高中物理第四章电磁感应7涡流学案新人教版选修32.docx

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高中物理第四章电磁感应7涡流学案新人教版选修32

7涡流

[目标定位]　1.了解涡流是怎样产生的及涡流现象的利用和危害.2.通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用.3.了解电磁阻尼和电磁驱动.

一、涡流

1.定义

用整块金属材料作铁芯绕制的线圈，当线圈中通有变化的电流时，变化的电流会产生变化的磁场，变化的磁场穿过铁芯，整个铁芯会自成回路，产生感应电流，这种电流看起来像水的旋涡，把这种电流叫做涡电流，简称涡流.

2.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.

3.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.

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.

5.涡流的危害与防止

（1）涡流的危害

在各种电机、变压器中，涡流会使铁芯的温度升高，危及线圈绝缘材料的寿命；另外涡流发热要消耗额外的能量，使电机、变压器的效率降低.

（2）涡流的防止

为了减小涡流，变压器、电机中的铁芯不是由整块的钢铁制成，而是用薄薄的硅钢片叠压而成.一方面硅钢片的电阻率比一般钢铁的要大，从而减少损耗；另一方面，每层硅钢片之间都是绝缘的，阻断了涡流的通路，进一步减小了涡流的发热.

深度思考

发生涡流时，金属块并没有接入闭合电路，为什么会产生感应电流？

答案　金属块自身构成闭合回路，导体内部等效成许多闭合电路.当穿过金属块的磁通量变化时，金属块内部会产生感应电流.

例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.在硅钢片中不能产生涡流

解析　涡流是一种特殊的电磁感应现象，它是感应电流，既有热效应，又有磁效应.硅钢片中能产生涡流，但电流较小，故选项A正确.

答案　A

例2

　变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成，而不采用一块整硅钢，这是为了（　　）

A.增大涡流，提高变压器的效率

B.减小涡流，提高变压器的效率

C.增大涡流，减小铁芯的发热量

D.减小涡流，减小铁芯的发热量

解析　涡流的主要效应之一就是发热，而变压器的铁芯发热，是我们不希望出现的，所以不采用整块硅钢，而采用薄硅钢片叠压在一起，目的是减小涡流，减小铁芯的发热量，进而提高变压器的效率.故选项B、D正确.

答案　BD

减小涡流的途径之一是增大铁芯材料的电阻率；另一途径就是用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯.

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.

（2）应用：

磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止，便于读数.

2.电磁驱动：

（1）定义：

磁场相对于导体转动时，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，使导体运动起来.

（2）应用：

交流感应电动机.

3.电磁阻尼和电磁驱动的比较：

比较内容

电磁阻尼

电磁驱动

不同点

成因

由导体在磁场中运动形成的

由磁场运动而形成的

效果

安培力方向与导体运动方向相反，为阻力

安培力方向与磁场运动方向相同，为动力

能量转化

克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能

磁场能转化为电能，通过安培力做功，电能转化为导体的机械能

共同点

两者都是电磁感应现象，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动

深度思考

电磁阻尼是谁阻碍谁的运动？

电磁驱动是谁驱动谁？

答案　电磁阻尼是磁场阻碍导体相对磁场的运动，电磁驱动是磁场驱动导体的运动.

例3

　如图1所示，上端开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置.小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部，则小磁块（　　）

图1

A.在P和Q中都做自由落体运动

B.在两个下落过程中的机械能都守恒

C.在P中的下落时间比在Q中的长

D.落至底部时在P中的速度比在Q中的大

解析　小磁块下落过程中，在铜管P中产生感应电流，小磁块受到向上的磁场力，不做自由落体运动，而在塑料管Q中只受到重力，在Q中做自由落体运动，故选项A错误；根据功能关系知，在P中下落时，小磁块机械能减少，在Q中下落时，小磁块机械能守恒，故选项B错误；在P中加速度较小，在P中下落时间较长，选项C正确；由于在P中下落时要克服磁场力做功，机械能有损失，故知，落至底部时在P中的速度比在Q中的小，选项D错误.

答案　C

例4

　如图2所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动.从上向下看，当磁铁逆时针转动时，则（　　）

图2

A.线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同

B.线圈将逆时针转动，转速比磁铁小

C.线圈将顺时针转动，转速比磁铁大

D.线圈将顺时针转动，转速比磁铁小

解析　当磁铁逆时针转动时，线圈中产生感应电流，根据楞次定律知，感应电流总是阻碍磁铁和线圈之间的相对运动，线圈将与磁铁同向转动，但转动速度比磁铁小.B项正确.

答案　B

电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动，减小导体与磁场的相对速度.但阻碍不是阻止，导体与磁场的运动不同步.

