1、3涡流、电磁阻尼和电磁驱动课前自主学习1感生电动势和感生电场任务驱动 在产生感生电动势的情况下，非静电力是怎么产生的？提示：磁场变化时会在空间激发感生电场，非静电力就是感生电场对自由电荷的作用。(1)感生电动势：在磁场中_静止，由于_的变化，导体或导体回路中产生的_叫作_。(2)感生电场：定义：英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在周围空间激发一种电场，我们把 这种电场叫作感生电场。导体或导体回路磁场强弱电动势感生电动势特点：静电场感生电场产生静止的电荷在它的周围产生静电场变化的磁场在空间激发感生电场电场线 由正电荷出发到负电荷终止，电场线不闭合是一种涡旋电场，电场线闭合感应电流的产生：如果
2、空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场力的作用下定向移动，从而产生感应电流，或者说导体中产生感应电动势。如果没有闭合导体，就不会有感应电流，但是依然有感生电场。感生电场的方向也可以由_来判断。感应电流的方向与感生电场的方向_。楞次定律相同2涡流：任务驱动 现在很多家庭都在使用电磁炉，电磁炉利用涡流工作，优点是无明火，热效率高，有人说它是利用陶瓷微晶面板来加热锅底，这种说法对吗？提示：不对，陶瓷微晶面板里面不会产生涡流，是在金属锅底中产生涡流来加热的，锅底一般采用铁质材料或者合金钢。(1)定义：由于_，在导体中产生的像水中的旋涡一样的_电流。(2)特点：若金属的电阻率小，涡流往往_，产
3、生的热量很多。(3)应用：涡流_的应用，如真空冶炼炉。涡流_的应用，如探雷器、安检门。(4)防止：电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器。途径一：增大铁芯材料的_。途径二：用相互绝缘的_叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。电磁感应感应很强热效应磁效应电阻率硅钢片3电磁阻尼：任务驱动 电磁阻尼普遍应用于各种磁电式仪表中，可以使指针迅速地停下来，你能从力和能量的角度分别解释一下吗？提示：从受力来看，感应电流受到的安培力要阻碍相对运动。从能量转化来看，在阻碍相对运动的过程中，机械能转化为电能，机械能损失得更快，所以可以让指针更快地停下来。(1)定义：当导体在磁场中运动时，导体中会
4、产生感应电流，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是_导体运动，这种现象称为电磁阻尼。(2)应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停下来，便于读数。阻碍4电磁驱动：任务驱动 日常生产生活中经常使用的交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的，在课本的演示实验中，随着蹄形磁铁转动的加快，铝框也转动得更快，那么铝框会不会跟磁铁转动得一样快呢？提示：不会，如果跟磁铁转动得一样快，铝框中的磁通量就不变了，没有感应电流，也就不会受到安培力了。(1)定义：磁场相对于导体转动时，导体中产生感应电流，感应电流使导体受到_的作用，_使导体运动起来，这种作用称为电磁驱动。(2)应用：交流感应电动机。安培力安培力
5、课堂合作探究主题一 感生电场和感生电动势、涡流任务 1 感生电场和感生电动势【实验情境】如图所示，一个闭合电路静止于磁场中，当磁场变强时。【问题探究】(1)闭合回路中是否产生了感应电动势，为什么？提示：磁场变化时在空间中激发出一种电场，这种电场对自由电荷产生力的作用，形成电流，或者说产生了感应电动势。(2)如果产生了感应电动势，是哪一种作用扮演了非静电力的角色？提示：所谓的非静电力就是感生电场的作用，闭合导体中的自由电荷在这种电场力作用下做定向运动。(3)怎样判断感生电场的方向？提示：根据楞次定律判断感生电场方向。任务 2 涡流【科技情境】高频感应炉是用来熔化金属并对其进行冶炼的，如图所示为冶
6、炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔化。这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼金属中，因此适于冶炼金属。【问题探究】试结合上述现象思考以下问题：(1)涡流是在整块金属中产生的旋涡状电流，是否遵循法拉第电磁感应定律？提示：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。(2)我们可以通过哪些方式使金属块中产生涡流？提示：只要穿过能构成闭合回路金属块的磁通量发生变化时，它就产生涡流，即：金属块处在变化的磁场中。金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动。(3)请分析金属块产生涡流的过程中能量是如何转化的。提示：当
