教科版高中物理选修32学案第一章 电磁感应9涡流选学含答案.docx

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教科版高中物理选修32学案第一章电磁感应9涡流选学含答案

学案9　涡流（选学）

[学习目标定位]1.了解涡流是怎样产生的，了解涡流现象在日常生活和生产中的应用和危害.2.了解高频感应炉与电磁灶的工作原理.3.了解什么是电磁阻尼，了解电磁阻尼在日常生活和生产中的应用．

1．楞次定律：

感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化．

2．根据楞次定律的扩展含义，感应电流所受安培力总是阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动．概括为“来拒去留”．

一、涡流

1．由于电磁感应，在大块金属中会形成感应电流，电流在金属块内组成闭合回路，很像水的旋涡，因此叫做涡电流，简称涡流．

2．为了降低涡流的损耗，变压器和电动机中的铁芯都是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成的．

二、高频感应炉与电磁灶

1．高频感应炉：

如图1所示，让高频交流电通过线圈，就可在被冶炼的金属内部产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化．

图1　　　　　　　　　　图2

2．电磁灶：

如图2所示，当灶内的励磁线圈通有交变电流时，形成交变磁场，使铁磁材料制成的锅底产生涡流发热．

三、电磁阻尼

当导体在磁场中运动时，导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体的运动，这种现象叫做电磁阻尼.

一、涡流

[问题设计]　在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上面放一口小铁锅（图3），锅内放少许水，给线圈通入交变电流一段时间．再用玻璃杯代替小铁锅，通电时间相同．

图3

请回答下列问题：

（1）铁锅和玻璃杯中的水温有什么不同？

（2）试着解释这种现象．

答案　

（1）通电后铁锅中的水逐渐变热，玻璃杯中的水温不变化（忽略热传导）．

（2）线圈接入交变电流，某段时间内，若电流变大，则其磁场变强，根据麦克斯韦理论，变化的磁场激发出感生电场，小铁锅（导体）可以看做是由许多闭合线圈组成的，在感生电场作用下，这些线圈中产生了感生电动势，从而产生涡旋状的感应电流，由于导体存在电阻，当电流在导体中流动时，就会产生电热使锅中的水热起来．而玻璃杯中虽然也会产生感生电场，但没有自由移动的电荷故不会产生电流，也不会产生电热，则玻璃杯中的水温没有变化．

[要点提炼]

1．产生：

由于电磁感应，在大块金属中会形成感应电流，电流在金属块内组成闭合回路．

2．利用：

高频感应炉，电磁灶等利用了涡流的热效应；安检门、扫雷器等利用了涡流的磁效应．

3．防止：

为了减少涡流对电动机、变压器的损害，常用电阻率较大的硅钢做铁芯材料，而且用互相绝缘的薄硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢材料．

二、高频感应炉与电磁灶

[问题设计]

请阅读教材“高频感应炉与电磁灶”的内容，回答下列问题：

（1）高频感应炉冶炼金属的原理是什么？

有什么优点？

（2）电磁灶中的涡流是怎样产生的？

产生涡流的部分和引起涡流的部分是否接触？

电磁灶的表面在电磁灶工作时的热量是怎么产生的？

答案　

（1）高频感应炉冶炼金属是利用涡流熔化金属．冶炼锅内装入被冶炼的金属，让高频交流电通过线圈，被冶炼的金属内部就产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化．

优点：

速度快，温度容易控制，能避免有害杂质混入被冶炼的金属中．

（2）涡流产生在铁磁材料制成的锅底部，引起涡流的部分是灶内的励磁线圈，它与锅底不接触．电磁灶工作时表面摸上去温度也挺高，是因为其表面与铁锅发生了热传递．

三、电磁阻尼

[问题设计]

1．拨动灵敏电流计指针，拨动停止后观察现象．在两个接线柱上接上一根导线（短路线），再次拨动指针，拨动停止后再次观察现象，比较两次观察的现象有何不同？

答案　第一次停止拨动后，可观察到指针要摆动多次，经过一定时间才能停止下来；第二次可发现指针摆幅迅速减小，比不连导线时摆动的时间短得多．

2．两次观察到不同的现象，是什么原因造成的？

答案　这是由于与指针相连的线圈在磁场中摆动时产生了涡流，线圈受到的安培力总是阻碍线圈的转动，使指针摆幅迅速衰减，这样能起到阻尼保护的作用．

[要点提炼]

