【同步讲义】（人教版2019）高中物理选修第二册--2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动 讲义

2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动

基础导学

要点一、涡流

1．定义

由于电磁感应，在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流．

2．特点

若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量很多．

3．对涡流的理解

(1)本质：电磁感应现象．

(2)条件：穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身构成闭合回路．

(3)特点：整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大，故金属块的发热功率很大．

4．应用

(1)涡流热效应的应用：如真空冶炼炉．

(2)涡流磁效应的应用：如探雷器、安检门．

5．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．

(1)途径一：增大铁芯材料的电阻率．

(2)途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯．

要点二、电磁阻尼和电磁驱动

1．电磁阻尼

(1)定义：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)定义：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的现象．

(2)应用：交流感应电动机．

要点突破

突破一：对涡流的成因及涡流中的能量转化

1．涡流产生的条件

涡流的本质是电磁感应现象，涡流产生条件是穿过金属块的磁通量发生变化．并且金属块本身可自行构成闭合回路．同时因为整个导体回路的电阻一般很小，所以感应电流很大，就像水中的漩涡．

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．能量变化

伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能并最终在金属块中转化为内能．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；如果金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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．

4．涡流的利与弊

(1)利：利用涡流原理可制成感应炉来冶炼金属；利用涡流可制成磁电式、感应式电工仪表；电能表中的阻尼器也是利用涡流原理制成的．

(2)弊：在电机、变压器等设备中，由于涡流存在，产生附加损耗，同时磁场减弱造成电器设备效率降低．

突破二：电磁阻尼与电磁驱动的理解

1．电磁驱动的原因分析

当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化，例如线圈处于如图所示的初始状态时，穿过线圈的磁通量为零，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来．

楞次定律的一种理解是阻碍相对运动，从而阻碍磁通量的增加，磁铁转动时，相对于线圈转动，所以线圈也同方向转动，从而“阻碍”这种相对运动，电磁驱动也可以用楞次定律来解释．

2．电磁阻尼与电磁驱动的区别

典例精析

题型一：对涡流现象的理解与分析

例一．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：　逐项分析如下

答案：　ABC

变式迁移1：如图所示，光滑金属球从高h的曲面滚下，又沿曲面的另一侧上升，设金属球初速度为零，曲面光滑，则(　　)

A．若是匀强磁场，球滚上的高度小于h

B．若是匀强磁场，球滚上的高度等于h

C．若是非匀强磁场，球滚上的高度等于h

D．若是非匀强磁场，球滚上的高度小于h

解析：　若是匀强磁场，则穿过球的磁通量不发生变化，球中无涡流，机械能没有损失，故球滚上的高度等于h，选项A错B对．若是非匀强磁场，则穿过球的磁通量发生变化，球中有涡流产生，机械能转化为内能，故球滚上的高度小于h，选项C错D对．

答案：　BD

题型二：对电磁驱动以及电磁阻尼的理解以及应用

例二．如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以自由绕OO′轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接触．当磁铁绕轴转动时，铜盘将(　　)

A．以相同的转速与磁铁同向转动

B．以较小的转速与磁铁同向转动

C．以相同的转速与磁铁反向转动

D．静止不动

解析：　因磁铁的转动，引起铜盘中磁通量发生变化而产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，线圈中能产生电流的条件必须是磁通量发生变化．故要求线圈转动方向与磁铁相同而转速小，不能同步转动，所以正确选项是B.

答案：　B

变式迁移2：如图所示，条形磁铁用细线悬挂在O点．O点正下方固定一个水平放置的铝线圈．让磁铁在竖直面内摆动，下列说法中正确的是(　　)

A．磁铁左右摆动一次，线圈内感应电流的方向改变2次

B．磁铁始终受到感应电流磁场的斥力作用

C．磁铁所受到的感应电流对它的作用力始终是阻力

D．磁铁所受到的感应电流对它的作用力有时是阻力有时是动力

解析：　磁铁向下摆动时，根据楞次定律，线圈中产生逆时针方向感应电流(从上面看)，并且磁铁受到感应电流对它的作用力为阻力，阻碍它靠近；磁铁向上摆动时，根据楞次定律，线圈中产生顺时针方向感应电流(从上面看)，磁场受感应电流对它的作用力仍为阻力，阻碍它远离，所以磁铁在左右摆动一次过程中，电流方向改变3次，感应电流对它的作用力始终是阻力，只有C项正确．

答案：　C

强化训练

一、选择题

1、以下为教材中的四幅图，下列相关叙述错误的是（　　）

A．甲图是法拉第电磁感应实验，奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第根据对称性思想，做了如上实验发现了磁生电的现象

B．乙图是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，线圈产生大量热量，从而冶炼金属

C．丙图是无轨电车电车在行驶过程中由于车身颠簸电弓和电网之间容易闪现电火花，这是由于车弓脱离电网产生自感电动势使空气电离

D．丁图是电吉他中电拾音器的基本结构金属弦被磁化，弦振动过程中线圈中会产生感应电流从而使音箱发声。如果选用铜质弦，电吉他不能正常工作

【答案】B

【解析】

A．甲图是法拉第电磁感应实验，奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第根据对称性思想，做了如上实验发现了磁生电的现象，故A不符题意；

