2017-2018學年高中物理 第一章 電磁感應 第7節(jié) 渦流現(xiàn)象及其應用學案 粵教版選修3-2

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1、 第七節(jié)　渦流現(xiàn)象及其應用 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.認識什么是渦流，理解渦流的成因及本質(zhì)．(重點) 2．了解渦流加熱，渦流制動，渦流探測在生產(chǎn)、生活和科技中的應用．(重點) 3．了解在生產(chǎn)、生活中避免或減少渦流的方法．(難點) 　渦 流 現(xiàn) 象 1．渦流：整塊導體內(nèi)部因發(fā)生電磁感應而產(chǎn)生的感應電流． 2．影響渦流大小的因素：導體的外周長越長，交變磁場的頻率越高，渦流就越大． 1．渦流有熱效應，但沒有磁效應．(×) 2．把金屬塊放在變化的磁場中可產(chǎn)生渦流．(√) 3．渦流不是感應電流，而是一種有別于感應電流的特殊電流．(×) 如圖

2、1-7-1所示，垂直金屬圓環(huán)的一個勻強磁場在逐漸變化，金屬圓環(huán)上能否產(chǎn)生感應電流？ 圖1-7-1 【提示】　有感應電流． 如圖1-7-2，將通有變化電流的導線繞在鐵塊上． 圖1-7-2 探討1：請問鐵塊中有感應電流嗎？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，根據(jù)楞次定律可知鐵塊中產(chǎn)生感應電流，它的形狀像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡稱渦流． 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)化為磁場能，磁場能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． 1．渦流的產(chǎn)生 渦流實際上是一種特殊的電磁感應現(xiàn)象，當導體處在變化的磁場中，或者導體在非

3、勻強磁場中運動時，導體內(nèi)部可以等效成許許多多的閉合電路，當穿過這些閉合電路的磁通量變化時，在導體內(nèi)部的這些閉合電路中將產(chǎn)生感應電流，即導體內(nèi)部產(chǎn)生了渦流． 2．渦流的特點 (1)電流強：當電流在金屬塊內(nèi)自成閉合回路(產(chǎn)生渦流)時，由于整塊金屬的電阻很小，渦流往往很強． (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中，則磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能； (2)如果是金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉(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)用絕緣細線掛于O點，將圓環(huán)拉離平衡位置并釋放，圓環(huán)擺動過程中(環(huán)平面與磁場始終保持垂直)經(jīng)過有界的水平勻強磁場區(qū)域，A、B為該磁場的豎直邊界．若不計空氣阻力，則(　　) 圖1-7-3 A．圓環(huán)向右穿過磁場后，還能擺至原來的高度 B．在進入和離開磁場時，圓環(huán)中均有感應電流 C．圓環(huán)進入磁場后，離最低點越近速度越大，感應電流也越大 D．圓環(huán)最終將靜止在最低點 【解析】　在圓環(huán)進入和穿出磁場的過程中環(huán)中磁通量發(fā)生變化，有感應電流產(chǎn)生，即圓環(huán)的機械能向電能轉(zhuǎn)化，其機械能越來越小，上升的高度越來越低，A項錯誤，B項正確；但在

5、環(huán)完全進入磁場后，不再產(chǎn)生感應電流，C項錯誤；最終圓環(huán)將不能擺出磁場，從此再無機械能向電能轉(zhuǎn)化，其擺動的幅度不再變化，D項錯誤． 【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初速度，讓其向磁鐵滾去，觀察小球的運動情況 (　　) 【導學號：97192041】 圖1-7-4 A．都做勻速運動 B．鐵球、鋁球都做減速運動 C．鐵球做加速運動，鋁球做減速運動 D．鋁球、木球做勻速運動 【解析】　鐵球靠近磁鐵時被磁化，與磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引的作用力，故鐵球?qū)⒓铀龠\動；鋁球向磁鐵靠近時，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)生的感應磁場對原磁場的變化起阻礙作用，所以鋁球向磁鐵運動時會受阻礙而減速；木球為非金屬，既不能被磁化，也不產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，所以磁鐵對木球不產(chǎn)生力的作用，木球?qū)⒆鰟蛩龠\動．綜上所述，C項正確． 【答案】　C 渦流現(xiàn)象的分析方法 1．渦流是整塊導體中發(fā)生的電磁感應現(xiàn)象，分析渦流一般運用楞次定律和法拉第電磁感應定律． 2．導體內(nèi)部可以等效為許多閉合電路． 3．導體內(nèi)部發(fā)熱的原理是電流的熱效應． 渦 流 現(xiàn) 象 的 應 用 與 防 止 1．渦流的應用 (1)電磁灶：電磁灶是渦流現(xiàn)象在生活中的應用，采用了磁場感應渦流的加熱原理． (2

