第3節(jié) 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)

第3節(jié)渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)了解感生電場(chǎng)，知道感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因。(2)了解渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的概念。(3)了解渦流現(xiàn)象的利用和危害?？茖W(xué)思維(1)會(huì)判斷感生電動(dòng)勢(shì)的方向，并會(huì)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。(2)通過(guò)對(duì)渦流實(shí)例的分析，理解渦流在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。科學(xué)探究觀察電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的原理?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任通過(guò)對(duì)本節(jié)的學(xué)習(xí)，能體會(huì)電磁感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展的影響。一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)1．感生電場(chǎng)：磁場(chǎng)_____時(shí)在空間激發(fā)的一種電場(chǎng)。2．感生電動(dòng)勢(shì)：由_________產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。3．感應(yīng)電場(chǎng)的方向：與所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向相同，可由楞次定律判斷。(1)靜電場(chǎng)是由電荷激發(fā)而產(chǎn)生的，感生電場(chǎng)是由變化的磁場(chǎng)激發(fā)而產(chǎn)生的。(2)靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線不是閉合的，而感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合的。

變化感生電場(chǎng)二、渦流1．定義當(dāng)某線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，由于電磁感應(yīng)，這個(gè)線圈附近的任何導(dǎo)體，如果穿過(guò)它的磁通量發(fā)生變化，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的像水中的漩渦狀的_____電流。2．應(yīng)用(1)渦流熱效應(yīng)：真空冶煉爐、電磁爐等。(2)渦流磁效應(yīng)：探雷器、安檢門等。3．防止電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備中應(yīng)防止鐵芯中渦流過(guò)大而導(dǎo)致浪費(fèi)能量，損壞電器。(1)途徑一：增大鐵芯材料的________，常用的鐵芯材料是硅鋼。(2)途徑二：用相互絕緣的_______疊成的鐵芯代替整塊硅鋼鐵芯。感應(yīng)電阻率硅鋼片三、電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)1．電磁阻尼(1)概念：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到________，安培力總是_____導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：①磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針迅速停止到某位置，便于讀數(shù)。②在運(yùn)輸靈敏電流表時(shí)用______把兩個(gè)接線柱連在一起，以阻礙表針擺動(dòng)。2．電磁驅(qū)動(dòng)(1)概念：磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生__________，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。安培力阻礙導(dǎo)線感應(yīng)電流(1)電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼都遵循楞次定律。(2)電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼都是通過(guò)感應(yīng)電流受到安培力，安培力做功引起能量的轉(zhuǎn)化。

1．如圖所示為電子感應(yīng)加速器，請(qǐng)描述一下它的原理。提示：電子在真空室內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，線圈中變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生環(huán)形的感生電場(chǎng)，感生電場(chǎng)使電子加速。2．如圖是用渦電流金屬探測(cè)器探測(cè)地下金屬物的示意圖。判斷下列說(shuō)法的正誤。(1)探測(cè)器內(nèi)的探測(cè)線圈會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。

()(2)探測(cè)器只能探測(cè)到有磁性的金屬物。

()(3)探測(cè)器能探測(cè)到地下的金屬物是因?yàn)樘筋^中產(chǎn)生了渦電流。

()√××3．思考：磁力剎車是游樂(lè)場(chǎng)中過(guò)山車采用的一種新型剎車裝置，工作效應(yīng)比靠摩擦力剎車更穩(wěn)定，如圖為該新型裝置的原理圖(從后面朝前看)：過(guò)山車的兩側(cè)裝有銅片，停車區(qū)的軌道兩側(cè)裝有強(qiáng)力磁鐵，當(dāng)過(guò)山車進(jìn)入停車區(qū)時(shí)銅片與磁鐵的相互作用能使過(guò)山車很快停下來(lái)。這種剎車裝置的原理是什么？提示：這種剎車裝置是電磁阻尼的一種應(yīng)用。新知學(xué)習(xí)(一)|感生電場(chǎng)和感生電動(dòng)勢(shì)[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖，一個(gè)閉合電路靜止于磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)強(qiáng)弱的變化，閉合電路內(nèi)產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，你知道原理嗎？提示：導(dǎo)體中的自由電荷在感生電場(chǎng)作用下做定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。

