新教材同步系列2024春高中物理第2章电磁感应第5节涡流现象及其应用教师用书粤教版选择性必修第二册

第五节涡流现象及其应用1．相识什么是涡流，理解涡流的成因及本质。2．了解涡流加热、涡流制动、涡流探测在生产、生活和科技中的应用。3．了解在生产、生活中避开或削减涡流的方法。学问点一涡流现象1．涡流：整块导体内部因发生电磁感应而产生旋涡状的感应电流。2．影响涡流大小的因素：导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。学问点二涡流现象的应用1．涡流的热效应(1)电磁炉：电磁炉是涡流现象在生活中的应用，采纳了磁场感应涡流的加热原理。(2)高频感应炉：在感应炉中，有产生高频交变电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，其工作原理也是涡流加热。2．涡流的机械效应(1)电磁驱动：当磁场相对导体运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，安培力使导体运动起来的现象。(2)电磁阻尼：当导体相对磁场运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，并且安培力总是阻碍导体的运动。3．涡流的磁效应涡流探测：通有交变电流的探测线圈，产生交变磁场，当靠近金属物时，在金属物中激起涡流，隐藏金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，变更通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物。1．思索推断(正确的画“√”，错误的画“×”)(1)涡流有热效应，但没有磁效应。 (×)(2)把金属块放在变更的磁场中可产生涡流。 (√)(3)涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特别电流。 (×)(4)金属探测器是利用涡流现象。 (√)(5)电表线圈用铝框作线圈骨架不是利用涡流现象。 (×)2．如图所示，金属球(铜球)下端有通电的线圈，今把小球拉离平衡位置后释放，此后关于小球的运动状况是(不计空气阻力)()A．做等幅振动B．做阻尼振动C．振幅不断增大D．无法判定B[小球在通电线圈磁场中运动，小球中产生涡流，故小球要受到安培力作用阻碍它的相对运动，做阻尼振动，故振幅越来越小，A、C、D错误，B正确。]3．下列做法中可能产生涡流的是()A．把金属块放在匀强磁场中B．让金属块在匀强磁场中做匀速直线运动C．让金属块在匀强磁场中做匀变速直线运动D．把金属块放在变更的磁场中D[涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变更。而A、B、C中穿过金属块的磁通量不变更，所以A、B、C错误；把金属块放在变更的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变更，有涡流产生，所以D正确。]1．如图，将通有变更电流的导线绕在铁块上。(1)请问铁块中有感应电流吗？假如有，它的形态像什么？(2)在上述过程中伴随着哪些能量转化？提示：(1)有。变更的电流产生变更的磁场，依据楞次定律可知铁块中产生感应电流，它的形态像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。(2)导线电能转化为磁场能，磁场能转化为铁块中电能，最终转化为内能。2．一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO′轴转动。当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动，当磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动。试分析线圈转动起来的动力是什么力？线圈的转动速度与磁铁的转动速度相同吗？提示：线圈内产生感应电流受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来。线圈的转速小于磁铁的转速。对涡流的理解1．对涡流的理解本质电磁感应现象条件穿过金属块的磁通量发生变更，并且金属块本身可自行构成闭合回路特点整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大，发热功率很大2．能量转化伴随着涡流现象，常见以下两种能量转化。(1)假如金属块放在了变更的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；(2)假如是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能。3．涡流的应用与防治(1)应用：高频感应炉、金属探测器、安检门等。(2)防治：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。【典例1】(多选)如图所示为用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，将金属材料置于冶炼炉中，当线圈中通以电流时用感应加热的方法使炉内金属发热。下列说法中正确的是()A．线圈中通以恒定电流，金属材料中也能产生感应电流B．线圈中通以随时间变更的电流，在金属材料中会产生感应电流C．感应加热是利用金属材料中的涡流冶炼金属的D．感应加热是利用线圈电阻产生的焦耳热冶炼金属的BC[通过线圈的电流是随时间变更的电流，从而在金属材料中产生感应电流，故A选项错误，B选项正确；炉内金属中会产生感应电流，这种电流叫涡流，感应加热是利用金属材料中的涡流冶炼金属的，故C选项正确；炉内金属中会产生涡流，金属中的自由电子在涡流产生的电场中高速运动，受到阻碍从而产生热量，故D选项错误。]