高中物理选修3-2第四章电磁感应-7.涡-流课件

涡流涡流【教学目标】引入新课一、涡流

1、涡流

2、涡流的热效应

3、涡流的防止和利用

①真空冶炼炉

②高频焊接

③探雷器

④电磁灶二、电磁阻尼

“问题与练习”2

［演示］电磁阻尼摆“思考与讨论”：

“问题与练习”1三、涡流的机械效应——电磁驱动交流感应电动机原理,

【例1】

【例2】A组能力训练题1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12B组能力训练题1

2

3

4

5

6

7

8

9

10【教学目标】【教学目标】（1）知道涡流是如何产生的（2）知道涡流的利与弊，以及如何利用和防止涡流【教学重点】涡流的产生原因和涡流的作用【教学难点】涡流的产生原因引入新课

实验：涡流生热实验在可拆变压器的一字铁块下面加一块厚约2mm的铁板,铁板垂直于铁芯里磁感线的方向。在原线圈接交流电。几分钟后，让学生摸摸铁芯和铁板，比较它们的温度，现象：几分钟后学生感到铁芯变热。

原来把块状的金属放在变化的磁场中或让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合电路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流。解释：Bii一、涡流：块状金属放在变化磁场中，或者让它在磁场中运动时,金属块内产生的感应电流叫做涡流。如图所示，当交变电流通过线圈时，穿过铁芯的磁通量不断变化，铁芯会产生图中所示的涡流。金属块中的涡流也要产生热量，如果金属的电阻率小,则涡流很强,产生的热量也很多，会使铁芯大量发热，浪费大量电能.解释：1、涡流：Bii2、涡流的热效应

线圈接入反复变化的电流，某段时间内，若电流变大，则其磁场变强，根据麦克斯韦理论，变化的磁场激发出感生电场。导体可以看作是由许多闭合线圈组成的，在感生电场作用下，这些线圈中产生了感生电动势，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，这就是涡流的热效应。3、涡流的防止和利用（1）涡流的防止实验2：上面的实验中,把块状铁芯换成硅钢片铁芯，再接通电源，几分钟后，通过学生感知，温度没有明显变化。

涂有绝缘的薄硅钢片叠加的铁芯，在变化的磁场中，产生的涡流被限制在狭窄的薄片之内,回路的电阻很大，涡流大为减弱，又因为硅钢片比普通的电阻大，可以进一步减小涡流损失,电动机和变压器的铁芯都不是整块金属。解释：减少涡流的途径:①增大铁芯材料的电阻率，常用的材料是硅钢.线圈中流过变化的电流,在铁芯中产生的涡流使铁芯发热,浪费了能量,还可能损坏电器。图4.7-3用硅钢片做变压器的铁芯②用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。图4.7-2真空冶炼炉（2）涡流的利用

①真空冶炼炉冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。②③④①②高频焊接

线圈中通以高频交流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，由于焊接缝处的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起.我国生产的自行车车架就是用这种办法焊接的。交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快，根据法拉第电磁感应定律，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大.而放出的电热与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高焊接处放出的热量越多.高频电源焊缝处待焊接工件线圈导线高频焊接原理图②③④①③探雷器和安检门探雷器和安检门都是利用涡流制成的探测地雷的探雷器是利用涡流工作的，士兵手持一个长柄线圈在地面上扫过，线圈中由变化的电流，如果地下埋着金属物品，金属中感应涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警，这种探雷器可以用来探测金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷。机场的安检门可以探测人身携带的金属物品，道理是一样的。②③④①④电磁灶电磁灶的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，采用磁场感应涡加流加热原理，当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当磁场内的磁力线通过铁质锅底时会产生无数的涡流，使锅的本身自行高速发热，就放出大量的热量，然后再作用于锅内食物，将饭菜煮熟.这种最新的加热方式，能减少热量传递的中间环节，可大大提升制热效率，比传统炉具（电炉、气炉）节省能源一半以上。②③④①二、电磁阻尼“思考与讨论”：如图4.7-12，一个单匝线圈落入磁场中，分析在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向，安培力对线圈的运动有什么影响？导体在磁场中运动时，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。v图4.7-5答：感应电流的方向为顺时针钟方向，所受安培力的方向向上，对线圈的运动有阻碍作用。“问题与练习”2

