2017-2018学年高中物理 第一章 电磁感应 第7节 涡流现象及其应用学案 粤教版选修3-2

第七节涡流现象及其应用学 习 目 标知 识 脉 络1.认识什么是涡流，理解涡流的成因及本质(重点)2了解涡流加热，涡流制动，涡流探测在生产、生活和科技中的应用(重点)3了解在生产、生活中避免或减少涡流的方法(难点)涡 流 现 象1涡流：整块导体内部因发生电磁感应而产生的感应电流2影响涡流大小的因素：导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大1涡流有热效应，但没有磁效应()2把金属块放在变化的磁场中可产生涡流()3涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流()如图171所示，垂直金属圆环的一个匀强磁场在逐渐变化，金属圆环上能否产生感应电流？图171【提示】有感应电流如图172，将通有变化电流的导线绕在铁块上图172探讨1：请问铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？【提示】有变化的电流产生变化的磁场，根据楞次定律可知铁块中产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流探讨2：在上述过程中伴随着哪些能量转化？【提示】电能转化为磁场能，磁场能最终转化为内能1涡流的产生涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流，即导体内部产生了涡流2涡流的特点(1)电流强：当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强(2)功率大：根据公式PI2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大3能量转化伴随着涡流现象，常见以下两种能量转化(1)如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；(2)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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1如图173所示，一闭合金属圆环用绝缘细线挂于O点，将圆环拉离平衡位置并释放，圆环摆动过程中(环平面与磁场始终保持垂直)经过有界的水平匀强磁场区域，A、B为该磁场的竖直边界若不计空气阻力，则()图173A圆环向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度B在进入和离开磁场时，圆环中均有感应电流C圆环进入磁场后，离最低点越近速度越大，感应电流也越大D圆环最终将静止在最低点【解析】在圆环进入和穿出磁场的过程中环中磁通量发生变化，有感应电流产生，即圆环的机械能向电能转化，其机械能越来越小，上升的高度越来越低，A项错误，B项正确；但在环完全进入磁场后，不再产生感应电流，C项错误；最终圆环将不能摆出磁场，从此再无机械能向电能转化，其摆动的幅度不再变化，D项错误【答案】B2如图174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一个初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况() 【导学号：97192041】图174A都做匀速运动B铁球、铝球都做减速运动C铁球做加速运动，铝球做减速运动D铝球、木球做匀速运动【解析】铁球靠近磁铁时被磁化，与磁铁之间产生相互吸引的作用力，故铁球将加速运动；铝球向磁铁靠近时，穿过它的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铝球向磁铁运动时会受阻碍而减速；木球为非金属，既不能被磁化，也不产生涡流现象，所以磁铁对木球不产生力的作用，木球将做匀速运动综上所述，C项正确【答案】C涡流现象的分析方法1涡流是整块导体中发生的电磁感应现象，分析涡流一般运用楞次定律和法拉第电磁感应定律2导体内部可以等效为许多闭合电路3导体内部发热的原理是电流的热效应涡 流 现 象 的 应 用 与 防 止1涡流的应用(1)电磁灶：电磁灶是涡流现象在生活中的应用，采用了磁场感应涡流的加热原理(2)感应加热：在感应炉中，有产生高频电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，其工作原理也是涡流加热(3)涡流制动：当导体在磁场中运动时，会在导体中激起涡流，涡流与磁场相互作用产生一个动态阻尼力，从而提供制动力矩阻碍导体的运动(4)涡流探测：通有交变电流的探测线圈，产生交变磁场，当靠近金属物时，在金属物中激起涡流，隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，改变通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物2涡流的防止(1)原理：缩小导体的体积，增大材料的电阻率(2)事例：电机和变压器的铁芯用硅钢片叠压而成(3)目的：减少电能损失1变压器硅钢片叠成铁芯是利用涡流现象()2金属探测器是利用涡流现象()3电表线圈用铝框做线圈骨架不是利用涡流现象()在感应加热中，是使用高频交流电源好，还是使用低频交流电源好？为什么？【提示】使用高频电源好，感应加热就是利用感应电流产生的热量，感应电流适当大些较好，当使用高频交流电源时，它产生高频变化的磁场，磁场中导体内的磁通量变化非常迅速，产生较大的感应电动势和感应电流，加热效果会更好探讨1：弹簧上端固定，下端悬挂一根磁铁将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它(如图175所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象图175【提示】当磁铁穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁铁靠近或离开线圈，因此磁铁振动时除了有空气阻力外，还有线圈的磁场力作为阻力，克服阻力需要做的功较多，弹簧振子的机械能损失较快，因而会很快停下来探讨2：一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图176所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO轴转动当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动，当磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动图176试分析线圈转动起来的动力是什么力？线圈的转动速度与磁铁的转动速度相同吗？【提示】线圈内产生感应电流受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来线圈的转速小于磁铁的转速1电磁阻尼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，于是产生电磁阻尼2电磁驱动如果磁场相对于导体运动，在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，安培力使导体运动起来3电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动不同点成因由于导体在磁场中运动而产生感应电流由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流效果安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍物体运动导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动能量转化导体克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能由于电磁感应，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，而对外做功相同点两者都是电磁感应现象3下列应用与涡流无关的是()A家用电磁炉B家用微波炉C真空冶炼炉D探雷器【解析】家用电磁炉和真空冶炼炉利用涡流的热效应工作，探雷器利用涡流的磁效应工作，而微波炉利用高频电磁波工作【答案】B4高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图177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炼金属中，因此适用于冶炼特种金属该炉的加热原理是() 【导学号：97192042】图177A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【解析】交变电流产生的交变磁场在炉内金属截面上引起磁通量变化，使金属内部出现感应电流，因金属的电阻很小，所以感应电流很强它在金属内自成回路时，形成旋涡状的电流，即涡流涡流产生大量的焦耳热使炉内温度升高，金属熔化【答案】C5如图178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() 【导学号：97192209】图178A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【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，铜盘中能产生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较小，不能与磁铁同速转动，所以正确选项是B.【答案】B对电磁阻尼和电磁驱动的理解1电磁阻尼是感应电流所受的安培力对导体做负功，阻碍导体运动；而电磁驱动是感应电流所受的安培力对导体做正功，推动导体的运动2在两种情况下，安培力均是阻碍导体与磁场之间的相对运动3在电磁驱动中，主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度)4电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象，均可以根据楞次定律和左手定则分析导体的受力情况7