学年粤教版选修32第一章7涡流现象及其应用学案.docx

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学年粤教版选修32第一章7涡流现象及其应用学案

[目标定位]　1.知道涡流现象及其产生原因.2.知道涡流在生产、生活中的应用，如利用涡流加热和制动等.3.了解在生产、生活中避免或减少涡流的方法．

一、涡流现象

1．涡流现象：

在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象．

2．影响涡流大小的因素—

3．对涡流的理解

（1）本质：

电磁感应现象．

（2）条件：

穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身构成闭合回路．

（3）特点：

整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大，故金属块的发热功率很大．

4．产生涡流的两种情况

（1）块状金属放在变化的磁场中；

（2）块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动．

5．产生涡流时的能量转化

伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能．

深度思考

产生涡流时，金属块并没有接入闭合电路，为什么会产生感应电流？

答案　金属块自身构成闭合回路，导体内部等效成许多闭合电路．当穿过金属块的磁通量变化时，金属块内部会产生感应电流．

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．在硅钢片中不能产生涡流

解析　涡流是一种特殊的电磁感应现象，它是感应电流，既有热效应，又有磁效应．硅钢片中能产生涡流，但电流较小，故选项A正确．

答案　A

二、电磁灶与涡流加热

1．电磁灶

（1）加热原理：

磁场感应涡流加热．

（2）优点：

①直接加热，热效率高．②无明火和炊烟，清洁、安全．③功能全．

2．高频感应炉

（1）原理：

涡流感应加热．

（2）优点：

①非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触；②加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象；③容易控制温度，提高加工精度；④可实现局部加热；⑤可实现自动化控制；⑥可减小占地、热辐射、噪声和灰尘．

例2

　电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，电磁“火力”强劲，安全可靠．如图1所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是（　　）

图1

A．当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好

B．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作

C．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因这些材料的导热性能较差

D．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用

答案　B

解析　锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流．故A错误，B正确．金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流，故C错误；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，故D错误．故选B.

三、涡流制动与涡流探测

1．涡流制动

（1）原理：

导体相对于磁场运动，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与磁场的相对运动．

（2）应用：

电表的阻尼制动、高速机车制动的涡流闸、脱水机的制动．

2．涡流探测

（1）涡流金属探测器具有一个通过一定频率交变电流的探测线圈，该线圈产生的交变磁场在金属物中激起涡流，涡流的变化会反过来影响探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物．

（2）应用：

探测行李包中的枪支、掩埋的地雷、金属覆盖膜厚度．

例3

　如图2所示，上端开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置．小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部，则小磁块（　　）

图2

A．在P和Q中都做自由落体运动

B．在两个下落过程中的机械能都守恒

C．在P中的下落时间比在Q中的长

D．落至底部时在P中的速度比在Q中的大

答案　C

解析　小磁块下落过程中，在铜管P中产生感应电流，小磁块受到向上的磁场力，不做自由落体运动，而在塑料管Q中只受到重力，在Q中做自由落体运动，故选项A错误；根据功能关系知，在P中下落时，小磁块机械能减少，在Q中下落时，小磁块机械能守恒，故选项B错误；在P中加速度较小，在P中下落时间较长，选项C正确；由于在P中下落时要克服磁场力做功，机械能有损失，故知，落至底部时在P中的速度比在Q中的小，选项D错误．

例4

　金属探测器已经广泛应用于安检场所，关于金属探测器的论述正确的是（　　）

A．金属探测器可用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中

B．金属探测器探测地雷时，探测器的线圈中产生涡流

C．金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流

D．探测过程中金属探测器与被测物体相对静止与相对运动探测效果相同

答案　C

解析　金属探测器只能探测金属，不能用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中，故A错误；金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流，故B错误，C正确；探测过程中工作时金属探测器应与被测物体相对运动，相对静止时无法得出探测效果，故D错误．故选C.

四、涡流的防止

1．原理：

缩小导体的外周长，增大材料的电阻率．

2．实例：

电机和变压器的铁芯用硅钢片叠压而成．

例5

　变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成，而不采用一块整硅钢，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．增大涡流，减小铁芯的发热量

D．减小涡流，减小铁芯的发热量

解析　涡流的主要效应之一就是发热，而变压器的铁芯发热，是我们不希望出现的，所以不采用整块硅钢，而采用薄硅钢片叠压在一起，目的是减小涡流，减小铁芯的发热量，进而提高变压器的效率．故选项B、D正确．

答案　BD

减小涡流的途径之一是增大铁芯材料的电阻率；另一途径就是用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯.

