物理选修32粤教版全程导学笔记第一章电磁感应第七节

第七节涡流现象及其应用[学习目标]1.知道涡流的产生原因.2.了解电磁灶和涡流加热原理.3.了解涡流现象的应用——涡流制动和涡流探测.一、涡流现象[导学探究]如图1所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？图1答案有.变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感生电场，使导体中的自由电子发生定向移动，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.[知识梳理]1.涡流：在一根导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，在整个导体中，就形成一圈圈环绕导体轴线流动的感应电流，就好像水中的旋涡一样，这种产生感应电流的现象称为涡流现象.2.涡流大小的决定因素：导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大.二、电磁灶与涡流加热[导学探究]高频感应炉结构如图2所示，电磁灶的结构如图3所示.图2图3结合电磁感应的条件回答下列问题：(1)高频感应炉冶炼金属的原理是什么？有什么优点？(2)电磁灶中的涡流是怎样产生的？产生涡流的部分和引起涡流的部分是否接触？电磁灶的表面在电磁灶工作时的热量是怎样产生的？答案(1)高频感应炉冶炼金属是利用涡流熔化金属.冶炼锅内装入被冶炼的金属，让高频交流电通过线圈，被冶炼的金属内部就产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化.优点：速度快，温度容易控制，能避免有害杂质混入被冶炼的金属中.(2)涡流产生在铁磁材料制成的锅底部，引起涡流的部分是灶内的励磁线圈，它与锅底不接触，电磁灶工作时表面摸上去温度也挺高，是因为其表面与铁锅发生了热传递.[知识梳理]感应加热的定义及其应用(1)利用足够大的电力在导体中产生很大的涡流，导体中电流可以发热，使金属受热甚至熔化.(2)应用：高频感应炉冶炼金属，用高频塑料热压机过塑，涡流热疗系统用于治疗.三、涡流制动与涡流探测[导学探究]如图4把高速旋转的铝盘放在蹄形磁铁之间，铝盘会发生什么现象，为什么？图4答案铝盘会很快停止转动，原因：铝盘在蹄形磁铁的磁场中转动，会在铝盘中激起涡流，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.从而使铝盘快速停止转动.[知识梳理]涡流制动、涡流探测和涡流的防止(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.[即学即用]1.判断下列说法的正误.(1)涡流也是一种感应电流.(√)(2)导体中有感应电流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热.(×)(3)电磁灶用铁锅时要谨慎，勺子把要绝缘，防止触电.(×)(4)高频感应炉利用金属块中的涡流产生焦耳热冶炼金属.(√)(5)在涡流制动发生的过程中，存在机械能向内能的转化.(√)(6)利用涡流金属探测器，可以探测出违法分子携带的毒品.(×)2.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图5所示，抛物线的方程为y＝x2，其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(如图中的虚线所示).一个质量为m的小金属块从抛物线上y＝b(b>a)处以速度v沿抛物线下滑，假设曲面足够长，重力加速度为g，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量为.图5答案mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2一、涡流的理解、利用和防止1.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.2.产生涡流时的能量转化(1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能.(2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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.例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是用金属材料制成，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；锅体只能用铁磁性导体材料，不能使用绝缘材料制作锅体，故C错误；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成，故D错误.例2(多选)如图6所示，闭合金属环从光滑曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速度为零，摩擦不计，曲面处在图中磁场中，则()图6A.若是匀强磁场，环上升的高度小于hB.若是匀强磁场，环上升的高度等于hC.若是非匀强磁场，环上升的高度等于hD.若是非匀强磁场，环上升的高度小于h答案BD解析若磁场为匀强磁场，穿过环的磁通量不变，不产生感应电流，即无机械能向电能转化，机械能守恒，故A错误，B正确；若磁场为非匀强磁场，环内要产生电能，机械能减少，故D正确.二、对涡流制动与涡流探测的理解1.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，于是产生涡流制动.2.涡流制动是一种十分普遍的物理现象，任何在磁场中运动的导体，只要给感应电流提供回路，就会存在涡流制动作用.例3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，使它们分别从导轨上的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、丙做匀速运动答案C解析甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受涡流制动作用，做减速运动，丙则不会产生涡流，只能匀速运动.例4金属探测器已经广泛应用于安检场所，关于金属探测器的论述正确的是()A.金属探测器可用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中B.金属探测器探测地雷时，探测器的线圈中产生涡流C.金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流D.探测过程中金属探测器与被测物体相对静止与相对运动探测效果相同答案C解析金属探测器只能探测金属，不能探测细小的砂石颗粒，故A错误；金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流，故B错误，C正确；当探测器对于被测金属发生相对移动时，金属所在磁场相对变化较快，在金属中产生的涡流更强，检测效果更好，故D错误.1.(多选)如图8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()图8A.探测器内的探测线圈会产生交变磁场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答案AD2.(多选)如图9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管上端距管口等高处无初速度释放，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9A.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AD3.如图10所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水.给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是()图10A.恒定直流、小铁锅B.恒定直流、玻璃杯C.变化的电流、小铁锅D.变化的电流、玻璃杯答案C解析通入恒定电流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流.通入变化的电流时，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高.涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温，故C正确.选择题(1～7题为单选题，8～12题为多选题)1.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答案A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.

