【K12教育学习资料】2018-2019学年高中物理 第一章 电磁感应 7 涡流(选学)学案 教科版

7．涡流(选学)
[知识梳理]
一、涡流
1．涡流：当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，电流在导体中组成闭合回路，很像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流．如图1­7­1所示．
图1­7­1
2．涡流大小的决定因素：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，形成的涡流就越大．
3．应用：高频感应炉、电磁灶、安检门等．
4．防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的薄硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯．
二、高频感应炉与电磁灶 电磁阻尼
1．高频感应炉
(1)工作原理：利用涡流熔化金属，当冶炼炉接入高频交流电后，冶炼锅内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．
(2)优点：速度快，温度容易控制；能避免混入有害杂质．
2．电磁灶
(1)工作原理：电磁灶是利用励磁线圈，通有交变电流时，在锅底产生涡流，使锅底发热来加热．
(2)优点：热效率高、耗电少、使用方便、安全．
3．电磁阻尼
(1)概念：当导体在磁场中运动时，导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体运动的现象．
(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．
[基础自测]
1．思考判断
(1)涡电流只能产生热效应，不能产生磁效应．(×)
(2)涡电流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流．(×)
(3)变压器和电动机的铁芯不是整块金属，而是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成，其原因是为了降低涡流造成的损耗．(√)
(4)电磁灶是利用变化的磁场在食物中产生涡流从而对食物进行加热的．
(5)在电磁阻尼现象中的能量转化是导体克服安培力做功，把其他形式能转化为电能，最终转化为内能．(√)
(6)磁电式仪表线圈的骨架用铝框来做利用了电磁阻尼．(√)
2．如图1­7­2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分别是( )
【导学号：24622041】
图1­7­2
A．恒定直流、玻璃杯
B．恒定直流、小铁锅
C．变化的电流、玻璃杯
D．变化的电流、小铁锅
D[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．]
3．(多选)如图1­7­3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1­7­3
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
AD[1在2中转动产生感应电流，感应电流受到安培力作用阻碍1的转动，A、D对．]
[合作探究·攻重难]
(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，并且金属块本身自行构成闭合回路．
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．例如金属块放在变化的磁场中，则磁场能转化为电能最终转化为内能；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．
如图1­7­4所示，上下开口、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1­7­4
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
C[小磁块从铜管P中下落时，P中的磁通量发生变化，P中产生感应电流，给小磁块一个向上的磁场力，阻碍小磁块向下运动，因此小磁块在P中不是做自由落体运动，而塑料管Q中不会产生电磁感应现象，因此Q中小磁块做自由落体运动，A项错误；P中的小磁块受到的磁场力对小磁块做负功，机械能不守恒，B项错误；由于在P中小磁块下落的加速度小于g，而Q中小磁块做自由落体运动，因此从静止开始下落相同高度，在P中下落的时间比在Q中下落的时间长，C项正确；根据动能定理可知，落到底部时在P中的速度比在Q中的速度小，D项错误．]
分析涡流问题的思路
涡流的实质是电磁感应现象，所以涡流问题的分析思路仍然是用楞次定律解决动力学问题，用功能关系解决能量问题．
[针对训练]
1．下列关于涡流的说法中正确的是( )
【导学号：24622042】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
A[涡流本质上是感应电流，是自身构成回路，在穿过导体的磁通量变化时产生的，所以A对，B错；涡流不仅有热效应，同其他电流一样也有磁效应，C错；硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但仍能产生涡流，D错．]
2.在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图1­7­5所示．现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去．各滑块在未接触磁铁前的运动情况是( )
图1­7­5
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
C[铜块、铝块向磁铁靠近时，穿过它们的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，
反过来涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铜块和铝块向磁铁运动时会受阻碍而减速，有机玻璃为非金属，不产生涡流现象，故C 正确．]
电磁阻尼是导体在磁场中运动产生涡流，使导体受到与运动方向相反的安培力，阻碍导体运动，这与楞次定律中感应电流产生的机械效果是统一的．
2．电磁阻尼和电磁驱动的比较
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1­7­6所示．无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是( )
图1­7­6
思路点拨：通过紫铜板的磁场――→Φ变化铜板中产生感应电流——涡流――――→楞次定律
阻碍铜板的运动
A [由于要求有效衰减紫铜薄板的上下及左右的微小振动，则在紫铜薄板发生微小的上下或左右振动时，通过紫铜薄板横截面的磁通量应均能发生变化，由图可以看出，只有A 图方案中才能使两方向上的微小振动均能得到有效衰减．]
[针对训练]
3．如图1­7­7所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环1竖直放置，环2水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是 ( )
图1­7­7
A．两环都向右运动
B．两环都向左运动
C．环1静止，环2向右运动
D．两环都静止
C[条形磁铁向右运动时，通过环1中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止；通过环2中磁通量变化，根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流的效果使环2向右运动．]
4．(多选)如图1­7­8所示，abcd是一闭合的小金属线框，用一根绝缘的细杆挂在固定点O，使金属线框在竖直平面内来回摆动的过程中穿过水平方向的匀强磁场区域，磁感线方向跟线框平面垂直，若悬点摩擦和空气阻力不计，则( )
【导学号：24622043】
图1­7­8
A．线框进入或离开磁场区域时，都产生感应电流，而且电流的方向相反
B．线框进入磁场区域后，越靠近OO′时速度越大，因而产生的感应电流也越大
C．线框开始摆动后，摆角会越来越小，摆角小到某一值后将不再减小
D．线框摆动过程中，机械能完全转化为线框电路中的电能
AC[线框在进入或离开磁场区域时，由于穿过线框的磁通量发生变化，线框中都要产生感应电流，由楞次定律可知感应电流的方向是相反的．当线框完全进入磁场区域后，穿过线框的磁通量不发生变化，因而感应电流为零，在此区域内机械能守恒，所以越靠近OO′时速度越大．由于线框进入磁场区域和离开磁场区域时都有感应电流产生，有机械能转化为电能，所以线框的摆角越来越小，但当线框的摆角减小到使线框完全在磁场中运动时，就不再有电能产生，线框的机械能守恒，摆角将不再减小．由以上分析可知，选项A、C正确，B、
D错误．]
[当堂达标·固双基]
1．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
D[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．如图1­7­9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．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的锅所吸收，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 ( )
【导学号：24622044】
图1­7­9
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，使含铁质的锅底迅速升温，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
B[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的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项错误，B项正确；而C是微波炉的加热原理，C项错误．]
3．如图1­7­10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1­7­10
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
A[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A项正确．]
4．(多选)如图1­7­11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1­7­11
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
BC[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．]。