻碍线圈的运动,线圈转动越快,感应电流越大,安培力越大,磁体的磁场对感应电流的安培力越大,即阻碍效果越强,可知a、b、c、d四台电动机中,b仍能正常工作。故选B。
4.如图所示是一个趣味实验“电磁小火车”,“小火车”是一节两端都吸有强磁体的干电池,发现两端的强磁体无论是同名相对还是异名相对,都能牢牢地吸附在干电池上。“轨道”是用裸铜线绕成的螺线管,螺线管的口径较“小火车”大。将“小火车”放入螺线管内,在电池的正、负极之间的一段螺线管上形成电流,“小火车”就会沿螺线管运动。则(　　)
[A] “小火车”因为电池两端磁体之间的排斥力而运动
[B] “小火车”通过电池两端磁体与通电螺线管之间的相互作用而运动
[C] 干电池正、负极对调后,“小火车”运动方向将不变
[D] 将“小火车”放入表面无绝缘层的裸露铜管内也会沿铜管运动
【答案】 B
【解析】 将干电池与强磁体组成的“小火车”放入裸铜线绕成的螺线管内,干电池的正、负极与接触的铜线绕成的螺线管中形成电流,该部分螺线管产生磁场,由于干电池两端都吸有强磁体,进而驱使其运动,A错误,B正确;只将干电池的正、负极对调,则螺线管产生的磁场的方向也改变,“小火车”两侧磁体所受磁场力方向也会改变,“小火车”运动方向将发生变化,C错误;若将“小火车”放入表面无绝缘层的裸露铜管后,祼露铜管会形成直线电流,会导致“小火车”偏向一侧,不会沿铜管运动,D错误。
课时作业
(分值:42分)
基础巩固练
考点一　感生电场　涡流
1.(4分)下列一些常用的家用电器中,应用了电磁感应现象的是(　　)
　　　　
[A] [B]
　　　　
[C] [D]
【答案】 B
【解析】 电磁炉是利用交变电流产生变化的磁场,从而使金属锅产生涡流,应用了电磁感应现象;电暖风机、电饭煲和电烤炉都是利用了电流的热效应,没有应用电磁感应现象。故选B。
2.(4分)如图,在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,现接通交流电源,过了几分钟,杯内的水沸腾起来。假设要缩短上述加热时间,以下措施可行的是(　　)
[A] 增加线圈的匝数
[B] 提高交流电源的周期
[C] 将金属杯换为瓷杯
[D] 取走线圈中的铁芯
【答案】 A
【解析】 根据法拉第电磁感应定律E=n,增加线圈的匝数n,可以增大感应电动势,使线圈产生的磁场增强,可以缩短加热时间,故A正确。根据法拉第电磁感应定律E=n,降低交流电源的频率即提高交流电源的周期和取走线圈中的铁芯,感应电动势就减小,使线圈产生的磁场减弱,加热时间延长;将金属杯换为瓷杯,瓷杯是绝缘体无法形成涡流,故不能加热,故B、C、D错误。
3.(4分)如图所示,内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上,环内有一带负电的小球,整个装置处于竖直向下的磁场中,当磁场突然增强时,小球将(　　)
[A] 沿顺时针方向运动
[B] 沿逆时针方向运动
[C] 在原位置附近往复运动
[D] 仍然保持静止状态
【答案】 A
【解析】 磁感应强度的方向竖直向下,当磁场突然增强时,由楞次定律和安培定则可知,感生电场沿逆时针方向,由于小球带负电,因此小球将沿顺时针方向运动,A正确。
考点二　电磁阻尼　电磁驱动
4.(4分)(2024·山东淄博期末)如图甲所示为某科技馆的“磁阻尼摆”,支架中间设置永磁体构成磁场,磁场中分别悬挂着由铝片和塑料片制成的摆,其示意图如图乙所示,将铝摆拉到某一位置由静止释放,发现铝摆很快就停下来。下列说法正确的是(　　)
[A] 同样条件下,用塑料摆做实验比用铝摆能够更快停下来
[B] 铝摆摆动过程中,摆片中产生涡流,受到阻碍其运动的安培力作用,很快停下来
[C] 塑料摆摆动过程中,摆片中也会产生涡流
[D] 若所加磁场反向,铝摆摆片将受到安培力的驱动,摆动加快
【答案】 B
【解析】 将铝摆拉到某一位置由静止释放,发现铝摆很快就停下来是因为摆动过程中有感应电流产生,起电磁阻尼的作用,塑料摆动过程中,不能形成涡流,所以用塑料摆做实验不会比用铝摆更快停下来,故B正确,A、C错误;若所加磁场反向,铝摆摆片仍然受到阻碍其运动的安培力作用,会很快停下来,故D错误。