1.（涡流的应用）（多选）如图3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3

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

解析　当电磁铁接通交流电源时，金属杯处在变化的磁场中产生涡电流发热，使水温升高.要缩短加热时间，需增大涡电流，即增大感应电动势或减小电阻.增加线圈匝数、提高交变电流的频率都是为了增大感应电动势，瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致磁性减弱.所以选项A、B正确，选项C、D错误.

2（涡流的应用）（多选）如图4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产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生大量热量，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4

A.交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快

B.交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快

C.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小

D.工件上只有焊缝处温度升得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，工件电流相同，电阻越大，温度越高，放热越多.

3.（对电磁阻尼的理解）（多选）如图5所示，磁电式仪表的线圈通常是用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是（　　）

图5

A.防止涡流而设计的B.利用涡流而设计的

C.起电磁阻尼的作用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转动，铝框随之转动，在铝框内产生涡流.涡流将阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用.

4.（对电磁驱动的理解）如图6所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环1竖直，环2水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是（　　）

图6

A.两环都向右运动

B.两环都向左运动

C.环1静止，环2向右运动

D.两环都静止

答案　C

解析　条形磁铁向右运动时，环1中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止；环2中磁通量变化，根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流的效果使环2向右运动.

题组一　涡流的应用

1.（多选）对变压器和电动机中涡流的认识，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互相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的寿命，A、B正确；变压器和电动机的铁芯用互相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.

2.如图1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1

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.

3.（多选）如图2所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图，下列说法中正确的是（　　）

图2

A.探测器内的探测线圈会产生交变磁场

B.只有有磁性的金属物才会被探测器探测到

C.探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流

D.探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流

答案　AD

4.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的.如图3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，这时被冶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治炼的金属中，因此适用于冶炼特种金属.那么该炉的加热原理是（　　）

图3

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

5.如图4所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采用电磁感应原理产生涡流加热的，它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，当变化的磁场通过含铁质锅的底部时，即会产生无数小涡流，使锅体本身自行高速升温，然后再加热锅内食物.电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害.关于电磁炉，以下说法中正确的是（　　）

图4

A.电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的

B.电磁炉是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的

C.电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的

D.电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的

答案　B

解析　电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物，故选项A、D错误，B正确；而选项C是微波炉的加热原理，C错误.

题组二　对电磁阻尼的理解

6.（多选）如图5所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜环在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是（　　）

图5

A.A、B两点在同一水平线上

B.A点高于B点

C.A点低于B点

D.铜环最终将做等幅摆动

答案　BD

解析　铜环在进入和穿出磁场的过程中，穿过环的磁通量发生变化，环中有感应电流产生，将损耗一定的机械能，所以A点高于B点.铜环的摆角会越来越小，最终出不了磁场，而做等幅摆动.

7.如图6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6

A.铜盘转动将变慢

B.铜盘转动将变快

C.铜盘仍以原来的转速转动

D.铜盘的转动速度是否变化，要根据磁铁的上下两端的极性来决定

答案　A

解析　当一个蹄形磁铁移近铜盘时，铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，由楞次定律可知感应电流受到的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘的转动将变慢.本题也可以从能量守恒的角度去分析，因为铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，铜盘的机械能不断转化成电能，铜盘转动会逐渐变慢，故正确选项为A.

8.如图7所示，在光滑水平桌面上放一条形磁铁，分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁铁的一端且给它们一个相同的初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况是（　　）

图7

A.都做匀速运动

B.甲、乙做加速运动

C.甲做加速运动，乙做减速运动，丙做匀速运动

D.甲做减速运动，乙做加速运动，丙做匀速运动

答案　C

解析　铁球将加速运动，其原因是铁球被磁化后与磁铁之间产生相互吸引的磁力.铝球将减速运动，其原因是铝球内产生了感应电流，感应电流的磁场阻碍相对运动.木球将匀速运动，其原因是木球既不能被磁化，也不能产生感应电流，所以磁铁对木球不产生力的作用.

9.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8所示，观察磁铁的振幅将会发现（　　）

图8

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，振幅逐渐减少，A正确.

10.（多选）如图9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管上端的管口无初速度释放，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9

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管用胶木制成的，B管是用铝制成的

答案　AD

题组三　对电磁驱动的理解

11.如图10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（　　）

图10

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

答案　B

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是阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，线圈中能产生感应电流的条件必须是磁通量发生变化.故铜盘转动方向与磁铁相同而转速小，所以正确选项是B.

12.（多选）位于光滑水平面的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v水平穿过，如图11所示，在此过程中（　　）

图11

A.磁铁做匀速直线运动B.磁铁做减速运动

C.小车向右做加速运动D.小车先加速后减速

答案　BC

解析