2017-2018高中物理 第一章 電磁感應 第七節(jié) 渦流現(xiàn)象及其應用學案 粵教版選修3-2

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1、 第七節(jié)　渦流現(xiàn)象及其應用 [學習目標]　1.知道渦流的產(chǎn)生原因.2.了解電磁灶和渦流加熱原理.3.了解渦流現(xiàn)象的應用——渦流制動和渦流探測． 一、渦流現(xiàn)象 [導學探究]　如圖1所示，線圈中的電流隨時間變化時，導體中有感應電流嗎？如果有，它的形狀像什么？ 圖1 答案　有．變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生感生電場，使導體中的自由電子發(fā)生定向移動，產(chǎn)生感應電流，它的形狀像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡稱渦流． [知識梳理] 1．渦流：在一根導體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，在整個導體中，就形成一圈圈環(huán)繞導體軸線流動的感應電流，就好像水中的旋渦一樣，這種產(chǎn)生

2、感應電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象． 2．渦流大小的決定因素：導體的外周長越長，交變磁場的頻率越高，渦流就越大． [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)渦流也是一種感應電流．(　　) (2)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(fā)熱．(　　) (3)渦流是一種有害的電磁感應現(xiàn)象．(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)× 二、電磁灶與渦流加熱 [導學探究]　高頻感應爐結(jié)構(gòu)如圖2所示，電磁灶的結(jié)構(gòu)如圖3所示． 圖2 圖3 結(jié)合電磁感應的條件回答下列問題： (1)高頻感應爐冶煉金屬的原理是什么？有什么優(yōu)點？ (2)電磁灶中的渦流是怎樣產(chǎn)生的？產(chǎn)生

3、渦流的部分和引起渦流的部分是否接觸？電磁灶的表面在電磁灶工作時的熱量是怎樣產(chǎn)生的？ 答案　(1)高頻感應爐冶煉金屬是利用渦流熔化金屬．冶煉鍋內(nèi)裝入被冶煉的金屬，讓高頻交流電通過線圈，被冶煉的金屬內(nèi)部就產(chǎn)生很強的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化． 優(yōu)點：速度快，溫度容易控制，能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中． (2)渦流產(chǎn)生在鐵磁材料制成的鍋底部，引起渦流的部分是灶內(nèi)的勵磁線圈，它與鍋底不接觸，電磁灶工作時表面摸上去溫度也挺高，是因為其表面與鐵鍋發(fā)生了熱傳遞． [知識梳理]　感應加熱的定義及其應用 (1)利用足夠大的電力在導體中產(chǎn)生很大的渦流，導體中電流可以發(fā)熱，使金屬受熱甚至熔化．

4、 (2)應用：高頻感應爐冶煉金屬，用高頻塑料熱壓機過塑，渦流熱療系統(tǒng)用于治療． [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)電磁灶可以放砂鍋烹煮食物．(　　) (2)電磁灶用鐵鍋時要謹慎，勺子把要絕緣，防止觸電．(　　) (3)高頻感應爐利用高頻電流產(chǎn)生的焦耳熱冶煉金屬．(　　) (4)高頻感應爐利用金屬塊中的渦流產(chǎn)生焦耳熱冶煉金屬．(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√ 三、渦流制動與渦流探測 [導學探究]　如圖4把高速旋轉(zhuǎn)的鋁盤放在蹄形磁鐵之間，鋁盤會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？ 圖4 答案　鋁盤會很快停止轉(zhuǎn)動，原因：鋁盤在蹄形磁鐵的磁場中轉(zhuǎn)動，會在鋁盤中激

5、起渦流，渦流與磁場相互作用產(chǎn)生一個動態(tài)阻尼力，從而提供制動力矩．從而使鋁盤快速停止轉(zhuǎn)動． [知識梳理]　渦流制動、渦流探測和渦流的防止 (1)渦流制動：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與磁場的相對運動，這種現(xiàn)象稱為渦流制動．這種制動方式常應用于電表的阻尼制動、高速機車制動的渦流閘等． (2)渦流探測：渦流金屬探測器具有一個通過一定頻率交變電流的探測線圈，該線圈產(chǎn)生的交變磁場在金屬物中激起渦流，渦流的變化會反過來影響探測線圈，改變探測線圈電流的大小和相位，從而探知金屬物． (3)在生產(chǎn)和生活中，有時也要避免渦流效應．要減小電機、變壓器的鐵芯在工作

