2017-2018學(xué)年高中物理 第一章 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) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 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)) 　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)體的外周長越長，交變磁場(chǎng)的頻率越高，渦流就越大． 1．渦流有熱效應(yīng)，但沒有磁效應(yīng)．(×) 2．把金屬塊放在變化的磁場(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．(×) 如圖

2、1-7-1所示，垂直金屬圓環(huán)的一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)在逐漸變化，金屬圓環(huán)上能否產(chǎn)生感應(yīng)電流？ 圖1-7-1 【提示】　有感應(yīng)電流． 如圖1-7-2，將通有變化電流的導(dǎo)線繞在鐵塊上． 圖1-7-2 探討1：請(qǐng)問鐵塊中有感應(yīng)電流嗎？如果有，它的形狀像什么？ 【提示】　有．變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，根據(jù)楞次定律可知鐵塊中產(chǎn)生感應(yīng)電流，它的形狀像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡(jiǎn)稱渦流． 探討2：在上述過程中伴隨著哪些能量轉(zhuǎn)化？ 【提示】　電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，磁場(chǎng)能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． 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

3、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)穿過這些閉合電路的磁通量變化時(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

4、，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． 1．如圖1-7-3所示，一閉合金屬圓環(huán)用絕緣細(xì)線掛于O點(diǎn)，將圓環(huán)拉離平衡位置并釋放，圓環(huán)擺動(dòng)過程中(環(huán)平面與磁場(chǎng)始終保持垂直)經(jīng)過有界的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，A、B為該磁場(chǎng)的豎直邊界．若不計(jì)空氣阻力，則(　　) 圖1-7-3 A．圓環(huán)向右穿過磁場(chǎng)后，還能擺至原來的高度 B．在進(jìn)入和離開磁場(chǎng)時(shí)，圓環(huán)中均有感應(yīng)電流 C．圓環(huán)進(jìn)入磁場(chǎng)后，離最低點(diǎn)越近速度越大，感應(yīng)電流也越大 D．圓環(huán)最終將靜止在最低點(diǎn) 【解析】　在圓環(huán)進(jìn)入和穿出磁場(chǎng)的過程中環(huán)中磁通量發(fā)生變化，有感應(yīng)電流產(chǎn)生，即圓環(huán)的機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，其機(jī)械能越來越小，上升的高度越來越低，A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；但在

5、環(huán)完全進(jìn)入磁場(chǎng)后，不再產(chǎn)生感應(yīng)電流，C項(xiàng)錯(cuò)誤；最終圓環(huán)將不能擺出磁場(chǎng)，從此再無機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，其擺動(dòng)的幅度不再變化，D項(xiàng)錯(cuò)誤． 【答案】　B 2．如圖1-7-4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一個(gè)初速度，讓其向磁鐵滾去，觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況 (　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：97192041】 圖1-7-4 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) 【解析】　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)，穿過它的磁通量發(fā)生變

6、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． 【答案】　C 渦流現(xiàn)象的分析方法 1．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)． 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

7、)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．變壓器硅鋼

8、片疊成鐵芯是利用渦流現(xiàn)象．(×) 2．金屬探測(cè)器是利用渦流現(xiàn)象．(√) 3．電表線圈用鋁框做線圈骨架不是利用渦流現(xiàn)象．(×) 在感應(yīng)加熱中，是使用高頻交流電源好，還是使用低頻交流電源好？為什么？ 【提示】　使用高頻電源好，感應(yīng)加熱就是利用感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱量，感應(yīng)電流適當(dāng)大些較好，當(dāng)使用高頻交流電源時(shí)，它產(chǎn)生高頻變化的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中導(dǎo)體內(nèi)的磁通量變化非常迅速，產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，加熱效果會(huì)更好． 探討1：彈簧上端固定，下端懸掛一根磁鐵．將磁鐵托起到某一高度后放開，磁鐵能上下振動(dòng)較長時(shí)間才停下來．如果在磁鐵下端放一個(gè)固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動(dòng)時(shí)穿過它(如圖1-7

9、-5所示)，磁鐵就會(huì)很快停下來，解釋這個(gè)現(xiàn)象． 圖1-7-5 【提示】　當(dāng)磁鐵穿過固定的閉合線圈時(shí)，在閉合線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)會(huì)阻礙磁鐵靠近或離開線圈，因此磁鐵振動(dòng)時(shí)除了有空氣阻力外，還有線圈的磁場(chǎng)力作為阻力，克服阻力需要做的功較多，彈簧振子的機(jī)械能損失較快，因而會(huì)很快停下來． 探討2：一個(gè)閉合線圈放在蹄形磁鐵的兩磁極之間，如圖1-7-6所示，蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)．當(dāng)蹄形磁鐵順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈也順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈也逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)． 圖1-7-6 試分析線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來的動(dòng)力是什么力？線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同嗎？ 【提示】　線

10、圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流受到安培力的作用，安培力作為動(dòng)力使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來．線圈的轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速． 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． 3．電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的比較 電磁阻尼 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

11、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，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能，而對(duì)外做功 相同點(diǎn) 兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象 3．下列應(yīng)用與渦流無關(guān)的是(　　) A．家用電磁爐 B．家用微波爐 C．真空冶煉爐 D．探雷器 【解析】　家用電磁爐和真空冶煉爐利用渦流的熱效應(yīng)工作，探雷器利用渦流的磁效應(yīng)工作，而微波爐利用高頻電磁波工作． 【答案】　B 4．高頻感應(yīng)爐是用來熔化金屬對(duì)其進(jìn)行冶煉的，如圖1-7-7所示為冶煉金屬的高頻感應(yīng)爐的示意圖，爐內(nèi)放入

12、被冶煉的金屬，線圈通入高頻交變電流，這時(shí)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(zhì)混入被煉金屬中，因此適用于冶煉特種金屬．該爐的加熱原理是 (　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：97192042】 圖1-7-7 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 【解析】　交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在爐內(nèi)金屬截面上引起磁通量變化，使金屬內(nèi)部出現(xiàn)感應(yīng)電流，因金屬的電阻很小，所以感應(yīng)電流很強(qiáng)．它在金屬內(nèi)自成回路時(shí)，形成旋渦狀的電流，即渦流．渦流產(chǎn)生大量的焦耳熱使?fàn)t內(nèi)溫度升

13、高，金屬熔化． 【答案】　C 5．如圖1-7-8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(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：97192209】 圖1-7-8 A．以相同的轉(zhuǎn)速與磁鐵同向轉(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) 【解析】　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. 【答案】　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． 7