2018-2019版物理新设计同步选修3-2讲义：第一章 电磁

第3节 电磁感应定律的应用
一、涡流
阅读教材第15～17页，认识涡流，知道涡流的应用和防止。

1.定义：将整块金属放在变化的磁场中，穿过金属块的磁通量发生变化，金属块内部就会产生旋涡状的感应电流，这种感应电流叫做涡电流，简称涡流。

2.涡流的应用——电磁炉
(1)工作原理：利用涡流原理制成的，如图1所示。

图1
(2)优点：热效率高；无烟火，无毒气、废气，被称为“绿色炉具”；只对铁质锅具加热，炉体本身不发热。

3.涡流的危害及防止
(1)危害：变压器、电动机、发电机的铁芯会因涡流损失大量的电能并导致设备发热。

(2)防止：为减小涡流，电动机、变压器铁芯是用外表涂有绝缘材料的薄硅钢片叠成的，而不采用整块硅钢铁芯，这样可以使涡流大为减弱，涡流损失大大降低，从而降低能耗，提高了设备的工作效率。

思考判断
(1)涡流也是一种感应电流。

(√)
(2)导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热。

(×)
(3)利用涡流制成的探测器也可探测毒品。

(×)
(4)涡流是一种有害的电磁感应现象。

(×)
二、磁卡和动圈式话筒
阅读教材第17～18页，了解磁卡和动圈式话筒的工作原理。

1.磁卡工作原理：磁卡信息的录入是利用了电流的磁效应；信息的读取与录入过程相反，利用了电磁感应原理。

2.动圈式话筒：动圈式话筒是把声音信号转变为电信号的装置，由膜片、线圈、永磁体等构成。

其工作原理是电磁感应。

预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
涡流的理解、利用和防止
[要点归纳]
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。

[精典示例]
[例1] (多选)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会产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生很多热量，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
解析 电流变化的频率越高，则产生的感应电流越大，升温越快，故选项A 正确，B 错误；工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故选项C 错误，D 正确。

答案 AD
涡流问题的三点注意
(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。

(2)金属能够自身形成闭合回路，形成涡流。

(3)磁场变化越快⎝ ⎛⎭
⎪⎫ΔB Δt 越大，导体的横截面积S 越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越强。

[针对训练1] (多选)对变压器和电动机等中的涡流的认识，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
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，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，减小电流，减少产生的热量，选项C
错误；涡流产生于铁芯中，对原电流无阻碍作用，选项D错误。

答案AB
磁卡和动圈式话筒的工作原理
[要点归纳]
1.磁卡的工作原理
(1)磁卡的录入
电流磁效应→磁现象
(2)磁卡的读取
磁现象→电磁感应
2.动圈式话筒的工作原理
(1)构造，如图3所示。

图3
(2)原理
①话筒是把声音信号转变为电信号的装置。

如图乙是动圈式麦克风构造原理图。

②麦克风是利用电磁感应现象工作的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈(音圈)随着一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，从而产生感应电流(电信号)，感应电流的大小和方向都变化。

③声波的信号电流经扩音器放大后传给扬声器，扬声器中就发出了放大的声音。

[精典示例]
[例2] 磁卡的磁条中有用于存储信息的磁极方向不同的磁化区，刷卡器中有检测线圈。

当以速度v0刷卡时，在线圈中产生感应电动势，其中E－t关系如图4所
示。

如果只将刷卡速度改为v0
2，线圈中的E－t关系图可能是()
图4
解析 磁卡经过刷卡器时，速度改为原来的12，产生的感应电动势的最大值将减
小为原来的12，并且经过相同的位移，所用的时间是原来的2倍，故D 项正确。

答案 D
[针对训练2] (2018·厦门高二检测)如图5所示，磁带录音机可用来录音，也可用来放音。

其主要部件为可匀速行进的磁带a 和绕有线圈的磁头b ，不论是录音还是放音过程，磁带或磁隙软铁会存在磁化现象。

对于它们在录音、放音过程中的主要工作原理，下列说法正确的是( )
图5
A.放音的主要原理是电磁感应，录音的主要原理是电流的磁效应
B.录音的主要原理是电磁感应，放音的主要原理是电流的磁效应
C.放音和录音的主要原理都是磁场对电流的作用
D.放音和录音的主要原理都是电磁感应
解析 录音过程及原理是：先将声音信号通过话筒转换成变化的电流信号，加在题图中的线圈上，由于电流的磁效应，变化电流产生的变化磁场信号将由于磁带被磁化而记录在匀速经过的磁带上，是电流的磁效应。

