人教版高中物理舉一反三-選擇性必修二2.3渦流、電磁阻尼和電磁驅動（解析版）

2.3渦流、電磁阻尼和電磁驅動解析版1.感生電場19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋在他的電磁場理論中指出：磁場變化時能在周圍空間激發(fā)電場，這種電場與靜電場不同，它不是由電荷產生的，我們把它叫作感生電場。2.感生電動勢磁場變化時會在周圍空間激發(fā)感生電場，處在感生電場中的閉合導體中的自由電荷在感生電場的作用下做定向移動，產生感應電流，或者說，導體中產生了感應電動勢。由感生電場產生的電動勢叫作感生電動勢。(1)感生電動勢的大小可由法拉第電磁感應定律求解，公式為E=nΔΦΔt(2)感生電動勢的方向與感生電場的方向相同，與感應電流的方向相同。二、渦流概念由于電磁感應，在導體中產生的像水中的漩渦的感應電流特點整塊金屬的電阻很小，渦流往往很強，產生的熱量很多應用(1)渦流熱效應的應用：如真空冶煉爐。(2)渦流磁效應的應用：如探雷器、安檢門防止電動機、變壓器等設備中應防止鐵芯中渦流過大而導致浪費能量，損壞電器。途徑一：增大鐵芯材料的電阻率；途徑二：用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯代替整塊硅鋼鐵芯塊狀金屬在勻強磁場中運動時，穿過金屬塊的磁通量不變，金屬塊中不產生渦流。三、電磁阻尼概念當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體運動的現象應用磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針迅速停止擺動，便于讀數四、電磁驅動概念磁場相對于導體轉動時，導體中產生感應電流，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來，這種作用常常稱為電磁驅動應用交流感應電動機如圖所示，轉動手柄時，蹄形磁體轉動，穿過鋁框的磁通量發(fā)生變化，根據楞次定律可知，此時鋁框中有感應電流產生，以阻礙磁通量的變化，因而鋁框就隨磁體的轉動而轉動，轉動方向與磁體的轉動方向相同，但一定比磁體轉動得慢一些。五、對渦流的理解1.渦流的本質渦流的本質是由于電磁感應而產生的感應電流，與一般導體或線圈的最大區(qū)別是金屬塊內自成閉合回路，但它同樣遵循法拉第電磁感應定律。2.產生渦流的兩種情況(1)把金屬塊放在變化的磁場中；(2)讓金屬塊進出磁場或者在非勻強磁場中運動。3.能量變化伴隨著渦流現象，其他形式的能轉化成電能，并最終在金屬塊中轉化為內能。(1)如果把金屬塊放在變化的磁場中，則磁場能轉化為電能并最終轉化為內能。(2)如果讓金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉化為電能并最終轉化為內能。六、電磁阻尼和電磁驅動電磁阻尼電磁驅動不同點成因導體在磁場中運動引起磁通量的變化而產生感應電流，從而使導體受到安培力磁場運動引起磁通量的變化而產生感應電流，從而使導體受到安培力效果導體所受安培力的方向與導體運動方向相反，阻礙導體運動導體所受安培力的方向與導體運動方向相同，推動導體運動不同點能量轉化導體克服安培力做功，其他形式的能轉化為電能，最終轉化為內能由于電磁感應，磁場能轉化為電能，通過安培力做功，電能轉化為導體的機械能，從而對外做功相同點兩者都是電磁感應現象，都是安培力阻礙引起感應電流的導體與磁場間的相對運動電磁阻尼、電磁驅動現象中安培力的效果是阻礙相對運動。電磁驅動中導體的運動速度要小于磁場的運動速度。【渦流、電磁阻尼和電磁驅動舉一反三練習】1．（多選）關于渦流、電磁阻尼、電磁驅動，下列說法正確的是（）A．電磁爐利用電磁阻尼工作，錄音機在磁帶上錄制聲音利用電磁驅動工作B．真空冶煉爐熔化金屬是利用了渦流C．金屬探測器應用于安檢場所，探測器利用了渦流的原理D．磁電式儀表中用來做線圈骨架的鋁框能起電磁阻尼的作用【答案】BCD【詳解】A．電磁爐利用渦流工作，錄音機在磁帶上錄制聲音利用了電流的磁效應工作，故A錯誤；B．真空冶煉爐熔化金屬是利用了渦流，故B正確；C．金屬探測器應用于安檢場所，探測器利用了渦流的原理，故C正確；D．磁電式儀表中用來做線圈骨架的鋁框能起電磁阻尼的作用，故D正確；故選BCD。2．（多選）金屬冶煉爐的示意圖如圖。爐內裝入被冶煉的金屬，線圈通入某種電流，這時被冶煉的金屬就能熔化，這種冶煉方法速度快，溫度容易控制，并能避免有害雜質混入被冶煉金屬中，因此適于冶煉特種金屬。有關該金屬冶煉爐，下列說法正確的是（）

