2024新教材高中物理第2章電磁感應(yīng)第5節(jié)渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用教師用書粵教版選擇性必修第二冊(cè)

第五節(jié)渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用1．相識(shí)什么是渦流，理解渦流的成因及本質(zhì)。2．了解渦流加熱、渦流制動(dòng)、渦流探測(cè)在生產(chǎn)、生活和科技中的應(yīng)用。3．了解在生產(chǎn)、生活中避開或削減渦流的方法。學(xué)問點(diǎn)一渦流現(xiàn)象1．渦流：整塊導(dǎo)體內(nèi)部因發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流。2．影響渦流大小的因素：導(dǎo)體的外周長(zhǎng)越長(zhǎng)，交變磁場(chǎng)的頻率越高，渦流就越大。學(xué)問點(diǎn)二渦流現(xiàn)象的應(yīng)用1．渦流的熱效應(yīng)(1)電磁爐：電磁爐是渦流現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用，采納了磁場(chǎng)感應(yīng)渦流的加熱原理。(2)高頻感應(yīng)爐：在感應(yīng)爐中，有產(chǎn)生高頻交變電流的大功率電源和產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈，其工作原理也是渦流加熱。2．渦流的機(jī)械效應(yīng)(1)電磁驅(qū)動(dòng)：當(dāng)磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦流使導(dǎo)體受到安培力，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來的現(xiàn)象。(2)電磁阻尼：當(dāng)導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦流使導(dǎo)體受到安培力，并且安培力總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)。3．渦流的磁效應(yīng)渦流探測(cè)：通有交變電流的探測(cè)線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)靠近金屬物時(shí)，在金屬物中激起渦流，隱藏金屬物的等效電阻、電感也會(huì)反射到探測(cè)線圈中，變更通過探測(cè)線圈電流的大小和相位，從而探知金屬物。1．思索推斷(正確的畫“√”，錯(cuò)誤的畫“×”)(1)渦流有熱效應(yīng)，但沒有磁效應(yīng)。 (×)(2)把金屬塊放在變更的磁場(chǎng)中可產(chǎn)生渦流。 (√)(3)渦流不是感應(yīng)電流，而是一種有別于感應(yīng)電流的特別電流。 (×)(4)金屬探測(cè)器是利用渦流現(xiàn)象。 (√)(5)電表線圈用鋁框作線圈骨架不是利用渦流現(xiàn)象。 (×)2．如圖所示，金屬球(銅球)下端有通電的線圈，今把小球拉離平衡位置后釋放，此后關(guān)于小球的運(yùn)動(dòng)狀況是(不計(jì)空氣阻力)()A．做等幅振動(dòng)B．做阻尼振動(dòng)C．振幅不斷增大D．無法判定B[小球在通電線圈磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，小球中產(chǎn)生渦流，故小球要受到安培力作用阻礙它的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，做阻尼振動(dòng)，故振幅越來越小，A、C、D錯(cuò)誤，B正確。]3．下列做法中可能產(chǎn)生渦流的是()A．把金屬塊放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中B．讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速運(yùn)動(dòng)C．讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做變速運(yùn)動(dòng)D．把金屬塊放在變更的磁場(chǎng)中D[渦流就是整個(gè)金屬塊中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，所以產(chǎn)生渦流的條件就是在金屬塊中產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，即穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變更。而A、B、C中穿過金屬塊的磁通量不變更，所以A、B、C錯(cuò)誤；把金屬塊放在變更的磁場(chǎng)中時(shí)，穿過金屬塊的磁通量發(fā)生了變更，有渦流產(chǎn)生，所以D正確。]1．如圖，將通有變更電流的導(dǎo)線繞在鐵塊上。(1)請(qǐng)問鐵塊中有感應(yīng)電流嗎？假如有，它的形態(tài)像什么？(2)在上述過程中伴隨著哪些能量轉(zhuǎn)化？提示：(1)有。變更的電流產(chǎn)生變更的磁場(chǎng)，依據(jù)楞次定律可知鐵塊中產(chǎn)生感應(yīng)電流，它的形態(tài)像水中的旋渦，所以把它叫作渦電流，簡(jiǎn)稱渦流。(2)電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，磁場(chǎng)能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2．一個(gè)閉合線圈放在蹄形磁鐵的兩磁極之間，如圖所示，蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)蹄形磁鐵順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈也順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈也逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。試分析線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來的動(dòng)力是什么力？線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同嗎？提示：線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流受到安培力的作用，安培力作為動(dòng)力使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來。線圈的轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速?？键c(diǎn)1對(duì)渦流的理解1．對(duì)渦流的理解本質(zhì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象條件穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變更，并且金屬塊本身可自行構(gòu)成閉合回路特點(diǎn)整個(gè)導(dǎo)體回路的電阻一般很小，感應(yīng)電流很大，發(fā)熱功率很大2．能量轉(zhuǎn)化伴隨著渦流現(xiàn)象，常見以下兩種能量轉(zhuǎn)化。