2015年广东省惠州市惠东县安墩中学高二物理学案1.9《涡流现象及其应用》(粤教版选修3-2)

9涡流现象及其应用[学习目标定位]1.知道什么是涡流现象，并能够说明其产生的原因.2.了解电磁灶和涡流加热.3.了解涡流现象的应用——涡流制动和涡流探测．1．楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化．2．根据楞次定律的扩展含义，感应电流所受安培力总是阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动．概括为“来拒去留”．一、涡流现象如图1所示，当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，在附近导体中会产生像水中旋涡一样的感应电流，把这种在整块导体内部发生电磁感应而产生的感应电流的现象叫涡流现象．导体的外周长越长、交变磁场的频率越高，涡流就越大．图1二、电磁灶与涡流加热1．如图2所示，电磁灶采用了磁场感应涡流的加热原理．电磁灶工作时，电磁灶的线圈产生交变电磁场，锅底部处在交变磁场中产生涡流，从而使锅体发热．图2图32．如图3所示，感应炉接到高频交流电源上，在线圈中产生交变磁场，使金属中产生涡流，金属发热而熔化，从而达到冶炼金属的目的．三、涡流制动与涡流探测1．涡流制动：如图4所示，铝盘在蹄形磁铁的磁场中转动，会在铝盘中激起涡流，涡流图4与磁场相互作用产生一个动态阻尼力，从而提供制动力矩．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．一、涡流现象[问题设计]在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上面放一口小铁锅(图5)，锅内放少许水，给线圈通入交变电流一段时间．再用玻璃杯代替小铁锅，通电时间相同．(忽略热传导)图5请回答下列问题：(1)铁锅和玻璃杯中水的温度有什么不同？(2)试着解释这种现象．答案(1)通电后铁锅中的水逐渐变热，玻璃杯中水的温度不变化(忽略热传导)．(2)线圈接入周期性变化的电流，某段时间内，若电流变大，则其磁场变强，变化的磁场激发出感应电场，小铁锅(导体)可以看作是由许多闭合线圈组成的，在感应电场作用下，这些线圈中产生了感应电动势，从而产生涡旋状的感应电流，由于导体存在电阻，当电流在导体中流动时，就会产生电热，则锅中的水会热起来．而玻璃杯中虽然也会产生感应电场，但没有自由移动的电荷，故不会产生电流，也不会产生电热，则玻璃杯中水的温度没有变化．[要点提炼]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．磁场变化越快(eq\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，形成的涡流就越大．二、电磁灶与涡流加热[要点提炼]1．电磁灶工作时，电磁灶的线圈产生交变磁场，铁质锅在磁场中由于电磁感应而产生涡流，涡流在锅体内发热．电磁灶的效率达83%.2．感应炉的工作原理是高频电流在导体中产生很大的涡流，使感应炉的温度升高，达到金属的熔点，使金属熔化．感应加热的优点：(1)非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触．(2)加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象．(3)容易控制温度，提高加工精度．(4)可实现局部加热．(5)可实现自动化控制．(6)减少占地、热辐射、噪声和灰尘．三、涡流制动与涡流探测[问题设计]1．如图6所示，轨道水平放置，导体棒MN放在轨道上面以速度v向右运动，试判断导体棒中的电流方向和电流的受力方向．图6答案电流方向为由N指向M，电流受力向左．2．电流所受的安培力是导体棒运动的动力还是阻力？答案电流所受的安培力是导体棒运动的阻力．[要点提炼]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．一、涡流的理解例1(单选)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．答案A二、对涡流加热的理解与应用例2(双选)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．电磁炉可以用陶瓷器皿作为锅具对食品加热C．可以通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率D．电磁炉面板可采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品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，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错误；锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故C正确；电磁炉产生变化的电磁场，导致加热锅底出现涡流，从而产生热量，故D错误；故选A、C.答案AC三、对涡流制动的理解例3(单选)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7A．都做匀速运动 B．甲、乙做加速运动C．甲、乙做减速运动 D．乙、丙做匀速运动解析甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受电磁阻尼作用，做减速运动，丙则不会产生涡流，只能匀速运动．答案C四、对涡流探测的理解例4(双选)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．答案BD涡流现象eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(产生：导体中的磁通量发生变化，导体中产生环状电流,有关因素：导体的外周长、导体的电阻、交变磁场的频率,应用：电磁灶、涡流加热、涡流制动、涡流探测,防止：整块铁芯改成用薄片叠压的铁芯，增大回路电阻))1．(涡流加热的应用)(单选)熔化金属的一种方法是用“高频炉”，它的主要部件是一个铜制线圈，线圈中有一钳锅，锅内放入待熔的金属块．