資源簡介

3　渦流、電磁阻尼和電磁驅動
[學習目標]　
1.了解感生電場的概念，了解電子感應加速器的工作原理。
2.理解渦流的產生原理，了解渦流在生產和生活中的應用(重點)。
3.理解電磁阻尼和電磁驅動的原理，了解其在生產和生活中的應用(重難點)。
一、電磁感應現象中的感生電場
1．麥克斯韋認為________的磁場能在周圍空間激發電場，這種電場叫作感生電場。
2．由________________產生的電動勢叫感生電動勢。
3．電子感應加速器是利用________________使電子加速的設備，當線圈中________的大小、方向發生變化時，產生的感生電場使電子加速。
4．感生電場的方向根據楞次定律結合右手螺旋定則判斷，感生電動勢的大小由法拉第電磁感應定律E＝n計算。
如圖所示，B增強時，就會在空間激發一個感生電場E。如果E處空間存在閉合導體，導體中的自由電荷就會發生定向移動，而產生感應電流。
(1)感生電場的方向與感應電流的方向有什么關系？如何判斷感生電場的方向？
(2)在上述情況下，哪種力扮演了非靜電力的角色？
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(1)只要磁場變化，即使沒有電路，在空間也將產生感生電場。(　　)
(2)處于變化磁場中的導體，其內部自由電荷定向移動，是由于受到感生電場的作用。(　　)
例1　現代科學研究中常要用到高速電子，電子感應加速器就是利用感生電場使電子加速的設備。如圖所示，圖甲為側視圖，上、下為電磁體的兩個磁極；圖乙為磁極之間真空室的俯視圖。若從上往下看電子在真空室中沿逆時針方向做圓周運動，改變電磁體線圈中電流的大小可使電子加速。則下列判斷正確的是(　　)
A．真空室中產生的感生電場沿逆時針方向
B．通入電磁體線圈的電流在增強
C．電子在軌道中加速的驅動力是洛倫茲力
D．電子在軌道中做圓周運動的向心力是由靜電力提供的
閉合回路(假定其存在)中的感應電流方向就表示感生電場的方向。判斷思路如下：
二、渦流
1．渦流：當某線圈中的________隨時間變化時，由于電磁感應，這個線圈附近的任何導體，如果穿過它的磁通量發生變化，導體內都會產生________________，如果用圖表示這樣的感應電流，就像水中的漩渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流。
2．渦流的應用與防止
(1)應用：________________、__________、____________等。
(2)防止：為了減小電動機、變壓器鐵芯上的渦流，常用電阻率較大的________做材料，或者用相互絕緣的____________疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯。
在電磁爐的爐盤下有一個線圈。電磁爐工作時，它的盤面并不發熱，在爐盤上面放置鐵鍋，鐵鍋會發熱。你知道這是為什么嗎？
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(1)渦流不是感應電流，而是一種有別于感應電流的特殊電流。(　　)
(2)渦流跟平時常見的感應電流一樣，都是因為穿過導體的磁通量變化而產生的。(　　)
(3)導體中有渦流時，導體沒有和其他元件組成閉合回路，故導體不會發熱。(　　)
(4)渦流有熱效應，但沒有磁效應。(　　)
例2　(2022·揚州市高二期中)如圖所示為高頻電磁爐的工作示意圖，它采用電磁感應原理產生渦流進行加熱。關于電磁爐，以下說法中正確的是(　　)
A．電磁爐是利用變化的磁場在食物中產生渦流對食物加熱
B．電磁爐是利用變化的磁場在含鐵質鍋底產生渦流對食物加熱
C．電磁爐是利用變化的磁場在臺面產生渦流對食物加熱
D．電磁爐跟電爐一樣是讓電流通過電阻絲產生熱量來對食物加熱
例3　(2022·鹽城市東臺創新高級中學高二月考)某個同學制作了一個簡易加熱器，如圖所示，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。若要縮短上述加熱時間，下列措施可行的有(　　)
A．提高交流電源的頻率
B．減少線圈的匝數
C．將金屬杯換為陶瓷杯
D．將交流電源換成電動勢更大的直流電源
三、電磁阻尼和電磁驅動
(1)如圖甲所示，將兩磁體在同一高度釋放，下方放有閉合線圈的磁體很快停止振動，而下方不放閉合線圈的磁體能振動較長時間，如何解釋這個現象？
(2)如圖乙所示，當順時針或逆時針轉動蹄形磁體時線圈怎樣轉動？使線圈轉動起來的動力是什么？
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1．電磁阻尼
當________________時，感應電流會使導體受到安培力作用，安培力總是________導體的運動，這種現象稱為電磁阻尼。
2．電磁驅動
(1)如果________________________，在導體中會產生感應電流，感應電流使導體受到__________的作用，__________使導體運動起來，這種作用常常稱為電磁驅動。