如图4.7-12所示，弹簧下端悬挂一根磁铁，将磁铁托起到某高度后释放，磁铁能振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一固定线圈，磁铁会很快停下来。上述现象说明了什么？图4.7-12NS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和线圈靠近或离开，也就是磁铁振动时除了空气阻力外，还有线圈的磁场力作为阻力，安培阻力相对较大，因而磁铁会很快停下来。［演示］电磁阻尼摆

如果电磁铁通电，磁场在摆动的铝板中产生涡流,涡流受磁场作用力的方向与摆动方向相反,因而增大了摆的阻尼，摆很快就能停止下来。把铝板做成的摆放到电磁铁的磁场中，当电磁铁未通电时，摆要往复摆动多次，摆才能停止下来.电磁阻尼摆

“思考与讨论”：分析电表线圈骨架的作用电磁仪表中的电磁阻尼器就是根据涡流磁效应制作的，在磁电式测量仪表中，常把使指针偏转的线圈绕在闭合铝框上(图4.7-6)，当测量电流流过线圈时，铝框随线圈指针一起在磁场中转动，这时铝框内产生的涡流将受到磁场作用力，阻碍铝框和指针的摆动，使指针较快地稳定在指示位置上。此外，电气机车的电磁制动器也是根据这一效应制作的。N铝框S图4.7-6“问题与练习”1图4.7-11答：铜盘转动时，磁场在铜盘中产生涡流。涡流受磁场作用力的方向与铜盘的转动方向相反，因而增大了铜盘的阻尼，铜盘很快就能停止下来。1、有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动。如果在转动时把蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触（图4.7-11）,铜盘就能在较短时间内停止。分析这个现象产生的原因.三、涡流的机械效应——电磁驱动磁场相对于导体运动时，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,这种现象称为电磁驱动.当磁铁转动时，根据楞次定律此时在圆盘上将产生涡流，受到磁场的作用力将产生一个促使金属圆盘按磁场旋转方向发生转动的力矩。但是如果圆盘的转速达到了与磁场转速一样，则两者的相对速度为零，感应电流便不会产生，这时电磁驱动作用便消失。所以在电磁驱动作用下，金属圆盘的转速总要比磁铁或磁场的转速小，或者说两者的转速总是异步的。图4.7-8演示：图4.7-8交流感应电动机原理交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的(图4.7-9)。电磁驱动作用可用来制造测量转速的电表，这类转速表常称为磁性式转速表。

图4.7-9旋转磁场的产生

图4.7-10交流感应电动机【例1】如图所示，一块长方形光滑铝板水平放在桌面上，铝板右端拼接一根与铝板等厚的条形磁铁，一质量分布均匀的闭合铝环以初速度v从板的左端沿中线向右端滚动，则（）A．铝环的滚动速度将越来越小B．铝环将保持匀速滚动C．铝环的运动将逐渐偏向条形磁铁的N极或S极D．铝环的运动速率会改变，但运动方向将不会发生改变B点拨：穿过闭合铝环的磁通量始终为0。NSv铝板【例2】如图所示(图见下页)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量，将金属融化，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（）A.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AD解见下页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，感应电流的大小与感应电动势有关，电流变化的频率越高，电流变化的越快，感应电动势就越大。A选项正确。工件上焊缝处的电阻大，电流产生的热量就多，D选项也正确。解析：答案：AD高频电源焊缝处待焊接工件线圈导线高频焊接原理图A组能力训练题11．如图所示，在光滑水平面上固定一条形磁铁,有一小球以一定的初速度向磁铁方向运动,如果发现小球做减速运动，则小球的材料可能是（）