5.(6分)(多选)(2024·山东济南期末)如图,将一空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上,在“冂”形木框两侧各固定一个磁铁,用电钻控制木框匀速转动,发现虽然木框不与易拉罐接触,但易拉罐会随木框转动。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同
[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
【答案】 AB
【解析】 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、B正确,C错误;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。
能力提升练
6.(6分)(多选)阻尼器是一种用于减震和减振的机械装置,应用十分广泛,如图所示是大厦中的电磁阻尼器。下列说法正确的是(　　)
[A] 风速越大,导体板中磁通量变化率越小
[B] 风速越大,导体板内产生的感应电动势越小
[C] 风速越大,导体板内涡流越大
[D] 导体板内涡流对永磁体的电磁阻力是该大厦减振的原因
【答案】 CD
【解析】 风速越大,永磁体与可摆动质量块摆动越厉害,导体板中磁通量变化率越大,由法拉第电磁感应定律可知,导体板中产生的感应电动势越大,产生的涡流也越大,A、B错误,C正确;导体板内的涡流对永磁体的电磁阻力是该大厦减振的原因,D正确。
7.(6分)(多选)如图所示为某种售货机硬币识别系统简图。虚线框内存在磁场,从入口A进入的硬币沿斜面滚落,通过磁场区域后,由测速器测出速度大小,若速度在某一合适范围,挡板B自动开启,硬币就会沿斜面进入接收装置;否则挡板C开启,硬币进入另一个通道拒绝接收。下列说法正确的是(　　)
[A] 磁场能使硬币的速度增大得更快
[B] 由于磁场的作用,硬币的机械能不守恒
[C] 硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力
[D] 如果没有磁场,则测速器示数会更大一些
【答案】 BCD
【解析】 根据题意可知,硬币进入磁场和离开磁场时,穿过硬币的磁通量发生变化,硬币中产生感应电流,感应电流会阻碍硬币的相对运动,即硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力,若磁场阻力大于硬币重力沿斜面的分力,硬币将做减速运动,若磁场阻力等于硬币重力沿斜面的分力,硬币将匀速进入磁场,若磁场阻力小于硬币重力沿斜面的分力,硬币继续加速运动,但速度增加变慢,综上所述,磁场能使硬币的速度增大得变慢,故A错误,C正确;根据题意可知,硬币进入磁场和离开磁场时,穿过硬币的磁通量发生变化,硬币中产生感应电流,感应电流会阻碍硬币的相对运动,对硬币做负功,使硬币的机械能减小,故B正确;如果没有磁场,对硬币没有阻碍作用,由动能定理可知,硬币到达测速器位置时速度更大一些,故D正确。
8.(4分)(2025·浙江期中)如图是高速列车上使用的电磁制动装置示意图。与传统的制动方式相比,电磁制动是一种非接触的制动方式,避免了因摩擦产生损耗。电磁制动的原理是当金属圆盘D在磁场中运动时,会产生涡流,使圆盘受到阻碍运动的制动力。下列说法正确的是(　　)
[A] 制动过程中,圆盘不会产生热量
[B] 制动力的大小与圆盘运动的速度无关
[C] 换用更强的磁场,制动效果更好
[D] 如果改变磁场的方向,可以使圆盘获得促进它运动的动力
【答案】 C
【解析】 电磁制动的原理是当金属圆盘D在磁场中运动时,会产生涡流,电流流过电阻时会产生热量,故A错误;圆盘运动的速度越大,磁通量变化越快,产生的感应电流越强,制动器对转盘的制动力越大,故制动力的大小与导体运动的速度有关,故B错误;换用更强的磁场,圆盘受到的安培阻力更大,则制动效果更好,故C正确;如果改变磁场的方向,产生的涡流方向也相反,根据安培力的公式,电流和所处的磁场方向同时反向,安培力方向不变,故圆盘还是受到阻碍运动的制动力,故D错误。
