第五節(jié) 渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用

第五節(jié)渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)了解渦流現(xiàn)象及渦流的熱效應(yīng)。(2)了解電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼的概念。(3)了解渦流的磁效應(yīng)及應(yīng)用?？茖W(xué)思維通過(guò)渦流實(shí)例的分析，理解渦流在生產(chǎn)中的應(yīng)用。科學(xué)探究探究磁場(chǎng)中渦流的機(jī)械效應(yīng)，了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的原理。一、渦流現(xiàn)象

渦流的熱效應(yīng)1．渦流：由于電磁感應(yīng)，在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的__________，看起來(lái)就像水中的旋渦。2．渦流現(xiàn)象：整塊導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生_________而產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象。3．渦流的熱效應(yīng)：高頻感應(yīng)爐、電磁爐等。感應(yīng)電流電磁感應(yīng)二、渦流的機(jī)械效應(yīng)

渦流的磁效應(yīng)1．實(shí)驗(yàn)與探究(1)實(shí)驗(yàn)裝置：鋁籠置于蹄形磁鐵的兩個(gè)磁極之間，鋁籠可以繞支點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)論：讓磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，可以觀察到鋁籠也隨之同向轉(zhuǎn)動(dòng)。2．電磁驅(qū)動(dòng)(1)定義：當(dāng)磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生的______使導(dǎo)體受到安培力，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：磁性式轉(zhuǎn)速表。渦流3．電磁阻尼(1)定義：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(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______導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：磁電式電表指針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋁框中產(chǎn)生渦流，由于電磁阻尼作用，鋁框很快停止擺動(dòng)。4．渦流的磁效應(yīng)(1)概念：渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：金屬探測(cè)器。阻礙1．(1)塊狀金屬在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，能否產(chǎn)生渦流？

提示：不能。塊狀金屬在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)金屬塊的磁通量不變，所以金屬塊中不產(chǎn)生渦流。 (2)利用渦流加熱時(shí)，為什么使用高頻交流電源？

提示：渦流就是感應(yīng)電流，使用高頻交流電源，能產(chǎn)生高頻變化的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中導(dǎo)體內(nèi)的磁通量的變化更迅速，產(chǎn)生的感應(yīng)電流更大，加熱效果更好。2．磁力剎車(chē)是游樂(lè)場(chǎng)中過(guò)山車(chē)采用的一種新型剎車(chē)裝置，工作效應(yīng)比靠摩擦力剎車(chē)更穩(wěn)定，如圖為該新型裝置的原理圖(從后面朝前看)：過(guò)山車(chē)的兩側(cè)裝有銅片，停車(chē)區(qū)的軌道兩側(cè)裝有強(qiáng)力磁鐵，當(dāng)過(guò)山車(chē)進(jìn)入停車(chē)區(qū)時(shí)銅片與磁鐵的相互作用能使過(guò)山車(chē)很快停下來(lái)。這種剎車(chē)裝置的原理是什么？提示：這種剎車(chē)裝置是電磁阻尼的一種應(yīng)用。3．如圖是用渦電流金屬探測(cè)器探測(cè)地下金屬物的示意圖。判斷下列說(shuō)法的正誤。(1)探測(cè)器內(nèi)的探測(cè)線圈會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。

()(2)探測(cè)器只能探測(cè)到有磁性的金屬物。

()(3)探測(cè)器能探測(cè)到地下的金屬物是因?yàn)樘筋^中產(chǎn)生了渦電流。

()√××[答案]

D[拓展]對(duì)應(yīng)[典例]中的情境，若虛線下方的磁場(chǎng)為非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則金屬塊在曲面上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱總量是多少？/方法技巧/(1)金屬塊進(jìn)出勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生焦耳熱，損失機(jī)械能。(2)金屬塊整體在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其機(jī)械能不再損失，在磁場(chǎng)中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。(3)金屬塊整體在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬塊內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，金屬塊的機(jī)械能仍轉(zhuǎn)化為電能。[針對(duì)訓(xùn)練]1．某手持式考試金屬探測(cè)器如圖所示，它能檢查出考生違規(guī)攜帶的電子通信儲(chǔ)存設(shè)備。工作時(shí)，探測(cè)環(huán)中的發(fā)射線圈通以正弦式電流，附近的被測(cè)金屬物中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)影響探測(cè)器線圈中的電流，使探測(cè)器發(fā)出警報(bào)。則