B．真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，是炉内的金属产生涡流，在电的热效应下，产生热量，熔化金属（自己烧自己），故B符合题意；

C．丙图是无轨电车电车在行驶过程中由于车身颠簸电弓和电网之间容易闪现电火花，这是由于车弓脱离电网产生自感电动势使空气电离，故C不符题意；

D．丁图是电吉他中电拾音器的基本结构金属弦被磁化，弦振动过程中线圈中会产生感应电流从而使音箱发声。如果选用铜质弦，电吉他不能正常工作，故D不符题意；

故选B。

2、关于涡流、电磁阻尼、电磁驱动，下列说法不正确的是（　　）

A．电磁炉利用电磁阻尼工作，录音机在磁带上录制声音利用电磁驱动工作

B．真空冶炼炉熔化金属是利用了涡流

C．金属探测器应用于安检场所，探测器利用了涡流的原理

D．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

【答案】A

【解析】

A．电磁炉利用涡流工作，录音机在磁带上录制声音利用了电流的磁效应，故A错误；

B．真空冶炼炉熔化金属是利用了涡流，故B正确；

C．金属探测器应用于安检场所，探测器利用了涡流的原理，故C正确；

D．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，故D正确。

本题选不正确的，故选A。

3、雅礼中学99级校友阳萌发现不同系统的智能手机都有其各自的充电器，且不能通用。阳萌和他的团队花了一年多时间研发出一种带有万能芯片可以自动识别不同系统智能手机的充电器Anker，其中有一款产品支持无线充电技术，该技术使用的是以下哪一种物理原理（　　）

A．电流热效应 B．电磁感应

C．静电感应 D．霍尔效应

【答案】B

【详解】

无线充电是指利用电磁感应原理进行充电的设备，在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接交流电源产生变化磁场，接收端线圈因为磁通量变化从而产生电流给电池充电。

故选B。

4、安检门原理图如图所示，左边门框中有一通电线圈，右边门框中有一接收线圈。若工作过程中某段时间内通电线圈中存在顺时针方向（左视图）均匀增大的电流，则下列说法正确的是（电流方向判断均从左向右观察）（　　）

A．有金属片通过时，金属片中会感应出涡流

B．有金属片通过时，接收线圈中的感应电流的方向可能改变

C．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流的方向为顺时针

D．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流可能逐渐减小

【答案】A

【详解】

A．通电线圈中的电流均匀增大，则产生的磁场均匀增大，有金属片通过时，穿过金属片中的磁通量均匀增大，金属片中会感应出涡流，故A正确；

B．金属片中涡流的磁场与通电线圈中产生的磁场方向相反，虽然会对接收线圈中磁通量的增大有一定的阻碍作用，但不能阻止接收线圈中磁通量增大，所以接收线圈中的感应电流的方向不会改变，故B错误；

CD．无金属片通过时，接收线圈中的磁通量由左向右均匀增大，根据楞次定律可知感应电流的方向为逆时针，根据法拉第电磁感应定律可知接收线圈中的感应电动势不变，感应电流不变，故CD错误。

故选A。

5、以下为教材中的四幅图，下列相关叙述错误的是（　　）

A．甲图是法拉第电磁感应实验，奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第根据对称性思想，做了如上实验发现了磁生电的现象

B．乙图是真空治炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，线圈产生大量热量，从而冶炼金属

C．丙图是金属探测器。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会产生涡流

D．丁图是电吉他中电拾音器的基本结构，金属弦被磁化，弦振动过程中线圈中会产生感应电流，从而使音箱发声。如果选用铜质弦，电吉他不能正常工作

【答案】B

【详解】

A．奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了“磁生电”，故A正确；

B．真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，是炉内的金属产生涡流，在电的热效应下，产生热量，熔化金属，故B错误；

C．丙图是金属探测器。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会产生涡流，故C正确；

D．电吉他的拾音器由磁铁和线圈组成，钢弦被磁化，弹动钢弦，相当于线圈做切割磁感线运动，在线圈中就会产生对应的音频电流，电流经放大后通过音箱，我们就听到了声音，而铜不可以被磁化，则选用铜质弦，电吉他不能正常工作，故D正确。

本题选择错误的，故选B。

6、如图所示，条形磁铁用细线悬挂于O点，一金属圆环放置在O点正下方的水平绝缘桌面上。现将磁铁拉至左侧某一高度后由静止释放，磁铁在竖直面内摆动，在其第一次摆至右侧最高点的过程中，圆环始终静止。则下列说法正确的是（　　）

A．磁铁始终受到圆环的斥力作用

B．圆环中的感应电流方向保持不变

C．磁铁从左到右经过竖直线两侧位置时，桌面对圆环的摩擦力方向相反

D．磁铁在O点两侧最高点的重力势能不相等

【答案】D

【解析】A．由楞次定律推论可知，磁铁靠近圆环时受到斥力作用，远离圆环时受到引力作用，A错误；

B．磁铁由释放到第一次运动到右侧最高点的过程中，穿过圆环的磁通量先增大后减小，由于穿过圆环的磁场方向不变，而磁通量的变化趋势发生了改变，因此感应电流的方向发生变化，B错误；