(1)假如金屬塊放在了變更的磁場(chǎng)中，則磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；(2)假如是金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，則由于克服安培力做功，金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。3．渦流的應(yīng)用與防治(1)應(yīng)用：高頻感應(yīng)爐、金屬探測(cè)器、安檢門等。(2)防治：為了減小電動(dòng)機(jī)、變壓器鐵芯上的渦流，常用電阻率較大的硅鋼做材料，而且用相互絕緣的硅鋼片疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯?！镜淅?】(多選)如圖所示為用來冶煉合金鋼的真空冶煉爐，爐外有線圈，將金屬材料置于冶煉爐中，當(dāng)線圈中通以電流時(shí)用感應(yīng)加熱的方法使?fàn)t內(nèi)金屬發(fā)熱。下列說法中正確的是()A．線圈中通以恒定電流，金屬材料中也能產(chǎn)生感應(yīng)電流B．線圈中通以隨時(shí)間變更的電流，在金屬材料中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流C．感應(yīng)加熱是利用金屬材料中的渦流冶煉金屬的D．感應(yīng)加熱是利用線圈電阻產(chǎn)生的焦耳熱冶煉金屬的BC[通過線圈的電流是隨時(shí)間變更的電流，從而在金屬材料中產(chǎn)生感應(yīng)電流，故A選項(xiàng)錯(cuò)誤，B選項(xiàng)正確；爐內(nèi)金屬中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流叫渦流，感應(yīng)加熱是利用金屬材料中的渦流冶煉金屬的，故C選項(xiàng)正確；爐內(nèi)金屬中會(huì)產(chǎn)生渦流，但渦流依據(jù)焦耳熱產(chǎn)生的熱量很小，主要是由于金屬中的自由電子在渦流產(chǎn)生的電場(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)，受到阻礙從而產(chǎn)生熱量，故D選項(xiàng)錯(cuò)誤。]渦流現(xiàn)象的分析方法(1)渦流是整塊導(dǎo)體中發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，分析渦流一般運(yùn)用楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律。(2)導(dǎo)體內(nèi)部可以等效為很多閉合電路。(3)導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)熱的原理是電流的熱效應(yīng)。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．電磁爐是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的渦流，使鍋體發(fā)熱從而加熱食物。下列相關(guān)的說法中正確的是()A．鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場(chǎng)變更的頻率有關(guān)B．電磁爐中通入電壓足夠高的直流電也能正常工作C．金屬或環(huán)保絕緣材料制成的鍋體都可以利用電磁爐來烹飪食物D．電磁爐的上表面一般都是用金屬材料制成，以加快熱傳遞削減熱損耗A[鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場(chǎng)變更的頻率有關(guān)，故A正確；直流電不能產(chǎn)生變更的磁場(chǎng)，在鍋體中不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁爐不能運(yùn)用直流電，故B錯(cuò)誤；鍋體只能用鐵磁性導(dǎo)體材料，不能運(yùn)用絕緣材料制作鍋體，故C錯(cuò)誤；電磁爐的上表面假如用金屬材料制成，運(yùn)用電磁爐時(shí)，上表面材料發(fā)生電磁感應(yīng)要損失電能，電磁爐上表面要用絕緣材料制作，故D錯(cuò)誤。]考點(diǎn)2電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的比較比較項(xiàng)電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)不同點(diǎn)成因由于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流由于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)引起磁通量的變更而產(chǎn)生感應(yīng)電流效果安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體受安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相同，推動(dòng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)體克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能由于電磁感應(yīng)，磁場(chǎng)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，從而對(duì)外做功相同點(diǎn)兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象【典例2】如圖所示，在一蹄形磁鐵下面放一個(gè)銅盤，銅盤和磁鐵均可以自由繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩磁極靠近銅盤，但不接觸，當(dāng)磁鐵繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，銅盤將()A．以相同的轉(zhuǎn)速與磁鐵同向轉(zhuǎn)動(dòng)B．以較小的轉(zhuǎn)速與磁鐵同向轉(zhuǎn)動(dòng)C．以相同的轉(zhuǎn)速與磁鐵反向轉(zhuǎn)動(dòng)D．靜止不動(dòng)[思路點(diǎn)撥]①磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，銅盤中會(huì)產(chǎn)生渦流。②由楞次定律可分析銅盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。B[因磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)，引起銅盤中磁通量發(fā)生變更而產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而受安培力作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，由楞次定律可知安培力的作用是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以銅盤與磁鐵同向轉(zhuǎn)動(dòng)，又由產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件可知，銅盤中能產(chǎn)生電流的條件必需是磁通量發(fā)生變更。故銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁鐵相同而轉(zhuǎn)速較小，不能與磁鐵同速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以正確選項(xiàng)是B。]