2020-2021学年高中物理第一章电磁感应第七节涡流现象及其应用学案粤教版选修3-2

第七节涡流现象及其应用
[学科素养与目标要求]
物理观念：1。

了解涡流现象;知道涡流的产生原理。

2。

了解感应加热和电磁炉的工作原理。

3。

了解涡流制动、涡流探测及涡流的防止．
科学思维:尝试从楞次定律中“阻碍”的角度去分析涡流制动．
一、涡流现象及应用
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
(1）导体的外周长．
(2)交变磁场的频率．
3．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．
4．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可减少占地、热辐射、噪声和灰尘．
二、涡流制动与探测
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,安培力的方向总是阻碍导体的运动．
(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）原理:涡流与互感．
(2）应用:探测行李包中的枪支、埋于地表的地雷、金属覆盖膜的厚度．
3．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．
（3）目的：减少发热损失，提高效率．
1．判断下列说法的正误．
（1)涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因穿过导体的磁通量变化而产生的．（√）
(2）涡流有热效应，但没有磁效应．（×）
（3）电磁炉是在金属锅体中产生热效应，从而达到加热和烹饪食物的目的．（√）
(4）涡流制动时存在机械能向内能的转化( √）
（5)利用涡流金属探测器,可以探测出违法分子携带的毒品．（×)
2．光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图1所示，抛物线的方程为y＝x2,其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（如图中的虚线所示)．一个质量为m的小金属块从抛物线上y＝b(b>a）处以速度v沿抛物线下滑，假设曲面足够长,重力加速度为g,则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量为________________．
答案mg（b－a）＋错误!mv2
一、涡流的理解、利用和防止
1．涡流的本质：电磁感应现象．
2．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．
3．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．(1）金属块放在了变化的磁场中,则磁场能转化为电能，最终转化为内能．
（2）如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动,则由于克服安培力做功,金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能．
例1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．下列相关的说法中正确的是( )
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是用金属材料制成，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作锅体,故C错误;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,故D错误．
例2（多选)如图2所示，闭合金属环从光滑曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速度为零,摩擦不计，曲面处在图中磁场中，则( ）
A．若是匀强磁场，环上升的高度小于h
B．若是匀强磁场，环上升的高度等于h
C．若是非匀强磁场,环上升的高度等于h
D．若是非匀强磁场,环上升的高度小于h
答案BD
解析若磁场为匀强磁场，穿过环的磁通量不变，不产生感应电流，即无机械能向电能转化，机械能守恒，故A错误，B正确；若磁场为非匀强磁场，环内要产生电能，最终转化为内能，机械能减少，故D 正确．
二、对涡流制动与涡流探测的理解
1．闭合回路的部分导体在做切割磁感线运动产生感应电流时，导体在磁场中就要受到磁场力的作用，根据楞次定律，磁场力总是阻碍导体的运动，于是产生涡流制动．
2．涡流制动是一种十分普遍的物理现象，任何在磁场中运动的导体，只要给感应电流提供回路,就会存在涡流制动作用．
例3(2017·全国卷Ⅰ）扫描隧道显微镜(STM）可用来探测样品表面原子尺度上的形貌．为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图3所示．无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是( )
图3
答案A
解析感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化．在A图中，系统振动时,紫铜薄板随之上下及左右振动，都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力，阻碍系统的振动，故A正确;在B、D图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流，而上下振动无感应电流产生，故B、D错误;在C图中,无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，都不会产生感应电流，故C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，不能探测细小的砂石颗粒，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;当探测器对于被测金属发生相对移动时，金属所在磁场相对变化较快，在金属中产生的涡流更强，检测效果更好，故D错误．
1．(对涡流的理解）（多选)对变压器和电动机中的涡流的认识,以下说法正确的是( ）
A．涡流会使铁芯温度升高，减少线圈绝缘材料的寿命
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相互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材料的寿命，选项A、B 正确；变压器和电动机的铁芯用相互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,选项C错误；涡流产生于铁芯中，选项D错误．
2．（涡流加热)电磁炉热效率高达90％，炉面无明火，无烟，无废气，“火力”强劲，安全可靠．图4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4
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．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用
D．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差
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．根据电磁炉的工作原理可知，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，故B正确；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C错误．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，不会产生涡流,故D错误．
3．(涡流制动)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5所示．现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们分别从导轨上的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5
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
答案C
解析甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受涡流制动作用，做减速运动，丙则不会产生涡流，只能匀速运动．
4．（涡流探测)（2018·龙岩市六校高二下学期期中)涡流检测是工业上无损检测的方法之一．如图6所示，线圈中通以一定频率的交变电流，靠近待测工件时,工件内会产生涡流,同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化．下列说法中正确的是( )
图6
A．涡流的磁场总是与线圈的磁场方向相反
B．涡流的大小与通入线圈的交变电流频率无关
C．待测工件可以是塑料或橡胶制品
D．通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力
答案D
解析涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化，根据楞次定律可知，涡流的磁场与线圈的磁场方向可能相同也可能相反,故A错误；涡流的大小取决于磁场变化的快慢，故与通入线圈的交变电流的频率有关,故B错误；电磁感应只能发生在金属物体中，故待测工件只能是金属制品,故C错误；因为通过线圈的交变电流是周期性变化的,故在待测工件内产生的涡流也是周期性变化的，可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力，故D正确．
考点一涡流的理解、利用和防止
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
答案A
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．
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
解析通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，A、B错误；通入变化的电流,所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，小铁锅是导体,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，C正确,D错误．
3。

