2024新教材高中物理第2章电磁感应第5节涡流现象及其应用教师用书粤教版选择性必修第二册

第五节涡流现象及其应用1．相识什么是涡流，理解涡流的成因及本质。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。3．了解在生产、生活中避开或削减涡流的方法。学问点一涡流现象1．涡流：整块导体内部因发生电磁感应而产生旋涡状的感应电流。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。学问点二涡流现象的应用1．涡流的热效应(1)电磁炉：电磁炉是涡流现象在生活中的应用，采纳了磁场感应涡流的加热原理。(2)高频感应炉：在感应炉中，有产生高频交变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：当磁场相对导体运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，安培力使导体运动起来的现象。(2)电磁阻尼：当导体相对磁场运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，并且安培力总是阻碍导体的运动。3．涡流的磁效应涡流探测：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，隐藏金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，变更通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物。1．思索推断(正确的画“√”，错误的画“×”)(1)涡流有热效应，但没有磁效应。 (×)(2)把金属块放在变更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别电流。 (×)(4)金属探测器是利用涡流现象。 (√)(5)电表线圈用铝框作线圈骨架不是利用涡流现象。 (×)2．如图所示，金属球(铜球)下端有通电的线圈，今把小球拉离平衡位置后释放，此后关于小球的运动状况是(不计空气阻力)()A．做等幅振动B．做阻尼振动C．振幅不断增大D．无法判定B[小球在通电线圈磁场中运动，小球中产生涡流，故小球要受到安培力作用阻碍它的相对运动，做阻尼振动，故振幅越来越小，A、C、D错误，B正确。]3．下列做法中可能产生涡流的是()A．把金属块放在匀强磁场中B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动C．让金属块在匀强磁场中做变速运动D．把金属块放在变更的磁场中D[涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变更。而A、B、C中穿过金属块的磁通量不变更，所以A、B、C错误；把金属块放在变更的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变更，有涡流产生，所以D正确。]1．如图，将通有变更电流的导线绕在铁块上。(1)请问铁块中有感应电流吗？假如有，它的形态像什么？(2)在上述过程中伴随着哪些能量转化？提示：(1)有。变更的电流产生变更的磁场，依据楞次定律可知铁块中产生感应电流，它的形态像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。(2)电能转化为磁场能，磁场能最终转化为内能。2．一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图所示，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。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。考点1对涡流的理解1．对涡流的理解本质电磁感应现象条件穿过金属块的磁通量发生变更，并且金属块本身可自行构成闭合回路特点整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大，发热功率很大2．能量转化伴随着涡流现象，常见以下两种能量转化。(1)假如金属块放在了变更的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；(2)假如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。3．涡流的应用与防治(1)应用：高频感应炉、金属探测器、安检门等。(2)防治：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。【典例1】(多选)如图所示为用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，将金属材料置于冶炼炉中，当线圈中通以电流时用感应加热的方法使炉内金属发热。下列说法中正确的是()A．线圈中通以恒定电流，金属材料中也能产生感应电流B．线圈中通以随时间变更的电流，在金属材料中会产生感应电流C．感应加热是利用金属材料中的涡流冶炼金属的D．感应加热是利用线圈电阻产生的焦耳热冶炼金属的BC[通过线圈的电流是随时间变更的电流，从而在金属材料中产生感应电流，故A选项错误，B选项正确；炉内金属中会产生感应电流，这种电流叫涡流，感应加热是利用金属材料中的涡流冶炼金属的，故C选项正确；炉内金属中会产生涡流，但涡流依据焦耳热产生的热量很小，主要是由于金属中的自由电子在涡流产生的电场中高速运动，受到阻碍从而产生热量，故D选项错误。]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很多闭合电路。(3)导体内部发热的原理是电流的热效应。[跟进训练]1．电磁炉是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更的频率有关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是用金属材料制成，以加快热传递削减热损耗A[锅体中涡流的强弱与磁场变更的频率有关，故A正确；直流电不能产生变更的磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能运用直流电，故B错误；锅体只能用铁磁性导体材料，不能运用绝缘材料制作锅体，故C错误；电磁炉的上表面假如用金属材料制成，运用电磁炉时，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，故D错误。]考点2电磁阻尼与电磁驱动电磁阻尼与电磁驱动的比较比较项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更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【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()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[思路点拨]①磁铁转动时，铜盘中会产生涡流。②由楞次定律可分析铜盘的转动。B[因磁铁的转动，引起铜盘中磁通量发生变更而产生感应电流，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需是磁通量发生变更。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。]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)在两种状况下，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，均可以依据楞次定律和左手定则分析导体的受力状况。[跟进训练]2．如图所示，用丝线悬挂闭合金属环，悬于O点，第一种状况是虚线左边有匀强磁场，右边没有磁场。其次种状况是整个空间都有向外的匀强磁场，金属环的摇摆状况是()A．两种状况都经过相同的时间停下来B．第一种状况先停下来C．其次种状况先停下来D．无法确定B[只有左边有匀强磁场，金属环在穿越磁场边界时，由于磁通量发生变更，环内肯定会有感应电流产生，依据楞次定律可知将会阻碍相对运动，所以摇摆会很快停下来，这就是电磁阻尼现象。也可以用能量守恒来说明，既然有电流产生，就肯定有一部分机械能向电能转化，最终电能通过导体转化为内能。若空间都有匀强磁场，穿过金属环的磁通量不变更，因此不产生感应电流，也就不会阻碍相对运动，摇摆就不会很快停下来。故选B。]1．(多选)如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通沟通电流，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．提高沟通电源的频率C．将金属杯换为瓷杯D．取走线圈中的铁芯AB[当电磁铁接通沟通电源时，金属杯处在变更的磁场中产生涡电流发热，使水温上升。要缩短加热时间，需增大涡电流，即增大感应电动势或减小电阻。增加线圈匝数、提高交变电流的频率都能增大感应电动势，瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致磁性减弱加热时间变长。所以选项A、B正确，选项C、D错误。]2．(多选)如图所示，磁电式仪表的线圈通常是用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，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BC[线圈通电后在安培力作用下转动，铝框随之转动，在铝框内产生涡流，涡流将阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用。]3．(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()A．磁铁做匀速直线运动B．磁铁做减速运动C．小车向右做加速运动D．小车先加速后减速BC[磁铁水平穿入螺线管时，螺线管中将产生感应电流，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动；同理，磁铁穿出时，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，选项A错误，B正确。对于小车上的螺线管来说，螺线管受到的安培力方向始终为水平向右，这个安培力使螺线管和小车向右运动，且始终做加速运动，选项C正确，D错误。]4．(多选)如图所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图，下列说法中正确的是()A．探测器内的探测线圈会产生变更磁场B．只有有磁性的金属物才会被探测器探测到C．探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流D．探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流AD[探测器内线圈通有变更电流产生变更磁场，A正确；若有金属，则金属中会产生涡流，涡流磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警，D正确。]安检门安检门是一种检测人员有无携带金属物品的探测装置，又称金属探测门。金属探测安检门主要应用在机场、车站、大型会议等人流较大的公共场所用来检查人身体上隐藏的金属物品，如枪支、管制刀具等。市场上少数高档安检门可以做到当被检查人员从安检门通过，人身体上所携带的金属超过依据重量、数量或形态预先设定好的参数值时，安检门即刻报警，并显示造成报警的金属所在区位，让安检人员刚好发觉该人所随身携带的金属物品。大部分工厂专用安检门仅仅辨别是否携带金属物品，定位并报警，防止产品被违规带出工厂。性能最好的安检门可以检测到回形针大小物品。公共场所人员众多，常常会有不法