当线圈中通以高频交流电时，锅中金属就可以熔化，这是因为()A．线圈中的高频交流电通过线圈电阻，产生焦耳热B．线圈中的高频交流电产生高频微波辐射，深入到金属内部，产生焦耳热C．线圈中的高频交流电在钳锅中产生感应电流，通过钳锅电阻产生焦耳热D．线圈中的高频交流电在金属块中产生感应电流，通过金属块电阻产生焦耳热答案D解析线圈中的高频交流电通过线圈，从而产生变化的电磁场，使得处于电磁场的金属块产生涡流，进而发热，故A、B、C都错，D正确．2．(涡流制动)(双选)如图8所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是()图8A．2是磁铁，1中产生涡流B．1是磁铁，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下来答案AD解析当指针摆动时，1随之转动，2是磁铁，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动．总之，不管1向哪个方向转动，2对1的效果总是起到阻尼作用，所以它能使指针很快地稳定下来．3．(涡流的防止)(双选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，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．增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量D．增大铁芯中的电阻，以减小发热量答案BD解析不使用整块硅钢而是采用很薄的硅钢片，这样做的目的是增大铁芯中的电阻，减少电能转化成铁芯的内能，提高效率，而且是为防止涡流而采取的措施．

题组一对涡流加热的理解与应用1．(单选)高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图1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，因此适于冶炼特种金属．那么该炉的加热原理是()图1A．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C2．(单选)电磁炉利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物．下列相关的说法中正确的是()A．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作C．金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物D．电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递减少热损耗答案A解析锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故A正确；直流电不能产生变化的磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能使用直流电，故B错误；锅体只能用导体材料，不能使用绝缘材料制作，故C错误；电磁炉产生变化的磁场，导致锅底出现涡流，从而产生热量而不是靠热传递；D错误．3．(双选)如图2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，感应电流通过焊缝产生大量热，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2A．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强，升温越快，故A项对．工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故D项对．4．(单选)光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图3所示，抛物线的方程是y＝x2，下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线(图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物线上y＝b(b＞a)处以初速度v沿抛物线下滑．假设抛物线足够长，金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是()图3A．mgb B.eq\f(1,2)mv2C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2答案D解析金属块进出磁场时，会产生焦耳热，损失机械能而使金属块所能达到的最高位置越来越低，当金属块所能达到的最高位置为y＝a时，金属块不再进出磁场，不再产生焦耳热．金属块的机械能不再损失，而在磁场中做往复运动．由于金属块减少的动能和重力势能全部转化为内能，所以Q＝|ΔEp＋ΔEk|＝mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2.题组二对涡流制动和涡流探测的理解与应用5．(双选)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()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电磁阻尼的作用．6．(双选)如图4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4A．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AD7．(单选)如图5所示，金属球(铜球)下端有通电的线圈，今把金属球向上拉离平衡位置后释放，此后金属球的运动情况是(不计空气阻力)()图5A．做等幅振动 B．做阻尼振动C．振幅不断增大 D．无法判定答案B解析金属球在通电线圈产生的磁场中运动，金属球中产生涡流，故金属球要受到安培力作用，阻碍它的相对运动，做阻尼振动．8．(单选)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6A．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