A．利用線圈中電流的熱效應B．利用變化的電流在金屬中產生的電流的熱效應C．電流變化得越快，金屬熔化得越快D．爐中金屬的電阻率越大，金屬熔化得越快【答案】BC【詳解】AB．依據產生渦流的條件，線圈中應通入變化的電流，該電流產生變化的磁場，才會在金屬中產生渦流從而使金屬熔化，故A錯誤，B正確；CD．根據法拉第電磁感應定律可知，電流變化越快、金屬的電阻率越小，在金屬中產生的感應電流就越大，金屬熔化得就越快，故C正確，D錯誤。故選BC。3．電磁感應現象在生產、生活及科學研究中有著廣泛的應用，下列說法正確的是（）A．電磁爐利用變化的磁場使食物中的水分子形成渦流來對食物加熱B．當金屬探測器在探測到金屬時，會在探測器內部產生禍流，致使蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲C．微安表等磁電式儀表在運輸時需要把正負接線柱短接，防止損壞，利用的電磁阻尼原理D．變壓器的鐵芯通常用涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊合而成主要是為了減小鐵芯的電阻率，進而增大在鐵芯中產生的渦流【答案】C【詳解】A．電磁爐是通過鐵鍋產生渦流來加熱食物的，而不是食物形成渦流，故A錯誤；B．金屬探測器利用電磁感應的原理，利用有交流電通過的線圈，產生迅速變化的磁場，這個磁場能在金屬物體內部產生渦流，渦流又會產生磁場，倒過來影響原來的磁場，引發(fā)探測器發(fā)出鳴聲，故B錯誤；C．微安表在運輸時需要把正負接線柱短接，鋁框做骨架，當線圈在磁場中轉動時，導致鋁框的磁通量變化，從而產生感應電流，線圈受到安培阻力，起到電磁阻尼作用，使其很快停止擺動，因此，利用電磁阻尼保護指針，故C正確；D．變壓器的鐵芯通常用涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊合而成是為了減小渦流，防止在鐵芯中產生過大渦流．故D錯誤。故選C?！军c睛】本題考查電磁感應在實際生活中的應用需要同學們對于電磁感應的原理理解透徹。4．（多選）下列四個圖都與渦流有關，其中說法正確的是（）A．