[重點(diǎn)釋解]磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)感生電場(chǎng)，處在感生電場(chǎng)中的閉合導(dǎo)體中的自由電荷在靜電力的作用下定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，或者說(shuō)，導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由感生電場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫作感生電動(dòng)勢(shì)。1．電路中電源電動(dòng)勢(shì)是非靜電力對(duì)自由電荷的作用。在電池中，這種力表現(xiàn)為化學(xué)作用。2．感生電場(chǎng)對(duì)電荷產(chǎn)生的力，相當(dāng)于電源內(nèi)部的所謂的非靜電力。感生電動(dòng)勢(shì)在電路中的作用就是電源。[典例體驗(yàn)][典例]如圖所示的是一個(gè)水平放置的玻璃圓環(huán)形小槽，槽內(nèi)光滑，槽寬度和深度處處相同?，F(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，讓它獲得一初速度v0，與此同時(shí)，有一變化的磁場(chǎng)垂直穿過(guò)玻璃圓環(huán)形小槽外徑所對(duì)應(yīng)的圓面，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小跟時(shí)間成正比例增大，方向豎直向下。設(shè)小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電荷量不變，則

(

)A．小球受到的向心力大小不變B．小球受到的向心力大小不斷增大C．洛倫茲力對(duì)小球做了功D．小球受到的洛倫茲力大小與時(shí)間成正比[解析]當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間均勻增大時(shí)，將產(chǎn)生一恒定的感生電場(chǎng)，由楞次定律知，電場(chǎng)方向和小球速度方向相同，因小球帶正電，電場(chǎng)力對(duì)小球做正功，小球速度逐漸增大，向心力也隨著增大，A錯(cuò)誤，B正確；洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷(小球)不做功，C錯(cuò)誤；小球所受洛倫茲力F＝qBv，隨著速率的增大而增大，同時(shí)B∝t，則F和t不成正比，D錯(cuò)誤。[答案]

B[針對(duì)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于感生電場(chǎng)，下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．感生電場(chǎng)由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生B．恒定的磁場(chǎng)也能在周圍空間產(chǎn)生感生電場(chǎng)C．感生電場(chǎng)的方向可以用楞次定律來(lái)判定D．感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合曲線，其方向一定是沿逆時(shí)針?lè)较蚪馕觯捍艌?chǎng)變化時(shí)在空間激發(fā)感生電場(chǎng)，其方向與所產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向相同，可由楞次定律判斷，A、C正確，B、D錯(cuò)誤。答案：AC2．(2022·青島高二檢測(cè))如圖所示，一個(gè)帶正電的粒子在垂直于勻強(qiáng)

磁場(chǎng)的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時(shí)，此粒子的

動(dòng)能將

(

)A．不變

B．增加C．減少

D．以上情況都有可能解析：當(dāng)磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，將產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻碾妶?chǎng)，帶正電的粒子將受到這個(gè)電場(chǎng)對(duì)它的電場(chǎng)力的作用，動(dòng)能增大，B正確。答案：B

3．某空間出現(xiàn)了如圖所示的一組閉合電場(chǎng)線，方向從上向下看是順

時(shí)針的，這可能是原磁場(chǎng)

(

)A．沿AB方向且在迅速減弱B．沿AB方向且在迅速增強(qiáng)C．沿BA方向且恒定不變D．沿BA方向且在迅速減弱解析：感生電場(chǎng)的方向從上向下看是順時(shí)針的，假設(shè)在平行于感生電場(chǎng)的方向上有閉合回路，則回路中的感應(yīng)電流方向從上向下看也是順時(shí)針的，由右手螺旋定則可知，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向下，根據(jù)楞次定律可知，原磁場(chǎng)有兩種可能：原磁場(chǎng)沿AB方向且在迅速減弱，或原磁場(chǎng)沿BA方向且在迅速增強(qiáng)，A正確。答案：A[答案]

D[拓展]對(duì)應(yīng)[典例]中的情境，若虛線下方的磁場(chǎng)為非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則金屬塊在曲面上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱總量是多少？/方法技巧/(1)金屬塊進(jìn)出勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生焦耳熱，損失機(jī)械能。(2)金屬塊整體在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其機(jī)械能不再損失，在磁場(chǎng)中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。(3)金屬塊整體在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬塊內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，金屬塊的機(jī)械能仍轉(zhuǎn)化為電能。[針對(duì)訓(xùn)練]1．某手持式考試金屬探測(cè)器如圖所示，它能檢查出考生違規(guī)攜帶的電子