(

)A．被測(cè)金屬物中產(chǎn)生的是恒定電流B．被測(cè)金屬物中產(chǎn)生的是交變電流C．探測(cè)器與被測(cè)金屬物相對(duì)靜止時(shí)不能發(fā)出警報(bào)D．違規(guī)攜帶的手機(jī)只有發(fā)出通信信號(hào)時(shí)才會(huì)被探測(cè)到解析：工作中的探測(cè)器靠近金屬物體時(shí)，在金屬物體中就會(huì)產(chǎn)生渦流，這種渦流是交變電流，A錯(cuò)誤，B正確；根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，探測(cè)器產(chǎn)生的是變化的磁場(chǎng)，使靠近的金屬物體產(chǎn)生渦流，探測(cè)器與被測(cè)金屬物相對(duì)靜止時(shí)也能發(fā)出警報(bào)，C錯(cuò)誤；探測(cè)器的工作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，和手機(jī)是否發(fā)出通信信號(hào)無(wú)關(guān)，D錯(cuò)誤。答案：B2．電磁爐熱效率高達(dá)90%，爐面無(wú)明火，無(wú)煙無(wú)廢氣，“火力”強(qiáng)勁，安全可靠，如圖所示是描述電磁爐工作原理的示意圖，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．當(dāng)恒定電流通過(guò)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，恒定磁場(chǎng)越強(qiáng)，電磁爐加熱效果

越好B．在鍋和電磁爐中間放一紙板，則電磁爐不能起到加熱作用C．電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要原因是這些材料的導(dǎo)熱性能較差D．電磁爐通電線圈加變化的電流后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱工作解析：鍋體中的渦流是由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的，所加的電流是變化的電流，不是恒定的電流，A錯(cuò)誤，D正確；在鍋和電磁爐中間放一紙板，不會(huì)影響電磁爐的加熱作用，B錯(cuò)誤；金屬鍋?zhàn)陨懋a(chǎn)生無(wú)數(shù)小渦流而直接加熱鍋，陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋屬于絕緣材料，里面不會(huì)產(chǎn)生渦流，C錯(cuò)誤。答案：D

3．(選自滬科版新教材課后練習(xí))強(qiáng)大的渦電流在金屬內(nèi)流動(dòng)時(shí)，會(huì)釋放大量的熱能。工業(yè)上利用這種熱效應(yīng)，制成高頻電磁感應(yīng)電爐來(lái)冶煉金屬，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。請(qǐng)分析它的工作原理。

提示：線圈中的高頻電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流——渦流，渦流產(chǎn)生熱效應(yīng)來(lái)冶煉金屬。(1)金屬框?yàn)槭裁磿?huì)運(yùn)動(dòng)？若金屬框不受阻力，將如何運(yùn)動(dòng)？(2)當(dāng)金屬框始終受到Ff＝1N的阻力時(shí)，金屬框的最大速度是多少？(3)當(dāng)金屬框始終受到Ff＝1N的阻力時(shí)，要使金屬框維持最大速度，每秒鐘需消耗多少能量？這些能量是誰(shuí)提供的？[解析]

(1)因?yàn)榇艌?chǎng)向右運(yùn)動(dòng)，金屬框相對(duì)于磁場(chǎng)向左運(yùn)動(dòng)，于是金屬框ad、bc兩邊切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)金屬框在題圖中實(shí)線位置時(shí)，由右手定則知，產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻碾娏?，金屬框受到向右的安培力作用，所以金屬框跟隨勻強(qiáng)磁場(chǎng)向右運(yùn)動(dòng)。如果金屬框處于題圖中虛線位置，則產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流，由左手定則知，金屬框所受安培力方向仍然是水平向右的，故只要兩者處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，金屬框就始終受到向右的安培力作用。金屬框開(kāi)始時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)(對(duì)地)，受安培力作用后，向右做加速運(yùn)動(dòng)，若金屬框不受阻力，當(dāng)速度增大到5m/s時(shí)，金屬框相對(duì)磁場(chǎng)靜止，做勻速運(yùn)動(dòng)。[答案]

(1)見(jiàn)解析(2)1.875m/s

(3)5J由磁場(chǎng)提供的[系統(tǒng)歸納]電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的對(duì)比分析比較項(xiàng)目電磁阻尼電磁驅(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，從而使導(dǎo)體受到安培力由于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力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(guò)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，都遵循楞次定律，都是安培力阻礙引起感應(yīng)電流的導(dǎo)體與磁場(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[針對(duì)訓(xùn)練]1．很多相同的絕緣銅圓環(huán)沿豎直方向疊放，形成一很長(zhǎng)的豎直圓筒。一條形磁鐵沿圓筒的中心軸豎直放置，其下端與圓筒上端開(kāi)口平齊。讓條形磁鐵從靜止開(kāi)始下落。條形磁鐵在圓筒中的運(yùn)動(dòng)速率

(

)A．均勻增大B．先增大，后減小C．逐漸增大，趨于不變D．先增大，再減小，最后不變解析：條形磁鐵在下落過(guò)程中，絕緣銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致條形磁鐵做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，故其速率逐漸增大，最后趨于不變，C正確，A、B、D錯(cuò)誤。答案：C

2．(多選)位于光滑水平面的小車(chē)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水平穿過(guò)，如圖所示，在此過(guò)程中