涡流现象的分析方法(1)涡流是整块导体中发生的电磁感应现象，分析涡流一般运用楞次定律和法拉第电磁感应定律。(2)导体内部可以等效为很多闭合电路。(3)导体内部发热的原理是电流的热效应。[跟进训练]1．电磁炉是利用电磁感应原理加热食物的，下列关于电磁炉的说法正确的是()A．电磁炉内部产生了感应电流B．电磁炉可以加热陶瓷锅内的食物C．电磁炉只能加热铁锅内的食物D．电磁炉加热食物利用了电流的热效应D[电磁炉是在金属锅体内产生感应电流而产生热的，电磁炉内部不产生感应电流；陶瓷锅内不能产生感应电流，就不会产生热，因此不行以加热陶瓷锅内的食物，A、B错误；只要是属于金属锅底的锅都可以用电磁炉加热锅内的食物，只是铁锅加热的效果会更好些，C错误；电磁炉是在金属锅体内产生大量涡流而产生的热来加热食物的，是利用了电流的热效应，D正确。]电磁阻尼与电磁驱动电磁阻尼与电磁驱动的比较比较项电磁阻尼电磁驱动不同点成因由于导体在磁场中运动而产生感应电流由于磁场运动引起磁通量的变更而产生感应电流效果安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动能量转化导体克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能由于电磁感应，磁场能转化为电能，通过安培力做功，电能转化为导体的机械能，从而对外做功相同点两者都是电磁感应现象【典例2】如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以自由绕OO′轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接触，当磁铁绕轴转动时，铜盘将()A．以相同的转速与磁铁同向转动B．以较小的转速与磁铁同向转动C．以相同的转速与磁铁反向转动D．静止不动[思路点拨]①磁铁转动时，铜盘中会产生涡流。②由楞次定律可分析铜盘的转动。B[因磁铁的转动，引起铜盘中磁通量发生变更而产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用是阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，铜盘中能产生电流的条件必需是磁通量发生变更。故铜盘转动方向与磁铁相同而转速较小，不能与磁铁同速转动，所以正确选项是B。]对电磁阻尼和电磁驱动的理解(1)电磁阻尼是感应电流所受的安培力对导体做负功，阻碍导体运动；而电磁驱动是感应电流所受的安培力对导体做正功，推动导体的运动。(2)在两种状况下，安培力均是阻碍导体与磁场之间的相对运动。(3)在电磁驱动中，主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度)。(4)电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象，均可以依据楞次定律和左手定则分析导体的受力状况。[跟进训练]2．如图所示，用丝线悬挂闭合金属环，悬于O点，第一种状况是虚线左边有匀强磁场，右边没有磁场。其次种状况是整个空间都有向外的匀强磁场，金属环的摇摆状况是()A．两种状况都经过相同的时间停下来B．第一种状况先停下来C．其次种状况先停下来D．无法确定B[只有左边有匀强磁场，金属环在穿越磁场边界时，由于磁通量发生变更，环内肯定会有感应电流产生，依据楞次定律可知将会阻碍相对运动，所以摇摆会很快停下来，这就是电磁阻尼现象。也可以用能量守恒来说明，既然有电流产生，就肯定有一部分机械能向电能转化，最终电能通过导体转化为内能。若空间都有匀强磁场，穿过金属环的磁通量不变更，因此不产生感应电流，也就不会阻碍相对运动，摇摆就不会很快停下来。故选B。]1．(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠加而成的，而不是采纳一整块硅钢，这是为了()A．增大涡流B．减小涡流C．产生更多的热量D．减小发热量BD[涡流能使导体发热。变压器的铁芯是相互绝缘的硅钢片叠加而成的，从而降低涡流强度，削减能量损耗，提高变压器的效率。]2．(多选)如图所示，磁电式仪表的线圈通常是用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是()A．防止涡流而设计的B．利用涡流而设计的C．起电磁阻尼的作用D．起电磁驱动的作用BC[线圈通电后在安培力作用下转动，铝框随之转动，在铝框内产生涡流，涡流将阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用。]3．(多选)位于光滑水平面的小车上水平固定一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v0穿入螺线管，并最终穿出，不计重力，如图所示，在此过程中()A．磁铁做匀速直线运动B．磁铁做减速运动C．小车向右做加速运动D．小车先加速后减速BC[磁铁水平穿入螺线管时，螺线管中将产生感应电流，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动；同理，磁铁穿出时，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，选项A错误，B正确。对于小车上的螺线管来说，螺线管受到的安培力方向始终为水平向右，这个安培力使螺线管和小车向右运动，且始终做加速运动，选项C正确，D错误。]4．(多选)如图所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图，下列说法中正确的是()A．