7、)感應加熱：在感應爐中，有產(chǎn)生高頻電流的大功率電源和產(chǎn)生交變磁場的線圈，其工作原理也是渦流加熱． (3)渦流制動：當導體在磁場中運動時，會在導體中激起渦流，渦流與磁場相互作用產(chǎn)生一個動態(tài)阻尼力，從而提供制動力矩阻礙導體的運動． (4)渦流探測：通有交變電流的探測線圈，產(chǎn)生交變磁場，當靠近金屬物時，在金屬物中激起渦流，隱蔽金屬物的等效電阻、電感也會反射到探測線圈中，改變通過探測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：縮小導體的體積，增大材料的電阻率． (2)事例：電機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，感應加熱就是利用感應電流產(chǎn)生的熱量，感應電流適當大些較好，當使用高頻交流電源時，它產(chǎn)生高頻變化的磁場，磁場中導體內(nèi)的磁通量變化非常迅速，產(chǎn)生較大的感應電動勢和感應電流，加熱效果會更好． 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，磁鐵能上下振動較長時間才停下來．如果在磁鐵下端放一個固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動時穿過它(如圖1-7

9、-5所示)，磁鐵就會很快停下來，解釋這個現(xiàn)象． 圖1-7-5 【提示】　當磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產(chǎn)生感應電流，感應電流的磁場會阻礙磁鐵靠近或離開線圈，因此磁鐵振動時除了有空氣阻力外，還有線圈的磁場力作為阻力，克服阻力需要做的功較多，彈簧振子的機械能損失較快，因而會很快停下來． 探討2：一個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．當蹄形磁鐵順時針轉(zhuǎn)動時線圈也順時針轉(zhuǎn)動，當磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時線圈也逆時針轉(zhuǎn)動． 圖1-7-6 試分析線圈轉(zhuǎn)動起來的動力是什么力？線圈的轉(zhuǎn)動速度與磁鐵的轉(zhuǎn)動速度相同嗎？ 【提示】　線

10、圈內(nèi)產(chǎn)生感應電流受到安培力的作用，安培力作為動力使線圈轉(zhuǎn)動起來．線圈的轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速． 1．電磁阻尼 閉合回路的部分導體在做切割磁感線運動產(chǎn)生感應電流時，導體在磁場中就要受到磁場力的作用，根據(jù)楞次定律，磁場力總是阻礙導體的運動，于是產(chǎn)生電磁阻尼． 2．電磁驅(qū)動 如果磁場相對于導體運動，在導體中會產(chǎn)生感應電流，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來． 3．電磁阻尼與電磁驅(qū)動的比較 電磁阻尼 電磁驅(qū)動 不 同 點 成因 由于導體在磁場中運動而產(chǎn)生感應電流 由于磁場運動引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應電流 效果 安培力的方向與導體運動方向相反，阻礙物

11、體運動 導體受安培力的方向與導體運動方向相同，推動導體運動 能量 轉(zhuǎn)化 導體克服安培力做功，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，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導體的機械能，而對外做功 相同點 兩者都是電磁感應現(xiàn)象 3．下列應用與渦流無關(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工作，探雷器利用渦流的磁效應工作，而微波爐利用高頻電磁波工作． 【答案】　B 4．高頻感應爐是用來熔化金屬對其進行冶煉的，如圖1-7-7所示為冶煉金屬的高頻感應爐的示意圖，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 (　　) 【導學號：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 C．利用交變電流的交變磁場在爐內(nèi)金屬中產(chǎn)生的渦流 D．給線圈通電的同時，給爐內(nèi)金屬也通了電 【解析】　交變電流產(chǎn)生的交變磁場在爐內(nèi)金屬截面上引起磁通量變化，使金屬內(nèi)部出現(xiàn)感應電流，因金屬的電阻很小，所以感應電流很強．它在金屬內(nèi)自成回路時，形成旋渦狀的電流，即渦流．渦流產(chǎn)生大量的焦耳熱使爐內(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銅盤，銅盤和磁鐵均可以自由繞OO′軸轉(zhuǎn)動，兩磁極靠近銅盤，但不接觸，當磁鐵繞軸轉(zhuǎn)動時，銅盤將(　　) 【導學號：97192209】 圖1-7-8 A．以相同的轉(zhuǎn)速與磁鐵同向轉(zhuǎn)動 B．以較小的轉(zhuǎn)速與磁鐵同向轉(zhuǎn)動 C．以相同的轉(zhuǎn)速與磁鐵反向轉(zhuǎn)動 D．靜止不動 【解析】　因磁鐵的轉(zhuǎn)動，引起銅盤中磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應電流，進而受安培力作用而發(fā)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，又由產(chǎn)生電磁感應的條件可知，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)動方向與磁鐵相同而轉(zhuǎn)速較小，不能與磁鐵同速轉(zhuǎn)動，所以正確選項是B. 【答案】　B 對電磁阻尼和電磁驅(qū)動的理解 1．電磁阻尼是感應電流所受的安培力對導體做負功，阻礙導體運動；而電磁驅(qū)動是感應電流所受的安培力對導體做正功，推動導體的運動． 2．在兩種情況下，安培力均是阻礙導體與磁場之間的相對運動． 3．在電磁驅(qū)動中，主動部分的速度(或角速度)大于被動部分的速度(或角速度)． 4．電磁阻尼和電磁驅(qū)動都是電磁感應現(xiàn)象，均可以根據(jù)楞次定律和左手定則分析導體的受力情況． 7