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

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1、 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

2、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

3、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P＝I2R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

4、，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1­7­3 A．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

5、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】　B 2．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1­7­4 A．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

6、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

7、)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

8、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1­7

9、­5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

10、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

11、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】　B 4．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

12、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1­7­7 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 【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

13、高，金属熔化． 【答案】　C 5．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1­7­8 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 【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