9.(4分)(2024·广东佛山期末)涡流检测技术是一项用来检测各种金属管道是否有破损的技术。图甲、乙是检测仪在管道内运动及其工作原理剖面示意图,当激励线圈中通以正弦交流电时,金属管道壁内会产生涡流,涡流磁场会影响检测线圈的电流。以下有关检测仪的说法正确的是(　　)
[A] 检测线圈消耗功率等于激励线圈输入功率
[B] 在管道内某处检测时,如果只增大激励线圈中交流电的频率,则检测线圈的电流大小不变
[C] 在管道内某处检测时,如果只增大激励线圈中交流电的频率,则检测仪消耗功率将
变大
[D] 当检测仪从金属管道完好处进入破损处检测时,管道壁中将产生更强的涡流
【答案】 C
【解析】 激励线圈输入功率大于检测线圈消耗功率,管道壁中产生涡流,有一定的热功率,
P激励=P检测+P热,故A错误;增大频率,检测线圈的磁通量变化率变大,产生的感应电动势变大,则电流变大,故B错误;增大频率,检测线圈的功率和管道产生的热功率变大,则检测仪消耗功率将变大,故C正确;当检测仪从金属管道完好处进入破损处检测时,厚度减小,则管道壁中产生的涡流变小,故D错误。(共43张PPT)
3　涡流、电磁
阻尼和电磁驱动
[定位·学习目标]　
1.通过对感生电场、涡流概念的进一步理解,能解决感生电场、涡流的相关问题,培养物理观念核心素养。2.通过对电磁阻尼和电磁驱动概念的进一步理解,能解决电磁阻尼和电磁驱动的相关问题,培养物理观念核心素养。
探究·必备知识
知识点一　电磁感应现象中的感生电场
「探究新知」
1.感生电场: 认为,磁场变化时会在空间激发一种 ,这种电场叫作感生电场。
2.感生电动势:由 产生的感应电动势叫作感生电动势。
3.电子感应加速器:电子感应加速器是利用 使电子加速的设备。电磁铁线圈中 的大小、方向可以变化,产生的感生电场使电子加速。
麦克斯韦
电场
感生电场
感生电场
电流
正误辨析
(1)感生电场的电场线是闭合的。(　　)
(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。(　　)
√
√
√
知识点二　涡流
「探究新知」
1.定义:在变化的磁场中的导体内产生的 ,看起来就像水中的漩涡,所以把它叫作涡电流,简称涡流。
2.应用
(1)涡流 的应用:真空冶炼炉。
(2)涡流 的应用:探雷器、安检门。
感应电流
热效应
磁效应
3.防止
电动机、变压器等设备中为防止铁芯中 而导致能量浪费,损坏电器,应采取如下措施:
(1)增大铁芯材料的 。
(2)用相互绝缘的 的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
涡流过大
电阻率
硅钢片叠成
根据图示情境,判断下列说法的对错。
正误辨析
×
(1)金属探测器通过使用恒定电流的长柄线圈来探测地下是否有金属。
(　　)
(2)利用涡流制成的探雷器可以探出“石雷”。(　　)
(3)涡流不是感应电流,而是一种有别于感应电流的特殊电流。(　　)
×
×
知识点三　电磁阻尼　电磁驱动
「探究新知」
1.电磁阻尼
(1)产生:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力总是
导体的运动的现象。
(2)应用:电学仪表中利用 使指针很快地停下来,便于读数。
阻碍
电磁阻尼
2.电磁驱动
(1)产生:如果磁场相对于导体转动,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, 使导体运动起来。
(2)应用:交流感应电动机。
安培力
(1)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律。(　　)
(2)电磁阻尼发生的过程中,存在机械能向内能的转化。(　　)
(3)用导线把微安表的“+”“-”两个接线柱连在一起后晃动电表,表针晃动幅度很小,且会很快停下,这是物理中的电磁阻尼现象。(　　)