6、時產(chǎn)生的渦流，可采用的方法是把整塊鐵芯改成用薄片疊壓的鐵芯，增大回路電阻． [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)電磁制動發(fā)生的過程，存在機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化．(　　) (2)電磁制動中的感應電流，受到的安培力為阻力．(　　) (3)利用渦流金屬探測器，可以探測出違法分子攜帶的毒品．(　　) 答案　(1)√　(2)√　(3)× 一、渦流的理解、利用和防止 1．產(chǎn)生渦流的兩種情況 (1)塊狀金屬放在變化的磁場中． (2)塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動． 2．產(chǎn)生渦流時的能量轉(zhuǎn)化 (1)金屬塊在變化的磁場中，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． (2)金屬塊進出磁

7、場或在非勻強磁場中運動，由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． 例1　(多選)如圖5所示是高頻焊接原理示意圖．線圈中通以高頻變化的電流時，待焊接的金屬工件中就會產(chǎn)生感應電流，感應電流通過焊縫產(chǎn)生很多熱量，將金屬熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分發(fā)熱很少，以下說法正確的是(　　) 圖5 A．電流變化的頻率越高，焊縫處的溫度升高的越快 B．電流變化的頻率越低，焊縫處的溫度升高的越快 C．工件上只有焊縫處溫度升的很高是因為焊縫處的電阻小 D．工件上只有焊縫處溫度升的很高是因為焊縫處的電阻大 答案　AD 解析　交流電頻率越高，則產(chǎn)生的感應電流越大，升溫越

8、快，故A項對，B項錯；工件上各處電流相同，電阻大處產(chǎn)生的熱量多，故C項錯，D項對． 例2　(多選)如圖6所示，閉合金屬環(huán)從光滑曲面上h高處滾下，又沿曲面的另一側(cè)上升，設環(huán)的初速度為零，摩擦不計，曲面處在圖中磁場中，則(　　) 圖6 A．若是勻強磁場，環(huán)上升的高度小于h B．若是勻強磁場，環(huán)上升的高度等于h C．若是非勻強磁場，環(huán)上升的高度等于h D．若是非勻強磁場，環(huán)上升的高度小于h 答案　BD 解析　若磁場為勻強磁場，穿過環(huán)的磁通量不變，不產(chǎn)生感應電流，即無機械能向電能轉(zhuǎn)化，機械能守恒，故A錯誤，B正確；若磁場為非勻強磁場，環(huán)內(nèi)要產(chǎn)生電能，機械能減少，故D正確． 二、對

9、渦流制動與渦流探測的理解 1．閉合回路的部分導體在做切割磁感線運動產(chǎn)生感應電流時，導體在磁場中就要受到磁場力的作用，根據(jù)楞次定律，磁場力總是阻礙導體的運動，于是產(chǎn)生渦流制動． 2．渦流制動是一種十分普遍的物理現(xiàn)象，任何在磁場中運動的導體，只要給感應電流提供回路，就會存在渦流制動作用． 例3　在水平放置的光滑絕緣導軌上，沿導軌固定一個條形磁鐵，如圖7所示．現(xiàn)有銅、鋁和有機玻璃制成的滑塊甲、乙、丙，使它們分別從導軌上的A點以某一初速度向磁鐵滑去．各滑塊在向磁鐵運動的過程中(　　) 圖7 A．都做勻速運動 B．甲、乙做加速運動 C．甲、乙做減速運動 D．乙、丙做勻速運動 答案　

10、C 解析　甲、乙向磁鐵靠近時要產(chǎn)生渦流，受渦流制動作用，做減速運動，丙則不會產(chǎn)生渦流，只能勻速運動． 例4　金屬探測器已經(jīng)廣泛應用于安檢場所，關于金屬探測器的論述正確的是(　　) A．金屬探測器可用于食品生產(chǎn)，防止細小的砂石顆粒混入食品中 B．金屬探測器探測地雷時，探測器的線圈中產(chǎn)生渦流 C．金屬探測器探測金屬時，被測金屬中感應出渦流 D．探測過程中金屬探測器與被測物體相對靜止與相對運動探測效果相同 答案　C 解析　金屬探測器只能探測金屬，不能用于食品生產(chǎn)，防止細小的砂石顆粒混入食品中，故A錯誤；金屬探測器探測金屬時，被測金屬中感應出渦流，故B錯誤，C正確；探測過程中工作時金屬

