1、3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动课 程 标 准素 养 目 标1.通过实验，了解涡流现象。2.能举例说明涡流现象在生产生活中的应用。1.了解涡流、电磁阻尼和电磁驱动的概念。解释自然现象，解决实际问题。（物理观念）2.了解涡流的原理，能在问题情境中应用其性质进行分析，获得结论。（科学思维）3.观察电磁阻尼和电磁驱动现象，了解电磁阻尼和电磁驱动的原理及其在生活、生产中的应用。（科学探究）必备知识自主学习一、涡流真空冶炼炉的工作原理是什么？金属探测器为什么能探测金属物？提示：真空冶炼炉内金属中产生涡流，涡流产生的热量使金属熔化，金属探测器利用电磁感应原理在金属内部产生涡流，涡流又会产生磁场影响原来的磁场，
2、引起金属探测器发出声音。1.产生：在变化的磁场中的导体内产生的_，就像水中的漩涡。所以把它叫作涡电流，简称涡流。2.特点：若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的_很多。3.应用：（1）涡流_的应用：如真空冶炼炉。（2）涡流_的应用：如探雷器、安检门。感应电流热量热效应磁效应4.防止：电动机、变压器等设备中为防止铁芯中_而导致浪费能量，损坏电器。（1）途径一：增大铁芯材料的_。（2）途径二：用相互绝缘的_叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。涡流过大电阻率硅钢片二、电磁阻尼和电磁驱动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，安培力的方向总是_导体的运动的现象。（2）应用：
3、电学仪表中利用_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，_使导体运动起来。（2）应用：交流感应电动机。阻碍电磁阻尼安培力【易错辨析】（1）涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的。（）（2）涡流有热效应，但没有磁效应。（）（3）在硅钢中不能产生涡流。（）（4）电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。（）（5）电磁阻尼是由于电磁感应中安培力阻碍导体与磁场的相对运动产生的，而电磁驱动是由于电磁感应现象中安培力增强磁场与导体间的相对运动产生的。（）
4、关键能力合作学习知识点一 对涡流的理解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，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，由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能。线圈中的电流变化时，导体中为什么会产生感应电流？提示：电磁感应。【典例】如图是高频焊接原理示意图。当线圈中通以高频交流电时，待焊工件中就会产生感应电流，感应电流产生的热
5、量将金属熔化，把工件焊接在一起。很多自行车架就是用这种办法焊接的。下列说法正确的是（）A.通电时，待焊工件的各个位置都将发热熔化，以完成焊接B交流电的峰值不变，若频率越高，则焊缝处的温度升高得越快C工件上只有焊缝处温度升高得很快，是因为焊缝处比工件的其他部分电阻小D改换成直流电源，一样可以完成焊接工作【解题探究】高频焊接的原理是什么？提示：高频焊接是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，从而在焊接处产生高温。【解析】选 B。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可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高
6、，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处的温度升高得越快，A、D 错误，B 正确；焊缝处横截面积小，电阻大，电流相同，焊缝处热功率大，温度升得很高，C 错误。1.（多选）如图所示，是电表中的指针和电磁阻器，下列说法中正确的是（）A2 是磁铁，在 1 中产生涡流B1 是磁铁，在 2 中产生涡流C该装置的作用是使指针能够转动D该装置的作用是使指针能很快地稳定【解析】选 A、D。当电表的指针摆动时，金属框 1 在蹄形磁铁 2 中同时转动，则 1中产生感应电流即涡流，磁场对涡流产生安培力阻碍其指针的相对运动，使指针很快稳定下来，故 A、D 正确。2.通电线圈绕在四种不同的材料上，材料中能产生涡流的
7、是（）【解析】选 B。要想产生涡流，应该是在金属块外通以交流电流，故只有 B 正确，A、C、D 错误。【加固训练】1.如图所示，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。若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有（）A.减少线圈的匝数 B提高交流电源的频率C将金属杯换为瓷杯D取走线圈中的铁芯【解析】选 B。由题意可知，本题中是涡流现象的应用，即采用线圈产生的磁场使金属杯产生感应电流从而进行加热的，则由法拉第电磁感应定律可知，增加线圈的匝数、提高交流电的频率均可以提高发热功率，则可以缩短加热时间，故 A 错误，B 正确；将杯子换为瓷杯不会产生涡流，则无法加热水，
