2024-2025学年高中物理第一章电磁感应7涡流选学学案教科版选修3-2

PAGE8-7．涡流(选学)[学习目标]1.了解涡流产生的原理，涡流的防止和应用．(重点)2.了解电磁阻尼和电磁驱动及其应用．3.提高学习爱好，培育用理论学问解决实际问题的实力．(难点)4.结合生活中的实际，理解电磁阻尼产生的缘由．(难点)一、涡流1．涡流：当线圈中的电流随时间改变时，线圈旁边的任何导体中都会产生感应电流，电流在导体中组成闭合回路，很像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流．如图所示．2．涡流大小的确定因素：磁场改变越快(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．3．应用：高频感应炉、电磁灶、安检门等．4．防止：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，而且用相互绝缘的薄硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯．二、高频感应炉与电磁灶电磁阻尼1．高频感应炉(1)工作原理：利用涡流熔化金属，当冶炼炉接入高频沟通电后，冶炼锅内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．(2)优点：速度快，温度简单限制；能避开混入有害杂质．2．电磁灶(1)工作原理：电磁灶是利用励磁线圈，通有交变电流时，在锅底产生涡流，使锅底发热来加热．(2)优点：热效率高、耗电少、运用便利、平安．3．电磁阻尼(1)概念：当导体在磁场中运动时，导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，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快速停下来，便于读数．1．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)涡电流只能产生热效应，不能产生磁效应． (×)(2)涡电流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特别电流． (×)(3)变压器和电动机的铁芯不是整块金属，而是用很多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成，其缘由是为了降低涡流造成的损耗．(√)(4)电磁灶是利用改变的磁场在食物中产生涡流从而对食物进行加热的． (×)(5)在电磁阻尼现象中的能量转化是导体克服安培力做功，把其他形式能转化为电能，最终转化为内能． (√)(6)磁电式仪表线圈的骨架用铝框来做利用了电磁阻尼．(√)2.如图所示，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，一个容器中水温上升，则通入的电流与水温上升的分别是()A．恒定直流、玻璃杯B．恒定直流、小铁锅C．改变的电流、玻璃杯D．改变的电流、小铁锅D[通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入改变的电流，所产生的磁场发生改变，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，使水温上升；涡流是由改变的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温．]3．(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AD[1在2中转动产生感应电流，感应电流受到安培力作用阻碍1的转动，A、D对．]对涡流的理解及应用1.对涡流的理解(1)本质：电磁感应现象．(2)条件：穿过金属块的磁通量发生改变，并且金属块本身自行构成闭合回路．2．产生涡流的两种状况(1)块状金属放在改变的磁场中．(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动．3．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．例如金属块放在改变的磁场中，则磁场能转化为电能最终转化为内能；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．【例1】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C[小磁块从铜管P中下落时，P中的磁通量发生改变，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，因此从静止起先下落相同高度，在P中下落的时间比在Q中下落的时间长，C项正确；依据动能定理可知，落究竟部时在P中的速度比在Q中的速度小，D项错误．]分析涡流问题的思路涡流的实质是电磁感应现象，所以涡流问题的分析思路仍旧是用楞次定律解决动力学问题，用功能关系解决能量问题．[跟进训练]训练角度1：涡流的理解1．下列关于涡流的说法中正确的是()A．涡流跟平常常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量改变而产生的B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特别电流C．涡流有热效应，但没有磁效应D．在硅钢中不能产生涡流A[涡流本质上是感应电流，是自身构成回路，在穿过导体的磁通量改变时产生的，所以A对，B错；涡流不仅有热效应，同其他电流一样也有磁效应，C错；硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但仍能产生涡流，D错．]训练角度2：涡流的应用2.在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图所示．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．