K12学习高中物理第一章电磁感应第七节涡流现象及其应用学案粤教版选修32.docx

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K12学习高中物理第一章电磁感应第七节涡流现象及其应用学案粤教版选修32

第七节　涡流现象及其应用

[学习目标]　1.知道涡流的产生原因.2.了解电磁灶和涡流加热原理.3.了解涡流现象的应用——涡流制动和涡流探测．

一、涡流现象

[导学探究]　如图1所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？

如果有，它的形状像什么？

图1

答案　有．变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感生电场，使导体中的自由电子发生定向移动，产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流．

[知识梳理]

1．涡流：

在一根导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，在整个导体中，就形成一圈圈环绕导体轴线流动的感应电流，就好像水中的旋涡一样，这种产生感应电流的现象称为涡流现象．

2．涡流大小的决定因素：

导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）涡流也是一种感应电流．（　　）

（2）导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热．（　　）

（3）涡流是一种有害的电磁感应现象．（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×

二、电磁灶与涡流加热

[导学探究]　高频感应炉结构如图2所示，电磁灶的结构如图3所示．

图2

图3

结合电磁感应的条件回答下列问题：

（1）高频感应炉冶炼金属的原理是什么？

有什么优点？

（2）电磁灶中的涡流是怎样产生的？

产生涡流的部分和引起涡流的部分是否接触？

电磁灶的表面在电磁灶工作时的热量是怎样产生的？

答案　

（1）高频感应炉冶炼金属是利用涡流熔化金属．冶炼锅内装入被冶炼的金属，让高频交流电通过线圈，被冶炼的金属内部就产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化．

优点：

速度快，温度容易控制，能避免有害杂质混入被冶炼的金属中．

（2）涡流产生在铁磁材料制成的锅底部，引起涡流的部分是灶内的励磁线圈，它与锅底不接触，电磁灶工作时表面摸上去温度也挺高，是因为其表面与铁锅发生了热传递．

[知识梳理]　感应加热的定义及其应用

（1）利用足够大的电力在导体中产生很大的涡流，导体中电流可以发热，使金属受热甚至熔化．

（2）应用：

高频感应炉冶炼金属，用高频塑料热压机过塑，涡流热疗系统用于治疗．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）电磁灶可以放砂锅烹煮食物．（　　）

（2）电磁灶用铁锅时要谨慎，勺子把要绝缘，防止触电．（　　）

（3）高频感应炉利用高频电流产生的焦耳热冶炼金属．（　　）

（4）高频感应炉利用金属块中的涡流产生焦耳热冶炼金属．（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√

三、涡流制动与涡流探测

[导学探究]　如图4把高速旋转的铝盘放在蹄形磁铁之间，铝盘会发生什么现象，为什么？

图4

答案　铝盘会很快停止转动，原因：

铝盘在蹄形磁铁的磁场中转动，会在铝盘中激起涡流，涡流与磁场相互作用产生一个动态阻尼力，从而提供制动力矩．从而使铝盘快速停止转动．

[知识梳理]　涡流制动、涡流探测和涡流的防止

（1）涡流制动：

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与磁场的相对运动，这种现象称为涡流制动．这种制动方式常应用于电表的阻尼制动、高速机车制动的涡流闸等．

（2）涡流探测：

涡流金属探测器具有一个通过一定频率交变电流的探测线圈，该线圈产生的交变磁场在金属物中激起涡流，涡流的变化会反过来影响探测线圈，改变探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物．

（3）在生产和生活中，有时也要避免涡流效应．要减小电机、变压器的铁芯在工作时产生的涡流，可采用的方法是把整块铁芯改成用薄片叠压的铁芯，增大回路电阻．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）电磁制动发生的过程，存在机械能向内能的转化．（　　）

（2）电磁制动中的感应电流，受到的安培力为阻力．（　　）

（3）利用涡流金属探测器，可以探测出违法分子携带的毒品．（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）×

