教科版高中物理選修3-2學(xué)案第一章電磁感應(yīng)9渦流（選學(xué)）

學(xué)案9渦流(選學(xué))[學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]1.了解渦流是怎樣產(chǎn)生的，了解渦流現(xiàn)象在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用和危害.2.了解高頻感應(yīng)爐與電磁灶的工作原理.3.了解什么是電磁阻尼，了解電磁阻尼在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用．1．楞次定律：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化．2．根據(jù)楞次定律的擴(kuò)展含義，感應(yīng)電流所受安培力總是阻礙引起感應(yīng)電流的導(dǎo)體與磁場(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)．概括為“來(lái)拒去留”．一、渦流1．由于電磁感應(yīng)，在大塊金屬中會(huì)形成感應(yīng)電流，電流在金屬塊內(nèi)組成閉合回路，很像水的旋渦，因此叫做渦電流，簡(jiǎn)稱渦流．2．為了降低渦流的損耗，變壓器和電動(dòng)機(jī)中的鐵芯都是用許多相互絕緣的薄硅鋼片疊合而成的．二、高頻感應(yīng)爐與電磁灶1．高頻感應(yīng)爐：如圖1所示，讓高頻交流電通過(guò)線圈，就可在被冶煉的金屬內(nèi)部產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化．圖1圖22．電磁灶：如圖2所示，當(dāng)灶內(nèi)的勵(lì)磁線圈通有交變電流時(shí)，形成交變磁場(chǎng)，使鐵磁材料制成的鍋底產(chǎn)生渦流發(fā)熱．三、電磁阻尼當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力，安培力總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做電磁阻尼.一、渦流[問(wèn)題設(shè)計(jì)]在一個(gè)繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上面放一口小鐵鍋(圖3)，鍋內(nèi)放少許水，給線圈通入交變電流一段時(shí)間．再用玻璃杯代替小鐵鍋，通電時(shí)間相同．圖3請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)鐵鍋和玻璃杯中的水溫有什么不同？(2)試著解釋這種現(xiàn)象．答案(1)通電后鐵鍋中的水逐漸變熱，玻璃杯中的水溫不變化(忽略熱傳導(dǎo))．(2)線圈接入交變電流，某段時(shí)間內(nèi)，若電流變大，則其磁場(chǎng)變強(qiáng)，根據(jù)麥克斯韋理論，變化的磁場(chǎng)激發(fā)出感生電場(chǎng)，小鐵鍋(導(dǎo)體)可以看做是由許多閉合線圈組成的，在感生電場(chǎng)作用下，這些線圈中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng)電流，由于導(dǎo)體存在電阻，當(dāng)電流在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電熱使鍋中的水熱起來(lái)．而玻璃杯中雖然也會(huì)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，但沒(méi)有自由移動(dòng)的電荷故不會(huì)產(chǎn)生電流，也不會(huì)產(chǎn)生電熱，則玻璃杯中的水溫沒(méi)有變化．[要點(diǎn)提煉]1．產(chǎn)生：由于電磁感應(yīng)，在大塊金屬中會(huì)形成感應(yīng)電流，電流在金屬塊內(nèi)組成閉合回路．2．利用：高頻感應(yīng)爐，電磁灶等利用了渦流的熱效應(yīng)；安檢門(mén)、掃雷器等利用了渦流的磁效應(yīng)．3．防止：為了減少渦流對(duì)電動(dòng)機(jī)、變壓器的損害，常用電阻率較大的硅鋼做鐵芯材料，而且用互相絕緣的薄硅鋼片疊成鐵芯來(lái)代替整塊硅鋼材料．二、高頻感應(yīng)爐與電磁灶[問(wèn)題設(shè)計(jì)]請(qǐng)閱讀教材“高頻感應(yīng)爐與電磁灶”的內(nèi)容，回答下列問(wèn)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)的熱量是怎么產(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(guò)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．三、電磁阻尼[問(wèn)題設(shè)計(jì)]1．撥動(dòng)靈敏電流計(jì)指針，撥動(dòng)停止后觀察現(xiàn)象．在兩個(gè)接線柱上接上一根導(dǎo)線(短路線)，再次撥動(dòng)指針，撥動(dòng)停止后再次觀察現(xiàn)象，比較兩次觀察的現(xiàn)象有何不同？答案第一次停止撥動(dòng)后，可觀察到指針要擺動(dòng)多次，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能停止下來(lái)；第二次可發(fā)現(xiàn)指針擺幅迅速減小，比不連導(dǎo)線時(shí)擺動(dòng)的時(shí)間短得多．2．兩次觀察到不同的現(xiàn)象，是什么原因造成的？答案這是由于與指針相連的線圈在磁場(chǎng)中擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了渦流，線圈受到的安培力總是阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，使指針擺幅迅速衰減，這樣能起到阻尼保護(hù)的作用．[要點(diǎn)提煉]1．電磁阻尼：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，安培力總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼．2．應(yīng)用：磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針迅速停下來(lái)，便于讀數(shù)．一、對(duì)渦流的理解例1下列關(guān)于渦流的說(shuō)法中正確的是()A．