物理選修32粵教版全程導(dǎo)學(xué)筆記第一章電磁感應(yīng)第七節(jié)

第七節(jié)渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道渦流的產(chǎn)生原因.2.了解電磁灶和渦流加熱原理.3.了解渦流現(xiàn)象的應(yīng)用——渦流制動(dòng)和渦流探測(cè).一、渦流現(xiàn)象[導(dǎo)學(xué)探究]如圖1所示，線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，導(dǎo)體中有感應(yīng)電流嗎？如果有，它的形狀像什么？圖1答案有.變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，使導(dǎo)體中的自由電子發(fā)生定向移動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，它的形狀像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡(jiǎn)稱渦流.[知識(shí)梳理]1.渦流：在一根導(dǎo)體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，在整個(gè)導(dǎo)體中，就形成一圈圈環(huán)繞導(dǎo)體軸線流動(dòng)的感應(yīng)電流，就好像水中的旋渦一樣，這種產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象.2.渦流大小的決定因素：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.二、電磁灶與渦流加熱[導(dǎo)學(xué)探究]高頻感應(yīng)爐結(jié)構(gòu)如圖2所示，電磁灶的結(jié)構(gòu)如圖3所示.圖2圖3結(jié)合電磁感應(yīng)的條件回答下列問題：(1)高頻感應(yīng)爐冶煉金屬的原理是什么？有什么優(yōu)點(diǎn)？(2)電磁灶中的渦流是怎樣產(chǎn)生的？產(chǎn)生渦流的部分和引起渦流的部分是否接觸？電磁灶的表面在電磁灶工作時(shí)的熱量是怎樣產(chǎn)生的？答案(1)高頻感應(yīng)爐冶煉金屬是利用渦流熔化金屬.冶煉鍋內(nèi)裝入被冶煉的金屬，讓高頻交流電通過線圈，被冶煉的金屬內(nèi)部就產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化.優(yōu)點(diǎn)：速度快，溫度容易控制，能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中.(2)渦流產(chǎn)生在鐵磁材料制成的鍋底部，引起渦流的部分是灶內(nèi)的勵(lì)磁線圈，它與鍋底不接觸，電磁灶工作時(shí)表面摸上去溫度也挺高，是因?yàn)槠浔砻媾c鐵鍋發(fā)生了熱傳遞.[知識(shí)梳理]感應(yīng)加熱的定義及其應(yīng)用(1)利用足夠大的電力在導(dǎo)體中產(chǎn)生很大的渦流，導(dǎo)體中電流可以發(fā)熱，使金屬受熱甚至熔化.(2)應(yīng)用：高頻感應(yīng)爐冶煉金屬，用高頻塑料熱壓機(jī)過塑，渦流熱療系統(tǒng)用于治療.三、渦流制動(dòng)與渦流探測(cè)[導(dǎo)學(xué)探究]如圖4把高速旋轉(zhuǎn)的鋁盤放在蹄形磁鐵之間，鋁盤會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？圖4答案鋁盤會(huì)很快停止轉(zhuǎn)動(dòng)，原因：鋁盤在蹄形磁鐵的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)在鋁盤中激起渦流，渦流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)阻尼力，從而提供制動(dòng)力矩.從而使鋁盤快速停止轉(zhuǎn)動(dòng).[知識(shí)梳理]渦流制動(dòng)、渦流探測(cè)和渦流的防止(1)渦流制動(dòng)：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)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)體與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為渦流制動(dòng).這種制動(dòng)方式常應(yīng)用于電表的阻尼制動(dòng)、高速機(jī)車制動(dòng)的渦流閘等.(2)渦流探測(cè)：渦流金屬探測(cè)器具有一個(gè)通過一定頻率交變電流的探測(cè)線圈，該線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在金屬物中激起渦流，渦流的變化會(huì)反過來影響探測(cè)線圈，改變探測(cè)線圈電流的大小和相位，從而探知金屬物.(3)在生產(chǎn)和生活中，有時(shí)也要避免渦流效應(yīng).要減小電機(jī)、變壓器的鐵芯在工作時(shí)產(chǎn)生的渦流，可采用的方法是把整塊鐵芯改成用薄片疊壓的鐵芯，增大回路電阻.[即學(xué)即用]1.判斷下列說法的正誤.(1)渦流也是一種感應(yīng)電流.(√)(2)導(dǎo)體中有感應(yīng)電流時(shí)，導(dǎo)體沒有和其他元件組成閉合回路，故導(dǎo)體不會(huì)發(fā)熱.