8、故 C 错误；取走铁芯磁场减弱，则加热时间变长，故 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磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上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 不符合题意；磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架，起到电磁阻尼作用，是为了利用电磁感应，故 B 不符合题意；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，是为了减小变压器铁
9、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；故选 C、D。知识点二 电磁阻尼和电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动成因由导体在磁场中运动形成的由磁场运动而形成的效果安培力方向与导体运动方向相反,为阻力安培力方向与导体运动方向相同,为动力不同点能量转化克服安培力做功,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共同点两者都是电磁感应现象,导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动提醒：电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，都遵循楞次定律。灵敏
10、电流表运输中，为什么常用导体把两个接线柱连在一起？提示：连接接线柱后，晃动表，由于电磁阻尼，表针晃动幅度会变小，并能较快停下，起到保护表针的作用。【典例】弹簧上端固定，下端挂一块条形磁铁，使磁铁上下振动，磁铁的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图所示，观察磁铁的振幅将会发现（）AS 闭合时振幅逐渐减小，S 断开时振幅不变BS 闭合时振幅逐渐增大，S 断开时振幅不变CS 闭合或断开，振幅变化相同DS 闭合或断开，振幅都不发生变化【解析】选 A。条形磁铁上下振动时穿过下面线圈的磁通量不断变化；S 闭合时，下面线圈中产生感应电流，电路要消耗电能，由能量守恒定律可知，系统的机械能减小，振幅
11、减小，A 正确，B 错误；S 断开时，下面线圈中不产生感应电流，电路不消耗电能，由能量守恒定律可知，系统的机械能不变，振幅不变；C、D 错误。1.（多选）老师在课堂上做了一个实验：弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁，将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来；如果在磁铁下方放一个固定的铝制圆环，使磁极上下振动时穿过它，磁铁就会很快地停下来。某同学课后在家重做该实验，反复实验后发现：磁铁下方放置圆环，并没有对磁铁的振动产生影响，对比老师演示的实验，其产生的原因可能是（）A磁铁 N、S 极倒置B弹簧劲度系数过小C铝制圆环中间某处断裂D换用了非金属材质圆环【解析】选 C、D。根据法拉第电
12、磁感应定律，老师在课堂上做实验，磁铁之所以会很快停下来，是因为：闭合圆环中的磁通量发生变化，圆环中产生了感应电流，电流通过圆环时发热，磁铁的机械能最后转化为内能，所以振动减弱并很快停下。该同学实验时，即使把磁铁 N、S 极倒置或者采用劲度系数过小的弹簧，也并不影响感应电流的产生，磁铁还会很快地停下，A、B 错误；若采用中间某处断裂的铝制圆环，圆环中就不会产生感应电流，对磁铁的振动不会产生影响，C 可能；若换用的非金属材质圆环是绝缘体，也不会产生感应电流，对磁铁的振动也不会产生影响，D 可能。2.车流如梭，前面却有一辆方方正正的货车行驶得比较慢，上面写着“精密仪器”的字样，小明想起课本上谈到过磁
13、电式电流表的运输问题，对于磁电式电流表，他有如下一些理解，你觉得他的理解正确的是（）A通有电流后，电流表的线圈受到了安培力的作用而转动，从而带动指针偏转B线圈处在靴脚和铁芯形成的辐向磁场中，因此线圈转动时，穿过线圈的磁通量始终为零C线圈绕在铝框上，铝框旋转会产生感应电流，这将影响电流测量的准确性D长途运输电流表时，需要将电流表的正负极用导线短接起来，这是利用了电磁驱动的原理【解析】选 A。根据通电导线在磁场中受力的原理可知，通有电流后，电流表的线圈受到了安培力的作用而转动，从而带动指针偏转，A 正确；磁电式电流表圆柱形铁芯中的磁感线实际上是水平平行的，穿过线圈的磁通量不为零，B 错误；铝框实际