7、金属块处在变化的磁场中时，磁场能转化为电能，最终转化为内能。当金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动时，由于要克服安培力做功，所以金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能。【结论生成】1涡流的实质：(1)涡流仍然是由电磁感应产生的，它仍然遵循感应电流的产生条件，特殊之处在于涡流产生于块状金属中。(2)严格地说，在变化的磁场中的一切导体内都有涡流产生，只是涡流的大小有区别，以致一些微弱的涡流被我们忽视了。2可以产生涡流的两种情况：(1)把块状金属放在变化的磁场中。(2)让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。3涡流中的能量转化：(1)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。
8、(2)如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能。(3)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，机械能转化为电能，最终转化为内能。【典例示范】(多选)电磁炉采用感应电流(涡流)的加热原理，是通过电子线路产生交变磁场，把铁锅放在炉面上时，在铁锅底部产生交变的电流。它具有升温快、效率高、体积小、安全性好等优点。下列关于电磁炉的说法中正确的是()A.电磁炉面板可采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部B电磁炉面板可采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品C电磁炉可以用陶瓷器皿作为锅具对食品加热D可以通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率【解析】选 A、D。电磁炉是利用电磁感应加热原理
9、制成的烹饪器具。由高频感应加热线圈(即励磁线圈)、高频电力转换装置、控制器及铁磁材料锅底炊具等部分组成。使用时，加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生一交变磁场，交变磁场的磁感线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。所以电磁炉发热部分需要用铁锅底部，而不能用陶瓷材料；电磁炉面板如果用金属材料制成，使用时会发生电磁感应损失电能，故面板可采用陶瓷材料，锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故 A、D 正确，B、C 错误。【误区警示】分析涡流的三点注意(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象。(2)导体内部可以等效为许多闭合电路。(3)金属内部发热的原理为电流的热效应。【探究
10、训练】1(多选)高频焊接原理示意图如图所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，要使焊接处产生的热量较大可采用()A.增大交变电流的电压B增大交变电流的频率C增大焊接缝的接触电阻D减小焊接缝的接触电阻【解析】选 A、B、C。当增大交变电流的电压，则线圈中交变电流增大，那么磁通量变化率增大，因此产生感应电动势增大，感应电流也增大，那么焊接时产生的热量也增大，故 A 正确；高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中就产生感应电流，根据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处的温
11、度升高得越快，故 B 正确；增大电阻，在相同电流下，焊缝处热功率大，温度升得很高，故 C 正确，D 错误。2(多选)下列哪些措施是为了防止涡流的危害()A电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅B探雷器的线圈中要通变化着的电流C变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成D变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层【解析】选 C、D。电磁炉是采用电磁感应原理，在金属锅上产生涡流，使锅体发热从而加热食物的，属于涡流的应用，故 A 错误；探雷器的线圈中有变化的电流，如果地下埋着金属物品，金属中会感应出涡流，使仪器报警，这属于涡流的应用，故 B 错误；变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很
12、大的硅钢片叠合而成，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止，故 C 正确；变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止，故 D 正确。【补偿训练】(多选)如图所示，在线圈正上方放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，几分钟后，杯中的水沸腾起来，t0 时刻的电流方向已在图中标出，且此时电流正在增大，则下列关于把水烧开的过程中发生的电磁感应现象的说法正确的有()A.金属杯中产生涡流，涡流的热效应使水沸腾起来Bt0 时刻，从上往下看，金属杯中的涡流沿顺时针方向Ct0 时刻，从上往下看，金属杯中的涡流沿逆时针方向D断开电源，当线圈中没有电流时，
