2019-2020學(xué)年高中物理 第1章 電磁感應(yīng) 第7節(jié) 渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用學(xué)案 粵教版選修3-2

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1、第七節(jié)　渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.認(rèn)識(shí)什么是渦流，理解渦流的成因及本質(zhì)．(重點(diǎn))2.了解渦流加熱，渦流制動(dòng)，渦流探測(cè)在生產(chǎn)、生活和科技中的應(yīng)用．(重點(diǎn))3.了解在生產(chǎn)、生活中避免或減少渦流的方法．(難點(diǎn)) 一、渦流現(xiàn)象 1．渦流：整塊導(dǎo)體內(nèi)部因發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電流． 2．影響渦流大小的因素：導(dǎo)體的外周長(zhǎng)越長(zhǎng)，交變磁場(chǎng)的頻率越高，渦流就越大． 二、渦流現(xiàn)象的應(yīng)用與防止 1．渦流的應(yīng)用 (1)電磁灶：電磁灶是渦流現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用，采用了磁場(chǎng)感應(yīng)渦流的加熱原理． (2)感應(yīng)加熱：在感應(yīng)爐中，有產(chǎn)生高頻電流的大功率電源和產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈，其工作原理也是渦流

2、加熱． (3)渦流制動(dòng)：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體中激起渦流，渦流與磁場(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)力矩阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)． (4)渦流探測(cè)：通有交變電流的探測(cè)線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)靠近金屬物時(shí)，在金屬物中激起渦流，隱蔽金屬物的等效電阻、電感也會(huì)反射到探測(cè)線圈中，改變通過(guò)探測(cè)線圈電流的大小和相位，從而探知金屬物． 2．渦流的防止 (1)原理：縮小導(dǎo)體的體積，增大材料的電阻率． (2)事例：電機(jī)和變壓器的鐵芯用硅鋼片疊壓而成． (3)目的：減少電能損失． 1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”) (1)渦流有熱效應(yīng)，但沒(méi)有磁效應(yīng)．(×) (2)把金屬塊放在

3、變化的磁場(chǎng)中可產(chǎn)生渦流．(√) (3)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．(×) (4)金屬探測(cè)器是利用渦流現(xiàn)象．(√) (5)電表線圈用鋁框作線圈骨架不是利用渦流現(xiàn)象．(×) 2．如圖所示，金屬球(銅球)下端有通電的線圈，今把小球拉離平衡位置后釋放，此后關(guān)于小球的運(yùn)動(dòng)情況是(不計(jì)空氣阻力)(　　) A．做等幅振動(dòng) B．做阻尼振動(dòng) C．振幅不斷增大 D．無(wú)法判定 B　[小球在通電線圈磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，小球中產(chǎn)生渦流，故小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)，故振幅越來(lái)越小，A、C、D錯(cuò)誤，B正確．] 3．下列做法中可能產(chǎn)生渦流的是(　　) A．把金

4、屬塊放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 B．讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速運(yùn)動(dòng) C．讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做變速運(yùn)動(dòng) D．把金屬塊放在變化的磁場(chǎng)中 D　[渦流就是整個(gè)金屬塊中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，所以產(chǎn)生渦流的條件就是在金屬塊中產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，即穿過(guò)金屬塊的磁通量發(fā)生變化．而A、B、C中穿過(guò)金屬塊的磁通量不變化，所以A、B、C錯(cuò)誤，把金屬塊放在變化的磁場(chǎng)中時(shí)，穿過(guò)金屬塊的磁通量發(fā)生了變化，有渦流產(chǎn)生，所以D正確．] 對(duì)渦流的理解 1.渦流的產(chǎn)生 渦流實(shí)際上是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)導(dǎo)體處在變化的磁場(chǎng)中，或者導(dǎo)體在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部可以等效成許許多多的閉合電路，當(dāng)穿過(guò)這些閉合電路的

5、磁通量變化時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)部的這些閉合電路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，即導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了渦流． 2．渦流的特點(diǎn) (1)電流強(qiáng)：當(dāng)電流在金屬塊內(nèi)自成閉合回路(產(chǎn)生渦流)時(shí)，由于整塊金屬的電阻很小，渦流往往很強(qiáng)． (2)功率大：根據(jù)公式P＝I2R知，熱功率的大小與電流的平方成正比，故金屬塊的發(fā)熱功率很大． 3．能量轉(zhuǎn)化 伴隨著渦流現(xiàn)象，常見(jiàn)以下兩種能量轉(zhuǎn)化． (1)如果金屬塊放在了變化的磁場(chǎng)中，則磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能； (2)如果是金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，則由于克服安培力做功，金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． 【例1】　如圖所示，在光滑水平桌面上放一條形磁鐵，分別

