2017_2018學(xué)年高中物理第四章電磁感應(yīng)7渦流學(xué)案新人教版選修3_2（精編版）

1、7 渦流 目標(biāo)定位 1. 了解渦流是怎樣產(chǎn)生的及渦流現(xiàn)象的利用和危害.2. 通過對渦流實(shí)例的分析，了解渦流現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用.3. 了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng). 一、渦流1. 定義用整塊金屬材料作鐵芯繞制的線圈，當(dāng)線圈中通有變化的電流時(shí)，變化的電流會(huì)產(chǎn)生變化的磁場， 變化的磁場穿過鐵芯，整個(gè)鐵芯會(huì)自成回路，產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流看起來像水的旋渦，把這種電流叫做渦電流，簡稱渦流. 2. 對渦流的理解(1) 本質(zhì)：電磁感應(yīng)現(xiàn)象. (2) 條件：穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化，并且金屬塊本身構(gòu)成閉合回路. (3) 特點(diǎn)：整個(gè)導(dǎo)體回路的電阻一般很小，感應(yīng)電流很大. 故金屬塊的發(fā)熱功率很大. 3. 產(chǎn)生渦

2、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(dòng). 4. 應(yīng)用(1) 渦流熱效應(yīng)的應(yīng)用，如真空冶煉爐. (2) 渦流磁效應(yīng)的應(yīng)用，如探雷器. 5. 渦流的危害與防止(1) 渦流的危害在各種電機(jī)、變壓器中，渦流會(huì)使鐵芯的溫度升高，危及線圈絕緣材料的壽命；另外渦流發(fā)熱要消耗額外的能量，使電機(jī)、變壓器的效率降低. (2) 渦流的防止為了減小渦流， 變壓器、 電機(jī)中的鐵芯不是由整塊的鋼鐵制成，而是用薄薄的硅鋼片疊壓而成. 一方面硅鋼片的電阻率比一般鋼鐵的要大，從而減少損耗；另一方面，每層硅鋼片之間都是絕緣的，阻斷了渦流的通路，進(jìn)一步減小了渦流的發(fā)熱. 深度思

3、考發(fā)生渦流時(shí)，金屬塊并沒有接入閉合電路，為什么會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流？答案金屬塊自身構(gòu)成閉合回路，導(dǎo)體內(nèi)部等效成許多閉合電路.當(dāng)穿過金屬塊的磁通量變化時(shí)，金屬塊內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流. 例 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.在硅鋼片中不能產(chǎn)生渦流解析渦流是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，它是感應(yīng)電流，既有熱效應(yīng)，又有磁效應(yīng).硅鋼片中能產(chǎn)生渦流，但電流較小，故選項(xiàng)a正確 . 答案a 例 2變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成，而不采用一塊整硅鋼，這是為了(

4、) a.增大渦流，提高變壓器的效率b.減小渦流，提高變壓器的效率c.增大渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量d.減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量解析渦流的主要效應(yīng)之一就是發(fā)熱，而變壓器的鐵芯發(fā)熱，是我們不希望出現(xiàn)的，所以不采用整塊硅鋼， 而采用薄硅鋼片疊壓在一起，目的是減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量，進(jìn)而提高變壓器的效率. 故選項(xiàng) b、d正確 . 答案bd 減小渦流的途徑之一是增大鐵芯材料的電阻率；另一途徑就是用互相絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯. 二、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)1. 電磁阻尼：(1) 定義：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng) . (2) 應(yīng)用：磁電式儀

5、表中利用電磁阻尼使指針迅速停止，便于讀數(shù). 2. 電磁驅(qū)動(dòng)：(1) 定義：磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來. (2) 應(yīng)用：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī). 3. 電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的比較：比較內(nèi)容電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)不同點(diǎn)成因由導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)形成的由磁場運(yùn)動(dòng)而形成的效果安培力方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反，為阻力安培力方向與磁場運(yùn)動(dòng)方向相同，為動(dòng)力能量轉(zhuǎn)化克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能共同點(diǎn)兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體受到的安培力都是阻礙導(dǎo)體與磁場間的相對運(yùn)動(dòng)深度思考電磁阻尼是誰阻礙