13、金属杯中的涡流也会消失【解析】选 A、C、D。由于交流电在线圈中产生变化的磁场，变化的磁场穿过金属杯可以在金属杯中产生变化的电场，从而产生涡流，使水沸腾，A 正确；t0 时刻电流从线圈的上端流入且电流正在增大，则穿过金属杯的磁场是向下增大的，所以根据楞次定律，感应电流的磁场方向一定是向上的，由安培定则可知，从上往下看，金属杯中的涡流沿逆时针方向，C 正确，B 错误；线圈中没有了变化的电流，就不会产生变化的磁场，金属杯中的涡流也会消失，D 正确。主题二 电磁阻尼、电磁驱动任务 1 电磁阻尼【科技情境】磁电式电流表内部线圈绕在铝框上，线圈通电时在安培力作用下带动指针偏转。铝框同时跟随线圈一起运动，
14、在磁场中切割磁感线，产生涡流，因而受到安培力作用。【问题探究】试分析安培力对铝框的转动产生的影响，并讨论为何使用铝框做线圈骨架。提示：铝框中的涡流产生磁场，根据楞次定律，该磁场将阻碍引起涡流的磁场的变化。从力的角度分析，铝框中的安培力将阻碍铝框的转动，即产生电磁阻尼。选用铝框做线圈骨架的原因：铝框是导体，可产生电磁阻尼，使指针转动更趋平稳；铝材质轻且结实。任务 2 电磁驱动【实验情境】某同学做了一个如图所示的实验：一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极间，可以绕支点 O 自由转动。【问题探究】转动磁铁，请你观察铝框的运动并思考：(1)怎样解释铝框的运动？提示：我们观察到铝框会跟随着磁铁转动。其原因是磁
15、铁转动，穿过铝框的磁通量发生变化，根据楞次定律，铝框中会产生感应电流，从而铝框受到安培力的作用，在安培力的驱动下，铝框会跟随着磁铁转动。(2)铝框转动的角速度能否等于磁铁转动的角速度？提示：电磁驱动中，感应电流的作用是阻碍磁铁与铝框的相对运动，但不能阻止这种相对运动，所以铝框转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。【结论生成】电磁阻尼和电磁驱动的区别与联系：【典例示范】如图所示，在光滑水平桌面上放一条形磁铁，分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁铁的一端且给它们一个相同的初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况是()A.都做匀速运动B甲、乙做加速运动C甲做加速运动，乙做减速运动，丙做匀速运动D
16、甲做减速运动，乙做加速运动，丙做匀速运动【解析】选 C。铁球将加速运动，其原因是铁球被磁化后与磁铁之间产生相互吸引的磁力；铝球将减速运动，其原因是铝球内产生了感应电流，感应电流产生的磁场阻碍其相对运动；木球将匀速运动，其原因是木球既不能被磁化，也不能产生感应电流，所以磁铁对木球不产生力的作用。【探究训练】1如图所示，在 O 点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜环在 A 点由静止释放向右摆至最高点 B。不考虑空气阻力，则下列说法正确的是()A.A、B 两点在同一水平线BA 点高于 B 点CA 点低于 B 点D铜环将做等幅摆动【解析】选 B。由于铜环刚进入和要离开磁场过程中，会产生感应电流，一部分
17、机械能转化为电能，所以铜环运动不到与 A 点等高点，即 B 点低于 A 点，故 B正确。2著名物理学家弗曼曾设计过一个实验，如图所示，在一块绝缘圆盘上中部安一个线圈，并接有电源，圆盘的四周固定有许多带负电的小球，整个装置支撑起来。忽略各处的摩擦，当电源接通的瞬间，下列关于圆盘(俯视)的说法中正确的是()A.圆盘将逆时针转动B圆盘将顺时针转动C圆盘不会转动D无法确定圆盘是否会动【解析】选 A。线圈接通电源瞬间，则变化的磁场产生变化的电场，从而导致带电小球受到电场力，使其转动。接通电源瞬间，由于金属小球带负电，再根据电磁场理论可知，变化的磁场会产生变化电场，因此向上磁场变大，则产生顺时针方向的电场
18、，带负电的小球受到的电场力与电场方向相反，则有逆时针方向的电场力，故圆盘将沿逆时针方向运动，A 正确。【补偿训练】光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图，抛物线的方程为 yx2，其下半部分处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是 ya 的直线(如图中的虚线所示)。一个小金属块从抛物线上 yb(ba)处以速度 v 沿抛物线向上滑，假设抛物线足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是()A.mgb B12 mv2mgbCmg(ba)Dmg(ba)12 mv2【解析】选 D。金属块最终在 ya 以下来回摆动，以 yb(ba)处为初位置，ya 处为末位置，知末位置的速度为零，在整个过程