正误辨析
√
√
√
突破·关键能力
要点一　感生电场　涡流
「情境探究」
如图所示,B增强时,就会在空间激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体,导体中的自由电荷就会在静电力的作用下定向移动,从而产生感应电流。
探究1:感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系 如何判断感生电场的方向
【答案】 感应电流的方向与正电荷定向移动的方向相同,感生电场的方向与正电荷受力的方向相同,因此,感生电场的方向与感应电流的方向相同;感生电场的方向可以用楞次定律和安培定则来判定。
探究2:上述情况下,哪种作用扮演了非静电力的角色
【答案】 感生电场对自由电荷的作用。
1.感生电场
(1)感生电场是一种涡旋电场,电场线是闭合的。
(2)感生电场的方向可由楞次定律判断。如图所示,当磁场增强时,产生的感生电场方向是与磁场方向垂直且阻碍磁场增强的方向。
「要点归纳」
(3)感生电场的存在与是否存在闭合电路无关。
(4)感生电场与静电场的区别。
项目 静电场 感生电场
产生条件 由电荷激发 由变化的磁场激发
电场线特点 静电场的电场线总是始于正电荷或无限远,终止于无限远或负电荷,不闭合、不相交、不相切 感生电场的电场线是闭合曲线,没有终点和起点
电场对电荷做功 单位正电荷在静电场中沿闭合路径运动一周时,静电力所做的功为零 单位正电荷在感生电场中沿闭合路径运动一周时,静电力所做的功不为零
电场方向的判断 方法 静电场方向与正电荷所受静电力方向一致,沿电场线的切线方向 感生电场方向是根据磁场的变化情况由楞次定律判断的
2.涡流
(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,则由于安培力做负功,金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能。
[例1] (感生电场)物理学家费曼曾设计这样一个实验装置:一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动,在圆板的中央有一个线圈,圆板的四周固定着一圈带电的金属小球,如图所示。当线圈接通电源后,将有图示方向的电流流过,则下列说法正确的是(　　)
[A] 接通电源瞬间,圆板不会发生转动
[B] 线圈中电流的增大或减小会导致圆板向相同方向转动
[C] 接通电源后,保持线圈中电流不变,圆板转动方向与线圈中电流流向相同
[D] 若金属小球带负电,接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相同
「典例研习」
D
【解析】 线圈接通电源瞬间,变化的磁场产生电场,导致带电小球受到静电力,使其转动,故A错误;电流增大和减小时,根据楞次定律判断其产生的感生电场方向不同,故不会导致圆板向相同方向转动,故B错误;接通电源后,保持线圈中电流不变,则磁场不变,不会产生电场,小球不受到静电力,圆板不转动,故C错误;接通电源瞬间小球受到静电力作用而转动,由于金属小球带负电,圆盘转动方向与线圈中电流流向相同,故D正确。
[例2] (涡流)下列关于如图所示情境的解释错误的是(　　)
[A] 真空冶炼炉利用涡流通过金属产生的热量使金属熔化
[B] 使用电磁炉加热食物时使用陶瓷锅也可以
[C] 用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯可以减小变压器铁芯中的涡流
[D] 用来探测带金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷的探雷器是利用涡流工作的
B