6、誰的運(yùn)動(dòng)？電磁驅(qū)動(dòng)是誰驅(qū)動(dòng)誰？答案電磁阻尼是磁場阻礙導(dǎo)體相對磁場的運(yùn)動(dòng)，電磁驅(qū)動(dòng)是磁場驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng). 例 3如圖 1 所示，上端開口、內(nèi)壁光滑的銅管p和塑料管q豎直放置 . 小磁塊先后在兩管中從相同高度處由靜止釋放，并落至底部，則小磁塊( ) 圖 1 a.在p和q中都做自由落體運(yùn)動(dòng)b.在兩個(gè)下落過程中的機(jī)械能都守恒c.在p中的下落時(shí)間比在q中的長d.落至底部時(shí)在p中的速度比在q中的大解析小磁塊下落過程中，在銅管p中產(chǎn)生感應(yīng)電流，小磁塊受到向上的磁場力，不做自由落體運(yùn)動(dòng)， 而在塑料管q中只受到重力，在q中做自由落體運(yùn)動(dòng)，故選項(xiàng) a錯(cuò)誤； 根據(jù)功能關(guān)系知，在p中下落時(shí)，小磁塊機(jī)械能減少，在q中下

7、落時(shí)，小磁塊機(jī)械能守恒，故選項(xiàng)b錯(cuò)誤； 在p中加速度較小，在p中下落時(shí)間較長，選項(xiàng) c正確；由于在p中下落時(shí)要克服磁場力做功，機(jī)械能有損失，故知，落至底部時(shí)在p中的速度比在q中的小，選項(xiàng)d錯(cuò)誤 . 答案c 例 4如圖 2 所示， 蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸oo轉(zhuǎn)動(dòng) .從上向下看， 當(dāng)磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則 ( ) 圖 2 a.線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同b.線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速比磁鐵小c.線圈將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速比磁鐵大d.線圈將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速比磁鐵小解析當(dāng)磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律知，感應(yīng)電流總是阻礙磁鐵和線圈之間的相對運(yùn)動(dòng)，線圈將與磁鐵同向轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)速度比

8、磁鐵小.b 項(xiàng)正確 . 答案b 電磁阻尼、 電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象中安培力的作用效果都是阻礙相對運(yùn)動(dòng)，減小導(dǎo)體與磁場的相對速度. 但阻礙不是阻止，導(dǎo)體與磁場的運(yùn)動(dòng)不同步. 1.( 渦流的應(yīng)用 )( 多選 ) 如圖 3 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 3 a.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ab 解析當(dāng)電磁鐵接通交流電源時(shí)，金屬杯處在變化的磁場中產(chǎn)生渦電流發(fā)熱，使水溫升高.要縮短加熱時(shí)間，需增大渦電流，即增大感應(yīng)電動(dòng)勢或減小電阻.增加線圈匝數(shù)、提高交變

9、電流的頻率都是為了增大感應(yīng)電動(dòng)勢，瓷杯不能產(chǎn)生渦電流，取走鐵芯會(huì)導(dǎo)致磁性減弱. 所以選項(xiàng) a、b正確，選項(xiàng)c、d錯(cuò)誤 . 2(渦流的應(yīng)用 )( 多選 ) 如圖 4 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產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過焊縫處產(chǎn)生大量熱量，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 4 a.交流電的頻率越高，焊縫處的溫度升高得越快b.交流電的頻率越低，焊縫處的溫度升高得越快c.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻小d.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大答案ad 解析交流電頻率越高，則產(chǎn)