11、探測器應與被測物體相對運動，相對靜止時無法得出探測效果，故D錯誤．故選C. 1．下列做法中可能產(chǎn)生渦流的是 (　　) A．把金屬塊放在勻強磁場中 B．讓金屬塊在勻強磁場中做勻速運動 C．讓金屬塊在勻強磁場中做變速運動 D．把金屬塊放在變化的磁場中 答案　D 2．(多選)如圖8所示，A、B為大小、形狀均相同且內(nèi)壁光滑、但用不同材料制成的圓管，豎直固定在相同高度．兩個相同的磁性小球，同時從A、B管上端距管口等高處無初速度釋放，穿過A管比穿過B管的小球先落到地面．下面對于兩管的描述中可能正確的是(　　) 圖8 A．A管是用塑料制成的，B管是用銅制成的 B．A管是用鋁制成的

12、，B管是用膠木制成的 C．A管是用膠木制成的，B管是用塑料制成的 D．A管是用膠木制成的，B管是用鋁制成的 答案　AD 3．如圖9所示，在一個繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上分別放一小鐵鍋水和一玻璃杯水．給線圈通入電流，一段時間后，一個容器中水溫升高，則通入的電流與水溫升高的是(　　) 圖9 A．恒定直流、小鐵鍋 B．恒定直流、玻璃杯 C．變化的電流、小鐵鍋 D．變化的電流、玻璃杯 答案　C 解析　通入恒定電流時，所產(chǎn)生的磁場不變，不會產(chǎn)生感應電流．通入變化的電流時，所產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，在空間產(chǎn)生感生電場，鐵鍋是導體，感生電場在導體內(nèi)產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高．

13、渦流是由變化的磁場在導體內(nèi)產(chǎn)生的，所以玻璃杯中的水不會升溫，故C正確． 選擇題(1～6題為單選題，7～11題為多選題) 1．下列關于渦流的說法中正確的是(　　) A．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(chǎn)生的 B．渦流不是感應電流，而是一種有別于感應電流的特殊電流 C．渦流有熱效應，但沒有磁效應 D．在硅鋼中不能產(chǎn)生渦流 答案　A 解析　渦流的本質(zhì)是電磁感應現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應電流，只不過是由金屬塊自身構(gòu)成回路，它既有熱效應，也有磁效應，所以A正確，B、C錯誤；硅鋼中產(chǎn)生的渦流較小，D錯誤． 2.彈簧上端固定，下端掛一條形磁鐵，使磁鐵上下振動，磁鐵的振

14、動幅度不變．若在振動過程中把線圈靠近磁鐵，如圖1所示，觀察磁鐵的振幅將會發(fā)現(xiàn)(　　) 圖1 A．S閉合時振幅逐漸減小，S斷開時振幅不變 B．S閉合時振幅逐漸增大，S斷開時振幅不變 C．S閉合或斷開，振幅變化相同 D．S閉合或斷開，振幅都不發(fā)生變化 答案　A 解析　S斷開時，磁鐵振動穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，但線圈中無感應電流，振幅不變；S閉合時有感應電流，有電能產(chǎn)生，磁鐵的機械能越來越少，振幅逐漸減小，A正確． 3.高頻感應爐是用來熔化金屬對其進行冶煉的，如圖2所示為冶煉金屬的高頻感應爐的示意圖，爐內(nèi)放入被冶煉的金屬，線圈通入高頻交變電流，這時被治煉的金屬就能被熔化，這種冶

15、煉方法速度快，溫度易控制，并能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，因此適用于冶煉特種金屬．那么該爐的加熱原理是(　　) 圖2 A．利用線圈中電流產(chǎn)生的焦耳熱 B．利用線圈中電流產(chǎn)生的磁場 C．利用交變電流的交變磁場在爐內(nèi)金屬中產(chǎn)生的渦流 D．給線圈通電的同時，給爐內(nèi)金屬也通了電 答案　C 4．如圖3所示，使一個銅盤繞其豎直的軸OO′轉(zhuǎn)動，且假設摩擦等阻力不計，轉(zhuǎn)動是勻速的．現(xiàn)把一個蹄形磁鐵移近銅盤，則(　　) 圖3 A．銅盤的轉(zhuǎn)動將變慢 B．銅盤的轉(zhuǎn)動將變快 C．銅盤仍以原來的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動 D．銅盤的轉(zhuǎn)動速度是否變化，要根據(jù)磁鐵上下兩端的極性來決定 答案　A 5.如

16、圖4所示，一條形磁鐵從靜止開始向下穿過一個用雙線繞成的閉合線圈，條形磁鐵在穿過線圈的過程中(　　) 圖4 A．做自由落體運動 B．做減速運動 C．做勻速運動 D．做非勻變速運動 答案　A 解析　雙線繞成的線圈由于兩導線產(chǎn)生的磁通量相互抵消，不會產(chǎn)生感應電流，所以磁鐵將做自由落體運動． 6．一個半徑為r、質(zhì)量為m、電阻為R的金屬圓環(huán)，用一根長為L的絕緣細繩懸掛于O點，離O點下方處有一寬度為、垂直紙面向里的勻強磁場區(qū)域，如圖5所示．現(xiàn)使圓環(huán)從與懸點O等高位置A處由靜止釋放(細繩張直，忽略空氣阻力)，擺動過程中金屬圓環(huán)所在平面始終垂直磁場，則在達到穩(wěn)定擺動的整個過程中，金屬圓