通信儲(chǔ)存設(shè)備。工作時(shí)，探測(cè)環(huán)中的發(fā)射線圈通以正弦式電流，附近

的被測(cè)金屬物中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)影響探測(cè)器線

圈中的電流，使探測(cè)器發(fā)出警報(bào)。則

(

)A．被測(cè)金屬物中產(chǎn)生的是恒定電流B．被測(cè)金屬物中產(chǎn)生的是交變電流C．探測(cè)器與被測(cè)金屬物相對(duì)靜止時(shí)不能發(fā)出警報(bào)D．違規(guī)攜帶的手機(jī)只有發(fā)出通信信號(hào)時(shí)才會(huì)被探測(cè)到解析：工作中的探測(cè)器靠近金屬物體時(shí)，在金屬物體中就會(huì)產(chǎn)生渦流，這種渦流是交變電流，A錯(cuò)誤，B正確；根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，探測(cè)器產(chǎn)生的是變化的磁場(chǎng)，使靠近的金屬物體產(chǎn)生渦流，探測(cè)器與被測(cè)金屬物相對(duì)靜止時(shí)也能發(fā)出警報(bào)，C錯(cuò)誤；探測(cè)器的工作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，和手機(jī)是否發(fā)出通信信號(hào)無(wú)關(guān)，D錯(cuò)誤。答案：B

2．電磁爐熱效率高達(dá)90%，爐面無(wú)明火，無(wú)煙無(wú)廢氣，

“火力”強(qiáng)勁，安全可靠，如圖所示是描述電磁爐

工作原理的示意圖，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．當(dāng)恒定電流通過(guò)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，恒定磁場(chǎng)越強(qiáng)，電磁爐加熱效果越好B．在鍋和電磁爐中間放一紙板，則電磁爐不能起到加熱作用C．電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要原因是這些材料的導(dǎo)熱性能較差D．電磁爐通電線圈加變化的電流后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱工作解析：鍋體中的渦流是由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的，所加的電流是變化的電流，不是恒定的電流，A錯(cuò)誤，D正確；在鍋和電磁爐中間放一紙板，不會(huì)影響電磁爐的加熱作用，B錯(cuò)誤；金屬鍋?zhàn)陨懋a(chǎn)生無(wú)數(shù)小渦流而直接加熱鍋，陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋屬于絕緣材料，里面不會(huì)產(chǎn)生渦流，C錯(cuò)誤。答案：D3．(選自滬科版教材課后練習(xí))強(qiáng)大的渦電流在金屬內(nèi)流動(dòng)時(shí)，

會(huì)釋放大量的熱能。工業(yè)上利用這種熱效應(yīng)，制成高頻電磁

感應(yīng)電爐來(lái)冶煉金屬，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。請(qǐng)分析它的

工作原理。

提示：線圈中的高頻電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流——渦流，渦流產(chǎn)生熱效應(yīng)來(lái)冶煉金屬。(2)當(dāng)金屬框始終受到Ff＝1N的阻力時(shí)，金屬框的最大速度是多少？(3)當(dāng)金屬框始終受到Ff＝1N的阻力時(shí)，要使金屬框維持最大速度，每秒鐘需消耗多少能量？這些能量是誰(shuí)提供的？[解析]

(1)因?yàn)榇艌?chǎng)向右運(yùn)動(dòng)，金屬框相對(duì)于磁場(chǎng)向左運(yùn)動(dòng)，于是金屬框ad、bc兩邊切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)金屬框在題圖中實(shí)線位置時(shí)，由右手定則知，產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻碾娏?，金屬框受到向右的安培力作用，所以金屬框跟隨勻強(qiáng)磁場(chǎng)向右運(yùn)動(dòng)。如果金屬框處于題圖中虛線位置，則產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流，由左手定則知，金屬框所受安培力方向仍然是水平向右的，故只要兩者處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，金屬框就始終受到向右的安培力作用。金屬框開(kāi)始時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)(對(duì)地)，受安培力作用后，向右做加速運(yùn)動(dòng)，若金屬框不受阻力，當(dāng)速度增大到5m/s時(shí)，金屬框相對(duì)磁場(chǎng)靜止，做勻速運(yùn)動(dòng)。[答案]

(1)見(jiàn)解析(2)1.875m/s

(3)5J由磁場(chǎng)提供的[系統(tǒng)歸納]電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的對(duì)比分析

電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)不同點(diǎn)成因由于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力由于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力效果安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體受安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相同，推動(dòng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)體克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能由于電磁感應(yīng)，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能，從而對(duì)外做功相同點(diǎn)兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都遵循楞次定律，都是安培力阻礙引起感應(yīng)電流的導(dǎo)體與磁場(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[針對(duì)訓(xùn)練]1．很多相同的絕緣銅圓環(huán)沿豎直方向疊放，形成一很長(zhǎng)的豎直圓筒。一條形磁鐵沿圓筒的中心軸豎直放置，其下端與圓筒上端開(kāi)口平齊。讓條形磁鐵從靜止開(kāi)始下落。條形磁鐵在圓筒中的運(yùn)動(dòng)速率

