高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用學(xué)案 粵教版選修32

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1、
學(xué)案9　渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位] 1.知道什么是渦流現(xiàn)象，并能夠說明其產(chǎn)生的原因.2.了解電磁灶和渦流加熱.3.了解渦流現(xiàn)象的應(yīng)用——渦流制動(dòng)和渦流探測(cè)． 1．楞次定律：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化． 2．根據(jù)楞次定律的擴(kuò)展含義，感應(yīng)電流所受安培力總是阻礙引起感應(yīng)電流的導(dǎo)體與磁場(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)．概括為“來拒去留”． 一、渦流現(xiàn)象 如圖1所示，當(dāng)線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在附近導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生像水中旋渦一樣的感應(yīng)電流，把這種在整塊導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電流的現(xiàn)象叫渦流現(xiàn)象．導(dǎo)體的外周長(zhǎng)越長(zhǎng)、交

2、變磁場(chǎng)的頻率越高，渦流就越大． 圖1 二、電磁灶與渦流加熱 1．如圖2所示，電磁灶采用了磁場(chǎng)感應(yīng)渦流的加熱原理．電磁灶工作時(shí)，電磁灶的線圈產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，鍋底部處在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流，從而使鍋體發(fā)熱． 圖2 圖3 2．如圖3所示，感應(yīng)爐接到高頻交流電源上，在線圈中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使金屬中產(chǎn)生渦流，金屬發(fā)熱而熔化，從而達(dá)到冶煉金屬的目的． 三、渦流制動(dòng)與渦流探測(cè) 1．渦流制動(dòng)：如圖4所示，鋁盤在蹄形磁鐵的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)在鋁盤中激起渦流，渦流 圖4 與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)阻尼力，從而提供制動(dòng)力矩． 2．渦流探測(cè)：渦流金屬探測(cè)器具有一個(gè)通過一定頻率交變電流的探

3、測(cè)線圈，該線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在金屬物中激起渦流，渦流的變化會(huì)反過來影響探測(cè)線圈，改變探測(cè)線圈電流的大小和相位，從而探知金屬物． 一、渦流現(xiàn)象 [問題設(shè)計(jì)] 在一個(gè)繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上面放一口小鐵鍋(圖5)，鍋內(nèi)放少許水，給線圈通入交變電流一段時(shí)間．再用玻璃杯代替小鐵鍋，通電時(shí)間相同．(忽略熱傳導(dǎo)) 圖5 請(qǐng)回答下列問題： (1)鐵鍋和玻璃杯中水的溫度有什么不同？ (2)試著解釋這種現(xiàn)象． 答案　(1)通電后鐵鍋中的水逐漸變熱，玻璃杯中水的溫度不變化(忽略熱傳導(dǎo))． (2)線圈接入周期性變化的電流，某段時(shí)間內(nèi)，若電流變大，則其磁場(chǎng)變強(qiáng)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)出感應(yīng)電場(chǎng)，小

4、鐵鍋(導(dǎo)體)可以看作是由許多閉合線圈組成的，在感應(yīng)電場(chǎng)作用下，這些線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng)電流，由于導(dǎo)體存在電阻，當(dāng)電流在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電熱，則鍋中的水會(huì)熱起來．而玻璃杯中雖然也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，但沒有自由移動(dòng)的電荷，故不會(huì)產(chǎn)生電流，也不會(huì)產(chǎn)生電熱，則玻璃杯中水的溫度沒有變化． [要點(diǎn)提煉] 1．渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，同樣遵循法拉第電磁感應(yīng)定律． 2．磁場(chǎng)變化越快(越大)，導(dǎo)體的橫截面積S越大，導(dǎo)體材料的電阻率越小，形成的渦流就越大． 二、電磁灶與渦流加熱 [要點(diǎn)提煉] 1．電磁灶工作時(shí)，電磁灶的線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，鐵質(zhì)鍋在磁場(chǎng)中由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)

5、生渦流，渦流在鍋體內(nèi)發(fā)熱．電磁灶的效率達(dá)83%. 2．感應(yīng)爐的工作原理是高頻電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生很大的渦流，使感應(yīng)爐的溫度升高，達(dá)到金屬的熔點(diǎn)，使金屬熔化．感應(yīng)加熱的優(yōu)點(diǎn)：(1)非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸．(2)加熱效率高，速度快，可以減小表面氧化現(xiàn)象．(3)容易控制溫度，提高加工精度．(4)可實(shí)現(xiàn)局部加熱．(5)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制．(6)減少占地、熱輻射、噪聲和灰塵． 三、渦流制動(dòng)與渦流探測(cè) [問題設(shè)計(jì)] 1．如圖6所示，軌道水平放置，導(dǎo)體棒MN放在軌道上面以速度v向右運(yùn)動(dòng)，試判斷導(dǎo)體棒中的電流方向和電流的受力方向． 圖6 答案　電流方向?yàn)橛蒒指向M，電流受力向左．