17、環(huán)產(chǎn)生的熱量是(　　) 圖5 A．mgL B．mg(＋r) C．mg(L＋r) D．mg(L＋2r) 答案　C 解析　圓環(huán)在進入磁場和離開磁場時，磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應電流，機械能減少，最后圓環(huán)在磁場下面擺動，機械能守恒．在整個過程中減少的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榻苟鸁?，在達到穩(wěn)定擺動的整個過程中，金屬圓環(huán)減少的機械能為mg(L＋r)． 7．圖6為某型號手持式封口機的照片，其機箱可提供高頻交流電．使用時，只要將待封口的塑料罐擰上蓋子，然后置于封口加熱頭的下方，按下電源開關1～2s，蓋子內(nèi)層的鋁箔瞬間產(chǎn)生高熱，然后融合在瓶口上，達到封口的效果．下列有關說法合理的是(　　) 圖6

18、 A．其封口加熱頭內(nèi)部一定有電熱絲 B．其封口加熱頭內(nèi)部一定有高頻線圈 C．該機的主要工作原理是電磁感應 D．鋁箔產(chǎn)生高熱的原因是熱輻射 答案　BC 8．對變壓器和電動機中的渦流的認識，以下說法正確的是(　　) A．渦流會使鐵芯溫度升高，減少線圈絕緣材料的壽命 B．渦流發(fā)熱，要損耗額外的能量 C．為了不產(chǎn)生渦流，變壓器和電動機的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯 D．渦流產(chǎn)生于線圈中，對原電流起阻礙作用 答案　AB 解析　變壓器和電動機中產(chǎn)生的渦流會使溫度升高消耗能量，同時會減少線圈絕緣材料的壽命，A、B正確；變壓器和電動機的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵

19、芯來代替整塊硅鋼鐵芯是為了增加電阻，減小電流，減少產(chǎn)生的熱量，C錯誤；渦流產(chǎn)生于鐵芯中，對原電流無阻礙作用，D錯誤．故選A、B. 9．如圖7所示，磁電式儀表的線圈通常用鋁框做骨架，把線圈圍繞在鋁框上，這樣做的目的是(　　) 圖7 A．防止渦流而設計的 B．利用渦流而設計的 C．起渦流制動的作用 D．起電磁驅(qū)動的作用 答案　BC 解析　線圈通電后，在安培力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，鋁框隨之轉(zhuǎn)動，并切割磁感線產(chǎn)生感應電流，也就是渦流．渦流阻礙線圈的轉(zhuǎn)動，使線圈偏轉(zhuǎn)后盡快停下來．所以，這樣做的目的是利用渦流來起制動作用． 10．安檢門是一個用于安全檢查的“門”，“門框”內(nèi)有線圈，線圈里通

20、有交變電流，交變電流在“門”內(nèi)產(chǎn)生交變磁場，金屬物品通過“門”時能產(chǎn)生渦流，渦流的磁場又反過來影響線圈中的電流，從而引起報警．以下關于這個安檢門的說法正確的是(　　) A．這個安檢門也能檢查出毒品攜帶者 B．這個安檢門只能檢查出金屬物品攜帶者 C．如果這個“門框”的線圈中通上恒定電流，也能檢查出金屬物品攜帶者 D．這個安檢門工作時，既利用了電磁感應現(xiàn)象，又利用了電流的磁效應 答案　BD 解析　這個安檢門是利用渦流工作的，因而只能檢查出金屬物品攜帶者，A錯，B對．若“門框”的線圈中通上恒定電流，只能產(chǎn)生恒定磁場，它不能使塊狀金屬產(chǎn)生渦流，因而不能檢查出金屬物品攜帶者，C錯．安檢門工作時，既利用了電磁感應現(xiàn)象，又利用了電流的磁效應，D對． 11．如圖8所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現(xiàn)接通交流電源，過了幾分鐘，杯內(nèi)的水沸騰起來．若要縮短上述加熱時間，下列措施可行的有(　　) 圖8 A．增加線圈的匝數(shù) B．提高交流電源的頻率 C．將金屬杯換為瓷杯 D．取走線圈中的鐵芯 答案　AB 12