探测器内的探测线圈会产生变更磁场B．只有有磁性的金属物才会被探测器探测到C．探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流D．探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流AD[探测器内线圈通有变更电流产生变更磁场，A正确；若有金属，则金属中会产生涡流，涡流磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警，D正确。]回来本节内容，自我完成以下问题：1．涡流的本质、条件及特点是什么？提示：(1)本质：电磁感应现象。(2)条件：穿过金属块的磁通量发生变更。(3)特点：整个金属块回路的电阻一般很小，涡电流很大，发热功率很大。2．涡流的应用有哪些？提示：(1)涡流热效应：如真空冶炼炉、电磁炉等。(2)涡流磁效应：如探雷器、安检门等。3．如何防止涡流？提示：电动机、变压器等设备中应防止涡流过大而导致奢侈能量，损坏电器。(1)途径一：增大铁芯材料的电阻率。(2)途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。安检门安检门是一种检测人员有无携带金属物品的探测装置，又称金属探测门。金属探测安检门主要应用在机场、车站、大型会议等人流较大的公共场所用来检查人身体上隐藏的金属物品，如枪支、管制刀具等。市场上少数高档安检门可以做到当被检查人员从安检门通过，人身体上所携带的金属超过依据重量、数量或形态预先设定好的参数值时，安检门即刻报警，并显示造成报警的金属所在区位，让安检人员刚好发觉该人所随身携带的金属物品。大部分工厂专用安检门仅仅辨别是否携带金属物品，定位并报警，防止产品被违规带出工厂。性能最好的安检门可以检测到回形针大小物品。公共场所人员众多，常常会有不法分子携带刀枪等违禁物品伺机行凶作案，从而造成重大的人员伤亡和财产损失，给社会造成极其恶劣的负面影响。为了杜绝这类恐怖事务发生，科学的管理配以科学有效管理工具势在必行。而安检门正是其最有效的工具之一，它已广泛应用于机场等重要的平安设施里，用来防止恐怖攻击，是经过长时间的实践检验，被证明最行之有效的安防工具之一。人身上携带的金属物品先被地磁场磁化才能在线圈中产生感应电流？人体在线圈交变电流产生的磁场中运动产生被测感应电流？金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流？提示：不是不是是课时分层作业(八)涡流现象及其应用题组一对涡流的理解1．下列关于涡流的说法中正确的是()A．涡流跟平常常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变更而产生的B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特别电流C．涡流有热效应，但没有磁效应D．在硅钢中不能产生涡流A[涡流本质上是感应电流，是自身构成回路，在穿过导体的磁通量变更时产生的，所以A正确，B错误；涡流不仅有热效应，同其他电流一样也有磁效应，C错误；硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但仍能产生涡流，D错误。]2．关于涡流，下列说法中错误的是()A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B．家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的C．阻尼摆摇摆时产生的涡流总是阻碍其运动D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流B[真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置，A说法正确；要想产生涡流，必需是变更的磁场，因为变更的磁场才能产生电场，产生涡流，B说法错误；依据楞次定律可知，阻尼摆摇摆时产生的涡流总是阻碍其运动，C说法正确；涡流会造成能量的损失，所以变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，是为了减小涡流造成的能量损失，D说法正确。]3．安检门是一个用于平安检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警。关于这个安检门的以下说法不正确的是()A．这个安检门也能检查出毒品携带者B．这个安检门只能检查出金属物品携带者C．假如这个“门框”的线圈中通上恒定电流，则不能检查出金属物品携带者D．这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应A[这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查金属物品携带者，A错误，B正确；若“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使块状金属产生电流，因而不能检查出金属物品携带者，C正确；安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应，D正确。]4．涡流探伤是工业上常用的技术之一，该技术通过励磁线圈使构件中产生涡电流，再借助探测线圈测定涡电流的变更量，从而获得构件缺陷的有关信息。则()A．工作时励磁线圈必须要与被测构件接触B．涡流探伤也适用于检测橡胶构件的缺陷C．励磁线圈中应当通入恒定电流完成检测D．