10、生的感應(yīng)電流越大，升溫越快，工件電流相同，電阻越大，溫度越高，放熱越多. 3.( 對電磁阻尼的理解)( 多選 ) 如圖 5 所示，磁電式儀表的線圈通常是用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框上，這樣做的目的是( ) 圖 5 a.防止渦流而設(shè)計(jì)的b.利用渦流而設(shè)計(jì)的c.起電磁阻尼的作用d.起電磁驅(qū)動(dòng)的作用答案bc 解析線圈通電后在安培力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁框隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在鋁框內(nèi)產(chǎn)生渦流. 渦流將阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，使線圈偏轉(zhuǎn)后盡快停下來，這樣做是利用渦流來起電磁阻尼的作用. 4.( 對電磁驅(qū)動(dòng)的理解) 如圖6 所示，光滑水平絕緣面上有兩個(gè)金屬環(huán)靜止在平面上，環(huán)1豎直， 環(huán) 2 水平放置，均處于中間分割線上，在平面中間

11、分割線正上方有一條形磁鐵，當(dāng)磁鐵沿中間分割線向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，下列說法正確的是( ) 圖 6 a.兩環(huán)都向右運(yùn)動(dòng)b.兩環(huán)都向左運(yùn)動(dòng)c.環(huán) 1 靜止，環(huán)2 向右運(yùn)動(dòng)d.兩環(huán)都靜止答案c 解析條形磁鐵向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)1 中磁通量保持為零不變，無感應(yīng)電流，仍靜止；環(huán) 2中磁通量變化，根據(jù)楞次定律，為阻礙磁通量的變化，感應(yīng)電流的效果使環(huán)2 向右運(yùn)動(dòng) . 題組一渦流的應(yīng)用1.( 多選 ) 對變壓器和電動(dòng)機(jī)中渦流的認(rèn)識(shí)，以下說法正確的是( ) a.渦流會(huì)使鐵芯溫度升高，減少線圈絕緣的壽命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(dòng)機(jī)的鐵芯用互相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)

12、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(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的渦流會(huì)使溫度升高消耗能量，同時(shí)會(huì)減少線圈絕緣的壽命，a、b 正確；變壓器和電動(dòng)機(jī)的鐵芯用互相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. 2. 如圖 1 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 1 a.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)

13、，所產(chǎn)生的磁場不變，不會(huì)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(huì)升溫，故 c正確 . 3.( 多選 ) 如圖2 所示是用渦流金屬探測器探測地下金屬物的示意圖，下列說法中正確的是( ) 圖 2 a.探測器內(nèi)的探測線圈會(huì)產(chǎn)生交變磁場b.只有有磁性的金屬物才會(huì)被探測器探測到c.探測到地下的金屬物是因?yàn)樘筋^中產(chǎn)生了渦流d.探測到地下的金屬物是因?yàn)榻饘傥镏挟a(chǎn)生了渦流答案ad 4. 高頻感應(yīng)爐是用來熔化金屬對其進(jìn)行冶煉的. 如圖 3 所示為冶煉金屬的高

14、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)混入被治煉的金屬中，因此適用于冶煉特種金屬 . 那么該爐的加熱原理是( ) 圖 3 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(shí)，給爐內(nèi)金屬也通了電答案c 5. 如圖 4 所示為高頻電磁爐的工作示意圖，它是采用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生渦流加熱的，它利用變化的電流通過線圈產(chǎn)生變化的磁場，當(dāng)變化的磁場通過含鐵質(zhì)鍋的底部時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生無數(shù)小渦流，使鍋體本身自行高速升溫，然后再加熱鍋內(nèi)食物.

15、電磁爐工作時(shí)產(chǎn)生的電磁波，完全被線圈底部的屏蔽層和頂板上的含鐵質(zhì)鍋所吸收，不會(huì)泄漏，對人體健康無危害.關(guān)于電磁爐，以下說法中正確的是( ) 圖 4 a.電磁爐是利用變化的磁場在食物中產(chǎn)生渦流對食物加熱的b.電磁爐是利用變化的磁場產(chǎn)生渦流，使含鐵質(zhì)鍋底迅速升溫，進(jìn)而對鍋內(nèi)食物加熱的c.電磁爐是利用變化的磁場使食物中的極性水分子振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)來對食物加熱的d.電磁爐跟電爐一樣是讓電流通過電阻絲產(chǎn)生熱量來對食物加熱的答案b 解析電磁爐的工作原理是利用變化的電流通過線圈產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場通過含鐵質(zhì)鍋的底部產(chǎn)生無數(shù)小渦流，使鍋體溫度升高后加熱食物，故選項(xiàng)a、d 錯(cuò)誤， b 正確；而選項(xiàng) c是微波爐的