6、 2．電流所受的安培力是導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力還是阻力？ 答案　電流所受的安培力是導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的阻力． [要點(diǎn)提煉] 1．渦流制動(dòng)：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為渦流制動(dòng)．這種制動(dòng)方式常應(yīng)用于電表的阻尼制動(dòng)、高速機(jī)車制動(dòng)的渦流閘等． 2．渦流探測(cè)：渦流金屬探測(cè)器具有一個(gè)通過一定頻率交變電流的探測(cè)線圈，該線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在金屬物中激起渦流，渦流的變化會(huì)反過來影響探測(cè)線圈，改變探測(cè)線圈電流的大小和相位，從而探知金屬物． 3．在生產(chǎn)和生活中，有時(shí)也要避免渦流效應(yīng)要減小電機(jī)、變壓器的鐵芯在工作時(shí)產(chǎn)生的渦流，可采用的方法是把

7、整塊鐵芯改成用薄片疊壓的鐵芯，增大回路電阻． 一、渦流的理解 例1　(單選)下列關(guān)于渦流的說法中正確的是(　　) A．渦流跟平時(shí)常見的感應(yīng)電流一樣，都是因?yàn)榇┻^導(dǎo)體的磁通量變化而產(chǎn)生的 B．渦流不是感應(yīng)電流，而是一種有別于感應(yīng)電流的特殊電流 C．渦流有熱效應(yīng)，但沒有磁效應(yīng) D．在硅鋼中不能產(chǎn)生渦流 解析　渦流的本質(zhì)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，只不過是由金屬塊自身構(gòu)成回路，它既有熱效應(yīng)，也有磁效應(yīng)，所以A正確，B、C錯(cuò)誤；硅鋼中產(chǎn)生的渦流較小，D錯(cuò)誤． 答案　A 二、對(duì)渦流加熱的理解與應(yīng)用 例2　(雙選)電磁爐采用感應(yīng)電流(渦流)的加熱原理，是通過電子線路產(chǎn)生交變磁場(chǎng)

8、，把鐵鍋放在爐面上時(shí)，在鐵鍋底部產(chǎn)生交變的電流，它具有升溫快、效率高、體積小、安全性好等優(yōu)點(diǎn)．下列關(guān)于電磁爐的說法中正確的是(　　) A．電磁爐面板可采用陶瓷材料，發(fā)熱部分為鐵鍋底部 B．電磁爐可以用陶瓷器皿作為鍋具對(duì)食品加熱 C．可以通過改變電子線路的頻率來改變電磁爐的功率 D．電磁爐面板可采用金屬材料，通過面板發(fā)熱加熱鍋內(nèi)食品 解析　電磁爐的上表面如果用金屬材料制成，使用電磁爐時(shí)，上表面材料發(fā)生電磁感應(yīng)要損失電能，電磁爐上表面要用絕緣材料制作，發(fā)熱部分為鐵鍋底部，故A正確，B錯(cuò)誤；鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場(chǎng)變化的頻率有關(guān)，故C正確；電磁爐產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，導(dǎo)致加熱鍋底出現(xiàn)渦流，從而產(chǎn)

9、生熱量，故D錯(cuò)誤；故選A、C. 答案　AC 三、對(duì)渦流制動(dòng)的理解 例3　(單選)在水平放置的光滑絕緣導(dǎo)軌上，沿導(dǎo)軌固定一個(gè)條形磁鐵，如圖7所示．現(xiàn)有銅、鋁和有機(jī)玻璃制成的滑塊甲、乙、丙，使它們從導(dǎo)軌上的A點(diǎn)以某一初速度向磁鐵滑去．各滑塊在向磁鐵運(yùn)動(dòng)的過程中(　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖7 A．都做勻速運(yùn)動(dòng) B．甲、乙做加速運(yùn)動(dòng) C．甲、乙做減速運(yùn)動(dòng) D．乙、丙做勻速運(yùn)動(dòng) 解析　甲、乙向磁鐵靠近時(shí)要產(chǎn)生渦流，受電磁阻尼作用，做減速運(yùn)動(dòng)，丙則不會(huì)產(chǎn)生渦流，只能勻速運(yùn)動(dòng)． 答案　C 四、對(duì)渦流探測(cè)的理解 例4　(雙選)安檢門是一個(gè)用于安全