(

)A．均勻增大B．先增大，后減小C．逐漸增大，趨于不變D．先增大，再減小，最后不變解析：條形磁鐵在下落過(guò)程中，絕緣銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致條形磁鐵做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，故其速率逐漸增大，最后趨于不變，C正確，A、B、D錯(cuò)誤。答案：C

2．(多選)位于光滑水平面的小車上放置一螺線管，一個(gè)比螺線管長(zhǎng)的條形磁鐵沿著螺線管的軸線水平穿過(guò)，如圖所示，在此過(guò)程中

(

)A．磁鐵受到螺線管水平向右的力的作用B．磁鐵受到螺線管水平向左的力的作用C．小車向右做加速運(yùn)動(dòng)D．小車先加速后減速解析：磁鐵水平穿過(guò)螺線管時(shí)，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電磁阻尼并結(jié)合牛頓第三定律，整個(gè)過(guò)程中，磁鐵受到螺線管水平向左的力的作用，B正確；對(duì)于小車上的螺線管，在此過(guò)程中，螺線管會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電磁驅(qū)動(dòng)，使小車向右運(yùn)動(dòng)起來(lái)，在磁鐵穿過(guò)螺線管過(guò)程中，小車一直向右做加速運(yùn)動(dòng)，C正確。答案：BC

一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——渦流1．(選自魯科版教材“迷你實(shí)驗(yàn)室

”)如圖所示，在一個(gè)繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上面放一口小鐵鍋，鍋內(nèi)放少許水，給線圈通入一段時(shí)間(通電時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng))的交變電流；再用玻璃杯代替小鐵鍋，通入相同時(shí)間的交變電流。鐵鍋和玻璃杯中的水溫變化有什么不同？為什么？解析：鐵鍋中的水溫明顯升高，因?yàn)橥ㄈ虢蛔冸娏鲿r(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是變化的，因鐵鍋是導(dǎo)體，鐵鍋中產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高，而玻璃是絕緣體，玻璃杯中無(wú)渦流產(chǎn)生，杯中水溫不變。答案：見(jiàn)解析

科學(xué)思維——對(duì)電磁阻尼的理解2．(選自魯科版教材課后練習(xí))如圖所示，有一個(gè)銅盤，輕輕撥

動(dòng)它，能長(zhǎng)時(shí)間地繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。如果在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)把U形磁鐵放

在銅盤邊緣，但并不與銅盤接觸，則銅盤

(

)A．不受影響，和原先一樣轉(zhuǎn)動(dòng)B．很快停下來(lái)C．比原先需要更長(zhǎng)時(shí)間停下來(lái)D．比原先更快地轉(zhuǎn)動(dòng)解析：銅盤由于受到電磁阻尼的作用而很快停下來(lái)，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案：B

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——渦流在日常生活中的應(yīng)用3．(選自魯科版教材課后練習(xí))(多選)如圖所示，電磁爐是利

用感應(yīng)電流(渦流)的加熱原理工作的。下列關(guān)于電磁爐的說(shuō)

法，正確的是

(

)A．電磁爐面板采用陶瓷材料，發(fā)熱部分為鐵鍋底部B．電磁爐面板采用金屬材料，通過(guò)面板發(fā)熱加熱鍋內(nèi)食品C．電磁爐可用陶瓷器皿作為鍋具對(duì)食品加熱D．可通過(guò)改變電子線路的頻率來(lái)改變電磁爐的功率解析：電磁爐面板為陶瓷材料，發(fā)熱部分為鐵鍋底部，電磁爐不能對(duì)陶瓷器皿加熱，A正確，B、C錯(cuò)誤；電流頻率越大，產(chǎn)生的渦流越強(qiáng)，D正確。答案：AD

二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．(多選)圖甲為磁控健身車，圖乙為其車輪處結(jié)構(gòu)示意圖，在金屬飛輪的外側(cè)有一些磁鐵(與飛輪不接觸)，人用力蹬車帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鐵會(huì)對(duì)飛輪產(chǎn)生阻礙作用，拉動(dòng)旋鈕拉線可以改變磁鐵與飛輪間的距離。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．飛輪受到的阻力主要來(lái)源于磁鐵對(duì)它的安培力B．飛輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，磁鐵越靠近飛輪，飛輪受到的阻力越小C．磁鐵和飛輪間的