放音过程是录音过程的逆过程，磁带匀速通过磁隙，由于磁带上变化的磁场使磁头发生磁化现象，使磁头
线圈的磁通量发生变化，导致磁头上的线圈中产生感应电流，该感应电流通过扬声器即发出声音，是电磁感应过程。

故选项A正确。

答案 A
1.(对涡流的理解)下列关于涡流的说法正确的是()
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
2.(涡流的应用)(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
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，选项A 错误，B正确；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电流，因而不能检查出金属物品携带者，C错误；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正确。

答案BD
3.(涡流的应用)(多选)如图6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6
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
解析解题的关键是要弄清杯内水沸腾的原因和决定的因素。

交变电流在铁芯中产生交变磁场，金属杯会产生感应电流而发热，从而使杯内水沸腾。

增加线圈的匝数和提高交流电源的频率都可以增大金属杯产生的电流，可缩短加热时间，选项A、B正确；将金属杯换成瓷杯，变化磁场不能使它产生电流，也就不能使水加热，选项C错误；取走线圈中的铁芯，会减小周围的磁场，金属杯产生的电流会减小，从而增加水沸腾的时间，选项D错误。

答案AB
4.(电磁感应定律的应用)如图7，一个质量为m的正方体金属块以速度v1沿光滑水平轨道进入变化的磁场，并以大小为v2的速度从磁场中滑出来，求这一过程中金属块中产生的热量。

图7
解析由于在金属块进入和滑出磁场的过程中产生涡流，金属块损失的机械能转
化为电热，产生的热量Q＝1
2mv
2
1
－
1
2mv
2
2。

答案1
2mv
2
1
－
1
2mv
2
2
基础过关
1.(多选)下列对涡流的认识正确的是()
A.大块金属中产生了涡流，但不一定产生了感应电动势
B.涡流大小与穿过金属的磁通量的大小有关
C.涡流的形成一定遵循法拉第电磁感应定律
D.涡流也有电流的热效应
解析涡流是电磁感应现象，遵循法拉第电磁感应定律，涡流也有电流的热效应。

故C、D正确。

答案CD
2.(多选)如图1所示为新一代炊具——电磁炉，无烟、无明火、不产生有害气体、无微波辐射、高效节能等是电磁炉的优点。

电磁炉是利用电流通过线圈产生磁场，当磁场的磁感线通过含铁质锅底部时，会产生无数小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热锅内食物。

下列相关说法正确的是()
图1
A.锅体中的涡流是由恒定的磁场产生的
B.锅体中的涡流是由变化的磁场产生的
C.恒定磁场越强，电磁炉的加热效果越好
D.提高磁场变化的频率，可提高电磁炉的加热效果
解析由电磁感应原理可知，锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，且提高磁场变化的频率，产生的感应电动势变大，可提高电磁炉的加热效果，选项B、D正确。

答案BD
3.如图2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2
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
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，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，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。

答案 C
4.我们生活在磁的世界里，磁在现代生活中有广泛的应用。

以下说法正确的是()
A.录音磁带可以和磁铁一起存放而不影响磁带的正常使用
B.磁感应强度的单位是奥斯特，简称特，符号T
C.安培发现了电流的磁效应现象
D.让磁卡带上信息是利用了磁化现象
解析放音时，磁带上不同位置磁性不同，使磁头线圈产生不同的感应电流，这是电磁感应现象，如果录音磁带和磁铁一起存放，磁带上的磁性物质发生变化，磁带不能正常工作，A错误；磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，符号T，B 错误；奥斯特发现了电流的磁效应现象，C错误；让磁卡内部的分子电流按一定的规律进行排布，对外显现一定的磁性，携带一定的信息，故让磁卡带上信息是利用了磁化现象，D正确。

答案 D
5.(多选)如图3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3
A.探测器内的探测线圈会产生变化磁场
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
解析探测器内的探测线圈会产生变化的磁场，变化的磁场在地下金属物中磁通量发生变化，从而使地下的金属物产生涡流，如果探头在金属物附近，就能通过耳机的音调改变，提示金属物的存在，也可以通过仪表的指针移动来提示。

A、D正确。

答案AD
6.如图4所示是冶炼金属的高频感应炉的示意图，冶炼炉内装入被冶炼的金属，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，温度容易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼金属中，因此适合用于冶炼特种金属。

该炉的加热原理是()
图4
A.利用线圈中电流产生的焦耳热
B.利用红外线
C.利用交变电流产生的交变磁场在炉内金属中产生的涡流
D.利用交变电流产生的交变磁场所激发的电磁波
解析把被冶炼的金属放在冶炼炉中，冶炼炉外面绕着线圈，给线圈通入高频交流电，冶炼炉内待冶炼的金属在快速变化的磁场中被感应出很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。