10、檢查的“門”，“門框”內(nèi)有線圈，線圈里通有交變電流，交變電流在“門”內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬物品通過“門”時(shí)能產(chǎn)生渦流，渦流的磁場(chǎng)又反過來影響線圈中的電流，從而引起報(bào)警．以下關(guān)于這個(gè)安檢門的說法正確的是(　　) A．這個(gè)安檢門也能檢查出毒品攜帶者 B．這個(gè)安檢門只能檢查出金屬物品攜帶者 C．如果這個(gè)“門框”的線圈中通上恒定電流，也能檢查出金屬物品攜帶者 D．這個(gè)安檢門工作時(shí)，既利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，又利用了電流的磁效應(yīng) 解析　這個(gè)安檢門是利用渦流工作的，因而只能檢查出金屬物品攜帶者，A錯(cuò)，B對(duì)．若“門框”的線圈中通上恒定電流，只能產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，它不能使塊狀金屬產(chǎn)生渦流，因而不能檢查出金屬物

11、品攜帶者，C錯(cuò)．安檢門工作時(shí)，既利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，又利用了電流的磁效應(yīng)，D對(duì)． 答案　BD 渦流現(xiàn)象 1．(渦流加熱的應(yīng)用)(單選)熔化金屬的一種方法是用“高頻爐”，它的主要部件是一個(gè)銅制線圈，線圈中有一鉗鍋，鍋內(nèi)放入待熔的金屬塊．當(dāng)線圈中通以高頻交流電時(shí)，鍋中金屬就可以熔化，這是因?yàn)?　　) A．線圈中的高頻交流電通過線圈電阻，產(chǎn)生焦耳熱 B．線圈中的高頻交流電產(chǎn)生高頻微波輻射，深入到金屬內(nèi)部，產(chǎn)生焦耳熱 C．線圈中的高頻交流電在鉗鍋中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過鉗鍋電阻產(chǎn)生焦耳熱 D．線圈中的高頻交流電在金屬塊中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過金屬塊電阻產(chǎn)生焦耳熱 答案　D 解析　

12、線圈中的高頻交流電通過線圈，從而產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，使得處于電磁場(chǎng)的金屬塊產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱，故A、B、C都錯(cuò)，D正確． 2．(渦流制動(dòng))(雙選)如圖8所示是電表中的指針和電磁阻尼器，下列說法中正確的是(　　) 圖8 A．2是磁鐵，1中產(chǎn)生渦流 B．1是磁鐵，2中產(chǎn)生渦流 C．該裝置的作用是使指針能夠轉(zhuǎn)動(dòng) D．該裝置的作用是使指針能很快地穩(wěn)定下來 答案　AD 解析　當(dāng)指針擺動(dòng)時(shí)，1隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，2是磁鐵，那么在1中產(chǎn)生渦流，2對(duì)1的安培力將阻礙1的轉(zhuǎn)動(dòng)．總之，不管1向哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，2對(duì)1的效果總是起到阻尼作用，所以它能使指針很快地穩(wěn)定下來． 3．(渦流的防止)(雙選)變壓器的鐵

13、芯是利用薄硅鋼片疊壓而成的，而不是采用一整塊硅鋼，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．增大鐵芯中的電阻，以產(chǎn)生更多的熱量 D．增大鐵芯中的電阻，以減小發(fā)熱量 答案　BD 解析　不使用整塊硅鋼而是采用很薄的硅鋼片，這樣做的目的是增大鐵芯中的電阻，減少電能轉(zhuǎn)化成鐵芯的內(nèi)能，提高效率，而且是為防止渦流而采取的措施． 題組一　對(duì)渦流加熱的理解與應(yīng)用 1．(單選)高頻感應(yīng)爐是用來熔化金屬對(duì)其進(jìn)行冶煉的，如圖1所示為冶煉金屬的高頻感應(yīng)爐的示意圖，爐內(nèi)放入被冶煉的金屬，線圈通入高頻交變電流，這時(shí)被治煉的金屬就能被熔化，這種冶煉方法速度快，

14、溫度易控制，并能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，因此適于冶煉特種金屬．那么該爐的加熱原理是(　　) 圖1 A．利用線圈中電流產(chǎn)生的焦耳熱 B．利用線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng) C．利用交變電流的交變磁場(chǎng)在爐內(nèi)金屬中產(chǎn)生的渦流 D．給線圈通電的同時(shí)，給爐內(nèi)金屬也通了電 答案　C 2．(單選)電磁爐利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的渦流，使鍋體發(fā)熱從而加熱食物．下列相關(guān)的說法中正確的是(　　) A．鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場(chǎng)變化的頻率有關(guān) B．電磁爐中通入電壓足夠高的直流電也能正常工作 C．金屬或環(huán)保絕緣材料制成的鍋體都可以利用電磁爐來烹飪食物 D．電磁爐的上表面一般都用金屬材料制成，以加快熱傳