A．铁

B．木

C．铜

D．铝v0NSCDA组能力训练题22．如图所示，圆形金属环竖直固定穿套在光滑水平导轨上，条形磁铁沿导轨以初速度v0向圆环运动,其轴线在圆环圆心,与环面垂直，则磁铁在穿过环的过程中，做______运动.（选填“加速”、“匀速”或“减速”）NSv0减速A组能力训练题33、如图所示是称为阻尼摆的示意图，在轻质杆上固定一金属薄片,轻质杆可绕上端O点轴在竖直面内转动,一水平有界磁场垂直于金属薄片所在的平面．使摆从图中实线位置释放,摆很快就会停止摆动；若将摆改成梳齿状,还是从同一位置释放，摆会摆动较长的时间。试定性分析其原因．O

第一种情况下，阻尼摆进入有界磁场后,在摆中会形成涡流，涡流受磁场的阻碍作用，会很快停下来;答案：第二种情况下，将金属摆改成梳齿状，阻断了涡流形成的回路，从而减弱了涡流，受到的阻碍会比先前小得多，所以会摆动较长的时间．交变电流A组能力训练题4高频感应炉是用于冶炼高质量的特殊金属的,如图示，在冶炼炉外绕有线圈，锅内放入待冶炼的金属，线圈内通入高频交变电流，冶炼锅体是绝缘材料制作的，锅内金属能被加热熔化并达到很高的温度。以下说法正确的是（）A.金属利用线圈中的电流产生的焦耳热来加热B.金属利用交变磁场产生的涡流来加热。C.高频交变电流能发射红外线来加热金属D.增加高频交变电流能提高冶炼金属的温度.BDA组能力训练题55、如图所示，挂在弹簧下端的条形磁铁在闭合线圈内振动，如果空气阻力不计，则：（）A．磁铁的振幅不变B．磁铁做阻尼振动C．线圈中有逐渐变弱的直流电 D．线圈中逐渐变弱的交流电NSBDA组能力训练题66．如图所示，闭合金属环从曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速为零，摩擦不计，曲面处在图示磁场中，则（）A．若是匀强磁场，环滚上的高度小于hB．若是匀强磁场，环滚上的高度等于hC．若是非匀强磁场，环滚上的高度等于hD．若是非匀强磁场，环滚上的高度小于hh

由于导体与磁场发生相对运动而产生电磁感应现象时，安培力总是起阻碍相对运动的作用,即可判别出结果。该现象属于电磁阻尼现象.另外.点评：BD安培力所做的功,是实现将机械能转化为电能的途径,从能量转化和守恒的角度分析,也可以得出正确结果.A组能力训练题7异步电动机模型如图所示，蹄形轻磁铁和矩形线框abcd均可绕竖直轴无摩擦地转动。现使线框沿逆时针方向保持匀速转动（从上往下看），则磁铁的运动情况是()A.磁铁沿逆时针方向(从上往下看)转动.B.磁铁沿顺时针方向(从上往下看)转动.C.磁铁由静止开始一直加速转动,D.磁铁先由静止开始加速转动，后匀速转动.NdacbSAD

该现象属于电磁驱动现象,由于磁铁不受摩擦阻力，最终转速将达到与线框相同。若磁铁受到摩擦阻力，最终其转速总应小于线框的转速,从而产生感应电流，获得安培力用来克服摩擦阻力的作用。点评：A组能力训练题88．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，这是因为（）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BD

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，阻断涡流回路，来减少电能转化成铁芯的内能，提高效率是防止涡流而采取的措施．解析：本题正确选项是BD．A组能力训练题99、桌面上放一铜片，一条形磁铁的N极自上而下接近铜片的过程中,铜片对桌面的压力()A．增大．B．减小．C．不变．D．无法判断是否变化NS

磁铁的N极接近时，自上而下穿过铜片的磁通量增大,在铜片内会产生逆时针向绕行的感应电流(如图),使铜片上方呈现N极,阻碍磁铁接近.解析：根据牛顿第三定律，磁铁对铜片有同样大小的作用力，使铜片增加对桌面的压力。AA组能力训练题1010．如图所示是高频焊接原理示意图，线圈中通以高频交流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，由于焊接缝处的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起。我国生产的自行车车架就是用这种办法焊接的。试定性说明：为什么交变电流的频率越高，焊接缝处放出的热量越大？高频电源焊缝处待焊接工件线圈导线高频焊接原理图交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快，根据法拉第电磁感应定律，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大．而放出的电热与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高焊接处放出的热量越多．答案：A组能力训练题11.(2015年理综新课标I卷19)1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”。实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图所示。实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后。下列说法正确的是