(×)(3)電磁灶用鐵鍋時(shí)要謹(jǐn)慎，勺子把要絕緣，防止觸電.(×)(4)高頻感應(yīng)爐利用金屬塊中的渦流產(chǎn)生焦耳熱冶煉金屬.(√)(5)在渦流制動(dòng)發(fā)生的過程中，存在機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化.(√)(6)利用渦流金屬探測(cè)器，可以探測(cè)出違法分子攜帶的毒品.(×)2.光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖5所示，拋物線的方程為y＝x2，其下半部處在一個(gè)水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的上邊界是y＝a的直線(如圖中的虛線所示).一個(gè)質(zhì)量為m的小金屬塊從拋物線上y＝b(b>a)處以速度v沿拋物線下滑，假設(shè)曲面足夠長(zhǎng)，重力加速度為g，則金屬塊在曲面上滑動(dòng)的過程中產(chǎn)生的焦耳熱總量為.圖5答案mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2一、渦流的理解、利用和防止1.產(chǎn)生渦流的兩種情況(1)塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中.(2)塊狀金屬進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng).2.產(chǎn)生渦流時(shí)的能量轉(zhuǎn)化(1)金屬塊在變化的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.(2)金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，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.例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)變化的頻率有關(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、減少熱損耗答案A解析鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場(chǎng)變化的頻率有關(guān)，故A正確；直流電不能產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，在鍋體中不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁爐不能使用直流電，故B錯(cuò)誤；鍋體只能用鐵磁性導(dǎo)體材料，不能使用絕緣材料制作鍋體，故C錯(cuò)誤；電磁爐的上表面如果用金屬材料制成，使用電磁爐時(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成，故D錯(cuò)誤.例2(多選)如圖6所示，閉合金屬環(huán)從光滑曲面上h高處滾下，又沿曲面的另一側(cè)上升，設(shè)環(huán)的初速度為零，摩擦不計(jì)，曲面處在圖中磁場(chǎng)中，則()圖6A.若是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)上升的高度小于hB.若是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)上升的高度等于hC.若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)上升的高度等于hD.若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)上升的高度小于h答案BD解析若磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，穿過環(huán)的磁通量不變，不產(chǎn)生感應(yīng)電流，即無機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒，故A錯(cuò)誤，B正確；若磁場(chǎng)為非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)內(nèi)要產(chǎn)生電能，機(jī)械能減少，故D正確.二、對(duì)渦流制動(dòng)與渦流探測(cè)的理解1.閉合回路的部分導(dǎo)體在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，導(dǎo)體在磁場(chǎng)中就要受到磁場(chǎng)力的作用，根據(jù)楞次定律，磁場(chǎng)力總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，于是產(chǎn)生渦流制動(dòng).2.渦流制動(dòng)是一種十分普遍的物理現(xiàn)象，任何在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，只要給感應(yīng)電流提供回路，就會(huì)存在渦流制動(dòng)作用.例3在水平放置的光滑絕緣導(dǎo)軌上，沿導(dǎo)軌固定一個(gè)條形磁鐵，如圖7所示.現(xiàn)有銅、鋁和有機(jī)玻璃制成的滑塊甲、乙、丙，使它們分別從導(dǎo)軌上的A點(diǎn)以某一初速度向磁鐵滑去.各滑塊在向磁鐵運(yùn)動(dòng)的過程中()圖7A.都做勻速運(yùn)動(dòng) B.