2017-2018學年高中物理 第四章 電磁感應 7 渦流學案 新人教版選修3-2

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1、 7 渦流 [目標定位]　1.了解渦流是怎樣產生的及渦流現(xiàn)象的利用和危害.2.通過對渦流實例的分析，了解渦流現(xiàn)象在生活和生產中的應用.3.了解電磁阻尼和電磁驅動. 一、渦流 1.定義 用整塊金屬材料作鐵芯繞制的線圈，當線圈中通有變化的電流時，變化的電流會產生變化的磁場，變化的磁場穿過鐵芯，整個鐵芯會自成回路，產生感應電流，這種電流看起來像水的旋渦，把這種電流叫做渦電流，簡稱渦流. 2.對渦流的理解 (1)本質： 電磁感應現(xiàn)象. (2)條件：穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化，并且金屬塊本身構成閉合回路. (3)特點：整個導體回路的電阻一般很小，感應電流很大.故金屬塊的發(fā)熱功率很大

2、. 3.產生渦流的兩種情況 (1)塊狀金屬放在變化的磁場中. (2)塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動. 4.應用 (1)渦流熱效應的應用，如真空冶煉爐. (2)渦流磁效應的應用，如探雷器. 5.渦流的危害與防止 (1)渦流的危害 在各種電機、變壓器中，渦流會使鐵芯的溫度升高，危及線圈絕緣材料的壽命；另外渦流發(fā)熱要消耗額外的能量，使電機、變壓器的效率降低. (2)渦流的防止 為了減小渦流，變壓器、電機中的鐵芯不是由整塊的鋼鐵制成，而是用薄薄的硅鋼片疊壓而成.一方面硅鋼片的電阻率比一般鋼鐵的要大，從而減少損耗；另一方面，每層硅鋼片之間都是絕緣的，阻斷了渦流的通路，進一步減

3、小了渦流的發(fā)熱. 深度思考 發(fā)生渦流時，金屬塊并沒有接入閉合電路，為什么會產生感應電流？ 答案　金屬塊自身構成閉合回路，導體內部等效成許多閉合電路.當穿過金屬塊的磁通量變化時，金屬塊內部會產生感應電流. 例1　下列關于渦流的說法中正確的是(　　) A.渦流跟平時常見的感應電流一樣，都是因為穿過導體的磁通量變化而產生的 B.渦流不是感應電流，而是一種有別于感應電流的特殊電流 C.渦流有熱效應，但沒有磁效應 D.在硅鋼片中不能產生渦流 解析　渦流是一種特殊的電磁感應現(xiàn)象，它是感應電流，既有熱效應，又有磁效應.硅鋼片中能產生渦流，但電流較小，故選項A正確. 答案　A 例2　

4、變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成，而不采用一塊整硅鋼，這是為了(　　) A.增大渦流，提高變壓器的效率 B.減小渦流，提高變壓器的效率 C.增大渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量 D.減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量 解析　渦流的主要效應之一就是發(fā)熱，而變壓器的鐵芯發(fā)熱，是我們不希望出現(xiàn)的，所以不采用整塊硅鋼，而采用薄硅鋼片疊壓在一起，目的是減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量，進而提高變壓器的效率.故選項B、D正確. 答案　BD 減小渦流的途徑之一是增大鐵芯材料的電阻率；另一途徑就是用互相絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯. 二、電磁阻尼和電磁驅動 1.電磁阻尼： (1)定義：當導體

5、在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體的運動. (2)應用：磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針迅速停止，便于讀數(shù). 2.電磁驅動： (1)定義：磁場相對于導體轉動時，導體中會產生感應電流，感應電流使導體受到安培力的作用，使導體運動起來. (2)應用：交流感應電動機. 3.電磁阻尼和電磁驅動的比較： 比較內容 電磁阻尼 電磁驅動 不同點 成因 由導體在磁場中運動形成的 由磁場運動而形成的 效果 安培力方向與導體運動方向相反，為阻力 安培力方向與磁場運動方向相同，為動力 能量轉化 克服安培力做功，其他形式的能轉化為電能，最終轉化為內能

6、磁場能轉化為電能，通過安培力做功，電能轉化為導體的機械能 共同點 兩者都是電磁感應現(xiàn)象，導體受到的安培力都是阻礙導體與磁場間的相對運動 深度思考 電磁阻尼是誰阻礙誰的運動？電磁驅動是誰驅動誰？ 答案　電磁阻尼是磁場阻礙導體相對磁場的運動，電磁驅動是磁場驅動導體的運動. 例3　如圖1所示，上端開口、內壁光滑的銅管P和塑料管Q豎直放置.小磁塊先后在兩管中從相同高度處由靜止釋放，并落至底部，則小磁塊(　　) 圖1 A.在P和Q中都做自由落體運動 B.在兩個下落過程中的機械能都守恒 C.在P中的下落時間比在Q中的長 D.落至底部時在P中的速度比在Q中的大 解析　小磁塊下