（多选）如图2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2
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
解析根据题意要缩短加热时间，只需要提高感应电动势，所以增加线圈的匝数、提高交流电源的频率都可以实现，A、B项正确；取走线圈中的铁芯，对应的感应电动势变小，故D项错误;将金属杯换为瓷杯，涡流消失，故C项错误．
4．（多选）如图3所示，关于涡流，下列说法中正确的是（)
图3
A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置
B．家用电磁炉工作时在电磁炉的面板上产生涡流来加热食物
C．阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动
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ACD
解析真空冶炼炉是用涡流来熔化金属对其进行冶炼的，炉内放入被冶炼的金属，线圈内通入高频交变电流,这时被冶炼的金属中产生涡流就能被熔化，故A正确；电磁炉利用高频电流在电磁炉内部线圈中产生交变磁场,当将铁质锅具放置在炉面时，铁磁性锅体被磁化，锅具即切割交变磁感线而在锅具底部产生交变的涡流，不是通过面板上产生涡流来加热食物，故B错误；阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，当金属板从磁场中穿过时，金属板内感应出的涡流会对金属板的运动产生阻碍作用，故C正确;在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象,要损耗能量,不用整块的硅钢铁芯,其目的是减小涡流,故D正确．
5．(多选)下列措施为了防止涡流的危害的是（)
A．电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅
B．机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品
C．变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成
D．变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层
答案CD
解析电磁炉是采用电磁感应原理，在金属锅上产生涡流，使锅体发热从而加热食物的,属于涡流的应用；安检门是利用涡流工作的；变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止;变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止．故C、D正确．
6．(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，如图4所示为一手持式封口机，它的工作原理:当接通电源时，内置线圈产生磁场,当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡流，使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在待封容器的封口处，达到迅速封口的目的．下列有关说法正确的是（)
图4
A．封口材料可用普通塑料来代替铝箔
B．该封口机可用干电池作为电源以方便携带
C．封口过程中温度过高,可适当减小所通电流的频率来解决
D．该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器
答案CD
解析由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电源,A、B 错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，即控制温度，C正确;封口材料应是金属类材料,但对应被封口的容器不能是金属,否则同样会被熔化，D正确．
考点二对涡流制动和涡流探测的理解
7．(多选）如图5所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法正确的是( ）
图5
A．2是磁铁，在1中产生涡流
B．1是磁铁，在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