(2)交流感應電動機是利用______________的原理工作的，它能把________轉化成____________。
例4　某同學搬運如圖所示的磁電式電流表時，發現表針晃動劇烈且不易停止。按照老師建議，該同學在兩接線柱間接一根導線后再次搬運，發現表針晃動明顯減弱且能很快停止。下列說法正確的是(　　)
A．未接導線時，表針晃動過程中表內線圈不產生感應電動勢
B．未接導線時，表針晃動劇烈是因為表內線圈受到安培力的作用
C．接上導線后，表針晃動過程中表內線圈不產生感應電動勢
D．接上導線后，表針晃動減弱是因為表內線圈受到安培力的作用
例5　如圖所示，蹄形磁體和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉動。從上向下看，當蹄形磁體逆時針轉動時(　　)
A．線圈將逆時針轉動，轉速與磁體相同
B．線圈將逆時針轉動，轉速比磁體小
C．線圈將逆時針轉動，轉速比磁體大
D．線圈靜止不動
電磁阻尼 電磁驅動
不 同 點 成因 由導體在磁場中運動形成的 由磁場運動而形成的
效果 安培力方向與導體運動方向相反，為阻力 安培力方向與導體運動方向相同，為動力
能量 轉化 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 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
共同點 兩者都是電磁感應現象，導體受到的安培力都是阻礙導體與磁場間的相對運動
3　渦流、電磁阻尼和電磁驅動
[學習目標]　1.了解感生電場的概念，了解電子感應加速器的工作原理。2.理解渦流的產生原理，了解渦流在生產和生活中的應用(重點)。3.理解電磁阻尼和電磁驅動的原理，了解其在生產和生活中的應用(重難點)。
一、電磁感應現象中的感生電場
1．麥克斯韋認為變化的磁場能在周圍空間激發電場，這種電場叫作感生電場。
2．由感生電場產生的電動勢叫感生電動勢。
3．電子感應加速器是利用感生電場使電子加速的設備，當線圈中電流的大小、方向發生變化時，產生的感生電場使電子加速。
4．感生電場的方向根據楞次定律結合右手螺旋定則判斷，感生電動勢的大小由法拉第電磁感應定律E＝n計算。
如圖所示，B增強時，就會在空間激發一個感生電場E。如果E處空間存在閉合導體，導體中的自由電荷就會發生定向移動，而產生感應電流。
(1)感生電場的方向與感應電流的方向有什么關系？如何判斷感生電場的方向？
(2)在上述情況下，哪種力扮演了非靜電力的角色？
答案　(1)感生電場的方向與感應電流的方向相同，感生電場的方向可以用楞次定律來判定。
(2)感生電場對自由電荷的作用力。
(1)只要磁場變化，即使沒有電路，在空間也將產生感生電場。(　√　)
(2)處于變化磁場中的導體，其內部自由電荷定向移動，是由于受到感生電場的作用。(　√　)
例1　現代科學研究中常要用到高速電子，電子感應加速器就是利用感生電場使電子加速的設備。如圖所示，圖甲為側視圖，上、下為電磁體的兩個磁極；圖乙為磁極之間真空室的俯視圖。若從上往下看電子在真空室中沿逆時針方向做圓周運動，改變電磁體線圈中電流的大小可使電子加速。則下列判斷正確的是(　　)
A．真空室中產生的感生電場沿逆時針方向
B．通入電磁體線圈的電流在增強
C．電子在軌道中加速的驅動力是洛倫茲力
D．電子在軌道中做圓周運動的向心力是由靜電力提供的
答案　B
解析　電子感應加速器就是利用感生電場使電子加速的設備，電子帶負電，電場方向與電子運動的方向相反，所以真空室中產生的感生電場沿順時針方向，A錯誤；電磁體線圈中電流變大，產生的磁感應強度變大，由楞次定律可知，產生的感生電場方向是順時針方向，電子受感生電場的力與運動方向相同，電子的速度增大，B正確；由于電磁體線圈中電流可以變化，可在真空室中產生感生磁場，電子在洛倫茲力的作用下做圓周運動，D錯誤；由于感生電場使電子加速，即電子在軌道中加速的驅動力是非靜電力，C錯誤。
閉合回路(假定其存在)中的感應電流方向就表示感生電場的方向。判斷思路如下：
二、渦流
1．渦流：當某線圈中的電流隨時間變化時，由于電磁感應，這個線圈附近的任何導體，如果穿過它的磁通量發生變化，導體內都會產生感應電流，如果用圖表示這樣的感應電流，就像水中的漩渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流。
2．渦流的應用與防止
(1)應用：真空冶煉爐、探雷器、安檢門等。
(2)防止：為了減小電動機、變壓器鐵芯上的渦流，常用電阻率較大的硅鋼做材料，或者用相互絕緣的硅鋼片疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯。
在電磁爐的爐盤下有一個線圈。電磁爐工作時，它的盤面并不發熱，在爐盤上面放置鐵鍋，鐵鍋會發熱。你知道這是為什么嗎？