1．电磁阻尼：

当导体在磁场中运动时，导体中产生的感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼．

2．应用：

磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停下来，便于读数．

一、对涡流的理解

例1

　下列关于涡流的说法中正确的是（　　）

A．涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的

B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流

C．涡流有热效应，但没有磁效应

D．在硅钢中不能产生涡流

解析　涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流，只不过是由金属块自身构成回路，它既有热效应，也有磁效应，所以A正确，B、C错误；硅钢中产生的涡流较小，D错误．

答案　A

二、涡流热效应的应用

例2

　电磁炉采用感应电流（涡流）的加热原理，是通过电子线路产生交变磁场，把铁锅放在炉面上时，在铁锅底部产生交变的电流，它具有升温快、效率高、体积小、安全性好等优点，下列关于电磁炉的说法正确的是（　　）

A．电磁炉面板可采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部

B．电磁炉可以用陶瓷器皿作为锅具对食品加热

C．可以通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率

D．电磁炉面板可采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品

解析　电磁炉的上表面如果用金属材料制成，使用电磁炉时，上表面材料发生电磁感应要损失电能，电磁炉上表面要用绝缘材料制成，发热部分为铁锅底部，故A正确，B错误；锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故C正确；电磁炉产生变化的电磁场，导致锅底出现涡流，从而产生热量，故D错误；故选A、C.

答案　AC

三、对电磁阻尼的理解

例3

　在水平放置的光滑绝缘导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图4所示．现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去．各滑块在向磁铁运动的过程中（　　）

图4

A．都做匀速运动B．甲、乙做加速运动

C．甲、乙做减速运动D．乙、丙做匀速运动

解析　甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受电磁阻尼作用，做减速运动，丙则不会产生涡流，只能匀速运动．

答案　C

针对训练　位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v水平穿过，如图5所示，在此过程中（　　）

图5

A．磁铁做匀速直线运动

B．磁铁做减速运动

C．小车向右做加速运动

D．小车先加速后减速

答案　BC

解析　磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律知该电流产生的磁场的作用力阻碍磁铁的运动．同理，磁铁穿出时该电流产生的磁场的作用力也阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，B项对．

而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右，这个安培力使小车向右运动，且一直做加速运动，C项对．

1．（涡流的理解）下列做法中可能产生涡流的是（　　）

A．把金属块放在匀强磁场中

B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动

C．让金属块在匀强磁场中做变速运动

D．把金属块放在变化的磁场中

答案　D

解析　涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化．而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误；把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确．

2．（对涡流热效应的应用）熔化金属的一种方法是用“高频炉”，它的主要部件是一个铜制线圈，线圈中有一坩埚，埚内放待熔的金属块，当线圈中通以高频交流电时，埚中金属就可以熔化，这是因为（　　）

A．线圈中的高频交流电通过线圈电阻，产生焦耳热

B．线圈中的高频交流电产生高频微波辐射，深入到金属内部，产生焦耳热

C．线圈中的高频交流电在坩埚中产生感应电流，通过坩埚电阻产生焦耳热

D．线圈中的高频交流电在金属块中产生感应电流，通过金属块电阻产生焦耳热

答案　D

解析　高频交流电通过线圈，从而产生变化的电磁场，使得处于电磁场的金属块产生涡流，进而发热，故A、B、C错误，D正确．

3．（电磁阻尼的理解与应用）如图6所示，条形磁铁从高h处自由下落，中途穿过一个固定的空心线圈，开关S断开时，条形磁铁落地用时t1，落地时速度为v1；开关S闭合时，条形磁铁落地用时t2，落地时速度为v2.则它们的大小关系正确的是（　　）

图6

A．t1＞t2，v1＞v2B．t1＝t2，v1＝v2

C．t1＜t2，v1＜v2D．t1＜t2，v1＞v2

答案　D

解析　开关S断开时，线圈中无感应电流，对磁铁无阻碍作用，故磁铁自由下落，a＝g；当S闭合时，线圈中有感应电流，对磁铁有阻碍作用，故a＜g.所以t1＜t2，v1＞v2.