16、加熱原理，c錯(cuò)誤 . 題組二對電磁阻尼的理解6.( 多選 ) 如圖 5 所示，在o點(diǎn)正下方有一個(gè)具有理想邊界的磁場，銅環(huán)在a點(diǎn)由靜止釋放，向右擺至最高點(diǎn)b，不考慮空氣阻力，則下列說法正確的是( ) 圖 5 、b兩點(diǎn)在同一水平線上點(diǎn)高于b點(diǎn)點(diǎn)低于b點(diǎn)d.銅環(huán)最終將做等幅擺動(dòng)答案bd 解析銅環(huán)在進(jìn)入和穿出磁場的過程中，穿過環(huán)的磁通量發(fā)生變化，環(huán)中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，將損耗一定的機(jī)械能，所以a點(diǎn)高于b點(diǎn). 銅環(huán)的擺角會(huì)越來越小，最終出不了磁場，而做等幅擺動(dòng) . 7. 如圖 6 所示，使一個(gè)銅盤繞其豎直的軸oo轉(zhuǎn)動(dòng)，且假設(shè)摩擦等阻力不計(jì)，轉(zhuǎn)動(dòng)是勻速的. 現(xiàn)把一個(gè)蹄形磁鐵移近銅盤，則( ) 圖 6 a.銅盤

17、轉(zhuǎn)動(dòng)將變慢b.銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)將變快c.銅盤仍以原來的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)d.銅盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是否變化，要根據(jù)磁鐵的上下兩端的極性來決定答案a 解析當(dāng)一個(gè)蹄形磁鐵移近銅盤時(shí)，銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流， 由楞次定律可知感應(yīng)電流受到的安培力阻礙其相對運(yùn)動(dòng)，所以銅盤的轉(zhuǎn)動(dòng)將變慢.本題也可以從能量守恒的角度去分析，因?yàn)殂~盤轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流， 銅盤的機(jī)械能不斷轉(zhuǎn)化成電能，銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)逐漸變慢，故正確選項(xiàng)為a. 8. 如圖 7 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們一個(gè)相同的初速度，讓其向磁鐵滾去，觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況是( ) 圖 7 a.都做勻速運(yùn)動(dòng)b.甲

18、、乙做加速運(yùn)動(dòng)c.甲做加速運(yùn)動(dòng)，乙做減速運(yùn)動(dòng)，丙做勻速運(yùn)動(dòng)d.甲做減速運(yùn)動(dòng)，乙做加速運(yùn)動(dòng)，丙做勻速運(yùn)動(dòng)答案c 解析鐵球?qū)⒓铀龠\(yùn)動(dòng)，其原因是鐵球被磁化后與磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引的磁力. 鋁球?qū)p速運(yùn)動(dòng)， 其原因是鋁球內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場阻礙相對運(yùn)動(dòng). 木球?qū)蛩龠\(yùn)動(dòng)，其原因是木球既不能被磁化，也不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以磁鐵對木球不產(chǎn)生力的作用. 9. 彈簧上端固定，下端掛一條形磁鐵，使磁鐵上下振動(dòng)，磁鐵的振動(dòng)幅度不變. 若在振動(dòng)過程中把線圈靠近磁鐵，如圖8 所示，觀察磁鐵的振幅將會(huì)發(fā)現(xiàn)( ) 圖 8 閉合時(shí)振幅逐漸減小，s斷開時(shí)振幅不變閉合時(shí)振幅逐漸增大，s斷開時(shí)振幅不變閉合或斷開，振幅變化相同閉合或斷開，振幅都不發(fā)生變化答案a 解析s斷開時(shí)，磁鐵振動(dòng)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，振幅逐漸減少，a正確 . 10.( 多選