这种冶炼方法速度快，温度容易控制，还可以在真空条件下进行，避免金属的氧化，保证金属的纯度，特别适合用于特种合金和特种钢的冶炼。

选项C正确。

答案 C
7.(多选)如图5所示，闭合金属圆环从高为h的曲面左侧自由滚下，又滚上曲面右侧，环平面与运动方向均垂直于非匀强磁场，环在运动过程中摩擦阻力不计，则下列说法正确的是()
图5
A.环滚上曲面右侧的高度小于h
B.运动过程中环内有感应电流
C.环滚上曲面左侧的高度等于h
D.运动过程中安培力对环一定做负功
解析闭合金属圆环在非匀强磁场中运动时，磁通量在变化，环内产生感应电流，机械能一部分转化为电能，所以环滚上曲面右侧的高度小于h，A、B正确，C 错误；在运动过程中，安培力阻碍导体相对磁场运动，总是阻力，一定做负功，D正确。

答案ABD
8.如图6所示，将一根带有绝缘漆的金属导线按如图所示方式缠绕在一铁块上，线圈中通入变化的电流时，下列说法正确的是()
图6
A.铁块中会产生感应电流
B.铁块中不会产生感应电流
C.铁块电阻很大，会产生很弱的感应电流
D.铁块换为塑料块的话，一定会产生感应电流
解析由于上下各一半的线圈中电流方向相反、磁场方向相反，合磁场为零，磁通量不变化，也就不会产生感应电流，选项B正确，选项A、C、D错误。

答案 B
能力提升
9.如图7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，以下说法正确的是()
图7
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
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。

答案 B
10.(多选)普通磁带录音机是用一磁头来录音和放音的，磁头结构如图8(a)所示，在一个环形铁芯上绕一个线圈，铁芯有个缝隙，工作时磁带就贴着这个缝隙移动。

录音时，磁头线圈跟话筒、放大电路相连，如图(b)所示；放音时，磁头线圈改为跟放大电路、扬声器相连，如图(c)所示。

磁带上涂有一层磁粉，磁粉能被磁化且留下剩磁。

话筒的作用是把声音的变化转化为电流的变化；扬声器的作用是把电流的变化转化为声音的变化。

由此可知以下说法中正确的是()
图8
A.录音时线圈中变化的音频电流在磁带上产生变化的磁场
B.放音时线圈中变化的音频电流在磁带上产生变化的磁场
C.录音时磁带上变化的磁场在线圈中产生感应电流
D.放音时磁带上变化的磁场在线圈中产生感应电流
解析根据普通磁带录音机的录音、放音原理知：磁带录音机的录音过程是电流的磁效应，而磁带录音机的放音过程则是电磁感应过程，所以录音时线圈中变化的音频电流在磁带上产生变化的磁场；放音时磁带上变化的磁场在线圈中产生感应电流。

答案AD
11.如图9所示，在光滑的水平面上有一半径r＝10 cm、电阻R＝1 Ω、质量m＝1 kg的金属环，以速度v＝10 m/s向一有界磁场滑去。

匀强磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度B＝0.5 T，从环刚进入磁场算起，到刚好有一半进入磁场时，圆环释放了32 J的热量，求：
图9
(1)此时圆环中电流的瞬时功率；
(2)此时圆环运动的加速度的大小。

解析(1)由能量守恒mv2
2＝Q＋
mv′2
2，
而P＝E2
R＝
（B·2r·v′）2
R
两式联立可得P＝0.36 W。

(2)a＝BIl
m＝
B2（2r）2v′
mR＝6×10
－2 m/s2。

答案(1)0.36 W(2)6×10－2 m/s2
12.(2018·玉溪高二检测)如图10所示，竖直放置的U形导轨宽为L，上端串有电阻R(其余导体部分的电阻都忽略不计)。

磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直于纸面向外。

金属棒ab的质量为m，与导轨接触良好，不计摩擦。

从静止释放后ab保持水平下滑，下滑时产生的感应电流方向由b到a，已知重力加速度大小为g，求：
(1)ab匀速下滑时的速度v m；
图10
(2)若ab从释放至其运动达到最大速度时下落的高度为h，此过程中产生的焦耳热。

解析(1)ab匀速下滑时：mg＝BIl，I＝BLv m R
得：v m＝mgR
B2L2
(2)由能量守恒定律有：mgh＝Q＋1
2mv
2
m
得：Q＝mgh－m3g2R2 2B4L4
答案(1)mgR
B2L2(2)mgh－
m3g2R2
2B4L4。