各滑块在未接触磁铁前的运动状况是()A．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C[铜块、铝块向磁铁靠近时，穿过它们的磁通量发生改变，因此在其内部产生涡流，反过来涡流产生的感应磁场对原磁场的改变起阻碍作用，所以铜块和铝块向磁铁运动时会受阻碍而减速，有机玻璃为非金属，不产生涡流现象，故C正确．]高频感应炉与电磁灶电磁阻尼1.高频感应炉的工作原理真空冶炼：用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入周期性改变的电流，炉内的金属中产生涡流．涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度，由于整个过程是在真空中进行的，从而能有效防止空气中的杂质进入金属，所以可以冶炼高质量的合金．2．电磁灶的工作原理电磁炉又叫电磁灶，是利用电磁感应原理制成的新型炉具，基本结构和工作原理如图所示．当交变电流通过扁平的励磁线圈时，在其上下产生交变磁场，通过锅底的磁通量便发生改变，从而产生感应电动势．锅底的电阻很小，有很大的涡电流，从而产生热量，达到对食物加热的目的．电磁炉的加热是使锅底干脆感应发热，所以锅的材料必需是像铁这样的磁性体，一般不能运用玻璃、陶瓷、铝、铜制的锅，但是可以在铝、铜锅底部包覆一层铁，来实现感应加热．奇妙的是，有人在玻璃锅底部刷上一层薄的银涂料，再用一层不导电的玻璃涂层爱护，就可以起到铁锅底的作用．在采纳不同的烹饪方法时，只要调整流过线圈的电流大小，就可以将温度调高调低．运用电磁炉时，在直径3m的范围内不要放置电视机、收音机和录像机，以防辐射．3．电磁阻尼的实质电磁阻尼是导体在磁场中运动产生涡流，使导体受到与运动方向相反的安培力，阻碍导体运动，这与楞次定律中感应电流产生的机械效果是统一的．【例2】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左右振动的衰减最有效的方案是()思路点拨：A[由于要求有效衰减紫铜薄板的上下及左右的微小振动，则在紫铜薄板发生微小的上下或左右振动时，通过紫铜薄板横截面的磁通量应均能发生改变，由图可以看出，只有A图方案中才能使两方向上的微小振动均能得到有效衰减．][跟进训练]训练角度1：高频焊接3．(多选)如图所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频改变的电流时，待焊接的金属工件中就会产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生很多热量，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()A．电流改变的频率越高，焊缝处的温度上升得越快B．电流改变的频率越低，焊缝处的温度上升得越快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[电流改变的频率越高，则产生的感应电流越大，升温越快，故选项A正确，B错误；工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故选项C错误，D正确．]训练角度2：电磁阻尼4.如图所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环1竖直放置，环2水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是()A．两环都向右运动B．两环都向左运动C．环1静止，环2向右运动D．两环都静止C[条形磁铁向右运动时，通过环1中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止；通过环2中磁通量改变，依据楞次定律，为阻碍磁通量的改变，感应电流的效果使环2向右运动．]1.2种现象——涡流、电磁阻尼2.1个原理——电磁感应3.1个应用——高频感应炉、电磁灶1．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．把金属块放在改变的磁场中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改变．而A、B、C中磁通量不改变，所以A、B、C错误；把金属块放在改变的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了改变，有涡流产生，所以D正确．]2．如图所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采纳电磁感应原理产生涡流加热的．电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质的锅所汲取，不会泄漏，对人体健康无危害．关于电磁炉，以下说法中正确的是()A．电磁炉是利用改变的磁场在食物中产生涡流对食物加热的B．电磁炉是利用改变的磁场产生涡流，使含铁质的锅底快速升温，进而对锅内食物加热的C．电磁炉是利用改变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B[电磁炉的工作原理是利用改变的电流通过线圈产生改变的磁场，改变的磁场通过含铁质的锅的底部产生多数小涡流，使锅体温度上升后加热食物，故选项A、D项错误，B项正确；而C是微波炉的加热原理，C项错误．]3．如图所示，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()A．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改变，要依据磁铁的上下两端的极性来确定A[当一个蹄形磁铁移近铜盘时，铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，由楞次定律可知感应电流受到的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘的转动将变慢