一、涡流的理解、利用和防止

1．产生涡流的两种情况

（1）块状金属放在变化的磁场中．

（2）块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动．

2．产生涡流时的能量转化

（1）金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能．

（2）金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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．

例1　（多选）如图5所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就会产生感应电流，感应电流通过焊缝产生很多热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是（　　）

图5

A．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高的越快

B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高的越快

C．工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小

D．工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大

答案　AD

解析　交流电频率越高，则产生的感应电流越大，升温越快，故A项对，B项错；工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故C项错，D项对．

例2　（多选）如图6所示，闭合金属环从光滑曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速度为零，摩擦不计，曲面处在图中磁场中，则（　　）

图6

A．若是匀强磁场，环上升的高度小于h

B．若是匀强磁场，环上升的高度等于h

C．若是非匀强磁场，环上升的高度等于h

D．若是非匀强磁场，环上升的高度小于h

答案　BD

解析　若磁场为匀强磁场，穿过环的磁通量不变，不产生感应电流，即无机械能向电能转化，机械能守恒，故A错误，B正确；若磁场为非匀强磁场，环内要产生电能，机械能减少，故D正确．

二、对涡流制动与涡流探测的理解

1．闭合回路的部分导体在做切割磁感线运动产生感应电流时，导体在磁场中就要受到磁场力的作用，根据楞次定律，磁场力总是阻碍导体的运动，于是产生涡流制动．

2．涡流制动是一种十分普遍的物理现象，任何在磁场中运动的导体，只要给感应电流提供回路，就会存在涡流制动作用．

例3　在水平放置的光滑绝缘导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图7所示．现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们分别从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去．各滑块在向磁铁运动的过程中（　　）

图7

A．都做匀速运动

B．甲、乙做加速运动

C．甲、乙做减速运动

D．乙、丙做匀速运动

答案　C

解析　甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受涡流制动作用，做减速运动，丙则不会产生涡流，只能匀速运动．

例4　金属探测器已经广泛应用于安检场所，关于金属探测器的论述正确的是（　　）

A．金属探测器可用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中

B．金属探测器探测地雷时，探测器的线圈中产生涡流

C．金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流

D．探测过程中金属探测器与被测物体相对静止与相对运动探测效果相同

答案　C

解析　金属探测器只能探测金属，不能用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中，故A错误；金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流，故B错误，C正确；探测过程中工作时金属探测器应与被测物体相对运动，相对静止时无法得出探测效果，故D错误．故选C.

1．下列做法中可能产生涡流的是（　　）

A．把金属块放在匀强磁场中

B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动

C．让金属块在匀强磁场中做变速运动

D．把金属块放在变化的磁场中

答案　D

2．（多选）如图8所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑、但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度．两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端距管口等高处无初速度释放，穿过A管比穿过B管的小球先落到地面．下面对于两管的描述中可能正确的是（　　）

图8

A．A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的

B．A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的

C．A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的

D．A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的

答案　AD

3．如图9所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水．给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是（　　）

图9

A．恒定直流、小铁锅

B．恒定直流、玻璃杯

C．变化的电流、小铁锅

D．变化的电流、玻璃杯

答案　C

解析　通入恒定电流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流．通入变化的电流时，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高．涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温，故C正确．

选择题（1～6题为单选题，7～11题为多选题）

1．下列关于涡流的说法中正确的是（　　）

A．涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的

B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流

C．涡流有热效应，但没有磁效应

D．在硅钢中不能产生涡流

答案　A

解析　涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流，只不过是由金属块自身构成回路，它既有热效应，也有磁效应，所以A正确，B、C错误；硅钢中产生的涡流较小，D错误．

2.弹簧上端固定，下端挂一条形磁铁，使磁铁上下振动，磁铁的振动幅度不变．若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图1所示，观察磁铁的振幅将会发现（　　）

图1

A．S闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变

B．S闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变

C．S闭合或断开，振幅变化相同

D．S闭合或断开，振幅都不发生变化

答案　A

解析　S断开时，磁铁振动穿过线圈的磁通量发生变化，但线圈中无感应电流，振幅不变；S闭合时有感应电流，有电能产生，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，A正确．

