2020高中物理 1.7 涡流现象及其应用 学案（粤教版选修3-2）

2020高中物理 1.7 涡流现象及其应用 学案（粤教版选修3-2）

‎1.7 涡流现象及其应用 学案（粤教版选修3-2） ‎ ‎1．在一根导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，在整个导体中，就形成一圈圈环绕导体轴线流动的感应电流，就好像水中的旋涡一样，这种现象称为涡流现象．导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大．‎ ‎2．涡流热效应的应用为高频感应炉冶炼金属、电磁灶等涡流磁效应的应用为金属探测器．‎ ‎3．当导体在磁场中运动时，导体中产生的涡流与磁场相互作用产生一个动态阻尼力，从而提供制动力矩，这种制动方式常应用于电表的阻尼制动、高速机车制动的涡流闸等．‎ ‎4．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匀速运动 C．让金属块在匀强磁场中做变速运动 D．把金属块放在变化的磁场中 答案　D 解析　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化．而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误；把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D项正确．‎ ‎5．(双选)磁电式仪表的线圈通常用铝框当骨架，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 答案　BC 解析　线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，就是涡流．涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后较快停下来．所以，这样做的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用．‎ ‎6．如图1所示，在光滑绝缘水平面上，有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场，则从球开始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)，则小球(　　)‎ 图1‎ A．整个过程匀速运动 B．进入磁场过程中球做减速运动，穿出磁场过程中做加速运动 C．整个过程都做匀减速运动 D．穿出时的速度一定小于初速度 答案　D 解析　小球进出磁场时，有涡流产生，要受到阻力，故穿出时的速度一定小于初速度．‎ ‎7．高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图2所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被治炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被炼金属中，因此适于冶炼特种金属．该炉的加热原理是(　　)‎ 图2‎ A．利用线圈中电流产生的焦耳热 B．利用线圈中电流产生的磁场 C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流 D．给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电 答案　C ‎【概念规律练】‎ 知识点一　涡流及其应用 ‎1．如图3所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水．给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是 ‎(　　)‎ 图3‎ A．恒定直流、小铁锅 B．恒定直流、玻璃杯 C．变化的电流、小铁锅 D．变化的电流、玻璃杯 答案　C 解析　通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温．‎ 点评　涡流是在导体内产生的，而且穿过回路的磁通量必须是变化的，此题能说明电磁炉的原理．‎ ‎2．(双选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品，安检门中接有线圈，线圈中通以交变电流，关于其工作原理，以下说法正确的是(　　)‎ A．人身上携带的金属物品会被地磁场磁化，在线圈中产生感应电流 B．人体在线圈交变电流产生的磁场中运动，产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流 C．线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流 D．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 答案　CD 解析　一般金属物品不一定能被磁化，且地磁场很弱，即使金属被磁化磁性也很弱，作为导体的人体电阻很大，且一般不会与金属物品构成回路，故A、B错误；安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是：线圈中交变电流产生交变磁场，使金属物品中产生涡流，故C正确；该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流，而线圈中交变电流的变化可以被检测，故D项正确．‎ 点评　金属探测利用了涡流的磁效应．‎ 知识点二　电磁阻尼 ‎3．有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动．如果在转动时把蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触，如图4所示，铜盘就能在较短时间内停止转动，分析这个现象产生的原因．‎ 图4‎ 答案　见解析 解析　铜盘转动时如果加上磁场，则在铜盘中产生涡流，磁场对这个涡流的作用力阻碍它的转动，故在较短的时间内铜盘停止转动．‎ 点评　当导体在磁场中运动时，导体中的感应电流受到安培力的作用阻碍导体运动，即安培力为电磁阻尼的阻力．‎ ‎4.‎ ‎ 如图5所示，是称为阻尼摆的示意图，在轻质杆上固定一金属薄片，轻质杆可绕上端O点为轴在竖直面内转动，一有界磁场垂直于金属薄片所在的平面．使摆从图中实线位置释放，摆很快就会停止摆动；若将摆改成梳齿状，还是从同一位置释放，摆会摆动较长的时间．试定性分析其原因．‎ 图5‎ 答案　见解析 解析　第一种情况下，阻尼摆进入有界磁场后，在金属薄片中会形成涡流，涡流使金属薄片受安培力的作用，阻碍其相对运动，所以会很快停下来；第二种情况下，将金属摆改成梳齿状，阻断了涡流形成的回路，从而减弱了涡流，受到安培力的阻碍会比先前小得多，所以会摆动较长的时间．‎ 点评　防止电磁阻尼的途径为阻止或减弱涡流的产生．‎ ‎【方法技巧练】‎ 涡流能量问题的处理技巧 ‎5．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停下来．如图6所示，如果在磁铁下端放个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它，磁铁就会很快地停下来，解释这个现象，并说明此现象中能量转化的情况．‎ 图6‎ 答案　见解析 解析　当磁铁穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁铁向线圈靠近或离开，也就使磁铁振动时除了空气阻力外，还有线圈的磁场力作为阻力，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．损失的机械能主要转化为电能再转化为内能．‎ 方法总结　此题中涡流损耗了机械能．‎ ‎6．如图7所示，一闭合金属圆环用绝缘细线挂于O点，将圆环拉至某一位置并释放，圆环摆动过程中(环平面与磁场始终保持垂直)经过有界的水平匀强磁场区域，A、B为该磁场的竖直边界，若不计空气阻力，则(　　)‎ 图7‎ A．圆环向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度 B．在进入和离开磁场时，圆环中均有感应电流 C．圆环进入磁场后，离最低点越近速度越大，感应电流也越大 D．圆环最终将静止在最低点 答案　B 解析　在圆环进入和穿出磁场的过程中环中磁通量发生变化，有感应电流产生，即圆环的机械能向电能转化，其机械能越来越小．上升的高度越来越低，选项A错误，B正确；但在环完全进入磁场后，不再产生感应电流，选项C错误；最终圆环将不能摆出磁场，从此再无机械能向电能转化，其摆动的幅度不再变化，选项D错误．‎ 方法总结　当导体中的磁通量变化时，产生感应电流，损失机械能；当导体中的磁通量无变化时，不产生感应电流，不损失机械能．‎