2.弹簧上端固定，下端挂一条形磁铁，使磁铁上下振动，磁铁的振动幅度不变.若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图1所示，观察磁铁的振幅将会发现()图1A.S闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变B.S闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变C.S闭合或断开，振幅变化相同D.S闭合或断开，振幅都不发生变化答案A解析S断开时，磁铁振动穿过线圈的磁通量发生变化，但线圈中无感应电流，振幅不变；S闭合时有感应电流，有电能产生，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，A正确.3.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图2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，因此适用于冶炼特种金属.那么该炉的加热原理是()图2A.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C

4.如图3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3A.铜盘的转动将变慢B.铜盘的转动将变快C.铜盘仍以原来的转速转动D.铜盘的转动速度是否变化，要根据磁铁上下两端的极性来决定答案A5.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4所示.无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是()图4答案A解析紫铜薄板上下及左右振动，都存在磁通量变化的为选项A所示方案.6.一个半径为r、质量为m、电阻为R的金属圆环，用一根长为L的绝缘细绳悬挂于O点，离O点下方eq\f(L,2)处有一宽度为eq\f(L,4)、垂直纸面向里的匀强磁场区域，如图5所示.现使圆环从与悬点O等高位置A处由静止释放(细绳张直，忽略空气阻力)，摆动过程中金属圆环所在平面始终垂直磁场，则在达到稳定摆动的整个过程中，金属圆环产生的热量是()图5A.mgL B.mg(eq\f(L,2)＋r)C.mg(eq\f(3,4)L＋r) D.mg(L＋2r)答案C解析圆环在进入磁场和离开磁场时，磁通量发生变化，产生感应电流，机械能减少，最后圆环在磁场下面摆动，机械能守恒.在整个过程中减少的机械能转变为焦耳热，在达到稳定摆动的整个过程中，金属圆环减少的机械能为mg(eq\f(3,4)L＋r).7.如图6所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采用电磁感应原理产生涡流加热的，关于电磁炉，以下说法中正确的是()图6A.电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的B.电磁炉是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的C.电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的D.电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的答案B解析电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物，故选项A、D错误，B正确；而选项C是微波炉的加热原理，C错误.8.图7为某型号手持式封口机的照片，其机箱可提供高频交流电.使用时，只要将待封口的塑料罐拧上盖子，然后置于封口加热头的下方，按下电源开关1～2s，盖子内层的铝箔瞬间产生高热，然后融合在瓶口上，达到封口的效果.下列有关说法合理的是()图7A.其封口加热头内部一定有电热丝B.其封口加热头内部一定有高频线圈C.该机的主要工作原理是电磁感应D.铝箔产生高热的原因是热辐射答案BC9.如图8所示，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()图8A.防止涡流而设计的B.利用涡流而设计的C.起涡流制动的作用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制动作用.10.低频电涡流传感器可用来测量自动化生产线上金属板的厚度.如图9所示，在线圈L1中通以低频交流电，它周围会产生交变磁场，其正下方有一个与电表连接的线圈L2，金属板置于L1、L2之间.当线圈L1产生的变化磁场透过金属板，L2中会产生感应电流.由于金属板厚度不同，吸收电磁能量强弱不同，导致L2中感应电流的强弱不同，则()图9A.金属板吸收电磁能量，是由于穿过金属板的磁场发生变化，板中产生涡流B.金属板越厚，涡流越弱C.L2中产生的是直流电D.L2中产生的是与L1中同频率的交流