(

)A．磁鐵受到螺線管水平向右的力的作用B．磁鐵受到螺線管水平向左的力的作用C．小車(chē)向右做加速運(yùn)動(dòng)D．小車(chē)先加速后減速解析：磁鐵水平穿過(guò)螺線管時(shí)，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電磁阻尼并結(jié)合牛頓第三定律，整個(gè)過(guò)程中，磁鐵受到螺線管水平向左的力的作用，B正確；對(duì)于小車(chē)上的螺線管，在此過(guò)程中，螺線管會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電磁驅(qū)動(dòng)，使小車(chē)向右運(yùn)動(dòng)起來(lái)，在磁鐵穿過(guò)螺線管過(guò)程中，小車(chē)一直向右做加速運(yùn)動(dòng)，C正確。答案：BC一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——渦流1．(選自魯科版新教材“迷你實(shí)驗(yàn)室

”)如圖所示，在一個(gè)繞有線圈的

可拆變壓器鐵芯上面放一口小鐵鍋，鍋內(nèi)放少許水，給線圈通入一

段時(shí)間(通電時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng))的交變電流；再用玻璃杯代替小鐵鍋，

通入相同時(shí)間的交變電流。

鐵鍋和玻璃杯中的水溫變化有什么不同？為什么？解析：鐵鍋中的水溫明顯升高，因?yàn)橥ㄈ虢蛔冸娏鲿r(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是變化的，因鐵鍋是導(dǎo)體，鐵鍋中產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高，而玻璃是絕緣體，玻璃杯中無(wú)渦流產(chǎn)生，杯中水溫不變。答案：見(jiàn)解析

科學(xué)思維——對(duì)電磁阻尼的理解2．(選自魯科版新教材課后練習(xí))如圖所示，有一個(gè)銅盤(pán)，輕輕撥動(dòng)

它，能長(zhǎng)時(shí)間地繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。如果在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)把U形磁鐵放在銅

盤(pán)邊緣，但并不與銅盤(pán)接觸，則銅盤(pán)

(

)A．不受影響，和原先一樣轉(zhuǎn)動(dòng)B．很快停下來(lái)C．比原先需要更長(zhǎng)時(shí)間停下來(lái)D．比原先更快地轉(zhuǎn)動(dòng)解析：銅盤(pán)由于受到電磁阻尼的作用而很快停下來(lái)，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案：B

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——渦流在日常生活中的應(yīng)用3．(選自魯科版新教材課后練習(xí))(多選)如圖所示，電磁爐是利用感應(yīng)電流(渦流)的加熱原理工作的。下列關(guān)于電磁爐的說(shuō)法，正確的是

(

)A．電磁爐面板采用陶瓷材料，發(fā)熱部分為鐵鍋底部B．電磁爐面板采用金屬材料，通過(guò)面板發(fā)熱加熱鍋內(nèi)食品C．電磁爐可用陶瓷器皿作為鍋具對(duì)食品加熱D．可通過(guò)改變電子線路的頻率來(lái)改變電磁爐的功率解析：電磁爐面板為陶瓷材料，發(fā)熱部分為鐵鍋底部，電磁爐不能對(duì)陶瓷器皿加熱，A正確，B、C錯(cuò)誤；電流頻率越大，產(chǎn)生的渦流越強(qiáng)，D正確。答案：AD

二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．(多選)圖甲為磁控健身車(chē)，圖乙為其車(chē)輪處結(jié)構(gòu)示意圖，在金屬飛輪的外側(cè)有一些磁鐵(與飛輪不接觸)，人用力蹬車(chē)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鐵會(huì)對(duì)飛輪產(chǎn)生阻礙作用，拉動(dòng)旋鈕拉線可以改變磁鐵與飛輪間的距離。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．飛輪受到的阻力主要來(lái)源于磁鐵對(duì)它的安培力B．飛輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，磁鐵越靠近飛輪，飛輪受到的阻力越小C．磁鐵和飛輪間的距離一定時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速越大，受到的阻力越小D．磁鐵和飛輪間的距離一定時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速越大，內(nèi)部的渦流越強(qiáng)解析：根據(jù)題意，人用力蹬車(chē)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鐵會(huì)對(duì)飛輪產(chǎn)生阻礙作用，飛輪受到的阻力主要來(lái)源于磁鐵對(duì)它的安培力，A正確；飛輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，磁鐵越靠近飛輪，飛輪受到安培力越大，即阻力越大，B錯(cuò)誤；磁鐵和飛輪間的距離一定時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速越大，磁通量的變化率越大，則飛輪內(nèi)部的渦流越強(qiáng)，產(chǎn)生的安培力越大，受到的阻力越大，C錯(cuò)誤，D正確。答案：AD2．(多選)圖甲為常見(jiàn)的家用電磁爐，圖乙為電磁爐的工作原理圖。當(dāng)通以高頻交變電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)隨電流的大小和方向的變化而變化，使電磁爐上方的鐵鍋產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使其發(fā)熱。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．磁場(chǎng)變化的頻率越高，電磁爐的加熱效果越好B．由上往下看，圖乙中的線圈該時(shí)刻的電流方向?yàn)轫槙r(shí)針C．電磁爐是利用電磁感應(yīng)在鍋體中產(chǎn)生渦流來(lái)工作的D．普通陶瓷砂鍋也