1、1.6 涡流现象与电磁灶涡流现象与电磁灶 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解涡流的产生原因、防止和利用.2.了解电磁灶的工作原理.3.知道电磁驱动和 电磁阻尼. 一、涡流 演示涡流生热实验 在一个绕有线圈的可拆变压器铁心上面放一口小铁锅(如图 1)， 锅内放少许水， 给线圈通入交 变电流一段时间.再用玻璃杯代替小铁锅，通电时间相同. 图 1 分析上面实验结合教材内容回答下列问题： (1)铁锅和玻璃杯中的水温有什么不同？ (2)试着解释这种现象. 答案 (1)通电后铁锅中的水逐渐变热， 玻璃杯中的水温不变化(忽略热传导).(2)线圈接入周期 性变化的电流，某段时间内，若电流变大，则其磁场变强
2、，变化的磁场激发出感生电场，小 铁锅(导体)可以看作是由许多闭合线圈组成的，在感生电场作用下，这些线圈中产生了感生 电动势，从而产生涡旋状的感应电流，由于导体存在电阻，当电流在导体中流动时，就会产 生电热，则锅中的水会热起来.而玻璃当中虽然也会产生感生电场，但没有自由移动的电荷， 故不会产生电流，也不会产生电热，则玻璃杯中的水温没有变化. 要点总结 1.涡流：整块导体中的磁通量发生变化时，导体中产生的涡旋状的感应电流叫做涡电流，简 称涡流. 2.磁场变化越快(B t越大)，导体的横截面积 S 越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就 越大. 3.产生涡流的两种情况 (1)块状金属放在变化的磁场
3、中. (2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动. 4.产生涡流时的能量转化 (1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能. (2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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. 5.涡流的应用与防止 (1)应用：电磁灶、安全检查报警器等. (2)防止：为了减小变压器和镇流器铁心上的涡流，常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压成铁心代 替整块硅钢铁心. 例 1 (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 2 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
4、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，从而粘贴在待封容器的封口处，达到迅速封口的目的.下列有关说法正 确的是( ) 图 2 A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔 B.该封口机可用干电池作为电源以方便携带 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、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器 答案 CD 解析 由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交 流电源，A、B 错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，即控 制温度，C 正确；封口材料应是金属类材料，
5、但对应被封口的容器不能是金属，否则同样会 被熔化，只能是玻璃、塑料等材质，D 正确. 二、无火之灶电磁灶 如图 3 所示是某电磁灶的工作原理图，下面是某一品牌电磁灶的说明书上的部分内容：“电 磁灶是采用磁场感应涡流加热原理， 它利用电流通过线圈产生磁场， 当磁场内的磁感线通过 含铁质锅底部时， 即会产生无数的小涡流， 使锅体本身自行快速发热， 然后再加热锅内食物. 电磁灶工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄 漏，对人体健康绝对无危害.”回答下列问题：(1)涡流产生在哪里？(2)产生涡流的部分和引 起涡流的部分是否接触？(3)电磁灶的表面(陶瓷)在电磁灶工作
6、时会不会发热？ 图 3 答案 (1)涡流产生在铁质锅底部.(2)产生涡流的部分和引起涡流的部分不接触.(3)从理论上 讲，由于电磁灶表面是陶瓷做成，所以在电磁灶工作时不会发热. 要点总结 电磁灶的原理： 电磁灶的面板下布满了金属导线缠绕的线圈.当通上交替变化极快的交变电流 时，在面板与铁锅底之间产生强大的交变磁场；磁感线穿过锅体，使锅底感应出大量的强涡 流，当涡流受到材料电阻的阻碍时，就放出大量的热，将饭菜煮熟. 例 2 (多选)电磁灶采用感应电流(涡流)的加热原理， 是通过电子线路产生交变磁场，把铁锅 放在灶面上时，在铁锅底部产生交变的电流，它具有升温快、效率高、体积小，安全性好等 优点.下
7、列关于电磁灶的说法中正确的是( ) A.电磁灶面板可采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部 B.电磁灶可以用陶瓷器皿作为锅具对食品加热 C.可以通过改变电子线路的频率来改变电磁灶的功率 D.电磁灶面板可采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品 答案 AC 解析 电磁灶的上表面如果用金属材料制成，使用电磁灶时，上表面材料发生电磁感应要损 失电能，所以电磁炉上表面要用绝缘材料制作，发热部分为铁锅底部，故 A 正确，B、D 错 误；锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故 C 正确. 三、电磁阻尼和电磁驱动 1.电磁阻尼 弹簧上端固定，下端悬挂一根磁铁.将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间 才
8、停下来.如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它(如图 4 所示)， 磁铁就会很快停下来，解释这个现象. 图 4 答案 当磁铁穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻 碍磁铁靠近或离开线圈，也就使磁铁振动时除了受空气阻力外，还受线圈的磁场阻力，克服 阻力需要做的功较多，弹簧振子的机械能损失较快，因而会很快停下来. 2.电磁驱动 一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间， 如图 5 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. 根据以上现象，回答下列问题： 图 5 (1)