答案　電磁爐的盤面下布滿了金屬導線纏繞的線圈，當通上變化極快的電流時，在線圈周圍產生迅速變化的磁場，變化的磁場使鍋底產生渦流，鐵鍋迅速發熱。
(1)渦流不是感應電流，而是一種有別于感應電流的特殊電流。(　×　)
(2)渦流跟平時常見的感應電流一樣，都是因為穿過導體的磁通量變化而產生的。(　√　)
(3)導體中有渦流時，導體沒有和其他元件組成閉合回路，故導體不會發熱。(　×　)
(4)渦流有熱效應，但沒有磁效應。(　×　)
例2　(2022·揚州市高二期中)如圖所示為高頻電磁爐的工作示意圖，它采用電磁感應原理產生渦流進行加熱。關于電磁爐，以下說法中正確的是(　　)
A．電磁爐是利用變化的磁場在食物中產生渦流對食物加熱
B．電磁爐是利用變化的磁場在含鐵質鍋底產生渦流對食物加熱
C．電磁爐是利用變化的磁場在臺面產生渦流對食物加熱
D．電磁爐跟電爐一樣是讓電流通過電阻絲產生熱量來對食物加熱
答案　B
解析　電磁爐是利用變化的磁場在含鐵質鍋底產生渦流對食物加熱，故B正確，A、C、D錯誤。
例3　(2022·鹽城市東臺創新高級中學高二月考)某個同學制作了一個簡易加熱器，如圖所示，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。若要縮短上述加熱時間，下列措施可行的有(　　)
A．提高交流電源的頻率
B．減少線圈的匝數
C．將金屬杯換為陶瓷杯
D．將交流電源換成電動勢更大的直流電源
答案　A
解析　由題意可知，本題中是渦流現象的應用，即采用線圈產生的磁場使金屬杯產生感應電流從而進行加熱的，由法拉第電磁感應定律可知，增加線圈的匝數、提高交流電的頻率均可以提高發熱功率，則可以縮短加熱時間，故B錯誤，A正確；將杯子換為陶瓷杯不會產生渦流，則無法加熱水，故C錯誤；將交流電源換成電動勢更大的直流電源不會產生渦流，故D錯誤。
三、電磁阻尼和電磁驅動
(1)如圖甲所示，將兩磁體在同一高度釋放，下方放有閉合線圈的磁體很快停止振動，而下方不放閉合線圈的磁體能振動較長時間，如何解釋這個現象？
(2)如圖乙所示，當順時針或逆時針轉動蹄形磁體時線圈怎樣轉動？使線圈轉動起來的動力是什么？
答案　(1)圖甲中下方放有閉合線圈的磁體振動時除了受空氣阻力外，還受到線圈產生的磁場的阻力，所以很快停下來。
(2)當蹄形磁體順時針轉動時，線圈也順時針轉動；當蹄形磁體逆時針轉動時，線圈也逆時針轉動。線圈內產生感應電流，線圈受到安培力的作用，安培力作為動力使線圈轉動起來。
1．電磁阻尼
當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力作用，安培力總是阻礙導體的運動，這種現象稱為電磁阻尼。
2．電磁驅動
(1)如果磁場相對于導體轉動，在導體中會產生感應電流，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。
(2)交流感應電動機是利用電磁驅動的原理工作的，它能把電能轉化成機械能。
例4　某同學搬運如圖所示的磁電式電流表時，發現表針晃動劇烈且不易停止。按照老師建議，該同學在兩接線柱間接一根導線后再次搬運，發現表針晃動明顯減弱且能很快停止。下列說法正確的是(　　)
A．未接導線時，表針晃動過程中表內線圈不產生感應電動勢
B．未接導線時，表針晃動劇烈是因為表內線圈受到安培力的作用
C．接上導線后，表針晃動過程中表內線圈不產生感應電動勢
D．接上導線后，表針晃動減弱是因為表內線圈受到安培力的作用
答案　D
解析　未接導線時，表針晃動過程中表內線圈產生感應電動勢，但不構成閉合回路，故不產生感應電流，不受安培力作用，A、B錯誤；接上導線后，表針晃動過程中表內線圈產生感應電動勢，在閉合回路中產生感應電流，受到安培力的作用，是電磁阻尼的表現，C錯誤，D正確。
例5　如圖所示，蹄形磁體和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉動。從上向下看，當蹄形磁體逆時針轉動時(　　)
A．線圈將逆時針轉動，轉速與磁體相同
B．線圈將逆時針轉動，轉速比磁體小
C．線圈將逆時針轉動，轉速比磁體大
D．線圈靜止不動
答案　B
解析　當蹄形磁體轉動時，線圈的磁通量發生變化，從而產生感應電流，產生安培力，故線圈一定會轉動，由楞次定律可知，線圈將與磁體同向轉動，但轉速一定小于磁體的轉速，B正確，A、C、D錯誤。
電磁阻尼 電磁驅動
不 同 點 成因 由導體在磁場中運動形成的 由磁場運動而形成的
效果 安培力方向與導體運動方向相反，為阻力 安培力方向與導體運動方向相同，為動力
能量 轉化 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 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
共同點 兩者都是電磁感應現象，導體受到的安培力都是阻礙導體與磁場間的相對運動

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