（

）

A.圆盘上产生了感应电动势B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动C.在圆盘转动过程中，磁针的磁场穿过整个

圆盘的磁通量发生了变化D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流

产生的磁场导致磁针转动铜圆盘AB解见下页解析：圆盘运动过程中，半径方向的金属条在切割磁感线，在圆心和边缘之间产生了感应电动势，铜圆盘选项A正确；圆盘径向的辐条在切割磁感线的过程中，内部距离圆心远近不同的点电势不等而形成涡流，圆盘运动过程中，圆盘位置、圆盘面积和磁场都没有发生变化，所以没有磁通量的变化，选项C错；圆盘本身呈现电中性，不会产生环形电流，选项D错。故选AB。选项B正确；A组能力训练题12如图所示，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（）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．取走线圈中的铁芯铁芯AB解见下页解析：此电路为电磁炉模型的简化，利用的是电磁感应现象。当铁芯通交流电时，金属杯底可以看做金属环拼接而成，内部会产生感应电流。增加线圈的匝数，磁场增强，感应电流变大，加热功率变大，水沸腾的更快，A项正确。提高电流的频率，可以提高磁场的变化率，同样可使感应电流变大，B项正确；换成瓷杯，不能发生电磁感应现象，不能加热水，C项错误；取走铁芯，磁场变弱，电磁感应现象变弱，D项错误。B组能力训练题1如图所示，在平行于地面的匀强磁场上方，有两个用相同金属材料制成的边长相同的正方形线圈a、b，其中a的导线比b粗，它们从同一高度自由落下，则（）A．它们同时落地B．a先落地C．b先落地D．无法判断Bab解：a、b进入磁场时,切割磁感线产生的感应电动势相同，a比b的导线粗，电阻小，电流大，安培力大，同时其重力也大，加速度的大小相同.AB组能力训练题22、如图所示，两根和水平方向成

角的光滑平行的金属轨道，上端接有可变电阻R，下端足够长，空间有垂直于轨道平面的匀强磁场，磁感应强度为B，一质量为m的金属杆从轨道上由静止滑下，经过足够长的时间后，金属杆的速度会达到最大值vm，则

()A．如果B增大，vm将变大B．如果

增大，vm将变大C．如果R增大，vm将变大D．如果m减小，vm将变大BR

BCB组能力训练题33、如图所示，相距为d的两水平线L1和L2分别是水平向里的匀强磁场的边界，磁场的磁感应强度为B，正方形线框abcd边长为L(L<d)、质量为m。将线框在磁场上方高h处由静止开始释放，当ab边进入磁场时速度为v0，cd边刚穿出磁场时速度也为v0，从ab边刚进入磁场到cd边刚穿出磁场的整个过程中()A．线框一直都有感应电流B．线框有一阶段的加速度为gC．线框产生的热量为mg(d+h+L)D．线框做过减速运动dhdcabLL1L2BDB组能力训练题44、如图所示，在光滑绝缘水平面上，有一矩形线圈以一定的初速度进入匀强磁场区域，线圈全部进入匀强磁场区域时，其动能恰好等于它在磁场外面时的一半，设磁场区域宽度大于线圈宽度，则()A．线圈恰好在完全离开磁场时停下B．线圈在未完全离开磁场时即已停下C．线圈能通过场区不会停下D．线圈在磁场中某个位置停下v0BC解见下页线圈失去的动能，就是克服磁场力做的功FS（这里F是变化的，具体运算要用到积分，可以理解为线圈所受到的平均阻力，）F的大小与线圈的速度有关，速度越大，受到的阻力越大。解:线圈出磁场的初速度肯定要小于进去时的速度，而且还会继续减小，那么线圈出磁场过程所受到的阻力也一定小于进磁场过程的阻力，那么它损失的能量也一定小于进磁场过程损失的能量。进去过程损失了一半的能量，出来过程损失小于一半的能量，那么剩下的一部分能量可以让它继续运动下去，也就是它的动能了B组能力训练题5dacbO'BO5.如图示，匀强磁场竖直向下,磁感应强度为B,有一边长为L的正方形导线框abcd，匝数为N，可绕OO‘轴转动，导线框总质量为m，总电阻为R.现将导线框从水平位置由静止释放，不计摩捧，转刭竖直位置时动能为Ek，则在此过程中流过导线某一截面的电荷量为