4．（对涡流的防止）变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这是为了（　　）

A．增大涡流，提高变压器的效率

B．减小涡流，提高变压器的效率

C．增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量

D．增大铁芯中的电阻，以减小发热量

答案　BD

解析　不使用整块硅钢而是采用很薄的硅钢片，这样做的目的是增大铁芯中的电阻，减少电能转化成铁芯的内能，提高效率，而且是为了防止涡流而采取的措施．

题组一　涡流的理解与应用

1．下列仪器是利用涡流工作的有（　　）

A．电磁炉B．微波炉

C．金属探测器D．真空冶炼炉

答案　ACD

2.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图1所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被治炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，因此适于冶炼特种金属．那么该炉的加热原理是（　　）

图1

A．利用线圈中电流产生的焦耳热

B．利用线圈中电流产生的磁场

C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流

D．给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电

答案　C

3．电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物，下列相关的说法正确的是（　　）

A．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关

B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作

C．金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物

D．电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递减少热损耗

答案　A

解析　锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故A正确；直流电不能产生变化的磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能使用直流电，故B错误；锅体只能用铁磁性导体材料，不能使用绝缘材料制成锅体，故C错误；电磁炉产生变化的磁场，导致加热锅底出现涡流，从而产生热量而不是靠热传递，D错误．

4．安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警．以下关于这个安检门的说法正确的是（　　）

A．这个安检门也能检查出毒品携带者

B．这个安检门只能检查出金属物品携带者

C．如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者

D．这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应

答案　BD

解析　这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出金属物品携带者，A错，B对．若“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使块状金属产生涡流，因而不能检查出金属物品携带者，C错．安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应，D对．

5.如图2所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是（　　）

图2

A．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高的越快

B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高的越快

C．工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小

D．工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大

答案　AD

解析　交流电频率越高，则产生的感应电流越强，升温越快，故A项对．工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故D项对．

6.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图3所示，抛物线的方程是y＝x2，下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线（图中的虚线所示），一个小金属块从抛物线上y＝b（b＞a）处以初速度v沿抛物线下滑．假设抛物线足够长，金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是（　　）

图3

A．mgbB.

mv2

C．mg（b－a）D．mg（b－a）＋

mv2

答案　D

解析　金属块进出磁场时，会产生焦耳热，损失机械能而使金属块所能达到的最高位置越来越低，当金属块所能达到的最高位置为y＝a时，金属块不再进出磁场，不再产生焦耳热．金属块的机械能不再损失，而在磁场中做往复运动．

由于金属块减少的动能和重力势能全部转化为内能，所以Q＝|ΔEp＋ΔEk|＝mg（b－a）＋

mv2.

题组二　对电磁阻尼的理解与应用

7．磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈围绕在铝框上，这样做的目的是（　　）

A．防止涡流而设计的B．利用涡流而设计的

C．起电磁阻尼的作用D．起电磁驱动的作用

答案　BC

解析　线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，也就是涡流．涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来．所以，这样做的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用．

8．如图4所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑、但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度．两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速度释放，穿过A管比穿过B管的小球先落到地面．下面对于两管的描述中可能正确的是（　　）

图4

A．A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的

B．A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的

C．A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的

D．A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的

答案　AD

9.如图5所示，金属球（铜球）下端有通电的线圈，今把金属球向上拉离平衡位置后释放，此后金属球的运动情况是（不计空气阻力）（　　）

图5

A．做等幅振动B．做阻尼振动

C．振幅不断增大D．无法判定

答案　B

解析　金属球在通电线圈产生的磁场中运动，金属球中产生涡流，故金属球要受到安培力作用，阻碍它的相对运动，做阻尼振动．

10．如图6所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是（　　）

图6

A．2是磁铁，1中产生涡流

B．1是磁铁，2中产生涡流

C．该装置的作用是使指针能够转动

D．该装置的作用是使指针能很快地稳定下来

答案　AD

解析　当指针摆动时，1随之转动，2是磁铁，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动．总之，不管1向哪个方向转动，2对1的效果总是起到阻尼作用，所以它能使指针很快地稳定下来．