2017-2018高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 第七節(jié) 渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用學(xué)案 粵教版選修3-2

第七節(jié)渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道渦流的產(chǎn)生原因.2.了解電磁灶和渦流加熱原理.3.了解渦流現(xiàn)象的應(yīng)用渦流制動和渦流探測一、渦流現(xiàn)象導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，導(dǎo)體中有感應(yīng)電流嗎？如果有，它的形狀像什么？圖1答案有變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生感生電場，使導(dǎo)體中的自由電子發(fā)生定向移動，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，簡稱渦流知識梳理1渦流：在一根導(dǎo)體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，在整個(gè)導(dǎo)體中，就形成一圈圈環(huán)繞導(dǎo)體軸線流動的感應(yīng)電流，就好像水中的旋渦一樣，這種產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象2渦流大小的決定因素：導(dǎo)體的外周長越長，交變磁場的頻率越高，渦流就越大即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)渦流也是一種感應(yīng)電流()(2)導(dǎo)體中有渦流時(shí)，導(dǎo)體沒有和其他元件組成閉合回路，故導(dǎo)體不會發(fā)熱()(3)渦流是一種有害的電磁感應(yīng)現(xiàn)象()答案(1)(2)×(3)×二、電磁灶與渦流加熱導(dǎo)學(xué)探究高頻感應(yīng)爐結(jié)構(gòu)如圖2所示，電磁灶的結(jié)構(gòu)如圖3所示圖2圖3結(jié)合電磁感應(yīng)的條件回答下列問題：(1)高頻感應(yīng)爐冶煉金屬的原理是什么？有什么優(yōu)點(diǎn)？(2)電磁灶中的渦流是怎樣產(chǎn)生的？產(chǎn)生渦流的部分和引起渦流的部分是否接觸？電磁灶的表面在電磁灶工作時(shí)的熱量是怎樣產(chǎn)生的？答案(1)高頻感應(yīng)爐冶煉金屬是利用渦流熔化金屬冶煉鍋內(nèi)裝入被冶煉的金屬，讓高頻交流電通過線圈，被冶煉的金屬內(nèi)部就產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化優(yōu)點(diǎn)：速度快，溫度容易控制，能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中(2)渦流產(chǎn)生在鐵磁材料制成的鍋底部，引起渦流的部分是灶內(nèi)的勵(lì)磁線圈，它與鍋底不接觸，電磁灶工作時(shí)表面摸上去溫度也挺高，是因?yàn)槠浔砻媾c鐵鍋發(fā)生了熱傳遞知識梳理感應(yīng)加熱的定義及其應(yīng)用(1)利用足夠大的電力在導(dǎo)體中產(chǎn)生很大的渦流，導(dǎo)體中電流可以發(fā)熱，使金屬受熱甚至熔化(2)應(yīng)用：高頻感應(yīng)爐冶煉金屬，用高頻塑料熱壓機(jī)過塑，渦流熱療系統(tǒng)用于治療即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)電磁灶可以放砂鍋烹煮食物()(2)電磁灶用鐵鍋時(shí)要謹(jǐn)慎，勺子把要絕緣，防止觸電()(3)高頻感應(yīng)爐利用高頻電流產(chǎn)生的焦耳熱冶煉金屬()(4)高頻感應(yīng)爐利用金屬塊中的渦流產(chǎn)生焦耳熱冶煉金屬()答案(1)×(2)×(3)×(4)三、渦流制動與渦流探測導(dǎo)學(xué)探究如圖4把高速旋轉(zhuǎn)的鋁盤放在蹄形磁鐵之間，鋁盤會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？圖4答案鋁盤會很快停止轉(zhuǎn)動，原因：鋁盤在蹄形磁鐵的磁場中轉(zhuǎn)動，會在鋁盤中激起渦流，渦流與磁場相互作用產(chǎn)生一個(gè)動態(tài)阻尼力，從而提供制動力矩從而使鋁盤快速停止轉(zhuǎn)動知識梳理渦流制動、渦流探測和渦流的防止(1)渦流制動：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時(shí)，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體與磁場的相對運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為渦流制動這種制動方式常應(yīng)用于電表的阻尼制動、高速機(jī)車制動的渦流閘等(2)渦流探測：渦流金屬探測器具有一個(gè)通過一定頻率交變電流的探測線圈，該線圈產(chǎn)生的交變磁場在金屬物中激起渦流，渦流的變化會反過來影響探測線圈，改變探測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，可采用的方法是把整塊鐵芯改成用薄片疊壓的鐵芯，增大回路電阻即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)電磁制動發(fā)生的過程，存在機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化()(2)電磁制動中的感應(yīng)電流，受到的安培力為阻力()(3)利用渦流金屬探測器，可以探測出違法分子攜帶的毒品()答案(1)(2)(3)×一、渦流的理解、利用和防止1產(chǎn)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(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動2產(chǎn)生渦流時(shí)的能量轉(zhuǎn)化(1)金屬塊在變化的磁場中，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