7、落過程中，在銅管P中產生感應電流，小磁塊受到向上的磁場力，不做自由落體運動，而在塑料管Q中只受到重力，在Q中做自由落體運動，故選項A錯誤；根據(jù)功能關系知，在P中下落時，小磁塊機械能減少，在Q中下落時，小磁塊機械能守恒，故選項B錯誤；在P中加速度較小，在P中下落時間較長，選項C正確；由于在P中下落時要克服磁場力做功，機械能有損失，故知，落至底部時在P中的速度比在Q中的小，選項D錯誤. 答案　C 例4　如圖2所示，蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉動.從上向下看，當磁鐵逆時針轉動時，則(　　) 圖2 A.線圈將逆時針轉動，轉速與磁鐵相同 B.線圈將逆時針轉動，轉速比磁鐵小 C.

8、線圈將順時針轉動，轉速比磁鐵大 D.線圈將順時針轉動，轉速比磁鐵小 解析　當磁鐵逆時針轉動時，線圈中產生感應電流，根據(jù)楞次定律知，感應電流總是阻礙磁鐵和線圈之間的相對運動，線圈將與磁鐵同向轉動，但轉動速度比磁鐵小.B項正確. 答案　B 電磁阻尼、電磁驅動現(xiàn)象中安培力的作用效果都是阻礙相對運動，減小導體與磁場的相對速度.但阻礙不是阻止，導體與磁場的運動不同步. 1.(渦流的應用)(多選)如圖3所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現(xiàn)接通交流電源，過了幾分鐘，杯內的水沸騰起來.若要縮短上述加熱時間，下列措施可行的有(　　) 圖3 A.增加線圈的匝數(shù) B.提高交流電源的

9、頻率 C.將金屬杯換為瓷杯 D.取走線圈中的鐵芯 答案　AB 解析　當電磁鐵接通交流電源時，金屬杯處在變化的磁場中產生渦電流發(fā)熱，使水溫升高.要縮短加熱時間，需增大渦電流，即增大感應電動勢或減小電阻.增加線圈匝數(shù)、提高交變電流的頻率都是為了增大感應電動勢，瓷杯不能產生渦電流，取走鐵芯會導致磁性減弱.所以選項A、B正確，選項C、D錯誤. 2(渦流的應用)(多選)如圖4所示是高頻焊接原理示意圖.線圈中通以高頻變化的電流時，待焊接的金屬工件中就產生感應電流，感應電流通過焊縫處產生大量熱量，將金屬熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分發(fā)熱很少，以下說法正確的是(　　) 圖4 A.交流

10、電的頻率越高，焊縫處的溫度升高得越快 B.交流電的頻率越低，焊縫處的溫度升高得越快 C.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因為焊縫處的電阻小 D.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因為焊縫處的電阻大 答案　AD 解析　交流電頻率越高，則產生的感應電流越大，升溫越快，工件電流相同，電阻越大，溫度越高，放熱越多. 3.(對電磁阻尼的理解)(多選)如圖5所示，磁電式儀表的線圈通常是用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框上，這樣做的目的是(　　) 圖5 A.防止渦流而設計的 B.利用渦流而設計的 C.起電磁阻尼的作用 D.起電磁驅動的作用 答案　BC 解析　線圈通電后在安培力作用下轉動

11、，鋁框隨之轉動，在鋁框內產生渦流.渦流將阻礙線圈的轉動，使線圈偏轉后盡快停下來，這樣做是利用渦流來起電磁阻尼的作用. 4.(對電磁驅動的理解)如圖6所示，光滑水平絕緣面上有兩個金屬環(huán)靜止在平面上，環(huán)1豎直，環(huán)2水平放置，均處于中間分割線上，在平面中間分割線正上方有一條形磁鐵，當磁鐵沿中間分割線向右運動時，下列說法正確的是(　　) 圖6 A.兩環(huán)都向右運動 B.兩環(huán)都向左運動 C.環(huán)1靜止，環(huán)2向右運動 D.兩環(huán)都靜止 答案　C 解析　條形磁鐵向右運動時，環(huán)1中磁通量保持為零不變，無感應電流，仍靜止；環(huán)2中磁通量變化，根據(jù)楞次定律，為阻礙磁通量的變化，感應電流的效果使環(huán)2向右