渦流跟平時(shí)常見(jiàn)的感應(yīng)電流一樣，都是因?yàn)榇┻^(guò)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(méi)有磁效應(yīng)D．在硅鋼中不能產(chǎn)生渦流解析渦流的本質(zhì)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，只不過(guò)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．答案A二、渦流熱效應(yīng)的應(yīng)用例2電磁爐采用感應(yīng)電流(渦流)的加熱原理，是通過(guò)電子線路產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，把鐵鍋放在爐面上時(shí)，在鐵鍋底部產(chǎn)生交變的電流，它具有升溫快、效率高、體積小、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，下列關(guān)于電磁爐的說(shuō)法正確的是()A．電磁爐面板可采用陶瓷材料，發(fā)熱部分為鐵鍋底部B．電磁爐可以用陶瓷器皿作為鍋具對(duì)食品加熱C．可以通過(guò)改變電子線路的頻率來(lái)改變電磁爐的功率D．電磁爐面板可采用金屬材料，通過(guò)面板發(fā)熱加熱鍋內(nèi)食品解析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，發(fā)熱部分為鐵鍋底部，故A正確，B錯(cuò)誤；鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場(chǎng)變化的頻率有關(guān)，故C正確；電磁爐產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，導(dǎo)致鍋底出現(xiàn)渦流，從而產(chǎn)生熱量，故D錯(cuò)誤；故選A、C.答案AC三、對(duì)電磁阻尼的理解例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4所示．現(xiàn)有銅、鋁和有機(jī)玻璃制成的滑塊甲、乙、丙，使它們從導(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(guò)程中()圖4A．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)解析甲、乙向磁鐵靠近時(shí)要產(chǎn)生渦流，受電磁阻尼作用，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)．答案C針對(duì)訓(xùn)練位于光滑水平面上的小車上放置一螺線管，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v水平穿過(guò)，如圖5所示，在此過(guò)程中()圖5A．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．小車先加速后減速答案BC解析磁鐵水平穿入螺線管時(shí)，管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律知該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用力阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)．同理，磁鐵穿出時(shí)該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用力也阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)，故整個(gè)過(guò)程中，磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)，B項(xiàng)對(duì)．而對(duì)于小車上的螺線管來(lái)說(shuō)，在此過(guò)程中，螺線管受到的安培力都是水平向右，這個(gè)安培力使小車向右運(yùn)動(dòng)，且一直做加速運(yùn)動(dòng)，C項(xiàng)對(duì)．1．(渦流的理解)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．把金屬塊放在變化的磁場(chǎng)中答案D解析渦流就是整個(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(guò)金屬塊的磁通量發(fā)生變化．而A、B、C中磁通量不變化，所以A、B、C錯(cuò)誤；把金屬塊放在變化的磁場(chǎng)中時(shí)，穿過(guò)金屬塊的磁通量發(fā)生了變化，有渦流產(chǎn)生，所以D正確．2．(對(duì)渦流熱效應(yīng)的應(yīng)用)熔化金屬的一種方法是用“高頻爐”，它的主要部件是一個(gè)銅制線圈，線圈中有一坩堝，堝內(nèi)放待熔的金屬塊，當(dāng)線圈中通以高頻交流電時(shí)，堝中金屬就可以熔化，這是因?yàn)?)A．線圈中的高頻交流電通過(guò)線圈電阻，產(chǎn)生焦耳熱B．線圈中的高頻交流電產(chǎn)生高頻微波輻射，深入到金屬內(nèi)部，產(chǎn)生焦耳熱C．線圈中的高頻交流電在坩堝中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)坩堝電阻產(chǎn)生焦耳熱D．線圈中的高頻交流電在金屬塊中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)金屬塊電阻產(chǎn)生焦耳熱答案D解析高頻交流電通過(guò)線圈，從而產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，使得處于電磁場(chǎng)的金屬塊產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確．3．(電磁阻尼的理解與應(yīng)用)如圖6所示，條形磁鐵從高h(yuǎn)處自由下落，中途穿過(guò)一個(gè)固定的空心線圈，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，條形磁鐵落地用時(shí)t1，落地時(shí)速度為v1；開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，條形磁鐵落地用時(shí)t2，落地時(shí)速度為v2.則它們的大小關(guān)系正確的是()圖6A．t1＞t2，v1＞v2 B．t1＝t2，v1＝v2C．t1＜t2，v1＜v2 D．