2017-2018學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 第7節(jié) 渦流（選學(xué)）教學(xué)案 教科版選修3-2

1、第7節(jié) 渦_流(選學(xué))1.把金屬塊放入變化的磁場中，由于電磁感應(yīng)，在金屬塊中產(chǎn)生的感應(yīng)電流叫做渦流。由于金屬塊的電阻一般很小，因此渦流的熱功率較大。2在日常生活中要防止有害渦流，如變壓器鐵芯中的渦流會使鐵芯溫度升高，縮短線圈絕緣材料的壽命；還要利用有益渦流，如高頻感應(yīng)爐冶煉金屬，利用電磁灶來烹飪。3導(dǎo)體在磁場中運動時，導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，總是阻礙導(dǎo)體的運動，即電磁阻尼。一、渦流1渦流的概念由于電磁感應(yīng)，在整塊金屬導(dǎo)體內(nèi)部會形成感應(yīng)電流，電流在金屬塊內(nèi)組成閉合回路，很像水的旋渦，如圖171所示。圖1712特點整塊金屬的電阻很小，渦流往往很大。3渦流的危害(1)渦流在金屬塊內(nèi)部

2、釋放出大量的焦耳熱，會使鐵芯溫度升高，縮短線圈絕緣材料的壽命。(2)渦流的熱效應(yīng)會消耗能量，使變壓器、電動機的效率降低。4渦流危害的防止為了降低渦流造成的損耗，將鐵芯用相互絕緣的薄硅鋼片疊合而成，減小回路的橫截面積，增大回路電阻，從而減弱渦流。二、渦流的應(yīng)用1高頻感應(yīng)爐冶煉金屬(1)原理：渦流感應(yīng)加熱。(2)優(yōu)點非接觸式加熱，熱源和受熱物體可以不直接接觸。加熱效率高，速度快，可以減小表面氧化現(xiàn)象。容易控制溫度，提高加工精度?？蓪崿F(xiàn)局部加熱?？蓪崿F(xiàn)自動化控制?？蓽p少占地、熱輻射、噪聲和灰塵。2電磁灶(1)原理：磁場感應(yīng)渦流加熱。(2)優(yōu)點通過鍋底渦流發(fā)熱，不存在能量傳遞過程中的損耗，熱效率高。鍋

3、直接發(fā)熱，無明火和炊煙、清潔、安全。功能多。3電磁阻尼(1)原理：導(dǎo)體相對于磁場運動，在導(dǎo)體中激起渦流，渦流與磁場相互作用產(chǎn)生一個動態(tài)阻尼力阻礙導(dǎo)體的運動。(2)應(yīng)用：電表的阻尼制動、高速機車制動的渦流閘等。4電磁驅(qū)動(1)概念如果磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運動起來，這種作用常稱為電磁驅(qū)動。(2)電磁驅(qū)動的原理如圖172所示，當轉(zhuǎn)動蹄形磁鐵時，穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，例如線圈處于圖中所示的初始狀態(tài)時，穿過線圈的磁通量為零，蹄形磁鐵一轉(zhuǎn)動，穿過線圈的磁通量就增加了，根據(jù)楞次定律，此時線圈中就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生，以阻礙磁通量的增加，感應(yīng)

4、電流使線圈受到安培力的作用，因而線圈會跟著一起轉(zhuǎn)動起來。圖172說明線圈轉(zhuǎn)動方向與磁鐵轉(zhuǎn)動方向相同，但轉(zhuǎn)速一定小于磁鐵的轉(zhuǎn)速，即同向異步。(3)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動機。1自主思考判一判(1)渦流跟平時常見的感應(yīng)電流一樣，都是因為穿過導(dǎo)體的磁通量變化而產(chǎn)生的。()(2)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。()(3)導(dǎo)體中有渦流時，導(dǎo)體本身會產(chǎn)熱。()(4)利用渦流制成的探雷器可以探出“石雷”。()(5)電磁阻尼發(fā)生的過程中，存在機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。()2合作探究議一議(1)產(chǎn)生渦流的條件是什么？提示：渦流的本質(zhì)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生渦流的條件是穿過導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，并且導(dǎo)體本身可

