2022-2023学年粤教版选择性必修第二册 2.5 涡流现象及其应用 学案

学习目标物理与STSE1.认识什么是涡流，理解涡流的成因及本质.（重点）2.了解涡流的热效应、机械效应、磁效应在生产生活科技中的应用.（重点）3.了解涡流现象中的能量转化（难点）eq\a\vs4\al(电磁炉利用了eq\a\vs4\al(手持式金属探测器利,用了涡流的磁效应)知识点一涡流现象1.定义.在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象.2.影响因素.（1）导体的电阻.（2）交变磁场的变化率.（eq\f(ΔB,Δt)）（3）导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大.知识点二涡流的应用与防止1.涡流的热效应.（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）感应加热炉：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.2.涡流的机械效应.（1）电磁驱动.①定义：磁场相对于导体转动时，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的现象.②应用：交流感应电动机.（2）电磁阻尼.①定义：当导体在磁场中运动时，导体中会产生感应电流，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体运动的现象.②应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停下来，便于读数.3.涡流的磁效应.（1）涡流探测：探测线圈产生的交变磁场在金属中激起涡流，涡流产生的磁场又影响线圈的磁场，从而触发报警器报警.（2）应用：探测行李中的枪支、埋于地表的地雷、金属覆盖膜厚度等.4.涡流的防止.（1）原理：缩小导体的外周长，增大材料的电阻.（2）事例：电机和变压器的铁芯用薄片叠压而成.（3）目的：减少发热损失，提高机械效率.小试身手1.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：B2.如图所示，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（）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；但在圆环完全进入磁场后，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探究一对涡流的理解及应用1.涡流的本质：电磁感应现象.2.条件.穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身可自行构成闭合回路.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.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.5.产生涡流时的能量转化：伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能.（1）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.【典例1】（多选）电磁炉采用感应电流（涡流）的加热原理，是通过电子线路产生交变磁场，把铁锅放在炉面上时，在铁锅底部产生交变的电流，它具有升温快、效率高、体积小、安全性好等优点.下列关于电磁炉的说法中正确的是（）A.电磁炉面板可采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部B.电磁炉面板可采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品C.电磁炉可以用陶瓷器皿作为锅具对食品加热D.可以通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率解析：电磁炉的上表面如果用金属材料制成，使用电磁炉时，上表面材料发生电磁感应要损失电能，因此电磁炉上表面要用绝缘材料制作，发热部分为铁锅底部，故A正确，B、C错误；锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故D正确.答案：AD涡流问题的三点注意（1）涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律.（2）金属能够自身形成闭合回路，形成涡流.（3）磁场变化越快eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(ΔB,Δt)越大))，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越强.1.如图为手机无线充电的原理图，下列哪种装置的工作原理与其相同（）A.电磁炉B.电动机C.回旋加速器D.速度选择器解析：手机无线充电及电磁炉均应用了电磁感应原理；而电动机是导线在磁场中受力；回旋加速器利用电场的加速及磁场中的偏转；速度选择器采用的是复合场中的运动.答案：A2.（多选）“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中.如图所示为一手持式封口机，它的工作原理是：当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在承封容器的封口处，达到迅速封口的目的.下列有关说法正确的是（）A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔B.该封口机可用干电池作为电源以方便携带C.封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决D.该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器解析：由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电源，选项A、B错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，即控制温度，选项C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样会被熔化，只能是玻璃、塑料等材质，选项D正确.答案：CD3.如图所示，上下开口、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（）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：小磁块从铜管P中下落时，P中的磁通量发生变化，P中产生感应电流，给小磁块一个向上的磁场力，阻碍小磁块向下运动，因此小磁块在P中不是做自由落体运动，而塑料管Q中不会产生电磁感应现象，因此Q中小磁块做自由落体运动，A项错误；P中的小磁块受到的磁场力对小磁块做负功，机械能不守恒，B项错误；由于在P中小磁块下落的加速度小于g，而Q中小磁块做自由落体运动，因此从静止开始下落相同高度，在P中下落的时间比在Q中下落的时间长，C项正确；根据动能定理可知，落到底部时在P中的速度比在Q中的速度小，D项错误.答案：C探究二对电磁驱动与电磁阻尼的理解电磁阻尼与电磁驱动的比较.项目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，从而使导体受到安培力由于磁场运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力效果安培力的方向与导体相对磁场运动方向相反，阻碍导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，从而对外做功相同点两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动【典例2】如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以自绕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（）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.电磁阻尼是指感应电流所受的安培力对导体做负功，阻碍导体运动；而电磁驱动是指感应电流所受的安培力对导体做正功，推动导体运动.2.在这两种情况下，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.4.（多选）如图所示，是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是（）A.2是磁铁，在1中产生涡流B.1是磁铁，在2中产生涡流C.该装置的作用是使指针能够转动D.该装置的作用是使指针能很快地稳定解析：根据电磁阻尼的工作原理及能量转化进行回答.此装置为电磁阻尼，2是磁铁，1为闭合线框，当1切割磁感线在1中产生涡流，将动能转化成内能，从而使1很快的稳定，故A、D正确，B、C错误.答案：AD5.扫描隧道显微镜（STM）可用来探测样品表面原子尺度上的形貌.为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示.无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是（）解析：感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化.在A图中，系统震动时，紫铜薄板随之上下及左右振动，在磁场中的部分有时多有时少，磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力，阻碍系统的震动；在B、D图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流，而上下振动无电流产生；在C图中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，都不会产生感应电流，故选项A正确，B、C、D错误.答案：A6.（多选）位于光滑水平面的小车上水平固定一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v0穿入螺线管，并最终穿出，如图所示，在此过程中（