真空冷煉爐是利用渦流來熔化金屬的裝置B．

自制金屬探測器是利用地磁場來進行探測的C．

電磁爐工作時在它的面板上產生渦流加熱食物D．

變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊合而成是為了減小渦流【答案】AD【詳解】A．真空冷煉爐是線圈中的電流做周期性變化，在金屬中產生渦流，從而產生大量的熱量，熔化金屬的，故A正確；B．金屬探測器中變化電流遇到金屬物體，在被測金屬中上產生渦流來進行探測，故B錯誤；C．家用電磁爐工作時，在鍋體中產生渦流，加熱食物，故C錯誤；D．當變壓器中的電流變化時，在其鐵芯將產生渦流，使用相互絕緣的硅鋼片疊合做成的鐵芯可以盡可能減小渦流，故D正確；故選AD。5．（多選）下列說法正確的是（）A．手機無線充電技術是利用互感現象制成的B．家用電磁爐工作時在電磁爐的面板上產生渦流來加熱食物C．用來探測金屬殼地雷的探雷器是利用渦流來工作的D．真空冶煉爐外線圈通入高頻交流電時，線圈中產生大量熱量，從而冶煉金屬【答案】AC【詳解】A．無線充電利用電磁感應原理，當充電底座的發(fā)射線圈中通有交變電流時，發(fā)射線圈產生交變的磁場，根據電磁感應原理，在接收線圈中產生感應電流，實現對接收充電設備的充電，故無線充電時手機接收線圈部分的工作原理是“互感現象”，A正確；B．電磁爐利用高頻電流在電磁爐內部線圈中產生磁場，當含鐵質鍋具放置爐面時，鍋具底部產生交變的渦流，B錯誤；C．用來探測金屬殼地雷或有較大金屬零件的地雷的探雷器是利用渦流工作的，C正確；D．真空冶煉爐外線圈通入高頻交流電時，鐵塊中產生渦流，進而產生大量熱量，從而冶煉金屬，D錯誤。故選AC。6．如圖所示的金屬探測器可以檢查是否有違規(guī)違禁物品。工作時，探測器中的發(fā)射線圈通以電流，附近的被測金屬物中感應出電流，感應電流的磁場反過來影響探測器線圈中的電流，使探測器發(fā)出警報，下列說法中正確的是（）A．違規(guī)攜帶的手機只有發(fā)出通訊信號時才會被探測到B．探測器與被測金屬物相對靜止時不能發(fā)出警報C．探測環(huán)中的發(fā)射線圈通的是恒定電流D．探測環(huán)中的發(fā)射線圈通的是交變電流【答案】D【詳解】CD．附近的被測金屬物中感應出電流，則探測環(huán)中的發(fā)射線圈通的應是交變電流，選項C錯誤，D正確；B．因為探測環(huán)中的發(fā)射線圈通的是交變電流，被測金屬物中的磁通量也是變化的，所以探測器與被測金屬物相對靜止時也能發(fā)出警報，選項B錯誤；A．違規(guī)攜帶的物品只要是金屬就會被探測到，選項A錯誤。故選D。7．如圖，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現接通交流電源，過了幾分鐘，杯內的水沸騰起來。假設要縮短上述加熱時間，以下措施可行的有（）

A．增加線圈的匝數 B．提高交流電源的周期 C．將金屬杯換為瓷杯 D．取走線圈中的鐵芯【答案】A【詳解】A．根據法拉第電磁感應定律增加線圈的匝數n，可以增大感應電動勢，使線圈產生的磁場增強，可以縮短加熱時間，故A正確；BCD．根據法拉第電磁感應定律降低交流電源的頻率即提高交流電源的周期和取走線圈中的鐵芯，感應電動勢就減小，使線圈產生的磁場減弱，加熱時間延長。將金屬杯換為瓷杯，瓷杯是絕緣體無法形成渦流，故不能加熱，故BCD錯誤。故選A。8．黃岡市進入了高鐵時代。如圖所示為安檢門原理圖，左側面有一通電線圈，右側面有一接收線圈。從左往右看，工作過程中某段時間通電線圈中存在順時針方向增大的電流，則（

）

A．無人通過安檢門時，接收線圈中無感應電流B．若接收線圈中有感應電流，方向一定與左側線圈電流方向相同C．通過人員攜帶金屬時，金屬中會產生渦漩電流D．通過人員攜帶金屬時，接收線圈中無感應電流【答案】C【詳解】AB．雖無人通過安檢門，但因當左側線圈中存在順時針方向增大的電流，可知穿過右側線圈的磁通量向右且增大，根據楞次定律，右側線圈中產生逆時針方向的電流，與左側線圈電流方向相反，故AB錯誤；CD．當通過人員攜帶金屬時，穿過金屬片中磁通量發(fā)生變化，金屬片中會產生渦漩電流，感應電流的方向與接收線圈中的感應電流的方向相同，金屬片的電流會將該空間中的磁場的變化削弱一些，引起接收線圈中的感應電流大小發(fā)生變化，故C正確，D錯誤。故選C。二、電磁驅動和電磁阻尼知識點梳理9．（多選）電磁學知識在科技生活中有廣泛的應用，下列相關說法正確的是（