甲、乙做加速運(yùn)動(dòng)C.甲、乙做減速運(yùn)動(dòng) D.乙、丙做勻速運(yùn)動(dòng)答案C解析甲、乙向磁鐵靠近時(shí)要產(chǎn)生渦流，受渦流制動(dòng)作用，做減速運(yùn)動(dòng)，丙則不會(huì)產(chǎn)生渦流，只能勻速運(yùn)動(dòng).例4金屬探測(cè)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于安檢場(chǎng)所，關(guān)于金屬探測(cè)器的論述正確的是()A.金屬探測(cè)器可用于食品生產(chǎn)，防止細(xì)小的砂石顆?；烊胧称分蠦.金屬探測(cè)器探測(cè)地雷時(shí)，探測(cè)器的線圈中產(chǎn)生渦流C.金屬探測(cè)器探測(cè)金屬時(shí)，被測(cè)金屬中感應(yīng)出渦流D.探測(cè)過程中金屬探測(cè)器與被測(cè)物體相對(duì)靜止與相對(duì)運(yùn)動(dòng)探測(cè)效果相同答案C解析金屬探測(cè)器只能探測(cè)金屬，不能探測(cè)細(xì)小的砂石顆粒，故A錯(cuò)誤；金屬探測(cè)器探測(cè)金屬時(shí)，被測(cè)金屬中感應(yīng)出渦流，故B錯(cuò)誤，C正確；當(dāng)探測(cè)器對(duì)于被測(cè)金屬發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，金屬所在磁場(chǎng)相對(duì)變化較快，在金屬中產(chǎn)生的渦流更強(qiáng)，檢測(cè)效果更好，故D錯(cuò)誤.1.(多選)如圖8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()圖8A.探測(cè)器內(nèi)的探測(cè)線圈會(huì)產(chǎn)生交變磁場(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)生了渦流答案AD2.(多選)如圖9所示，A、B為大小、形狀均相同且內(nèi)壁光滑、但用不同材料制成的圓管，豎直固定在相同高度.兩個(gè)相同的磁性小球，同時(shí)從A、B管上端距管口等高處無初速度釋放，穿過A管比穿過B管的小球先落到地面.下面對(duì)于兩管的描述中可能正確的是()圖9A.A管是用塑料制成的，B管是用銅制成的B.A管是用鋁制成的，B管是用膠木制成的C.A管是用膠木制成的，B管是用塑料制成的D.A管是用膠木制成的，B管是用鋁制成的答案AD3.如圖10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10A.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)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎng)發(fā)生變化，在空間產(chǎn)生感生電場(chǎng)，鐵鍋是導(dǎo)體，感生電場(chǎng)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(chǎng)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.選擇題(1～7題為單選題，8～12題為多選題)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.在硅鋼中不能產(chǎn)生渦流答案A解析渦流的本質(zhì)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，只不過是由金屬塊自身構(gòu)成回路，它既有熱效應(yīng)，也有磁效應(yīng)，所以A正確，B、C錯(cuò)誤；硅鋼中產(chǎn)生的渦流較小，D錯(cuò)誤.

2.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1所示，觀察磁鐵的振幅將會(huì)發(fā)現(xiàn)()圖1A.S閉合時(shí)振幅逐漸減小，S斷開時(shí)振幅不變B.S閉合時(shí)振幅逐漸增大，S斷開時(shí)振幅不變C.S閉合或斷開，振幅變化相同D.S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，振幅逐漸減小，A正確.3.高頻感應(yīng)爐是用來熔化金屬對(duì)其進(jìn)行冶煉的，如圖2所示為冶煉金屬的高頻感應(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)被治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)混入被冶煉的金屬中，因此適用于冶煉特種金屬.那么該爐的加熱原理是()圖2A.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(chǎng)C.利用交變電流的交變磁場(chǎng)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