15、遞減少熱損耗 答案　A 解析　鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場(chǎng)變化的頻率有關(guān)，故A正確；直流電不能產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，在鍋體中不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁爐不能使用直流電，故B錯(cuò)誤；鍋體只能用導(dǎo)體材料，不能使用絕緣材料制作，故C錯(cuò)誤；電磁爐產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，導(dǎo)致鍋底出現(xiàn)渦流，從而產(chǎn)生熱量而不是靠熱傳遞；D錯(cuò)誤． 3．(雙選)如圖2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(shí)，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過焊縫產(chǎn)生大量熱，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2 A．電流變化的頻率越高，焊縫處的溫度升高的越快 B．電流變化的頻率越低，

16、焊縫處的溫度升高的越快 C．工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p處的電阻小 D．工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大 答案　AD 解析　交流電頻率越高，則產(chǎn)生的感應(yīng)電流越強(qiáng)，升溫越快，故A項(xiàng)對(duì)．工件上各處電流相同，電阻大處產(chǎn)生的熱量多，故D項(xiàng)對(duì)． 4．(單選)光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖3所示，拋物線的方程是y＝x2，下半部處在一個(gè)水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的上邊界是y＝a的直線(圖中的虛線所示)，一個(gè)小金屬塊從拋物線上y＝b(b＞a)處以初速度v沿拋物線下滑．假設(shè)拋物線足夠長(zhǎng)，金屬塊沿拋物線下滑后產(chǎn)生的焦耳熱總量是 (　　) 圖3 A．mgb

17、 B.mv2 C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2 答案　D 解析　金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，損失機(jī)械能而使金屬塊所能達(dá)到的最高位置越來越低，當(dāng)金屬塊所能達(dá)到的最高位置為y＝a時(shí)，金屬塊不再進(jìn)出磁場(chǎng)，不再產(chǎn)生焦耳熱．金屬塊的機(jī)械能不再損失，而在磁場(chǎng)中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)． 由于金屬塊減少的動(dòng)能和重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以 Q＝|ΔEp＋ΔEk|＝mg(b－a)＋mv2. 題組二　對(duì)渦流制動(dòng)和渦流探測(cè)的理解與應(yīng)用 5．(雙選)磁電式儀表的線圈通常用鋁框做骨架，把線圈圍繞在鋁框上，這樣做的目的是(　　) A．防止渦流而設(shè)計(jì)的 B．利用渦流而設(shè)計(jì)的 C．起電

18、磁阻尼的作用 D．起電磁驅(qū)動(dòng)的作用 答案　BC 解析　線圈通電后，在安培力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁框隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就是渦流．渦流阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，使線圈偏轉(zhuǎn)后盡快停下來．所以，這樣做的目的是利用渦流來起電磁阻尼的作用． 6．(雙選)如圖4所示，A、B為大小、形狀均相同且內(nèi)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(gè)相同的磁性小球，同時(shí)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(duì)于兩管的描述中可能正確的是(　　) 圖4 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

19、木制成的，B管是用塑料制成的 D．A管是用膠木制成的，B管是用鋁制成的 答案　AD 7．(單選)如圖5所示 ，金屬球(銅球)下端有通電的線圈，今把金屬球向上拉離平衡位置后釋放，此后金屬球的運(yùn)動(dòng)情況是(不計(jì)空氣阻力)(　　) 圖5 A．做等幅振動(dòng) B．做阻尼振動(dòng) C．振幅不斷增大 D．無法判定 答案　B 解析　金屬球在通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，金屬球中產(chǎn)生渦流，故金屬球要受到安培力作用，阻礙它的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，做阻尼振動(dòng)． 8．(單選)如圖6所示，使一個(gè)銅盤繞其豎直的軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)，且假設(shè)摩擦等阻力不計(jì)，轉(zhuǎn)動(dòng)是勻速的，現(xiàn)把一個(gè)蹄形磁鐵移近銅盤，則(　　) 圖6

20、A．銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)將變慢 B．銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)將變快 C．銅盤仍以原來的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng) D．銅盤的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)一個(gè)蹄形磁鐵移近銅盤時(shí)，銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知感應(yīng)電流受的安培力阻礙其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以銅盤的轉(zhuǎn)動(dòng)將變慢，本題也可以從能量守恒的角度去分析，因?yàn)殂~盤轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，銅盤的機(jī)械能不斷轉(zhuǎn)化成電能，銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)逐漸變慢，故正確選項(xiàng)為A. 9．(雙選)如圖7所示是用渦流金屬探測(cè)器探測(cè)地下金屬物的示意圖，下列說法中正確的是(　　) 圖7 A．探測(cè)器內(nèi)的探測(cè)線圈會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng) B．只有有磁性的金屬物才會(huì)被探測(cè)器探測(cè)到 C．探測(cè)到地下的金屬物是因?yàn)樘筋^中產(chǎn)生了渦流 D．探測(cè)到地下的金屬物是因?yàn)榻饘傥镏挟a(chǎn)生了渦流 答案　AD