）A．圖甲中動圈式揚聲器的工作原理是電磁感應B．圖乙中線圈產生的自感電動勢有時會大于原來電路中的電源電動勢C．圖丙中自制金屬探測器是利用地磁場來進行探測的D．圖丁中磁電式儀表，把線圈繞在鋁框骨架上，目的是增加電磁阻尼的作用【答案】BD【詳解】A．圖甲中動圈式揚聲器的工作原理是電流的磁效應，故A錯誤；B．圖乙中線圈產生的自感電動勢有時會大于原來電路中的電源電動勢，故B正確；C．圖丙中自制金屬探測器是利用金屬探測器中變化電流產生的磁場來進行探測的，故C錯誤。D．圖丁中磁電式儀表，把線圈繞在鋁框骨架上，目的是增加電磁阻尼的作用，故D正確。故選BD。10．如圖所示，上下開口、內壁光滑的銅管P和塑料管Q豎直放置，小磁塊先后在兩管中從相同高度處由靜止釋放，并落至底部，則小磁塊（）A．在P和Q中都做自由落體運動B．在兩個下落過程中的機械能都守恒C．在P中的下落時間比在Q中的長D．落至底部時在P中的速度比在Q中的大【答案】C【詳解】試題分析：當小磁塊在光滑的銅管P下落時，由于穿過銅管的磁通量變化，導致銅管產生感應電流，因磁場，從而產生安培阻力，而對于塑料管內小磁塊沒有任何阻力，在做自由落體運動，故A錯誤；由A選項分析可知，在銅管的小磁塊機械能不守恒，而在塑料管的小磁塊機械能守恒，故B錯誤；在銅管中小磁塊受到安培阻力，則在P中的下落時間比在Q中的長，故C正確；根據動能定理可知，因安培阻力，導致產生熱能，則至底部時在P中的速度比在Q中的小，故D錯誤．故選C．考點：電磁感應11．如圖所示，甲、乙為形狀與大小均相同且內壁光滑的圓筒，豎直固定在相同高度。兩塊相同的釹鐵硼強磁鐵，從甲、乙上端筒口同一高度同時無初速度釋放，穿過乙筒的磁鐵先落到地面。關于兩圓筒的制作材料，下列可能正確的是（）A．甲—塑料，乙—鋁 B．甲—銅，乙—膠木C．甲—玻璃，乙—塑料 D．甲—毛竹，乙—木頭【答案】B【詳解】由題意可知，穿過乙筒的磁鐵比穿過甲筒的磁鐵先落到地面，故說明磁鐵在甲筒時受到阻力作用；其原因是金屬導體切割磁感線，從而使閉合的導體中產生感應電流，由于磁極間的相互作用而使條形磁鐵受向上的阻力；故甲筒應為金屬導體，如銅、鋁、鐵等，而乙筒應為絕緣體，如塑料、膠木等，故B正確，ACD錯誤；故選B。12．為了有效隔離外界振動對的擾動，在圓底盤周邊沿其徑向對稱地安裝若干對紫銅薄板，并施加磁場來快速衰減其微小振動，如圖所示。無擾動時，按下列四種方案對紫銅薄板施加恒磁場；出現擾動后，對于紫銅薄板上下及左右振動的衰減最有效的方案是（）

A．

B．

C．

D．

【答案】A【詳解】該裝置的原理是利用電磁阻尼。薄板出現擾動時，穿過薄板表面的磁通量如果發(fā)生變化，就會產生感應電流，薄板就會受到安培力作用，安培力總是阻礙導體相對磁場的運動，從而使薄板盡快停下來。A．薄板上、下、左、右運動時，磁通量都會發(fā)生變化，所以都會產生感應電流，所以都會受到安培力作用而很快停下來，故A正確；B．薄板只有向左運動時，磁通量才會發(fā)生變化，才會產生感應電流，進而受到安培力作用而很快停下來，而向上、向下和向右運動時，則不會產生感應電流，故B錯誤；C．板只有向左運動較大距離時，磁通量才會發(fā)生變化，才會產生感應電流，進而受到安培力作用而很快停下來，而向上向下和向右運動時，則不會產生感應電流，故C錯誤；D．薄板只有向左、向右運動時，磁通量才會發(fā)生變化，才會產生感應電流，進而受到安培力作用而很快停下來，而向上、向下運動時，則不會產生感應電流，故D錯誤。故選A。13．一學生小組在探究電磁感應現象時，進行了如下比較實驗。用圖（a）所示的纏繞方式，將漆包線分別繞在幾何尺寸相同的有機玻璃管和金屬鋁管上，漆包線的兩端與電流傳感器接通。兩管皆豎直放置，將一很小的強磁體分別從管的上端由靜止釋放，在管內下落至管的下端。實驗中電流傳感器測得的兩管上流過漆包線的電流I隨時間t的變化分別如圖（b）和圖（c）所示，分析可知（）