t1＜t2，v1＞v2答案D解析開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，線圈中無(wú)感應(yīng)電流，對(duì)磁鐵無(wú)阻礙作用，故磁鐵自由下落，a＝g；當(dāng)S閉合時(shí)，線圈中有感應(yīng)電流，對(duì)磁鐵有阻礙作用，故a＜g.所以t1＜t2，v1＞v2.4．(對(duì)渦流的防止)變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成的，而不是采用一整塊硅鋼，這是為了()A．增大渦流，提高變壓器的效率B．減小渦流，提高變壓器的效率C．增大鐵芯中的電阻，以產(chǎn)生更多的熱量D．增大鐵芯中的電阻，以減小發(fā)熱量答案BD解析不使用整塊硅鋼而是采用很薄的硅鋼片，這樣做的目的是增大鐵芯中的電阻，減少電能轉(zhuǎn)化成鐵芯的內(nèi)能，提高效率，而且是為了防止渦流而采取的措施．題組一渦流的理解與應(yīng)用1．下列儀器是利用渦流工作的有()A．電磁爐 B．微波爐C．金屬探測(cè)器 D．真空冶煉爐答案ACD2.高頻感應(yīng)爐是用來(lái)熔化金屬對(duì)其進(jìn)行冶煉的，如圖1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，因此適于冶煉特種金屬．那么該爐的加熱原理是()圖1A．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C3．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(shuō)法正確的是()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(lái)烹飪食物D．電磁爐的上表面一般都用金屬材料制成，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成鍋體，故C錯(cuò)誤；電磁爐產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，導(dǎo)致加熱鍋底出現(xiàn)渦流，從而產(chǎn)生熱量而不是靠熱傳遞，D錯(cuò)誤．4．安檢門(mén)是一個(gè)用于安全檢查的“門(mén)”，“門(mén)框”內(nèi)有線圈，線圈里通有交變電流，交變電流在“門(mén)”內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬物品通過(guò)“門(mén)”時(shí)能產(chǎn)生渦流，渦流的磁場(chǎng)又反過(guò)來(lái)影響線圈中的電流，從而引起報(bào)警．以下關(guān)于這個(gè)安檢門(mén)的說(shuō)法正確的是()A．這個(gè)安檢門(mén)也能檢查出毒品攜帶者B．這個(gè)安檢門(mén)只能檢查出金屬物品攜帶者C．如果這個(gè)“門(mén)框”的線圈中通上恒定電流，也能檢查出金屬物品攜帶者D．這個(gè)安檢門(mén)工作時(shí)，既利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，又利用了電流的磁效應(yīng)答案BD解析這個(gè)安檢門(mén)是利用渦流工作的，因而只能檢查出金屬物品攜帶者，A錯(cuò)，B對(duì)．若“門(mén)框”的線圈中通上恒定電流，只能產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，它不能使塊狀金屬產(chǎn)生渦流，因而不能檢查出金屬物品攜帶者，C錯(cuò)．安檢門(mén)工作時(shí)，既利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，又利用了電流的磁效應(yīng)，D對(duì)．5.如圖2所示是高頻焊接原理示意圖．線圈中通以高頻變化的電流時(shí)，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過(guò)焊縫產(chǎn)生大量熱，將金屬熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分發(fā)熱很少，以下說(shuō)法正確的是()圖2A．電流變化的頻率越高，焊縫處的溫度升高的越快B．電流變化的頻率越低，焊縫處的溫度升高的越快C．工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p處的電阻小D．工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大答案AD解析交流電頻率越高，則產(chǎn)生的感應(yīng)電流越強(qiáng)，升溫越快，故A項(xiàng)對(duì)．工件上各處電流相同，電阻大處產(chǎn)生的熱量多，故D項(xiàng)對(duì)．6.光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖3所示，拋物線的方程是y＝x2，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(圖中的虛線所示)，一個(gè)小金屬塊從拋物線上y＝b(b＞a)處以初速度v沿拋物線下滑．假設(shè)拋物線足夠長(zhǎng)，金屬塊沿拋物線下滑后產(chǎn)生的焦耳熱總量是()圖3A．mgb B.eq\f(1,2)mv2C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2答案D解析金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，損失機(jī)械能而使金屬塊所能達(dá)到的最高位置越來(lái)越低，當(dāng)金屬塊所能達(dá)到的最高位置為y＝a時(shí)，金屬塊不再進(jìn)出磁場(chǎng)，不再產(chǎn)生焦耳熱．金屬塊的機(jī)械能不再損失，而在磁場(chǎng)中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)．由于金屬塊減少的動(dòng)能和重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以Q＝|ΔEp＋ΔEk|＝mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2.題組二對(duì)電磁阻尼的理解與應(yīng)用7．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()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)，