5、自行構(gòu)成閉合回路。(2)渦流現(xiàn)象中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？提示：伴隨著渦流現(xiàn)象，其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。如果金屬塊放在了變化的磁場中，則磁場能轉(zhuǎn)化為電能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；如果金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(3)用導(dǎo)線把微安表的兩個接線柱連在一起后，晃動微安表時，表針擺動的幅度為什么比沒連接接線柱時的??？提示：晃動微安表時，線圈在磁場中切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當兩個接線柱連在一起后，形成了閉合電路，產(chǎn)生了感應(yīng)電流從而阻礙表針的相對運動，即發(fā)生電磁阻尼現(xiàn)象。 對渦流的理解及應(yīng)用1影響渦流大小的因素(1)導(dǎo)體的

6、外周長。(2)交變磁場的頻率。2對渦流的理解(1)本質(zhì)：電磁感應(yīng)現(xiàn)象。(2)產(chǎn)生渦流的兩種情況及對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化塊狀金屬放在變化的磁場中：磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動：由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。典例如圖173所示，上下開口、內(nèi)壁光滑的銅管P和塑料管Q豎直放置。小磁塊先后在兩管中從相同高度處由靜止釋放，并落至底部。則小磁塊()圖173A在P和Q中都做自由落體運動B在兩個下落過程中的機械能都守恒C在P中的下落時間比在Q中的長D落至底部時在P中的速度比在Q中的大解析小磁塊從銅管P中下落時，P中的磁通量發(fā)生變化，P中產(chǎn)生感應(yīng)電

7、流，給小磁塊一個向上的磁場力，阻礙小磁塊向下運動，因此小磁塊在P中不是做自由落體運動，而塑料管Q中不會產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，因此Q中小磁塊做自由落體運動，A項錯誤；P中的小磁塊受到的磁場力對小磁塊做負功，機械能不守恒，B項錯誤；由于在P中小磁塊下落的加速度小于g，而Q中小磁塊做自由落體運動，因此從靜止開始下落相同高度，在P中下落的時間比在Q中下落的時間長，C項正確；根據(jù)動能定理可知，落到底部時在P中的速度比在Q中的速度小，D項錯誤。答案C分析渦流問題的思路渦流的實質(zhì)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所以渦流問題的分析思路仍然是用楞次定律解決動力學(xué)問題，用功能關(guān)系解決能量問題。 1(多選)變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊

8、壓而成，而不采用一整塊硅鋼，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增大渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量D減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量解析：選BD渦流的主要效應(yīng)之一就是發(fā)熱，而變壓器的鐵芯發(fā)熱，是我們不希望出現(xiàn)的。所以不采用整塊硅鋼，而采用薄硅鋼片疊壓在一起，目的就是減小渦流，從而減小鐵芯的發(fā)熱量，進而提高變壓器的效率。B、D對。2如圖174所示，在光滑水平桌面上放一條形磁鐵，分別將大小相同的鐵球、鋁球和木球放在磁鐵的一端且給它一個初速度，讓其向磁鐵滾去，觀察小球的運動情況()圖174A都做勻速運動B鐵球、鋁球都做減速運動C鐵球做加速運動，鋁球做減速運動D鋁球、木球做勻速運動

9、解析：選C鐵球靠近磁鐵時被磁化，與磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引的作用力，故鐵球?qū)⒓铀龠\動；鋁球向磁鐵靠近時，穿過它的磁通量發(fā)生變化，因此在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場對原磁場的變化起阻礙作用，所以鋁球向磁鐵運動時會受阻礙而減速；木球為非金屬，既不能被磁化，也不產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，所以磁鐵對木球不產(chǎn)生力的作用，木球?qū)⒆鰟蛩龠\動。綜上所述，C項正確。3(多選)圖175所示是高頻焊接原理的示意圖。當線圈中通以高頻電流時，待焊接的金屬工件中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過焊縫處時產(chǎn)生大量的熱，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。下列說法正確的是()圖175A電流變化的頻率越高，焊縫處的溫度升高