4.如圖3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3A.銅盤的轉(zhuǎn)動(dòng)將變慢B.銅盤的轉(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)磁鐵上下兩端的極性來決定答案A5.掃描隧道顯微鏡(STM)可用來探測(cè)樣品表面原子尺度上的形貌.為了有效隔離外界振動(dòng)對(duì)STM的擾動(dòng)，在圓底盤周邊沿其徑向?qū)ΨQ地安裝若干對(duì)紫銅薄板，并施加磁場(chǎng)來快速衰減其微小振動(dòng)，如圖4所示.無擾動(dòng)時(shí)，按下列四種方案對(duì)紫銅薄板施加恒定磁場(chǎng)；出現(xiàn)擾動(dòng)后，對(duì)于紫銅薄板上下及左右振動(dòng)的衰減最有效的方案是()圖4答案A解析紫銅薄板上下及左右振動(dòng)，都存在磁通量變化的為選項(xiàng)A所示方案.6.一個(gè)半徑為r、質(zhì)量為m、電阻為R的金屬圓環(huán)，用一根長(zhǎng)為L(zhǎng)的絕緣細(xì)繩懸掛于O點(diǎn)，離O點(diǎn)下方eq\f(L,2)處有一寬度為eq\f(L,4)、垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，如圖5所示.現(xiàn)使圓環(huán)從與懸點(diǎn)O等高位置A處由靜止釋放(細(xì)繩張直，忽略空氣阻力)，擺動(dòng)過程中金屬圓環(huán)所在平面始終垂直磁場(chǎng)，則在達(dá)到穩(wěn)定擺動(dòng)的整個(gè)過程中，金屬圓環(huán)產(chǎn)生的熱量是()圖5A.mgL B.mg(eq\f(L,2)＋r)C.mg(eq\f(3,4)L＋r) D.mg(L＋2r)答案C解析圓環(huán)在進(jìn)入磁場(chǎng)和離開磁場(chǎng)時(shí)，磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，機(jī)械能減少，最后圓環(huán)在磁場(chǎng)下面擺動(dòng)，機(jī)械能守恒.在整個(gè)過程中減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榻苟鸁?，在達(dá)到穩(wěn)定擺動(dòng)的整個(gè)過程中，金屬圓環(huán)減少的機(jī)械能為mg(eq\f(3,4)L＋r).7.如圖6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，關(guān)于電磁爐，以下說法中正確的是()圖6A.電磁爐是利用變化的磁場(chǎng)在食物中產(chǎn)生渦流對(duì)食物加熱的B.電磁爐是利用變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流，使含鐵質(zhì)鍋底迅速升溫，進(jìn)而對(duì)鍋內(nèi)食物加熱的C.電磁爐是利用變化的磁場(chǎng)使食物中的極性水分子振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)來對(duì)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(duì)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(chǎng)，變化的磁場(chǎng)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是微波爐的加熱原理，C錯(cuò)誤.8.圖7為某型號(hào)手持式封口機(jī)的照片，其機(jī)箱可提供高頻交流電.使用時(shí)，只要將待封口的塑料罐擰上蓋子，然后置于封口加熱頭的下方，按下電源開關(guān)1～2s，蓋子內(nèi)層的鋁箔瞬間產(chǎn)生高熱，然后融合在瓶口上，達(dá)到封口的效果.下列有關(guān)說法合理的是()圖7A.其封口加熱頭內(nèi)部一定有電熱絲B.其封口加熱頭內(nèi)部一定有高頻線圈C.該機(jī)的主要工作原理是電磁感應(yīng)D.鋁箔產(chǎn)生高熱的原因是熱輻射答案BC9.如圖8所示，磁電式儀表的線圈通常用鋁框做骨架，把線圈圍繞在鋁框上，這樣做的目的是()圖8A.防止渦流而設(shè)計(jì)的B.利用渦流而設(shè)計(jì)的C.起渦流制動(dòng)的作用D.起電磁驅(qū)動(dòng)的作用答案BC解析線圈通電后，在安培力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁框隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就是渦流.渦流阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，使線圈偏轉(zhuǎn)后盡快停下來.所以，這樣做的目的是利用渦流來起制動(dòng)作用.10.低頻電渦流傳感器可用來測(cè)量自動(dòng)化生產(chǎn)線上金屬板的厚度.如圖9所示，在線圈L1中通以低頻交流電，它周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，其正下方有一個(gè)與電表連接的線圈L2，金屬板置于L1、L2之間.當(dāng)線圈L1產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)透過金屬板，L2中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流.由于金屬板厚度不同，吸收電磁能量強(qiáng)弱不同，導(dǎo)致L2中感應(yīng)電流的強(qiáng)弱不同，則()圖9A.金屬板吸收電磁能量，是由于穿過金屬板的磁場(chǎng)發(fā)生變化，板中產(chǎn)生渦流B.金屬板越厚，渦流越弱C.L2中產(chǎn)生的是直流電D.L2中產(chǎn)生的是與L1中同頻率的交流