(2)金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動，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(多選)如圖5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會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過焊縫產(chǎn)生很多熱量，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5A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，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)電流越大，升溫越快，故A項(xiàng)對，B項(xiàng)錯(cuò)；工件上各處電流相同，電阻大處產(chǎn)生的熱量多，故C項(xiàng)錯(cuò)，D項(xiàng)對例2(多選)如圖6所示，閉合金屬環(huán)從光滑曲面上h高處滾下，又沿曲面的另一側(cè)上升，設(shè)環(huán)的初速度為零，摩擦不計(jì)，曲面處在圖中磁場中，則()圖6A若是勻強(qiáng)磁場，環(huán)上升的高度小于hB若是勻強(qiáng)磁場，環(huán)上升的高度等于hC若是非勻強(qiáng)磁場，環(huán)上升的高度等于hD若是非勻強(qiáng)磁場，環(huán)上升的高度小于h答案BD解析若磁場為勻強(qiáng)磁場，穿過環(huán)的磁通量不變，不產(chǎn)生感應(yīng)電流，即無機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒，故A錯(cuò)誤，B正確；若磁場為非勻強(qiáng)磁場，環(huán)內(nèi)要產(chǎn)生電能，機(jī)械能減少，故D正確二、對渦流制動與渦流探測的理解1閉合回路的部分導(dǎo)體在做切割磁感線運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)體的運(yùn)動，于是產(chǎn)生渦流制動2渦流制動是一種十分普遍的物理現(xiàn)象，任何在磁場中運(yùn)動的導(dǎo)體，只要給感應(yīng)電流提供回路，就會存在渦流制動作用例3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，使它們分別從導(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)動的過程中()圖7A都做勻速運(yùn)動B甲、乙做加速運(yùn)動C甲、乙做減速運(yùn)動D乙、丙做勻速運(yùn)動答案C解析甲、乙向磁鐵靠近時(shí)要產(chǎn)生渦流，受渦流制動作用，做減速運(yùn)動，丙則不會產(chǎn)生渦流，只能勻速運(yùn)動例4金屬探測器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于安檢場所，關(guān)于金屬探測器的論述正確的是()A金屬探測器可用于食品生產(chǎn)，防止細(xì)小的砂石顆?；烊胧称分蠦金屬探測器探測地雷時(shí)，探測器的線圈中產(chǎn)生渦流C金屬探測器探測金屬時(shí)，被測金屬中感應(yīng)出渦流D探測過程中金屬探測器與被測物體相對靜止與相對運(yùn)動探測效果相同答案C解析金屬探測器只能探測金屬，不能用于食品生產(chǎn)，防止細(xì)小的砂石顆?；烊胧称分?，故A錯(cuò)誤；金屬探測器探測金屬時(shí)，被測金屬中感應(yīng)出渦流，故B錯(cuò)誤，C正確；探測過程中工作時(shí)金屬探測器應(yīng)與被測物體相對運(yùn)動，相對靜止時(shí)無法得出探測效果，故D錯(cuò)誤故選C.1下列做法中可能產(chǎn)生渦流的是 ()A把金屬塊放在勻強(qiáng)磁場中B讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場中做勻速運(yùn)動C讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場中做變速運(yùn)動D把金屬塊放在變化的磁場中答案D2(多選)如圖8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管上端距管口等高處無初速度釋放，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8AA管是用塑料制成的，B管是用銅制成的BA管是用鋁制成的，B管是用膠木制成的CA管是用膠木制成的，B管是用塑料制成的DA管是用膠木制成的，B管是用鋁制成的答案AD3如圖9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()圖9A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(shí)，所產(chǎn)生的磁場不變，不會產(chǎn)生感應(yīng)電流通入變化的電流時(shí)，所產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，在空間產(chǎn)生感生電場，鐵鍋是導(dǎo)體，感生電場在導(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在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的，所以玻璃杯中的水不會升溫，故C正確選擇題(16題為單選題，711題為多選題)1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)生渦流答案A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2.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?nèi)粼谡駝舆^程中把線圈靠近磁鐵，如圖1所示，觀察磁鐵的振幅將會發(fā)現(xiàn)()圖1AS閉合時(shí)振幅逐漸減小，S斷開時(shí)振幅不變BS閉合時(shí)振幅逐漸增大，S斷開時(shí)振幅不變CS閉合或斷開，振幅變化相同DS閉合或斷開，振幅都不發(fā)生變化答案A解析S斷開時(shí)，磁鐵振動穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，但線圈中無感應(yīng)電流，振幅不變；S閉合時(shí)有感應(yīng)電流，有電能產(chǎn)生，磁鐵的機(jī)械能越來越少，振幅逐漸減小，A正確3.