6、將大小相同的鐵球、鋁球和木球放在磁鐵的一端且給它一個(gè)初速度，讓其向磁鐵滾去，觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況(　　) A．都做勻速運(yùn)動(dòng) B．鐵球、鋁球都做減速運(yùn)動(dòng) C．鐵球做加速運(yùn)動(dòng)，鋁球做減速運(yùn)動(dòng) D．鋁球、木球做勻速運(yùn)動(dòng) C　[鐵球靠近磁鐵時(shí)被磁化，與磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引的作用力，故鐵球?qū)⒓铀龠\(yùn)動(dòng)；鋁球向磁鐵靠近時(shí)，穿過(guò)它的磁通量發(fā)生變化，因此在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)的變化起阻礙作用，所以鋁球向磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受阻礙而減速；木球?yàn)榉墙饘伲炔荒鼙淮呕?，也不產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，所以磁鐵對(duì)木球不產(chǎn)生力的作用，木球?qū)⒆鰟蛩龠\(yùn)動(dòng)．綜上所述，C項(xiàng)正確．] 渦流現(xiàn)象的分析方法 (1)

7、渦流是整塊導(dǎo)體中發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，分析渦流一般運(yùn)用楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律． (2)導(dǎo)體內(nèi)部可以等效為許多閉合電路． (3)導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)熱的原理是電流的熱效應(yīng)． 1．電磁爐是利用電磁感應(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(shuō)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(lái)烹飪食物 D．電磁爐的上表面一般都是用金屬材料制成，以加快熱傳遞減少熱損耗 A　[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)

8、生感應(yīng)電流，電磁爐不能使用直流電，故B錯(cuò)誤；鍋體只能用鐵磁性導(dǎo)體材料，不能使用絕緣材料制作鍋體，故C錯(cuò)誤；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，故D錯(cuò)誤．] , 對(duì)渦流的應(yīng)用與防止的理解 1.電磁阻尼 閉合回路的部分導(dǎo)體在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，導(dǎo)體在磁場(chǎng)中就要受到磁場(chǎng)力的作用，根據(jù)楞次定律，磁場(chǎng)力總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，于是產(chǎn)生電磁阻尼． 2．電磁驅(qū)動(dòng) 如果磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)． 3．電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的比較 電磁阻

9、尼 電磁驅(qū)動(dòng) 不同點(diǎn) 成因 由于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流 由于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流 效果 安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙物體運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)體受安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相同，推動(dòng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng) 能量 轉(zhuǎn)化 導(dǎo)體克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 由于電磁感應(yīng)，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能，從而對(duì)外做功 相同點(diǎn) 兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象 【例2】　如圖所示，在一蹄形磁鐵下面放一個(gè)銅盤，銅盤和磁鐵均可以自由繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩磁極靠近銅盤，但不接觸，當(dāng)磁鐵繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，銅盤將(　　) A．以相同的轉(zhuǎn)速與磁鐵同

10、向轉(zhuǎn)動(dòng) B．以較小的轉(zhuǎn)速與磁鐵同向轉(zhuǎn)動(dòng) C．以相同的轉(zhuǎn)速與磁鐵反向轉(zhuǎn)動(dòng) D．靜止不動(dòng) 思路點(diǎn)撥：①磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，銅盤中會(huì)產(chǎn)生渦流．②由楞次定律可分析銅盤的轉(zhuǎn)動(dòng)． B　[因磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)，引起銅盤中磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而受安培力作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，由楞次定律可知安培力的作用是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以銅盤與磁鐵同向轉(zhuǎn)動(dòng)，又由產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件可知，銅盤中能產(chǎn)生電流的條件必須是磁通量發(fā)生變化．故銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁鐵相同而轉(zhuǎn)速較小，不能與磁鐵同速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以正確選項(xiàng)是B.] 對(duì)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的理解 (1)電磁阻尼是感應(yīng)電流所受的安培力對(duì)導(dǎo)體做負(fù)功，阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)；而電磁驅(qū)動(dòng)是感應(yīng)電流所受的