，导线框中产生的热量为

。解见下页平均电动势为解：

电荷量为导线框从水平位置由静止释放，转刭竖直位置时重心下降L/2，重力势能减少由能量守恒定律B组能力训练题6如图，粗糙水平桌面上有一质量为m的铜质矩形线圈.当一竖直放置的条形磁铁从线圈中线AB正上方等高快速经过时，若线圈始终不动，则关于线圈受到的支持力FN及在水平方向运动趋势的正确判断是（）A．FN先小于mg后大于mg，运动趋势向左B．FN先大于mg后小于mg，运动趋势向左C．FN先大于mg后大于mg，运动趋势向右D．FN先大于mg后小于mg，运动趋势向右BASND解见下页

条形磁铁从AB正上方经过A时，由楞次定律，线圈中感应电流的磁场方向向上,线圈中产生逆时针感应电流，线圈的磁场与条形磁铁相互排斥，线圈对桌面的压力增大,线圈受到桌面的支持力FN大于mg，线圈有向右运动的趋势；BASN条形磁铁从AB正上方经过B时，同理，线圈中产生顺时针感应电流，线圈的磁场与条形磁铁相互吸引，线圈对桌面的压力减小，线圈受到桌面的支持力FN小于mg，线圈有向右运动的趋势，D正确。解：B组能力训练题7一直升飞机停在南半球的地磁极上空。该处地磁场的方向竖直向上，磁感应强度为B。直升飞机螺旋桨叶片的长度为l，螺旋桨转动的频率为f，顺着地磁场的方向看螺旋桨，螺旋桨按顺时针方向转动。螺旋桨叶片的近轴端为a,远轴端为b，如图所示。如果忽略a到转轴中心线的距离，用E表示每个叶片中的感应电动势，则()A．E＝πfl2B,且a点电势低于b点电势B．E＝2πfl2B,且a点电势低于b点电势C．E＝πfl2B,且a点电势高于b点电势D．E＝2πfl2B,且a点电势高于b点电势BabA解见下页螺旋桨叶片以端点a为轴，在垂直于磁感应线的匀强磁场中匀速转动，经过T/4周期，ab转过π/2角度，由法拉第电磁感应定律所以选项A正确。

由右手定则可知：螺旋桨叶片中感应电动势的方向由a指向b，故a点电势低于b点电势;解：BabB组能力训练题8

如图所示,OACO为置于水平面内的光滑闭合金属导轨,O、C

处分别接有短电阻丝（图中用粗线表示），R1=4Ω、R2=8Ω,(导轨其它部分电阻不计)，导轨OAC的形状满足方程y=2sin(π/3·

x)(单位：m)，磁感应强度B=0.2T的匀强磁场方向垂直于导轨平面，一足够长的金属棒在水平外力F作用下，以恒定的速率v=5.0m/s水平向右在导轨上从O点滑动到C点，棒与导轨接触良好且始终保持与OC导轨垂直，不计棒的电阻，求：（1）外力F

的最大值，（2）金属棒在导轨上运动时电阻丝R1上消耗的的最大功率（3）在滑动过程中通过金属棒的电流I与时间t

的关系。yCOxBvR2R1A解：（1）金属棒匀速运动时产生感应电动势E=BLv①画出等效电路如图示（不计电源内阻）：baER1R24Ω8ΩI=E/R总②F外=F安=BIL=B2L2

v/

R总③Lm=2sinπ/2=2m④R总

=R1R2/（R1+R2

）=8/3Ω⑤∴Fmax

=B2Lm2

v/R总

=0.22×22×5.0×3/8=0.3N⑥

（3）金属棒与导轨接触点间的长度随时间变化x=vtE=BLv（2）P1m=E

2/R1