10、得越快B電流變化的頻率越低，焊縫處的溫度升高得越快C工件上只有焊縫處溫度很高是因為焊縫處的電阻小D工件上只有焊縫處溫度很高是因為焊縫處的電阻大解析：選AD線圈中通以高頻電流時，待焊接的金屬工件中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的大小與感應(yīng)電動勢有關(guān)，高頻電流變化的頻率越高，感應(yīng)電動勢越大，感應(yīng)電流越大，結(jié)合焦耳定律可知，選項A正確，B錯誤。工件上焊縫處的電阻大，所以感應(yīng)電流通過時產(chǎn)生的熱量多，選項C錯誤，D正確。電磁阻尼與電磁驅(qū)動典例彈簧上端固定，下端懸掛一根磁鐵。將磁鐵托到某一高度后放開，磁鐵要振動較長一段時間才停下來。如果在磁鐵下端放一個固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動時穿過它(如圖176所示)，

11、磁鐵就會很快停下來。解釋這個現(xiàn)象，并說明此現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化情況。圖176思路點撥解析當磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場會阻礙磁鐵和線圈靠近或離開，也就是磁鐵振動時除了受空氣阻力外，還有線圈給它的阻力，克服阻力需要做的功增多，振動時機械能的損失變快，因而會很快停下來。機械能的轉(zhuǎn)化情況可表示如下：答案見解析電磁阻尼和電磁驅(qū)動的比較電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點成因由導(dǎo)體在磁場中運動形成由磁場運動形成效果安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相反，為阻力安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相同，為動力能量轉(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)能磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力

12、做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機械能相同點兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體受到的安培力都是阻礙導(dǎo)體與磁場的相對運動1(多選)1824年，法國科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”。實驗中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖177所示。實驗中發(fā)現(xiàn)，當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動起來，但略有滯后。下列說法正確的是()圖177A圓盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢B圓盤內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動C在圓盤轉(zhuǎn)動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發(fā)生了變化D圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動解析：選AB當圓盤轉(zhuǎn)動時

13、，圓盤的半徑切割磁針產(chǎn)生的磁場的磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，選項A正確；如圖所示，銅圓盤上存在許多小的閉合回路，當圓盤轉(zhuǎn)動時，穿過小的閉合回路的磁通量發(fā)生變化，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流阻礙其相對運動，但抗拒不了相對運動，故磁針會隨圓盤一起轉(zhuǎn)動，但略有滯后，選項B正確；在圓盤轉(zhuǎn)動過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量始終為零，選項C錯誤；圓盤呈電中性，不會形成環(huán)形電流，選項D錯誤。2.如圖178所示，光滑水平絕緣面上有兩個金屬環(huán)靜止在平面上，環(huán)1豎直，環(huán)2水平放置，均處于中間分割線上，在平面中間分割線正上方有一條形磁鐵，當磁鐵沿中間分割線向右運動時，下列說法正確的是()圖178A兩

14、環(huán)都向右運動B兩環(huán)都向左運動C環(huán)1靜止，環(huán)2向右運動D兩環(huán)都靜止解析：選C條形磁鐵向右運動時，環(huán)1中磁通量保持為零不變，無感應(yīng)電流，仍靜止；環(huán)2中磁通量變化，根據(jù)楞次定律，為阻礙磁通量的變化，感應(yīng)電流的效果使環(huán)2向右運動。3(多選)位于光滑水平面的小車上水平固定一螺線管，一個比螺線管長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179所示，在此過程中()圖179A磁鐵做勻速直線運動B磁鐵做減速運動C小車向右做加速運動D小車先加速后減速解析：選BC磁鐵水平穿入螺線管時，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動；同理，磁鐵穿出時，由楞次定律可知產(chǎn)生