19、中，重力势能减小，动能减小，减小的机械能转化为内能，根据能量守恒得，Qmg(ba)12 mv2。故 D 正确，A、B、C 错误。【课堂小结】课堂素养达标1(多选)物理课上，老师做了一个“电磁阻尼”的实验：如图甲所示，AB 两摆在通过磁场时，A 摆很快停下来，B 摆摆动了很长的一段时间才停下来。图乙是致远同学另找器材再次探究此实验的装置：A 是由摆片和细杆组成的摆，其摆动平面通过电磁铁的两极之间，当绕在电磁铁上的励磁线圈未通电时，摆片可自由摆动，要经过较长时间才会停下来。当线圈通电时，摆动应当迅速停止。他连接好电路，经重复试验，均没出现摆动迅速停止的现象。对比老师的演示实验，下列四个选项中，正确
20、的说法是()A.老师实验中，A 摆很快停下来的原因是摆上产生了感应电流B老师实验中，B 摆很长时间才停下来的原因是摆上没有产生感应电流C致远同学没有成功的原因可能是所选线圈的匝数过多D致远同学没有成功的原因可能是构成摆的材质是塑料的【解析】选 A、D。老师实验中，A 摆很快停下来的原因是摆上产生了感应电流从而阻碍磁通量的变化，故 A 正确；老师实验中，B 摆是针状的，不易产生涡流，产生的感应电流几乎可以忽略不计，所以 B 摆很长时间才停下来，故 B 错误；线圈的匝数越多，受阻碍作用越明显，则线圈越容易停下来，故 C 错误；如果材质是塑料的，则不会产生感应电流，线圈不会受到磁场力作用，所以不会很
21、快停下来，故 D 正确。2.(多选)如图所示，一闭合的小金属环用一根绝缘细杆挂在固定点 O 处，使金属圆环在竖直线 OO的两侧来回摆动的过程中穿过水平方向的匀强磁场区域，磁感线的方向垂直纸面向里，若悬点摩擦和空气阻力均不计，则()A金属环进入磁场区域后越靠近 OO线时速度越大B金属环每次进入和离开磁场区域都有感应电流C金属环在从摆动到停止过程中，机械能将全部转化为环中的电能D金属环开始摆动后，摆角会越来越小，摆角小到某一值后不再减小【解析】选 A、B、D。金属环进入磁场后，由于没有磁通量的变化，因而金属环中没有感应电流，不受磁场力作用，离平衡位置越近，重力势能转化成的动能越多，则速度越大，故
22、A 正确；当金属环进入或离开磁场区域时磁通量发生变化，都会产生感应电流，故 B 正确；由于从左侧摆到右侧的过程中，金属环中磁通量有发生变化的过程，因而产生感应电流，金属环中将产生焦耳热，根据能量守恒定律知金属环的机械能不断减少，所以摆角会越来越小，当环完全在磁场中来回摆动时，磁通量不变，没有感应电流，金属环的机械能守恒，摆角不变，在磁场区域来回摆动，不会停止，故 C 错误，D 正确。3(多选)图甲为磁控健身车，图乙为其车轮处结构示意图，在金属飞轮的外侧有一些磁铁(与飞轮不接触)，人用力蹬车带动飞轮旋转时，磁铁会对飞轮产生阻碍，拉动旋钮拉线可以改变磁铁与飞轮间的距离。下列说法正确的有()A.飞轮
23、受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力B飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮受到的阻力越小C磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，受到的阻力越小D磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，内部的涡流越强【解析】选 A、D。根据题意，人用力蹬车带动飞轮旋转时，磁铁会对飞轮产生阻碍，则飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力，选项 A 正确；飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮受到安培力越大，阻力越大，选项 B 错误；磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，磁通量的变化率越大，则内部的涡流越强，产生的安培力越大，受到的阻力越大，选项 C 错误，D 正确；故选 A、D。4探测地雷的探雷器是利用涡流工作
24、的，士兵手持一个长柄线圈从地面扫过，线圈中有_的电流。如果地下埋着金属物品，金属中会感应出_，_又会反过来影响线圈中的_，使仪器报警。【解析】探测器中有变化的电流，其产生变化的磁场；其磁场会在金属物品中感应出涡流；而涡流产生的磁场又会反过来影响线圈中的电流，从而使仪器报警。答案：变化 涡流 涡流的磁场 电流5用来冶炼合金钢的真空_，炉外有线圈，线圈中通入_电流，炉内的金属中产生_。_使金属熔化并达到很高的温度。【解析】在真空冶炼炉中，炉外的高频交变电流产生的高频的周期性变化的磁场，周期性变化的磁场又在炉内产生感应电流，进而产生涡流，将电能转化为热量，使金属熔化并达到很高的温度来冶炼合金。答案：冶炼炉 周期性变化的 涡流 涡流产生的热量 【补偿训练】如图所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环 1 竖直，环 2 水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是()A两环都向右运动B两环都向左运动C环 1 静止，环 2 向右运动D两环都静止【解析】选 C。条形磁铁向右运动时，环 1 中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止；环 2 中磁通量变化，根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流的效果使环 2 向右运动，故 C 正确。