1．（对涡流加热的理解）（多选）如图3所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有（　　）

图3

A．增加线圈的匝数

B．提高交流电源的频率

C．将金属杯换为瓷杯

D．取走线圈中的铁芯

答案　AB

解析　当电磁铁接通交流电源时，金属杯处在变化的磁场中产生涡电流发热，使水温升高．要缩短加热时间，需增大涡电流，即增大感应电动势或减小电阻．增加线圈匝数、提高交变电流的频率都是为了增大感应电动势，瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致磁性减弱．所以选项A、B正确，选项C、D错误．

2．（对涡流制动的理解）（多选）如图4所示，磁电式仪表的线圈通常是用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是（　　）

图4

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转动，铝框随之转动，在铝框内产生涡流．涡流将阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用．

3．（涡流的应用）（多选）如图5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，感应电流通过焊缝处产生大量热量，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5

A．交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快

B．交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快

C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小

D．工件上只有焊缝处温度升得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大，升温越快，工件电流相同，电阻越大，温度越高，放热越多．

4．（涡流的应用和防止）图6中是涡流在生产、生活中的应用，下列描述中不正确的是（　　）

图6

A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置

B．家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的

C．金属探测器的原理主要是利用涡流来探测金属

D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流

答案　B

解析　真空冶炼炉是线圈中的电流做周期性变化，在冶炼炉中产生涡流，从而产生大量的热，故A正确；家用电磁炉锅体中的涡流是由周期性变化的磁场产生的，故B错误；金属探测器中的变化电流遇到金属物体，在金属物体中产生涡流，故C正确；当变压器中的电流变化时，其铁芯将产生涡流，使用硅钢片做成的铁芯可以尽可能减小涡流的损失，属于涡流的应用，故D正确．本题选择错误的，故选B.

题组一　涡流的应用

1．（多选）对变压器和电动机中涡流的认识，以下说法正确的是（　　）

A．涡流会使铁芯温度升高，减少线圈绝缘的寿命

B．涡流发热，要损耗额外的能量

C．为了不产生涡流，变压器和电动机的铁芯用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯

D．涡流产生于线圈中，对原电流起阻碍作用

答案　AB

解析　变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量，同时会减少线圈绝缘的寿命，A、B正确；变压器和电动机的铁芯用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻，减小涡流，减少产生的热量，C错误；涡流产生于铁芯中，对原电流无阻碍作用，D错误．故选A、B.

2.如图1所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水．给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是（　　）

图1

A．恒定直流、小铁锅

B．恒定直流、玻璃杯

C．变化的电流、小铁锅

D．变化的电流、玻璃杯

答案　C

解析　通入恒定电流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流．通入变化的电流时，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高．涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温，故C正确．

3．（多选）如图2所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图，下列说法中正确的是（　　）

图2

A．探测器内的探测线圈会产生交变磁场

B．只有有磁性的金属物才会被探测器探测到

C．探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流

D．探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流

答案　AD

4．高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的．如图3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，这时被冶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治炼的金属中，因此适用于冶炼特种金属．那么该炉的加热原理是（　　）

图3

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

5．如图4所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采用电磁感应原理产生涡流加热的，它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，当变化的磁场通过含铁质锅的底部时，即会产生无数小涡流，使锅体本身自行高速升温，然后再加热锅内食物．电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害．关于电磁炉，以下说法中正确的是（　　）

图4

A．电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的

B．电磁炉是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的

C．电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的

D．电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的

答案　B

解析　电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物，故选项A、D错误，B正确；而选项C是微波炉的加热原理，C错误．

6．（多选）图5为某型号手持式封口机的照片，其机箱可提供高频交流电．使用时，只要将待封口的塑料罐拧上盖子，然后置于封口加热头的下方，按下电源开关1～2s，盖子内层的铝箔瞬间产生高热，然后融合在瓶口上，达到封口的效果．下列有关说法合理的是（　　）

图5

A．其封口加热头内部一定有电热丝

B．其封口加热头内部一定有高频线圈

C．该机的主要工作原理是电磁感应

D．铝箔产生高热的原因是热辐射

答案　BC

7．实验高中南、北校区之间要铺设一条输电线路，该线路要横穿两校区之间的公路，为了保护线路不至被压坏，必须在地下预先铺设结实的过路钢管，再让输电线从钢管中穿过．校方将该要求在学校的物理探究小组中公布并征求电线穿管的方案．经过筛选，目前有如图6所示的两种方案进入最后的讨论阶段：