15、的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運動，故整個過程中，磁鐵做減速運動，選項A錯誤，B正確。對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，這個安培力使螺線管和小車向右運動，且一直做加速運動，選項C正確，D錯誤。1下列應(yīng)用哪些與渦流無關(guān)()A高頻感應(yīng)冶煉爐B汽車的電磁式速度表C家用電表D閉合線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動，切割磁感線產(chǎn)生的電流解析：選D真空冶煉爐，爐外線圈通入交變電流，使爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生渦流；汽車速度表是磁電式電流表，指針擺動時，鋁框骨架中產(chǎn)生渦流；家用電表(轉(zhuǎn)盤式)的轉(zhuǎn)盤中會有渦流產(chǎn)生；閉合線圈在磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的感應(yīng)電流，不同于渦流，選項D錯誤。2(多選)如圖1所示，磁電式儀表的線圈通

16、常是用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框上，這樣做的目的是()圖1A防止渦流而設(shè)計的B利用渦流而設(shè)計的C起電磁阻尼的作用 D起電磁驅(qū)動的作用解析：選BC線圈通電后在安培力作用下轉(zhuǎn)動，鋁框隨之轉(zhuǎn)動，在鋁框內(nèi)產(chǎn)生渦流。渦流將阻礙線圈的轉(zhuǎn)動，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.如圖2所示，條形磁鐵用細線懸掛在O點。O點正下方固定一個水平放置的鋁線圈。讓磁鐵在豎直面內(nèi)擺動，下列說法中正確的是()圖2A磁鐵左右擺動一次，線圈內(nèi)感應(yīng)電流的方向改變2次B磁鐵始終受到感應(yīng)電流磁場的斥力作用C磁鐵所受到的感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力D磁鐵所受到的感應(yīng)電流對它的作用力有時是阻力，有時是動力解

17、析：選C磁鐵向下擺動時，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生逆時針方向的感應(yīng)電流(從上面看)，并且磁鐵受到感應(yīng)電流對它的作用力為阻力，阻礙它靠近；磁鐵向上擺動時，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生順時針方向的感應(yīng)電流(從上面看)，磁鐵受感應(yīng)電流對它的作用力仍為阻力，阻礙它遠離，所以磁鐵在左右擺動一次過程中，電流方向改變3次，感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力，只有C項正確。4(多選)如圖3所示，是電表中的指針和電磁阻尼器，下列說法中正確的是()圖3A2是磁鐵，在1中產(chǎn)生渦流B1是磁鐵，在2中產(chǎn)生渦流C該裝置的作用是使指針能夠轉(zhuǎn)動D該裝置的作用是使指針能很快地穩(wěn)定解析：選AD1在2中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流受到安培力作

18、用阻礙1的轉(zhuǎn)動，A、D對。5. (多選)一塊銅片置于如圖4所示的磁場中，如果用力把這塊銅片從磁場拉出或把它進一步推入，在這兩個過程中，有關(guān)磁場對銅片的作用力，下列敘述正確的是()圖4A拉出時受到阻力B推入時受到阻力C拉出時不受磁場力D推入時不受磁場力解析：選AB對于銅片，無論是拉出還是推入的過程中，銅片內(nèi)均產(chǎn)生渦流，外力都要克服安培力做功，所以，選項A、B正確。6.如圖5所示，一條形磁鐵從高h處自由下落，途中穿過一個固定的空心線圈。當K斷開時，磁鐵落地所用的時間為t1，落地時的速度為v1；當K閉合時，磁鐵落地所用的時間為t2，落地時的速度為v2，則它們的大小關(guān)系為()圖5At1t2，v1v2

19、Bt1t2，v1v2Ct1t2，v1v2 Dt1v2解析：選D當K斷開時，線圈中沒有感應(yīng)電流，磁鐵做自由落體運動，磁鐵下落的加速度a1g；當K閉合時，磁鐵在穿過線圈時，線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，對磁鐵的運動產(chǎn)生阻礙作用，故此時磁鐵下落的加速度a2g，根據(jù)運動學(xué)規(guī)律可知t1v2，故選項D正確。7.如圖6所示，在光滑的水平面上有一個鋁質(zhì)金屬球，以速度v0向一個有界的勻強磁場運動，勻強磁場方向垂直于紙面向里，從金屬球剛開始進入磁場到全部穿出磁場的過程中(磁場的寬度大于金屬球的直徑)，則金屬球()圖6A整個過程中做勻速運動B進入磁場過程做減速運動，穿出磁場過程做加速運動C整個過程中做勻減速運動D穿出時的速