A．圖（c）是用玻璃管獲得的圖像B．在鋁管中下落，小磁體做勻變速運動C．在玻璃管中下落，小磁體受到的電磁阻力始終保持不變D．用鋁管時測得的電流第一個峰到最后一個峰的時間間隔比用玻璃管時的短【答案】A【詳解】A．強磁體在鋁管中運動，鋁管會形成渦流，玻璃是絕緣體故強磁體在玻璃管中運動，玻璃管不會形成渦流。強磁體在鋁管中加速后很快達到平衡狀態(tài)，做勻速直線運動，而玻璃管中的磁體則一直做加速運動，故由圖像可知圖（c）的脈沖電流峰值不斷增大，說明強磁體的速度在增大，與玻璃管中磁體的運動情況相符，A正確；B．在鋁管中下落，脈沖電流的峰值一樣，磁通量的變化率相同，故小磁體做勻速運動，B錯誤；C．在玻璃管中下落，玻璃管為絕緣體，線圈的脈沖電流峰值增大，電流不斷在變化，故小磁體受到的電磁阻力在不斷變化，C錯誤；D．強磁體分別從管的上端由靜止釋放，在鋁管中，磁體在線圈間做勻速運動，玻璃管中磁體在線圈間做加速運動，故用鋁管時測得的電流第一個峰到最后一個峰的時間間隔比用玻璃管時的長，D錯誤。故選A。14．（多選）如圖所示，把一個閉合線圈放在蹄形磁鐵兩磁極之間（兩磁極間磁場可視為勻強磁場），蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞OO′軸轉動。當蹄形磁鐵勻速轉動時，線圈也開始轉動，當線圈的轉動穩(wěn)定后，有（）A．線圈與蹄形磁鐵的轉動方向相同B．線圈與蹄形磁鐵的轉動方向相反C．線圈中產生交變電流D．線圈中產生為大小改變、方向不變的電流【答案】AC【詳解】AB．根據楞次定律可知，為阻礙磁通量變化，則導致線圈與磁鐵轉動方向相同，但快慢不一，線圈的轉速一定比磁鐵轉速小，故A正確，B錯誤；CD．最終達到穩(wěn)定狀態(tài)時磁鐵比線圈的轉速大，則磁鐵相對線圈中心軸做勻速圓周運動，所以產生的電流為交流電，故C正確，D錯誤。故選AC。15．如圖所示，豎直平面內過O點的豎直虛線左右兩側有垂直紙面大小相等、方向相反的水平勻強磁場，一導體圓環(huán)用絕緣細線連接懸掛于O點，將導體圓環(huán)拉到圖示a位置靜止釋放，圓環(huán)繞O點擺動，則（）A．導體環(huán)從a運動到b位置的過程中，有順時針方向電流B．導體環(huán)從b運動到c位置的過程中，電流總是順時針方向C．導體環(huán)在b位置和c位置速度大小相等D．導體環(huán)向右最多能擺到與a位置等高的位置【答案】B【詳解】A．導體環(huán)從a運動到b位置的過程中，磁通量不變，沒有感應電流，A錯誤；B．導體環(huán)從b運動到c位置的過程中，垂直紙面向里的磁場對應的磁通量在減小，根據楞次定律，感應電流方向為順時針方向，垂直紙面向外的磁場對應的磁通量在增大，根據楞次定律，感應電流方向為順時針方向，所以電流總是順時針方向。B正確；C