3.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图2所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被治炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，因此适用于冶炼特种金属．那么该炉的加热原理是（　　）

图2

A．利用线圈中电流产生的焦耳热

B．利用线圈中电流产生的磁场

C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流

D．给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电

答案　C

4．如图3所示，使一个铜盘绕其竖直的轴OO′转动，且假设摩擦等阻力不计，转动是匀速的．现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则（　　）

图3

A．铜盘的转动将变慢

B．铜盘的转动将变快

C．铜盘仍以原来的转速转动

D．铜盘的转动速度是否变化，要根据磁铁上下两端的极性来决定

答案　A

5.如图4所示，一条形磁铁从静止开始向下穿过一个用双线绕成的闭合线圈，条形磁铁在穿过线圈的过程中（　　）

图4

A．做自由落体运动

B．做减速运动

C．做匀速运动

D．做非匀变速运动

答案　A

解析　双线绕成的线圈由于两导线产生的磁通量相互抵消，不会产生感应电流，所以磁铁将做自由落体运动．

6．一个半径为r、质量为m、电阻为R的金属圆环，用一根长为L的绝缘细绳悬挂于O点，离O点下方

处有一宽度为

、垂直纸面向里的匀强磁场区域，如图5所示．现使圆环从与悬点O等高位置A处由静止释放（细绳张直，忽略空气阻力），摆动过程中金属圆环所在平面始终垂直磁场，则在达到稳定摆动的整个过程中，金属圆环产生的热量是（　　）

图5

A．mgLB．mg（

＋r）

C．mg（

L＋r）D．mg（L＋2r）

答案　C

解析　圆环在进入磁场和离开磁场时，磁通量发生变化，产生感应电流，机械能减少，最后圆环在磁场下面摆动，机械能守恒．在整个过程中减少的机械能转变为焦耳热，在达到稳定摆动的整个过程中，金属圆环减少的机械能为mg（

L＋r）．

7．图6为某型号手持式封口机的照片，其机箱可提供高频交流电．使用时，只要将待封口的塑料罐拧上盖子，然后置于封口加热头的下方，按下电源开关1～2s，盖子内层的铝箔瞬间产生高热，然后融合在瓶口上，达到封口的效果．下列有关说法合理的是（　　）

图6

A．其封口加热头内部一定有电热丝

B．其封口加热头内部一定有高频线圈

C．该机的主要工作原理是电磁感应

D．铝箔产生高热的原因是热辐射

答案　BC

8．对变压器和电动机中的涡流的认识，以下说法正确的是（　　）

A．涡流会使铁芯温度升高，减少线圈绝缘材料的寿命

B．涡流发热，要损耗额外的能量

C．为了不产生涡流，变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯

D．涡流产生于线圈中，对原电流起阻碍作用

答案　AB

解析　变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量，同时会减少线圈绝缘材料的寿命，A、B正确；变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻，减小电流，减少产生的热量，C错误；涡流产生于铁芯中，对原电流无阻碍作用，D错误．故选A、B.

9．如图7所示，磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈围绕在铝框上，这样做的目的是（　　）

图7

A．防止涡流而设计的

B．利用涡流而设计的

C．起涡流制动的作用

D．起电磁驱动的作用

答案　BC

解析　线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，也就是涡流．涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来．所以，这样做的目的是利用涡流来起制动作用．

10．安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警．以下关于这个安检门的说法正确的是（　　）

A．这个安检门也能检查出毒品携带者

B．这个安检门只能检查出金属物品携带者

C．如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者

D．这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应

答案　BD

解析　这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出金属物品携带者，A错，B对．若“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使块状金属产生涡流，因而不能检查出金属物品携带者，C错．安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应，D对．

11．如图8所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有（　　）

图8

A．增加线圈的匝数

B．提高交流电源的频率

C．将金属杯换为瓷杯

D．取走线圈中的铁芯

答案　AB