20、度一定小于進入時的速度解析：選D金屬球在進入、穿出磁場的過程中均有渦流產(chǎn)生，金屬球都要受到阻力作用，該過程中做減速運動；金屬球在完全進入磁場到未開始穿出磁場的過程中，金屬球中無渦流產(chǎn)生，此過程中做勻速運動。故選項D正確。8. (多選)如圖7所示，半圓形曲面處于磁場中，光滑金屬球從高h的曲面滾下，又沿曲面的另一側(cè)上升，設(shè)金屬球初速度為零，曲面光滑，則()圖7A若是勻強磁場，球滾上的高度小于hB若是勻強磁場，球滾上的高度等于hC若是非勻強磁場，球滾上的高度等于hD若是非勻強磁場，球滾上的高度小于h解析：選BD若是勻強磁場，則穿過球的磁通量不發(fā)生變化，球中無渦流，機械能沒有損失，故球滾上的高度等于h

21、，選項A錯B對；若是非勻強磁場，則穿過球的磁通量發(fā)生變化，球中有渦流產(chǎn)生，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故球滾上的最高高度小于h，選項C錯D對。9. (多選)如圖8所示，在O點正下方有一個具有理想邊界的方形磁場，銅球在A點由靜止釋放，向右擺到最高點B，不考慮空氣及摩擦阻力，則下列說法正確的是()圖8AA、B兩點在同一水平面上BA點高于B點CA點低于B點D銅球最終將做等幅擺動解析：選BD銅球在進入和穿出磁場的過程中，穿過金屬球的磁通量發(fā)生變化，球中產(chǎn)生渦流，進而產(chǎn)生焦耳熱，因此球的機械能減少，故A點高于B點。銅球的擺角會越來越小，最終出不了磁場，而在磁場內(nèi)做等幅擺動。10.光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，

22、如圖9所示，該拋物線的方程是yx2，其下半部處在一個水平方向的勻強磁場中，磁場的上邊界是ya的直線(圖中虛線所示)，一個小金屬環(huán)從拋物線上yb(ba)處以速度v沿拋物線下滑，假設(shè)拋物線足夠長，金屬環(huán)沿拋物線下滑后產(chǎn)生的總熱量為()圖9Amgb B.mv2Cmg(ba) Dmg(ba)mv2解析：選D小金屬環(huán)進入和離開磁場時，磁通量會發(fā)生變化，并產(chǎn)生感應(yīng)電流，小金屬環(huán)的一部分機械能轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)能；當小金屬環(huán)全部進入磁場后，不產(chǎn)生感應(yīng)電流，機械能守恒。最終小金屬環(huán)在磁場中沿曲面做往復(fù)運動，由能量守恒定律可得產(chǎn)生的總熱量等于小金屬環(huán)減少的機械能。即：Qmg(ba)mv2。選項D正確。11.如圖10

23、所示，質(zhì)量為m100 g的鋁環(huán)，用細線懸掛起來，環(huán)中心距地面的高度h0.8 m?，F(xiàn)有一質(zhì)量為M200 g的小磁鐵(長度可忽略)，以v010 m/s的水平速度射入并穿過鋁環(huán)，落地點與鋁環(huán)原位置的水平距離為x3.6 m，小磁鐵穿過鋁環(huán)后的運動看作平拋運動。圖10(1)小磁鐵與鋁環(huán)發(fā)生相互作用時鋁環(huán)向哪邊偏斜？(2)若鋁環(huán)在小磁鐵穿過后的速度為v2 m/s，在小磁鐵穿過鋁環(huán)的整個過程中，鋁環(huán)中產(chǎn)生了多少電能？(g取10 m/s2)解析：(1)由楞次定律可知，當小磁鐵向右運動時，鋁環(huán)向右偏斜(阻礙相對運動)。(2)由磁鐵穿過鋁環(huán)飛行的水平距離可求出穿過鋁環(huán)后磁鐵的速度v m/s9 m/s由能量守恒可得W電Mv02Mv2mv21.7