高頻感應(yīng)爐是用來熔化金屬對其進(jìn)行冶煉的，如圖2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，溫度易控制，并能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，因此適用于冶煉特種金屬那么該爐的加熱原理是()圖2A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(shí)，給爐內(nèi)金屬也通了電答案C4如圖3所示，使一個(gè)銅盤繞其豎直的軸OO轉(zhuǎn)動，且假設(shè)摩擦等阻力不計(jì)，轉(zhuǎn)動是勻速的現(xiàn)把一個(gè)蹄形磁鐵移近銅盤，則()圖3A銅盤的轉(zhuǎn)動將變慢B銅盤的轉(zhuǎn)動將變快C銅盤仍以原來的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動D銅盤的轉(zhuǎn)動速度是否變化，要根據(jù)磁鐵上下兩端的極性來決定答案A5.如圖4所示，一條形磁鐵從靜止開始向下穿過一個(gè)用雙線繞成的閉合線圈，條形磁鐵在穿過線圈的過程中()圖4A做自由落體運(yùn)動B做減速運(yùn)動C做勻速運(yùn)動D做非勻變速運(yùn)動答案A解析雙線繞成的線圈由于兩導(dǎo)線產(chǎn)生的磁通量相互抵消，不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以磁鐵將做自由落體運(yùn)動6一個(gè)半徑為r、質(zhì)量為m、電阻為R的金屬圓環(huán)，用一根長為L的絕緣細(xì)繩懸掛于O點(diǎn)，離O點(diǎn)下方處有一寬度為、垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場區(qū)域，如圖5所示現(xiàn)使圓環(huán)從與懸點(diǎn)O等高位置A處由靜止釋放(細(xì)繩張直，忽略空氣阻力)，擺動過程中金屬圓環(huán)所在平面始終垂直磁場，則在達(dá)到穩(wěn)定擺動的整個(gè)過程中，金屬圓環(huán)產(chǎn)生的熱量是()圖5AmgLBmg(r)Cmg(Lr) Dmg(L2r)答案C解析圓環(huán)在進(jìn)入磁場和離開磁場時(shí)，磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，機(jī)械能減少，最后圓環(huán)在磁場下面擺動，機(jī)械能守恒在整個(gè)過程中減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榻苟鸁?，在達(dá)到穩(wěn)定擺動的整個(gè)過程中，金屬圓環(huán)減少的機(jī)械能為mg(Lr)7圖6為某型號手持式封口機(jī)的照片，其機(jī)箱可提供高頻交流電使用時(shí)，只要將待封口的塑料罐擰上蓋子，然后置于封口加熱頭的下方，按下電源開關(guān)12s，蓋子內(nèi)層的鋁箔瞬間產(chǎn)生高熱，然后融合在瓶口上，達(dá)到封口的效果下列有關(guān)說法合理的是()圖6A其封口加熱頭內(nèi)部一定有電熱絲B其封口加熱頭內(nèi)部一定有高頻線圈C該機(jī)的主要工作原理是電磁感應(yīng)D鋁箔產(chǎn)生高熱的原因是熱輻射答案BC8對變壓器和電動機(jī)中的渦流的認(rèn)識，以下說法正確的是()A渦流會使鐵芯溫度升高，減少線圈絕緣材料的壽命B渦流發(fā)熱，要損耗額外的能量C為了不產(chǎn)生渦流，變壓器和電動機(jī)的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯D渦流產(chǎn)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(jī)中產(chǎn)生的渦流會使溫度升高消耗能量，同時(shí)會減少線圈絕緣材料的壽命，A、B正確；變壓器和電動機(jī)的鐵芯用相互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(chǎn)生的熱量，C錯(cuò)誤；渦流產(chǎn)生于鐵芯中，對原電流無阻礙作用，D錯(cuò)誤故選A、B.9如圖7所示，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()圖7A防止渦流而設(shè)計(jì)的B利用渦流而設(shè)計(jì)的C起渦流制動的作用D起電磁驅(qū)動的作用答案BC解析線圈通電后，在安培力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，鋁框隨之轉(zhuǎn)動，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，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制動作用10安檢門是一個(gè)用于安全檢查的“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，金屬物品通過“門”時(shí)能產(chǎn)生渦流，渦流的磁場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)答案BD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對若“門框”的線圈中通上恒定電流，只能產(chǎn)生恒定磁場，它不能使塊狀金屬產(chǎn)生渦流，因而不能檢查出金屬物品攜帶者，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11如圖8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(nèi)的水沸騰起來若要縮短上述加熱時(shí)間，下列措施可行的有()圖8A增加線圈的匝數(shù)B提高交流電源的頻率C將金屬杯換為瓷杯D取走線圈中的鐵芯答案AB12