甲方案是铺设两根钢管，两条输电线分别从两根钢管中穿过；乙方案是只铺设一根钢管，两条输电线都从这一根钢管中穿过．如果输电导线输送的电流很强大，那么，下列讨论的结果正确的是（　　）

图6

A．若输送的电流是恒定电流，甲方案是可行的，乙方案是不可行的

B．若输送的电流是交变电流，乙方案是可行的，甲方案是不可行的

C．若输送的电流是交变电流，甲方案是可行的，乙方案是不可行的

D．无论输送的电流是恒定电流还是交变电流，甲、乙两方案都是可行的

答案　B

题组二　对涡流制动的理解

8．（多选）如图7所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜环在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是（　　）

图7

A．A、B两点在同一水平线上

B．A点高于B点

C．A点低于B点

D．铜环最终将做等幅摆动

答案　BD

解析　铜环在进入和穿出磁场的过程中，穿过环的磁通量发生变化，环中有感应电流产生，将损耗一定的机械能，所以A点高于B点．铜环的摆角会越来越小，最终出不了磁场，而做等幅摆动．

9．如图8所示，使一个铜盘绕其竖直的轴OO′转动，且假设摩擦等阻力不计，转动是匀速的．现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则（　　）

图8

A．铜盘转动将变慢

B．铜盘转动将变快

C．铜盘仍以原来的转速转动

D．铜盘的转动速度是否变化，要根据磁铁的上下两端的极性来决定

答案　A

解析　当一个蹄形磁铁移近铜盘时，铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，由楞次定律可知感应电流受到的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘的转动将变慢．本题也可以从能量守恒的角度去分析，因为铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，铜盘的机械能不断转化成电能，铜盘转动会逐渐变慢，故正确选项为A.

10．如图9所示，在光滑水平桌面上放一条形磁铁，分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁铁的一端且给它们一个相同的初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况是（　　）

图9

A．都做匀速运动

B．甲、乙做加速运动

C．甲做加速运动，乙做减速运动，丙做匀速运动

D．甲做减速运动，乙做加速运动，丙做匀速运动

答案　C

解析　铁球将加速运动，其原因是铁球被磁化后与磁铁之间产生相互吸引的磁力．铝球将减速运动，其原因是铝球内产生了感应电流，感应电流的磁场阻碍相对运动．木球将匀速运动，其原因是木球既不能被磁化，也不能产生感应电流，所以磁铁对木球不产生力的作用．

11.弹簧上端固定，下端挂一条形磁铁，使磁铁上下振动，磁铁的振动幅度不变．若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图10所示，观察磁铁的振幅将会发现（　　）

图10

A．S闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变

B．S闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变

C．S闭合或断开，振幅变化相同

D．S闭合或断开，振幅都不发生变化

答案　A

解析　S断开时，磁铁振动穿过线圈的磁通量发生变化，但线圈中无感应电流，振幅不变；S闭合时有感应电流，有电能产生，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，A正确．

12．物理课上，教师做了一个奇妙的“电磁阻尼”实验．如图11所示，A是由铜片和绝缘细杆组成的摆，其摆动平面通过电磁铁的两极之间，当绕在电磁铁上的线圈未通电时，铜片可自由摆动，要经过较长时间才会停下来．当线圈通电时，铜片迅速停止摆动．某同学另找来器材再探究此实验，他连接好电路，经重复试验，均没出现迅速停止摆动的现象，对比老师的演示实验，导致实验失败的原因可能是（　　）

图11

A．电源的电压过高

B．所选线圈的匝数过多

C．线圈接在了交流电源上

D．摆的材料与老师的不同

答案　D

解析　电磁阻尼是通过电磁感应得出的，要使铜片能快速停下应使线圈中通以电流，则A通过线圈产生的磁场时，产生感应电流，由楞次定律可知，感应电流应阻碍A的运动，从而使A快速停下来；这与是否为交流电源、电压及匝数无关；学生失败只能是因为摆不是金属材料制成，故选D.

13．（多选）1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”．实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图12所示．实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后，下列说法正确的是（　　）

图12

A．圆盘上产生了感应电动势

B．圆盘内的涡流产生的磁场导致磁针转动

C．在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化

D．圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动

答案　AB