C．根据楞次定律，磁铁从左到右经过竖直线两侧位置时，圆环都有向右滑动的趋势，故桌面对圆环的摩擦力方向均向左，C错误；

D．由楞次定律推论可知，感应电流总是阻碍磁铁与圆环之间的相对运动，感应电流对磁铁的作用力总是阻力，因此磁铁在右侧的最高点比释放点低，则磁铁在两侧最高点的重力势能不相等，D正确。

7、电磁炉又名电磁灶（图1），它无须明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。图2是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是（　　）

A．电磁炉通电线圈加直流电，电流越大，电磁炉加热效果越好

B．电磁炉原理是通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作

C．在锅和电磁炉中间放一绝缘物质，电磁炉不能起到加热作用

D．电磁炉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

【答案】B

【解析】A．电磁炉通电线圈加直流电，会产生恒定磁场，穿过锅底的磁通量不会发生变化，不能产生涡流，所以没有加热效果，故A错误；

B．电磁炉的原理是磁场感应涡流加热，即利用交变电流通过线圈产生交变磁场，所以电磁炉通过线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，故B正确；

C．在锅和电磁炉中间放一绝缘物质，不会影响涡流的产生，因此不会影响电磁炉的加热作用，故C错误；

D．金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，不会产生涡流，而不是因为导热性能较差，故D错误。

8、磁电式电流表是常用的电学实验器材。如图所示，电表内部由线圈、磁铁极靴、圆柱形.软铁螺旋弹簧等构成。下列说法正确的是（　　）

A．极靴与圆柱形软铁之间为匀强磁场.

B．当线圈中电流方向改变时，线圈受到的安培力方向不变

C．通电线圈通常绕在铝框上，主要因为铝的电阻率小，可以减小焦耳热的产生

D．在运输时.通常把正、负极接线柱用导线连在一起，是应用了电磁阻尼的原理

【答案】D

【详解】

A．极靴与圆柱间的磁场是均匀地辐向分布，并不是匀强磁场，故A选项错误；

B．当线圈中电流方向改变时，磁场方向不变，所以线圈受到的安培力方向发生改变，故B选项错误；

C．用金属铝做线圈框架，主要的原因有：1、铝不导磁，用铝做框架可以减小对磁场的影响，保证仪表的准确性更高。2、铝材料较轻、电阻率较小，能更好地利用电磁阻尼现象，使指针迅速停下来。故C选项错误；

D．运输过程中由于振动会使指针不停摆动，可能会使指针损坏。将接线柱用导线连在一起，相当于把表的线圈电路组成闭合回路，在指针摆动过程中线圈切割磁感线产生感应电流，利用电磁阻尼原理，阻碍指针摆动，防止指针因撞击而变形，故D选项正确。

故选D。

9、车速表是用来测量车辆瞬时速度的一种装置，其工作原理如图所示。永久磁铁固定在驱动轴上，当车运动时，驱动轴会带动磁铁转动，由于电磁感应，由金属做成的速度盘也会随之转动，从而带动指针指示出相应的速度。则下列说法正确的是转动，从而带动指针指示出相应的速度。则下列说法正确的是（　　）

A．速度盘和磁铁将以相同的角速度同时转动

B．在速度盘转动过程中，穿过整个速度盘的磁通量发生了变化

C．速度盘中产生的感应电流受到的安培力驱使速度盘转动

D．速度盘中的感应电流是速度盘中的自由电子随圆盘转动形成的

【答案】C

【详解】

A．当磁铁转动时，由于电磁感应，速度盘也会随磁铁发生转动，但会略有滞后，故A错误；

B．在速度盘转动的过程中，穿过整个速度盘的磁通量不发生变化，故B错误；

C．当磁铁转动时，在速度盘中会产生感应电流，感应电流在磁铁产生的磁场中受到安培力，安培力驱使速度盘转动，故C正确；

D．速度盘中的感应电流是由电磁感应产生的，不是速度盘中的自由电子随圆盘转动形成的，故D错误。

故选C。

10、四川三星堆新发现6个祭祀坑。挖掘之前考古人员用图示金属探测器在地面上进行探测定位，探测器中的发射线圈产生磁场，在地下的被测金属物中感应出电流，感应电流的磁场又影响线圈中的电流，使探测器发出警报。则（　　）

A．发射线圈产生的磁场是恒定磁场

B．被测金属物中产生的电流是恒定电流

C．探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱无关

D．探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报

【答案】D

【详解】

A．探测器中的发射线圈产生磁场，在地下的被测金属物中感应出电流，所以发射线圈产生的磁场是变化的磁场。A错误；

B．感应电流的磁场又影响线圈中的电流，说明感应电流产生的磁场是变化的，在线圈中又产生了感应电流，从而发出警报。B错误；

C．探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱有关。发射线圈中的电流越强，其产生的磁场也越强，其探测的深度越就越深。C错误；

D．因为探测器产生的磁场是变化的，所以探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报。D正确。

故选D。