14、上与线圈是彼此绝缘的，而且指针稳定时，铝框中没有感应电流，无从谈起对线圈中电流的影响，C 错误；电流表中的铝框、长途运输电流表时短接线圈，目的都是利用电磁阻尼使指针迅速停摆或无法大幅度摆动，D 错误。【加固训练】如图所示，上下开口、内壁光滑的铜管 P 和塑料管 Q 竖直放置，小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部，则小磁块（）A在 Q 和 P 中都做自由落体运动B在两个下落过程中的机械能都守恒C在 P 中的下落时间比在 Q 中的长D落至底部时在 P 中的速度比在 Q 中的大【解析】选 C。当小磁块在光滑的铜管 P 下落时，由于穿过铜管的磁通量变化，导致铜管产生感应电流，从而产生安
15、培阻力，所以 P 中小磁块做的运动不是自由落体运动；而对于塑料管内小磁块没有任何阻力，在做自由落体运动，故 A 错误；由 A 选项分析可知，在铜管的小磁块机械能不守恒，而在塑料管的小磁块机械能守恒，故 B错误；在铜管中小磁块受到安培阻力，则在 P 中的下落时间比在 Q 中的长，故 C 正确；根据动能定理可知，因安培阻力，导致产生热能，则至底部时在 P 中的速度比在 Q 中的小，故 D 错误。【拓展例题】考查内容：涡流现象在日常生活中的应用【典例】如图为电磁灶，是采用磁场感应涡流原理，它利用高频的交流电通过环形线圈，从而产生无数封闭磁感线，当磁感线通过导磁（如：铁质锅）的底部，而底部可看作由无数
16、个导体圆环构成，当穿过圆环的磁通量发生变化时，圆环上就产生感应电流，即小涡流（一种交变电流，家用电磁炉使用的是 1530 kHz 的高频电流）。它和普通电流一样要放出焦耳热，会使锅体本身自行高速发热，然后再加热锅内食物。（1）为什么锅体必须是导磁性材料？（2）如图所示为电磁灶的结构示意图。电磁灶是根据涡流原理给锅加热的，调查研究电磁灶与一般烹饪灶具比较具有哪些优点？（写出两条即可）【解析】（1）由于非导磁性材料不能有效汇聚磁感线，几乎不能形成涡流，所以基本上不加热；另外，导电能力特别差的磁性材料由于其电阻率太高，产生的涡流电流也很小，也不能很好地产生热量。所以，电磁灶使用的锅体材料导电性能相对
17、较好，一般采用铁磁性材料的金属或者合金以及它们的复合体，一般采用的锅有：铸造铁锅、生铁锅、不锈铁锅。纯不锈铁锅材料由于其导磁性能非常低，所以在电磁灶上并不能正常工作。（2）热效率高。由于电磁灶是通过涡流而使磁性锅体发热的，它不存在热量再传导或辐射的过程，也就减少了传导和辐射过程中的热量损耗，热效率较高。一般电炉的热效率为 50%，煤气灶的热效率为 40%，而电磁灶的热效率可达 80%。控温准确。电磁灶能方便而准确地根据用户的要求控制发热功率及烹调温度，热惯性小，断电即断磁，也就不再发热，而且使锅内温度分布均匀，烹调效果好。安全可靠。由于电磁灶使用时不产生明火，再加上灶台本身不发热，并且又附有多
18、种自动保护功能，因此使用时，不会发生烫伤事故，也不会引起火灾、爆炸、中毒等事故。清洁卫生。由于电磁灶无明火，无烟，不会产生有害气体污染空气，还能保持锅体和灶台清洁，由于灶台面板为结晶陶瓷玻璃制成，即使食物溢出也不会焦糊，如有污物很容易擦净。使用方便。电磁灶体积小，重量轻，操作简单，一目了然，可随意搬动，便于携带，可以作为外出旅游之用，也可以放在餐桌上使用。答案：见解析情境模型素养磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，工作效应比靠摩擦力刹车更稳定，如图为该新型装置的原理图（从后面朝前看）；过山车的两侧装有铜片，停车区的轨道两侧装有强力磁铁，当过山车进入停车区时铜片与磁铁的相互作用能使过
19、山车很快停下来。探究：（1）刹车原理是什么？（2）过山车进入停车区的速度越大，刹车的阻力越大还是越小？提示：（1）当过山车进入停车区时，会导致铜片的磁通量发生变化，产生感应电流，从而铜片产生感应磁场，与强力磁铁产生相互作用，利用了电磁感应的原理。（2）过山车的速度越大，磁通量变化越快，产生的感应电流越大，从而导致感应磁场越大，与强力磁铁的作用力越大，故刹车的阻力越大。某手持式考试金属探测器如图所示，它能检查出考生违规携带的电子通讯储存设备。工作时，探测环中的发射线圈通以正弦式电流，附近的被测金属物中感应出电流，感应电流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流，使探测器发出警报。探究：（1）被测金属物
20、中产生的是恒定电流还是交变电流？（2）探测器与被测金属物相对静止时能否发出警报？若能，试分析原因。提示：（1）探测器靠近金属物体时，在金属物体中就会产生涡电流，这种涡流是交变电流；（2）能。根据法拉第电磁感应定律，探测器产生的是变化的磁场，使靠近的金属物体产生涡流，探测器与被测金属物体相对静止时也能发出警报。课堂检测素养达标1.下列设备中没有利用涡流的是（）A变压器 B地雷探测器C电磁炉D真空冶炼炉【解析】选 A。变压器是利用电磁感应原理工作的，没有利用涡流，并且在变压器中不用整块的硅钢铁芯，其目的是减小涡流，A 正确；地雷探测器、电磁炉和真空冶炼炉都是利用涡流原理工作的，B、C、D 错误。2
21、.如图所示，一根两端开口、长为 1 m 的铜管竖直放置，把一个磁性很强的圆柱形磁体从管上端放入管中，磁体直径略小于铜管内径，磁体过了较长时间才从铜管下端落出，比自由落体慢了许多。则（）A磁体下落变慢，主要是因为磁体受到空气阻力作用B磁体下落变慢，主要是因为磁体受到金属铜的吸引C铜管内电流方向保持不变D铜管对磁体的作用力方向始终向上【解析】选 D。磁体穿过铜管下落的过程中，穿过铜管的磁通量发生变化，铜管产生感应电流，对于任何一段铜管，磁体靠近和远离时，磁通量变化情况相反，产生的电流方向也相反，根据楞次定律推论“来拒去留”，感应电流的磁场对磁体的作用力向上，从而导至磁体下落的时间变长，D 正确，A