12、運動. 題組一　渦流的應用 1.(多選)對變壓器和電動機中渦流的認識，以下說法正確的是(　　) A.渦流會使鐵芯溫度升高，減少線圈絕緣的壽命 B.渦流發(fā)熱，要損耗額外的能量 C.為了不產生渦流，變壓器和電動機的鐵芯用互相絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯 D.渦流產生于線圈中，對原電流起阻礙作用 答案　AB 解析　變壓器和電動機中產生的渦流會使溫度升高消耗能量，同時會減少線圈絕緣的壽命，A、B正確；變壓器和電動機的鐵芯用互相絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯是為了增加電阻，減小電流，減少產生的熱量，C錯誤；渦流產生于鐵芯中，對原電流無阻礙作用，D錯誤.故選A、B

13、. 2.如圖1所示，在一個繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上分別放一小鐵鍋水和一玻璃杯水.給線圈通入電流，一段時間后，一個容器中水溫升高，則通入的電流與水溫升高的是(　　) 圖1 A.恒定直流、小鐵鍋 B.恒定直流、玻璃杯 C.變化的電流、小鐵鍋 D.變化的電流、玻璃杯 答案　C 解析　通入恒定電流時，所產生的磁場不變，不會產生感應電流.通入變化的電流時，所產生的磁場發(fā)生變化，在空間產生感生電場，鐵鍋是導體，感生電場在導體內產生渦流，電能轉化為內能，使水溫升高.渦流是由變化的磁場在導體內產生的，所以玻璃杯中的水不會升溫，故C正確. 3.(多選)如圖2所示是用渦流金屬探測器探測地下

14、金屬物的示意圖，下列說法中正確的是(　　) 圖2 A.探測器內的探測線圈會產生交變磁場 B.只有有磁性的金屬物才會被探測器探測到 C.探測到地下的金屬物是因為探頭中產生了渦流 D.探測到地下的金屬物是因為金屬物中產生了渦流 答案　AD 4.高頻感應爐是用來熔化金屬對其進行冶煉的.如圖3所示為冶煉金屬的高頻感應爐的示意圖，爐內放入被冶煉的金屬，線圈通入高頻交變電流，這時被冶煉的金屬就能被熔化，這種冶煉方法速度快，溫度易控制，并能避免有害雜質混入被治煉的金屬中，因此適用于冶煉特種金屬.那么該爐的加熱原理是(　　) 圖3 A.利用線圈中電流產生的焦耳熱 B.利用線圈中電流

15、產生的磁場 C.利用交變電流的交變磁場在爐內金屬中產生的渦流 D.給線圈通電的同時，給爐內金屬也通了電 答案　C 5.如圖4所示為高頻電磁爐的工作示意圖，它是采用電磁感應原理產生渦流加熱的，它利用變化的電流通過線圈產生變化的磁場，當變化的磁場通過含鐵質鍋的底部時，即會產生無數(shù)小渦流，使鍋體本身自行高速升溫，然后再加熱鍋內食物.電磁爐工作時產生的電磁波，完全被線圈底部的屏蔽層和頂板上的含鐵質鍋所吸收，不會泄漏，對人體健康無危害.關于電磁爐，以下說法中正確的是(　　) 圖4 A.電磁爐是利用變化的磁場在食物中產生渦流對食物加熱的 B.電磁爐是利用變化的磁場產生渦流，使含鐵質鍋底迅

16、速升溫，進而對鍋內食物加熱的 C.電磁爐是利用變化的磁場使食物中的極性水分子振動和旋轉來對食物加熱的 D.電磁爐跟電爐一樣是讓電流通過電阻絲產生熱量來對食物加熱的 答案　B 解析　電磁爐的工作原理是利用變化的電流通過線圈產生變化的磁場，變化的磁場通過含鐵質鍋的底部產生無數(shù)小渦流，使鍋體溫度升高后加熱食物，故選項A、D錯誤，B正確；而選項C是微波爐的加熱原理，C錯誤. 題組二　對電磁阻尼的理解 6.(多選)如圖5所示，在O點正下方有一個具有理想邊界的磁場，銅環(huán)在A點由靜止釋放，向右擺至最高點B，不考慮空氣阻力，則下列說法正確的是(　　) 圖5 A.A、B兩點在同一水平線上

