最新教科版高中物理选修32第1章 第7节《涡流选学》学案.docx

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最新教科版高中物理选修32第1章第7节《涡流选学》学案

最新教科版高中物理选修（3-2）第1章第7节《涡流（选学）》学案

[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．

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1）,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．

请回答下列问题：

图1

（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．定义：

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．决定因素：

磁场变化越快（

越大）,导体的横截面积S越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越大．

3．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．

4．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；电磁炉产生变化的磁场,导致锅底出现涡流,从而产生热量,故D错误．

答案　AC

三、对电磁阻尼的理解

例3

　如图2所示,一狭长的铜片能绕O点在纸平面内摆动,有界磁场的方向垂直纸面向里,铜片在摆动时受到较强的阻尼作用,很快就停止摆动．如果在铜片上开几个长缝,铜片可以在磁场中摆动较多的次数后才停止摆动,这是为什么？

图2

解析　没有开长缝的铜片在磁场中摆动时,铜片内将产生较大的涡流,涡流在磁场中所受的安培力总是阻碍铜片的摆动,因此铜片很快就停止摆动．如果在铜片上开有多条长缝,就可以把涡流限制在缝与缝之间的各部分铜片上,较大地削弱了涡流,阻力随之减小,所以铜片可以摆动多次后才停止摆动．

答案　见解析

针对训练　如图3所示,条形磁铁用细线悬挂在O点．O点正下方固定一个水平放置的铝线圈．让磁铁在竖直面内摆动,下列说法中正确的是（　　）

图3

A．磁铁左右摆动一次,线圈内感应电流的方向改变2次

B．磁铁始终受到感应电流磁场的斥力作用

C．磁铁所受到的感应电流对它的作用力始终是阻力

D．磁铁所受到的感应电流对它的作用力有时是阻力,有时是动力

答案　C

解析　磁铁向下摆动时,根据楞次定律,线圈中产生逆时针方向的感应电流（从上面看）,并且磁铁受到感应电流对它的作用力为阻力,阻碍它靠近；磁铁向上摆动时,根据楞次定律,线圈中产生顺时针方向的感应电流（从上面看）,磁场所受到的感应电流对它的作用力仍为阻力,阻碍它远离,所以磁铁在左右摆动一次过程中,感应电流方向改变3次,感应电流对它的作用力始终是阻力,只有C项正确．

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,从而产生变化的磁场,使得处于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4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4

A．t1＞t2,v1＞v2

B．t1＝t2,v1＝v2

C．t1＜t2,v1＜v2

D．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,故D正确．

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”的线圈中通入恒定电流,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,故D正确．

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．下列对于两管的描述中可能正确的选项是（　　）

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,故B正确．

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,故A、D正确．