探测线圈是依据接收到的涡流磁场工作的D[涡流探伤技术其原理是用励磁线圈使被测构件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的变更，故工作时励磁线圈不须要与被测构件接触，故A错误；因橡胶构件不能产生涡流，所以涡流探伤不适用于检测橡胶构件的缺陷，故B错误；励磁线圈中通入交变电流才能产生变更的磁场，当金属构件处于该变更的磁场中时，该金属构件中才会发生电磁感应现象产生涡流，完成检测，由此可知，探测线圈是依据接收到的涡流磁场工作的，故C错误，D正确。]5．(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，如图所示为一手持式封口机，它的工作原理是：当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在承封容器的封口处，达到快速封口的目的。下列有关说法正确的是()A．封口材料可用一般塑料来代替铝箔B．该封口机可干脆用干电池作为电源以便利携带C．封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决D．该封口机适用于玻璃、塑料等材质的容器封口，但不宜用于金属容器CD[由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必需是金属类材料，而且电源必需是沟通电，故A、B错误；减小内置线圈中所通过电流的频率可以降低封口过程中产生的热量，即限制温度，故C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样被熔化，只能是玻璃、塑料等材质的容器，故D正确。]题组二电磁阻尼与电磁驱动6．如图所示，在光滑绝缘水平面上，有一铝质金属球以肯定的初速度通过有界匀强磁场，则从球起先进入磁场到完全穿出磁场过程中(磁场宽度大于金属球的直径)，金属球()A．整个过程匀速运动B．进入磁场过程中金属球做减速运动，穿出过程做加速运动C．整个过程都做匀减速运动D．穿出时的速度肯定小于初速度D[在进入磁场和穿出磁场两个过程中，金属球均由于涡流而受到阻力作用，由能量守恒知，穿出时的速度肯定小于初速度，故D正确。]7．可调磁控阻力健身车原理如图所示，通过拉杆可以限制磁铁与铝制飞轮之间的距离，健身时带动飞轮转动，可感受到车轮转动时的阻尼感。则()A．阻尼感是磁铁与车轮间摩擦所致B．若拉杆位置不动，转速越小阻尼感越强C．若飞轮转速不变，磁铁与飞轮距离越远阻尼感越强D．若其他条件相同状况下，铜制的飞轮阻尼感更强D[阻尼感是飞轮切割磁感线产生感应电流从而受到安培力所致，故A错误；若拉杆位置不动，转速越小，飞轮切割磁感线产生的感应电动势越小，则感应电流越小，所受安培力越小，阻尼感越弱，故B错误；若飞轮转速不变，磁铁与飞轮距离越远，磁铁在飞轮处产生的磁场强度越小，飞轮切割磁感线产生的感应电动势越小，即感应电流越小，所受安培力越小，阻尼感越弱，故C错误；铜的电阻率比铝的电阻率小，若其他条件相同状况下，铜制的飞轮电阻更小，切割磁感线时感应电流更大，所受安培力更大，则阻尼感更强，故D正确。]8．(多选)如图所示，在蹄形磁铁的两极间有一可以自由转动的铜盘(不计各种摩擦)，现让铜盘转动。下面对视察到的现象描述及说明错误的是()A．铜盘中没有感应电动势、没有感应电流，铜盘将始终转动下去B．铜盘中有感应电动势、没有感应电流，铜盘将始终转动下去C．铜盘中既有感应电动势又有感应电流，铜盘将很快停下D．铜盘中既有感应电动势又有感应电流，铜盘将越转越快ABD[铜盘转动时，依据法拉第电磁感应定律及楞次定律知，盘中有感应电动势，也产生感应电流，并且受到阻尼作用，机械能很快转化为电能进而转化为焦耳热，铜盘将很快停下，故C对，A、B、D错。]9．如图所示，条形磁铁从h高处自由下落，中途穿过一个固定的空心线圈，开关S断开时，至落地用时t1，落地时速度为v1；S闭合时，至落地用时t2，落地时速度为v2，则它们的大小关系正确的是()A．t1>t2，v1>v2 B．t1＝t2，v1＝v2C．t1<t2，v1<v2 D．t1<t2，v1>v2D[开关S断开时，线圈中无感应电流，对磁铁无阻碍作用，故磁铁自由下落，a＝g；当S闭合时，线圈中有感应电流，阻碍磁铁下落，故a<g，所以t1<t2，v1>v2。]10．(多选)低频电涡流传感器可用来测量自动化生产线上金属板的厚度。如图，在线圈L1中通以低频沟通电，它四周会产生交变磁场，其正下方有一个与电表连接的线圈L2，金属板置于L1、L2之间。当线圈L1产生的变更磁场透过金属板，L2中会产生感应电流。由于金属板厚度不同，汲取电磁能量强弱不同，导致L2中感应电流的强弱不同，则()A．金属板汲取电磁能量，是由于穿过金属板的磁场发生变更，板中产生涡流B．金属板越厚，涡流越弱C．L2中产生的是直流电D．L2中产生的是与L1中同频率的沟通电AD[当L1中通过沟通电时，依据右手螺旋定则知，穿过金属板的磁场发生变更，从而出现变更的电场，导致金属板内产生涡流，进而产生磁场能，然后转化成金属板的内能，故A正确；金属板越厚，在变更的沟通电流作用下，产生的涡流越强，B错误；依据电磁感应规律可知，在L2中产生的是与L1中同频率的沟通电，选项C错误，D正确。]11．光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，抛物线的方程为y＝x2，其下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线(如图中的虚线所示)。一个小金属块从抛物线上y＝b(b>a)处以速度v沿抛物线下滑，假设曲面足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是()A．mgb B．12mvC．mg(b－a) D．mg(b－a)＋12mvD[金属块进出磁场时