17、B.A點高于B點 C.A點低于B點 D.銅環(huán)最終將做等幅擺動 答案　BD 解析　銅環(huán)在進入和穿出磁場的過程中，穿過環(huán)的磁通量發(fā)生變化，環(huán)中有感應電流產生，將損耗一定的機械能，所以A點高于B點.銅環(huán)的擺角會越來越小，最終出不了磁場，而做等幅擺動. 7.如圖6所示，使一個銅盤繞其豎直的軸OO′轉動，且假設摩擦等阻力不計，轉動是勻速的.現(xiàn)把一個蹄形磁鐵移近銅盤，則(　　) 圖6 A.銅盤轉動將變慢 B.銅盤轉動將變快 C.銅盤仍以原來的轉速轉動 D.銅盤的轉動速度是否變化，要根據(jù)磁鐵的上下兩端的極性來決定 答案　A 解析　當一個蹄形磁鐵移近銅盤時，銅盤轉動切割磁感線，產生

18、感應電流，由楞次定律可知感應電流受到的安培力阻礙其相對運動，所以銅盤的轉動將變慢.本題也可以從能量守恒的角度去分析，因為銅盤轉動切割磁感線，產生感應電流，銅盤的機械能不斷轉化成電能，銅盤轉動會逐漸變慢，故正確選項為A. 8.如圖7所示，在光滑水平桌面上放一條形磁鐵，分別將大小相同的鐵球、鋁球和木球放在磁鐵的一端且給它們一個相同的初速度，讓其向磁鐵滾去，觀察小球的運動情況是(　　) 圖7 A.都做勻速運動 B.甲、乙做加速運動 C.甲做加速運動，乙做減速運動，丙做勻速運動 D.甲做減速運動，乙做加速運動，丙做勻速運動 答案　C 解析　鐵球將加速運動，其原因是鐵球被磁化后與磁鐵

19、之間產生相互吸引的磁力.鋁球將減速運動，其原因是鋁球內產生了感應電流，感應電流的磁場阻礙相對運動.木球將勻速運動，其原因是木球既不能被磁化，也不能產生感應電流，所以磁鐵對木球不產生力的作用. 9.彈簧上端固定，下端掛一條形磁鐵，使磁鐵上下振動，磁鐵的振動幅度不變.若在振動過程中把線圈靠近磁鐵，如圖8所示，觀察磁鐵的振幅將會發(fā)現(xiàn)(　　) 圖8 A.S閉合時振幅逐漸減小，S斷開時振幅不變 B.S閉合時振幅逐漸增大，S斷開時振幅不變 C.S閉合或斷開，振幅變化相同 D.S閉合或斷開，振幅都不發(fā)生變化 答案　A 解析　S斷開時，磁鐵振動穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，但線圈中無感應電流，

20、振幅不變；S閉合時有感應電流，有電能產生，磁鐵的機械能越來越少，振幅逐漸減少，A正確. 10.(多選)如圖9所示，A、B為大小、形狀均相同且內壁光滑、但用不同材料制成的圓管，豎直固定在相同高度.兩個相同的磁性小球，同時從A、B管上端的管口無初速度釋放，穿過A管比穿過B管的小球先落到地面.下面對于兩管的描述中可能正確的是(　　) 圖9 A.A管是用塑料制成的，B管是用銅制成的 B.A管是用鋁制成的，B管是用膠木制成的 C.A管是用膠木制成的，B管是用塑料制成的 D.A管用膠木制成的，B管是用鋁制成的 答案　AD 題組三　對電磁驅動的理解 11.如圖10所示，在一蹄形磁鐵下面

21、放一個銅盤，銅盤和磁鐵均可以自由繞OO′軸轉動，兩磁極靠近銅盤，但不接觸.當磁鐵繞軸轉動時，銅盤將(　　) 圖10 A.以相同的轉速與磁鐵同向轉動 B.以較小的轉速與磁鐵同向轉動 C.以相同的轉速與磁鐵反向轉動 D.靜止不動 答案　B 解析　因磁鐵的轉動，引起銅盤中磁通量發(fā)生變化而產生感應電流，進而受安培力作用而發(fā)生轉動，由楞次定律可知安培力的作用是阻礙相對運動，所以銅盤與磁鐵同向轉動，又由產生電磁感應的條件可知，線圈中能產生感應電流的條件必須是磁通量發(fā)生變化.故銅盤轉動方向與磁鐵相同而轉速小，所以正確選項是B. 12.(多選)位于光滑水平面的小車上放置一螺線管，一個比螺線管長的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v水平穿過，如圖11所示，在此過程中(　　) 圖11 A.磁鐵做勻速直線運動 B.磁鐵做減速運動 C.小車向右做加速運動 D.小車先加速后減速 答案　BC 解析　 11