【解析】 真空冶炼炉利用涡流通过金属产生的热量使金属熔化,故A正确,不符合题意;使用电磁炉加热食物时,陶瓷锅内不能产生涡流,所以不可以使用陶瓷锅,故B错误,符合题意;用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯可以减小变压器铁芯中的涡流,故C正确,不符合题意;用来探测带金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷的探雷器是利用涡流工作的,故D正确,不符合题意。
要点二　电磁阻尼　电磁驱动
「情境探究」
仔细观察各图,认真参与探究活动。
探究1:如图甲,一个单匝线圈落入磁场中,分析它在图示位置时电流的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
【答案】 线圈下边切割磁感线,线圈中产生逆时针方向的感应电流,所以线圈下边受到向上的安培力,即安培力对线圈的运动有阻碍作用。
探究2:如图乙,磁电式仪表的线圈绕在铝框上,指针也固定在铝框上。假定仪表工作时指针向右转动,由于铝框转动时其中有感应电流,铝框要受到安培力。安培力对铝框的转动产生什么影响
【答案】 根据楞次定律的推论“来拒去留”,铝框受到的安培力会阻碍铝框相对磁极转动。
探究3:如图丙,转动蹄形磁体,铝框也跟着转动,为什么会这样
【答案】 蹄形磁体转动时,磁场相对于铝框转动,穿过铝框的磁通量发生变化,铝框中就产生了感应电流,因而铝框会受到安培力的作用,安培力使铝框转动起来。
「要点归纳」
电磁阻尼与电磁驱动的比较
项目 电磁阻尼 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 由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力
效果 导体所受安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动 导体所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
联系 都属于电磁感应现象,电磁阻尼和电磁驱动中的安培力都阻碍导体与磁场间的相对运动 [例3] (电磁阻尼)磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置,该刹车装置的原理图(从车后朝前看)如图所示,停车区的轨道两侧装有强力磁体,当过山车进入停车区时铜片从强力磁体间穿过,车很快停下来。关于该装置的刹车原理,下列判断错误的是(　　)
[A] 过山车进入停车区时其动能转化成电能
[B] 把铜片换成有机玻璃片,也能达到相同的刹车效果
[C] 过山车进入停车区的过程中两侧的铜片中会产生感应电流
[D] 过山车进入停车区的过程中铜片受到的安培力使过山车减速
「典例研习」
B
【解析】 过山车进入停车区时铜片从强力磁体间穿过,铜片切割磁感线产生感应电流,故C正确,不符合题意;铜片切割磁感线产生感应电流,停车区的轨道两侧安装的强力磁体产生的磁场对铜片有安培力的作用,铜片所受安培力是阻力,使过山车减速,故D正确,不符合题意;根据上述,铜片所受安培力是阻力,安培力做负功,可知过山车进入停车区时其动能转化成电能,故A正确,不符合题意;有机玻璃片不是导体,当其进入停车区从强力磁体间穿过时,不能发生电磁感应,达不到同样的刹车效果,故B错误,符合题意。
[例4] (电磁驱动)如图所示,是磁性式转速表及其原理图,关于磁性式转速表的电磁驱动原理,下列说法正确的是(　　)
[A] 铝盘接通电源,通有电流的铝盘在磁场作用下带动指针转动
[B] 永久磁体随转轴转动产生运动的磁场,在铝盘中产生感应电流,感应电流使铝盘受磁场力而转动
[C] 铝盘转动的方向与永久磁体转动方向相反
[D] 由于铝盘和永久磁体被同一转轴带动,因此两者转动是完全同步的
B
【解析】 当永久磁体随转轴转动时,产生运动的磁场,在铝盘中会产生感应电流,这时永久磁体的磁场会对铝盘上的感应电流有力的作用,从而产生一个转动的力矩,使指针转动,由于游丝的反力矩,会使指针稳定指在某一刻度上,A错误,B正确;该转速表运用了电磁感应原理,由楞次定律知,铝盘磁场总是阻碍永久磁体转动,要减小穿过铝盘的磁通量,永久磁体转动方向与铝盘转动方向相同,C错误;永久磁体固定在转轴上,铝盘固定在指针轴上,铝盘和永久磁体不是同一转轴带动,所以两者转动不是同步的,D错误。
