1、7 涡流涡流(选学选学) 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解涡流的产生、利用和危害.2.了解高频感应炉与电磁灶的工作原理.3.知道电 磁阻尼的原理及应用 科学思维：通过涡流和电磁阻尼的实例分析，体会产生机理，并能分析其作用 一、涡流 由于电磁感应，在大块金属中会形成感应电流，电流在金属块内组成闭合回路，很像水的旋 涡，因此叫做涡电流，简称涡流 二、高频感应炉与电磁灶 1高频感应炉是利用涡流熔化金属，这种冶炼方法速度快，温度容易控制，能避免有害杂质 混入被冶炼的金属中 2电磁灶：在灶内的励磁线圈中通入交变电流时，形成交变磁场，作用于铁磁材料制成的烹 饪锅，使锅底产生涡流，锅底有适当的电阻，产
2、生焦耳热，使锅底发热 三、电磁阻尼 当导体在磁场中运动时，导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，安培力总是 阻碍导体的运动，这种现象叫电磁阻尼 1判断下列说法的正误 (1)导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热( ) (2)电磁阻尼遵循楞次定律( ) (3)电磁阻尼发生的过程，存在机械能向内能的转化( ) (4)高频感应炉是利用高频电流的热效应冶炼金属的( ) (5)电磁灶烹饪食物时，锅上的电流容易造成触电事故，故使用时要小心操作( ) 2光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图 1 所示，抛物线的方程为 yx2，其下半部处 在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上
3、边界是 ya 的直线(如图中的虚线所示)一个质量 为 m 的小金属块从抛物线上 yb(ba)处以速度 v 沿抛物线下滑，假设曲面足够长，重力加 速度为 g，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量为_ 图 1 答案 mg(ba)1 2mv 2 一、涡流 如图所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ 答案 有变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感生电场，使导体中的自由电子发 生定向移动，产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流 1产生涡流的两种情况 (1)块状金属放在变化的磁场中 (2)块状金属进出磁场或在变化的磁场中运动 2产
4、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 3涡流的应用与防止 (1)应用：高频感应炉、探雷器、安检门、电磁灶等 (2)防止：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 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，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生
5、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，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，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样会被
6、 熔化，只能是玻璃、塑料等材质，D 正确 例 2 (多选)下列哪些措施是为了防止涡流的危害( ) A电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅 B机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品 C变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成 D变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层 答案 CD 解析 电磁炉是采用电磁感应原理，在金属锅上产生涡流，使锅体发热从而加热食物的，属 于涡流的应用；安检门是利用涡流工作的；变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很 大的硅钢片叠合而成，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止；变压器的铁 芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层，是为
7、了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防 止故 C、D 正确 二、电磁阻尼 弹簧上端固定，下端悬挂一个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(如图所示)， 磁铁就会很快停下来，解释这个现象 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，还要受到线圈的磁场阻力， 克服阻力需要做的功较多，机械能损失较快，因而会很快停下来 1 闭合回路的部分导体在做切割磁感线运动产生感应电流时， 导体在磁场中就要受到安培力 的作用，根据楞次
8、定律，安培力总是阻碍导体的运动，于是产生电磁阻尼现象 2电磁阻尼是一种十分普遍的物理现象，任何在磁场中运动的导体，只要给感应电流提供回 路，就会存在电磁阻尼作用 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 3 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 3 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
9、右振动，在磁场中的部分有时多有时少，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 4 所示，上端开口、内壁光滑的铜管 P 和塑料管 Q 竖直放置小磁块先后在两 管中从相同高度处由静止释放，并落至底部，则小磁块(不计空气阻力)( ) 图 4 A在 P 和 Q 中都做自由落体运动 B在两个下落过程中的机械能都守恒 C在 P 中的下落时间比在 Q 中的长 D落至底部时在 P 中
10、的速度比在 Q 中的大 答案 C 解析 小磁块下落过程中，在铜管 P 中产生感应电流，小磁块受到向上的磁场力，不做自由 落体运动，而在塑料管 Q 中只受到重力，在 Q 中做自由落体运动，故选项 A 错误；根据功 能关系知，在 P 中下落时，小磁块机械能减少，在 Q 中下落时，小磁块机械能守恒，故选项 B 错误；在 P 中加速度较小，下落时间较长，选项 C 正确；由于在 P 中下落时要克服磁场力 做功，机械能有损失，故落至底部时在 P 中的速度比在 Q 中的小，选项 D 错误 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涡流会使铁芯温度升高，减少线圈绝缘材
11、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芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅 钢铁芯 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芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅 钢铁芯是为了增加电阻，减小电流，减少产生的热量，选项 C 错误；涡流产生于铁芯中，对 原电流无阻碍作用，选项 D 错误 2(涡流的应用电磁灶)电磁灶热效率高达 90%，灶面无明火，无烟，无废气，“火力” 强劲，安全可靠图 5 所示是描述电磁灶工作原理的
12、示意图，下列说法正确的是( ) 图 5 A当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁灶加热效果越好 B电磁灶的励磁线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 C在锅和电磁灶中间放一纸板，则电磁灶不能起到加热作用 D电磁灶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 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 据电磁灶的工作原理可知，电磁灶的励磁线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作， 故 B 正确；在锅和电磁灶中间放一纸板，不会影响电磁灶的加热作用，故 C 错误金属锅 自身产生无数小涡流而发热，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 6 所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法正确的是 ( ) 图 6 A2 是磁铁，在 1 中产生涡流 B1 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