11、安培力對(duì)導(dǎo)體做正功，推動(dòng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)． (2)在兩種情況下，安培力均是阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)． (3)在電磁驅(qū)動(dòng)中，主動(dòng)部分的速度(或角速度)大于被動(dòng)部分的速度(或角速度)． (4)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，均可以根據(jù)楞次定律和左手定則分析導(dǎo)體的受力情況． 訓(xùn)練角度1：電磁阻尼問(wèn)題 2．如圖所示，用絲線懸掛閉合金屬環(huán)，懸于O點(diǎn)，第一種情況是虛線左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，右邊沒(méi)有磁場(chǎng)。第二種情況是整個(gè)空間都有向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，金屬環(huán)的擺動(dòng)情況是(　　) A．兩種情況都經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間停下來(lái) B．第一種情況先停下來(lái) C．第二種情況先停下來(lái) D．無(wú)法確定 B　[只有左邊有勻強(qiáng)

12、磁場(chǎng)，金屬環(huán)在穿越磁場(chǎng)邊界時(shí)，由于磁通量發(fā)生變化，環(huán)內(nèi)一定會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，根據(jù)楞次定律將會(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以擺動(dòng)會(huì)很快停下來(lái)，這就是電磁阻尼現(xiàn)象．也可以用能量守恒來(lái)解釋：既然有電流產(chǎn)生，就一定有一部分機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，最后電能通過(guò)導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．若空間都有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，穿過(guò)金屬環(huán)的磁通量不變化，因此不產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就不會(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)就不會(huì)很快停下來(lái)．故選B.] 訓(xùn)練角度2：電磁驅(qū)動(dòng)問(wèn)題 3．如圖所示，光滑水平絕緣面上有兩個(gè)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(dāng)磁鐵沿中間分割線向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．兩

13、環(huán)都向右運(yùn)動(dòng) B．兩環(huán)都向左運(yùn)動(dòng) C．環(huán)1靜止，環(huán)2向右運(yùn)動(dòng) D．兩環(huán)都靜止 C　[條形磁鐵向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)1中磁通量保持為零不變，無(wú)感應(yīng)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(yīng)電流的效果是使環(huán)2向右運(yùn)動(dòng)．] 課 堂 小 結(jié) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.線圈中的電流變化時(shí)，線圈附近的導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流會(huì)產(chǎn)生熱量，因此在日常生活中，既要防止有害渦流，又要利用有益渦流． 2．導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力阻礙其運(yùn)動(dòng)，即為電磁阻尼． 3．磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在磁場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，使導(dǎo)體受到安培力的作用而運(yùn)動(dòng)起來(lái)，即為電磁驅(qū)動(dòng)。

14、 1．如圖所示，在一個(gè)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(shí)間后，一個(gè)容器中水溫升高，則通入的電流與水溫升高的是(　　) 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 C　[通入恒定電流時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不變，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，通入變化的電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生變化，在空間產(chǎn)生感生電場(chǎng)，鐵鍋是導(dǎo)體，感生電場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高．渦流是由變化的磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的，所以玻璃杯中的水不會(huì)升溫，故C正確．] 2.(多選)如圖所示，磁電式儀表的線圈通常是用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框

15、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．起電磁阻尼的作用 D．起電磁驅(qū)動(dòng)的作用 BC　[線圈通電后在安培力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁框隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在鋁框內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流將阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，使線圈偏轉(zhuǎn)后盡快停下來(lái)，這樣做是利用渦流來(lái)起電磁阻尼的作用．] 3．(多選)位于光滑水平面的小車上水平固定一螺線管，一個(gè)比螺線管長(zhǎng)的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v0穿入螺線管，并最終穿出，如圖所示，在此過(guò)程中(　　) A．磁鐵做勻速直線運(yùn)動(dòng) B．磁鐵做減速運(yùn)動(dòng) C．小車向右做加速運(yùn)動(dòng) D．小車先加速后減速 BC　[磁鐵水平穿入螺線管時(shí)，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，

16、由楞次定律可知產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)；同理，磁鐵穿出時(shí)，由楞次定律可知產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)，故整個(gè)過(guò)程中，磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確．對(duì)于小車上的螺線管來(lái)說(shuō)，螺線管受到的安培力方向始終為水平向右，這個(gè)安培力使螺線管和小車向右運(yùn)動(dòng)，且一直做加速運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤．] 4．(多選)如圖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(guò)焊縫處產(chǎn)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(shuō)法正確的是(　　) A．交流電的頻率越高，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?yàn)楹缚p處的電阻小 D．工件上只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大 AD　[交流電頻率越高，則產(chǎn)生的感應(yīng)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．] - 7 -