9、蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量是否变化？ (2)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？ 答案 (1)变化. (2)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. 要点总结 电磁阻尼与电磁驱动的区别与联系 1.电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动；电磁驱动中导体受到的安 培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动.安培力的作用效果均是阻碍导体间的相对运动. 2.电磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能；电磁驱动中由 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
10、导体的机械能而对外做功. 例 3 扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌.为了有效隔离外界振动 对 STM 的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰 减其微小振动，如图 6 所示.无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场；出现扰动 后，对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是( ) 图 6 答案 A 解析 感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化.在 A 图中， 系统振动时， 紫铜薄 板随之上下及左右振动，都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培 力，阻碍系统的振动，故 A 正确；在 B、D 图中，只有紫
11、铜薄板左右振动才产生感应电流， 而上下振动无感应电流产生，故 B、D 错误；在 C 图中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振 动，都不会产生感应电流，故 C 错误. 例 4 如图 7 所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴 OO转动.从上向下看，当磁铁逆时 针转动时，则( ) 图 7 A.线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同 B.线圈将逆时针转动，转速比磁铁小 C.线圈将逆时针转动，转速比磁铁大 D.线圈静止不动 答案 B 解析 由楞次定律可知，线圈将与磁铁同向转动，但转速一定小于磁铁的转速.如两者的转速 相同，磁感线与线圈处于相对静止状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，B 正确，A、 C、D 项错
12、误. 学科素养 通过例 3 和例 4，建立了电磁阻尼和电磁驱动的思维模型，加深了对电磁阻尼 和电磁驱动的理解，较好地体现了“科学思维”的学科素养. 1.(对涡流的理解)(多选)对变压器和电动机中的涡流的认识，以下说法正确的是( ) A.涡流会使铁心温度升高，减少线圈绝缘材料的寿命 B.涡流发热，要损耗额外的能量 C.为了不产生涡流，变压器和电动机的铁心用相互绝缘的硅钢片叠成的铁心来代替整块硅钢 铁心 D.涡流产生于线圈中，对原电流起阻碍作用 答案 AB 解析 变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量，同时会减少线圈绝缘材料的寿 命，选项 A、B 正确；变压器和电动机的铁心用相互绝缘的硅钢
13、片叠成的铁心来代替整块硅 钢铁心是为了增加电阻，减小涡流，减少产生的热量，选项 C 错误；涡流产生于铁心中，对 原电流无阻碍作用，选项 D 错误. 2.(对电磁灶工作原理的理解)电磁炉热效率高达 90%，炉面无明火，无烟，无废气，“火力” 强劲，安全可靠.图 8 所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是( ) 图 8 A.当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好 B.电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 C.在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用 D.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 答案
14、 B 解析 锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流，故 A 错误.根据 电磁炉的工作原理可知，电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，故 B 正确；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，故 C 错误.金属锅自身产 生无数小涡流而直接加热于锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流， 故 D 错误. 3.(对电磁阻尼的理解)(多选)如图 9 所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法正确的是 ( ) 图 9 A.2 是磁铁，在 1 中产生涡流 B.1 是磁铁，在 2 中产生涡流 C.该装置的作用是使指针能够转动 D.该装置的作用是使指
15、针能很快地稳定 答案 AD 解析 当指针摆动时，1 随之转动，2 是磁铁，那么在 1 中产生涡流，2 对 1 的安培力将阻碍 1 的转动；总之不管 1 向哪个方向转动，2 对 1 的效果总起到阻尼作用，所以它能使指针很快 地稳定下来，选项 A、D 正确. 4.(对电磁驱动的理解)(多选)1824 年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”.实验中 将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图 10 所示.实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转 动起来，但略有滞后.下列说法正确的是( ) 图 10 A.圆盘上产生了感应电动势 B.圆盘内的涡流产生的磁场导致磁针转动 C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化 D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动 答案 AB