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的效果总起到阻尼作用，所以它能使指针很快地稳定下来，选项A、D正确．
8．（多选）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．
9.如图6所示,金属探测器是用来探测金属的仪器，关于其工作原理，下列说法正确的是( ）
图6
A．探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场
B．只有有磁性的金属才会被探测器探测到
C．探测到金属是因为金属中产生了涡流
D．探测到金属是因为探测器中产生了涡流
答案C
解析金属探测器探测金属时，探测器内的探测线圈会产生变化的磁场，被测金属中产生了涡流，故选项A、D错误,C正确;所有的金属都能在变化的磁场中产生涡流，选项B错误．
10．如图7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7
A．铜盘的转动将变慢
B．铜盘的转动将变快
C．铜盘仍以原来的转速转动
D．铜盘的转动速度是否变化，要根据磁铁上下两端的极性来决定
答案A
11．甲、乙两个完全相同的铜环均可绕竖直固定轴O1O2旋转，现让它们以相同角速度同时开始转动，由于阻力作用，经相同的时间后停止，若将圆环置于如图8所示的匀强磁场中，甲环的转轴与磁场方向垂直，乙环的转轴与磁场方向平行，现让甲、乙两环同时以相同的初始角速度开始转动后，下列判断正确的是（)
图8
A．甲环先停下
B．乙环先停下
C．两环同时停下
D．两环都不会停下
答案A
解析当铜环转动时，乙环一直与磁场方向平行，穿过乙环的磁通量始终为零,穿过甲环的磁通量不断变化，不断有感应电流产生,一定受到安培力,安培力阻碍圆环与磁场间的相对运动，故甲环先停止运动，A 正确．
12.(2018·德化县、永安市、漳平市高二第一次联考）如图9所示,水平桌面上放置一铝板,在铝板正上方通过细线将磁性小球悬挂于O点，将小球拉至a处由静止释放，发现小球未接触铝板但很快停止摆动，铝板始终保持静止，下列判断中正确的是（)
图9
A．小球停止运动主要是铝板磁化的结果
B．小球由a摆至b过程，桌面对铝板的摩擦力向左
C．由于电磁感应,小球最后可能不停在最低点
D．小球由b摆至c过程，铝板对桌面的压力大于重力
答案B
解析小球由a摆至c过程，穿过铝板的磁通量变化，产生感应电流,感应磁场阻碍磁性小球与铝板的相对运动．小球由a摆至b过程，铝板对小球的力水平分量向左，小球对铝板的力水平分量向右；铝板保持静止,桌面对铝板的摩擦力向左，故A错误，B正确；小球由b摆至c过程，铝板对小球作用力的竖直分量向下，小球对铝板作用力的竖直分量向上；铝板对桌面的压力小于重力，故D错误；由能量守恒可知，磁性小球的机械能转化为铝板的内能，最终小球停在最低点,故C错误．
考点三涡流的综合应用
13．一个半径为r、质量为m、电阻为R的金属圆环，用一根长为L的绝缘细绳悬挂于O点，离O点下方错误!处有一宽度为错误!、垂直纸面向里的匀强磁场区域，如图10所示．现使圆环从与悬点O等高位置A处由静止释放（细绳张直，忽略空气阻力),摆动过程中金属圆环所在平面始终垂直于磁场方向，则在达到稳定摆动的整个过程中，金属圆环产生的热量是( ）
图10
A．mgL B．mg(错误!＋r）
C．mg（错误!L＋r) D．mg（L＋2r）
答案C
解析圆环在进入磁场和离开磁场时，磁通量发生变化，产生感应电流，机械能减少,最后圆环在磁场下面摆动，机械能守恒．在整个过程中减少的机械能转变为焦耳热，在达到稳定摆动的整个过程中,金属圆环减少的机械能为mg(错误!L＋r)．
14。

（多选)低频电涡流传感器可用来测量自动化生产线上金属板的厚度．如图11所示，在线圈L1中通以低频交变电流，它周围会产生交变磁场，其正下方有一个与电表连接的线圈L2,金属板置于L1、L2之间．当线圈L1产生的变化磁场透过金属板，L2中会产生感应电流．由于金属板厚度不同，吸收电磁能量强弱不同,导致L2中感应电流的强弱不同,则( ）
图11
A．金属板吸收电磁能量，是由于穿过金属板的磁场发生变化,板中产生涡流
B．金属板越厚，涡流越弱
C．L2中产生的是直流电
D．L2中产生的是与L1中同频率的交变电流
答案AD
解析当L1中通过交变电流时，根据安培定则知,穿过金属板的磁场发生变化从而出现变化的电场导致金属板内产生涡流，进而产生磁场能,然后转化成金属板的内能，故A正确;当金属板越厚，在变化的交变电流作用下，金属板中产生的涡流越强，B错误；根据电磁感应规律可知，在L2中产生的是与L1中同频率的交变电流，选项C错误，D正确．。