检测·学习效果
1.电磁炉(图甲)是目前家庭常用的炊具,具有无明火、无污染、高效节能等优点。某同学依据电磁炉原理自己制作了一个简易电磁炉,其结构简图如图乙所示。在线圈上放置一盛有冷水的金属杯,接通交流电源,一段时间后杯内的水就会沸腾起来。下列说法正确的是(　　)
[A] 家用电磁炉工作时,利用其面板产生的涡流来加热食物
[B] 家用电磁炉的锅用铁而不用陶瓷材料,主要是因为陶瓷的导热性能较差
[C] 简易电磁炉工作时,利用自感产生的电流来加热水
[D] 仅增大简易电磁炉所接交流电源的频率,可以缩短从开始加热到水达到沸腾的时间
D
【解析】 家用电磁炉工作时,通过锅体的磁通量发生变化,锅体中会产生涡流,利用涡流的热效应来加热食物或者水,故A错误;家用电磁炉的锅用铁而不用陶瓷材料,主要是因为陶瓷中不能产生涡流,铁中能产生涡流,故B错误;简易电磁炉工作时,金属杯中会产生涡流,利用涡流的热效应来加热水,故C错误;仅增大简易电磁炉所接交流电源的频率,通过金属杯的磁通量变化率增大,感应电动势增大,感应电流增大,电功率增大,可以缩短从开始加热到水达到沸腾的时间,故D正确。
2.(多选)航天员在与某校进行的天地连线中示范了太空踩单车。太空自行车是利用电磁力增加阻力的一种体育锻炼器材。某同学根据电磁学的相关知识,设计了这样的单车原理图:其中圆形结构为金属圆盘,当航天员踩脚踏板时,金属圆盘随之旋转。则下列设计中可行的方案有(　 　)
CD
[A] [B] [C] [D]
【解析】 A中磁场充满整个圆盘,圆盘转动过程中产生的涡流为零,A错误,同理B也错误;C、D中将金属圆盘看成是由无数金属辐条组成,根据右手定则判断可知,圆盘上的感应电流流向边缘,所以靠近圆心处电势低,圆盘中磁场不对称,故有感应电流,同时会产生阻力,C、D正确。
3.同型号的废旧玩具直流电动机a、b、c、d,内部结构如图所示。某同学先后将各台电动机的正、负接线柱用导线直接相连,并用力扭转它们的转轴,发现a转得越快越省力,b转得越快越费力,c转动快慢阻力都一样,d无法转动,可知其中仍能正常工作的是(　　)
[A] a [B] b [C] c [D] d
B
【解析】 将电动机的正、负接线柱用导线直接相连时,若电动机内部线路完好,则内部线圈构成了一个完好无损的闭合回路,当用力扭转转轴时,穿过线圈的磁通量发生改变,线圈中产生感应电流,该感应电流受到磁体磁场的安培力作用,根据楞次定律可知,该安培力的效果是阻碍线圈的运动,线圈转动越快,感应电流越大,安培力越大,磁体的磁场对感应电流的安培力越大,即阻碍效果越强,可知a、b、c、d四台电动机中,b仍能正常工作。故选B。
4.如图所示是一个趣味实验“电磁小火车”,“小火车”是一节两端都吸有强磁体的干电池,发现两端的强磁体无论是同名相对还是异名相对,都能牢牢地吸附在干电池上。“轨道”是用裸铜线绕成的螺线管,螺线管的口径较“小火车”大。将“小火车”放入螺线管内,在电池的正、负极之间的一段螺线管上形成电流,“小火车”就会沿螺线管运动。则(　　)
[A] “小火车”因为电池两端磁体之间的排斥力而运动
[B] “小火车”通过电池两端磁体与通电螺线管之间的相互作用而运动
[C] 干电池正、负极对调后,“小火车”运动方向将不变
[D] 将“小火车”放入表面无绝缘层的裸露铜管内也会沿铜管运动
B
【解析】 将干电池与强磁体组成的“小火车”放入裸铜线绕成的螺线管内,干电池的正、负极与接触的铜线绕成的螺线管中形成电流,该部分螺线管产生磁场,由于干电池两端都吸有强磁体,进而驱使其运动,A错误,B正确;只将干电池的正、负极对调,则螺线管产生的磁场的方向也改变,“小火车”两侧磁体所受磁场力方向也会改变,“小火车”运动方向将发生变化,C错误;若将“小火车”放入表面无绝缘层的裸露铜管后,祼露铜管会形成直线电流,会导致“小火车”偏向一侧,不会沿铜管运动,D错误。
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