22、、B、C 错误。【加固训练】物理课上，老师做了一个“神奇”的实验：如图所示，将 30 cm 长的铜管竖直放置，一磁性很强的磁铁从上管口由静止释放，观察到磁铁用较长时间才从下管口落出。对于这个实验现象同学们经分析讨论作出相关的判断，你认为正确的是（下落过程中不计空气阻力，磁铁与管壁没有接触）（）A.如果磁铁的磁性足够强，磁铁会停留在铜管中，永远不落下来B磁铁在铜管中运动的过程中，由于不计空气阻力，所以机械能守恒C如果磁铁的磁性足够强，磁铁在铜管中运动时间更长，但一定会落下来D如果将铜管换成塑料管，磁铁从塑料管中出来也会用较长时间【解析】选 C。如果磁铁的磁性足够强，磁铁在铜管中运动受到阻力更大，
23、原因：当磁铁运动时才会导致铜管的磁通量发生变化，才出现感应磁场阻碍原磁场的变化，所以运动时间变长，但一定会落下，故 A 错误，C 正确；磁铁在铜管中运动的过程中，虽不计空气阻力，但在过程中，出现安培力做功产生热能，所以机械能不守恒，故 B错误；如果将铜管换成塑料管，磁铁不会受到安培力阻力，做自由落体运动，故 D错误。3.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装一个线圈，并接有电源，圆盘的四周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
24、【解析】选 A。瞬间增强的磁场会在周围产生一个顺时针的涡旋电场，负电荷受到逆时针方向的电场力，带动圆盘逆时针转动，而负电荷的这种定向运动则形成了顺时针的环形电流。故选 A。4.（多选）如图所示为大型考试用到的金属探测器，工作时，其内部的探测器线圈内通有正弦交流电，关于探测器的工作原理，下列说法正确的是（）A.探测器线圈中通有频率越低的交流电，越容易探测出金属物品B探测器线圈中正弦交流电会产生变化的磁场C探测器附近有金属时，金属中会产生涡流D探测器附近有金属时，探测器线圈中电流会发生变化【解析】选 B、C、D。探测器线圈中的交流电频率越低，电流变化越慢，根据法拉第电磁感应定律可知产生的感应电流越
25、小，灵敏度越低，越不容易探测出金属物品，A 错误；根据法拉第电磁感应定律可知当探测器线圈中通以正弦交流电时会产生变化的磁场，B 正确；探测器中有一个通有交变电流的线圈，当线圈周围有金属时，金属中会产生涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，探测器线圈中电流会发生变化，使探测器报警，C、D 正确。【加固训练】如图是机场的安检人员用手持金属探测器检查乘客的情景，探测线圈内通有交变电流，能产生迅速变化的磁场，当探测线圈靠近金属物体时，这个磁场能在金属物体内部产生涡电流，涡电流又会产生磁场，倒过来影响原来的磁场，如果能检测出这种变化，就可以判定探测线圈下面有金属物体了。以下用电器与金属探测器工作原理相
26、似利用涡流的是（）【解析】选 C。当探测器中通以交变电流的线圈靠近金属物时，线圈在空间产生交变的磁场，金属物品横截面的磁通量发生变化，会产生感应电流，故探测器采用了电磁感应原理中的涡流的原理；变压器采用了电磁互感原理，要防止涡流，故 A 错误；日光灯的镇流器采用的是线圈的自感现象，与涡流无关，故 B 错误；电磁炉中，将炉子中的线圈通以交变电流，线圈将产生变化的磁场，该磁场穿过铁质锅时，在锅底的部分将产生涡流，所以电磁炉的原理与金属探测器工作原理相似，故 C 正确；直流电动机是通电导体在磁场中受力，与涡流无关，故 D 错误。5.（多选）涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示，线圈中通以一定
27、频率的正弦交流电，靠近待测工件时，工件内会产生涡流，同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法中正确的是（）A涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化B涡流的频率等于通入线圈的交流电频率C通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力D待测工件可以是塑料或橡胶制品【解析】选 A、B、C。根据楞次定律得知：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，故涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化，故 A 项正确；感应电流的频率与原电流的频率是相同的，涡流的频率等于通入线圈的交流电频率，故 B 项正确；因为线圈交流电是周期变化的，故在工件中引起的交流电也是周期性变化的，可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力，故 C 项正确；电磁感应只能发生在金属物体上，故待测工件只能是金属制品，故 D 项错误。