對(duì)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的理解(1)電磁阻尼是感應(yīng)電流所受的安培力對(duì)導(dǎo)體做負(fù)功，阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)；而電磁驅(qū)動(dòng)是感應(yīng)電流所受的安培力對(duì)導(dǎo)體做正功，推動(dòng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)。(2)在兩種狀況下，安培力均是阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。(3)在電磁驅(qū)動(dòng)中，主動(dòng)部分的速度(或角速度)大于被動(dòng)部分的速度(或角速度)。(4)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，均可以依據(jù)楞次定律和左手定則分析導(dǎo)體的受力狀況。[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．如圖所示，用絲線懸掛閉合金屬環(huán)，懸于O點(diǎn)，第一種狀況是虛線左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，右邊沒有磁場(chǎng)。其次種狀況是整個(gè)空間都有向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，金屬環(huán)的搖擺狀況是()A．兩種狀況都經(jīng)過相同的時(shí)間停下來B．第一種狀況先停下來C．其次種狀況先停下來D．無法確定B[只有左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，金屬環(huán)在穿越磁場(chǎng)邊界時(shí)，由于磁通量發(fā)生變更，環(huán)內(nèi)肯定會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，依據(jù)楞次定律可知將會(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以搖擺會(huì)很快停下來，這就是電磁阻尼現(xiàn)象。也可以用能量守恒來說明，既然有電流產(chǎn)生，就肯定有一部分機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，最終電能通過導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。若空間都有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，穿過金屬環(huán)的磁通量不變更，因此不產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就不會(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，搖擺就不會(huì)很快停下來。故選B。]1．(多選)如圖所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現(xiàn)接通溝通電流，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()A．增加線圈的匝數(shù)B．提高溝通電源的頻率C．將金屬杯換為瓷杯D．取走線圈中的鐵芯AB[當(dāng)電磁鐵接通溝通電源時(shí)，金屬杯處在變更的磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦電流發(fā)熱，使水溫上升。要縮短加熱時(shí)間，需增大渦電流，即增大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或減小電阻。增加線圈匝數(shù)、提高交變電流的頻率都能增大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，瓷杯不能產(chǎn)生渦電流，取走鐵芯會(huì)導(dǎo)致磁性減弱加熱時(shí)間變長(zhǎng)。所以選項(xiàng)A、B正確，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。]2．(多選)如圖所示，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()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BC[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。]3．(多選)位于光滑水平面的小車上水平固定一螺線管，一個(gè)比螺線管長(zhǎng)的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v0穿入螺線管，并最終穿出，如圖所示，在此過程中()A．磁鐵做勻速直線運(yùn)動(dòng)B．磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)C．小車向右做加速運(yùn)動(dòng)D．小車先加速后減速BC[磁鐵水平穿入螺線管時(shí)，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)；同理，磁鐵穿出時(shí)，由楞次定律可知產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)，故整個(gè)過程中，磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確。對(duì)于小車上的螺線管來說，螺線管受到的安培力方向始終為水平向右，這個(gè)安培力使螺線管和小車向右運(yùn)動(dòng)，且始終做加速運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。]4．(多選)如圖所示是用渦流金屬探測(cè)器探測(cè)地下金屬物的示意圖，下列說法中正確的是()A．探測(cè)器內(nèi)的探測(cè)線圈會(huì)產(chǎn)生變更磁場(chǎng)B．只有有磁性的金屬物才會(huì)被探測(cè)器探測(cè)到C．探測(cè)到地下的金屬物是因?yàn)樘筋^中產(chǎn)生了渦流D．探測(cè)到地下的金屬物是因?yàn)榻饘傥镏挟a(chǎn)生了渦流AD[探測(cè)器內(nèi)線圈通有變更電流產(chǎn)生變更磁場(chǎng)，A正確；若有金屬，則金屬中會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流磁場(chǎng)反過來影響線圈中的電流，使儀器報(bào)警，D正確。]安檢門安檢門是一種檢測(cè)人員有無攜帶金屬物品的探測(cè)裝置，又稱金屬探測(cè)門。金屬探測(cè)安檢門主要應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)、車站、大型會(huì)議等人流較大的公共場(chǎng)所用來檢查人身體上隱藏的金屬物品，如槍支、管制刀具等。市場(chǎng)上少數(shù)高檔安檢門可以做到當(dāng)被檢查人員從安檢門通過，人身體上所攜帶的金屬超過依據(jù)重量、數(shù)量或形態(tài)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)值時(shí)，安檢門即刻報(bào)警，并顯示造成報(bào)警的金屬所在區(qū)位，讓安檢人員剛好發(fā)覺該人所隨身攜帶的金屬物品。大部分工廠專用安檢門僅僅辨別是否攜帶金屬物品，定位并報(bào)警，防止產(chǎn)品被違規(guī)帶出工廠。性能最好的安檢門可以檢測(cè)到回形針大小物品。公共場(chǎng)所人員眾多，常常會(huì)有不法