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2018版物理新课堂同步粤教版选修3-2:第1章 第7节 涡流现象及其应用

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知
识
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                                         学
                                         业
                                         分
                                         层
                                         测                                                                                          第七节                                                                              涡流现象及其应用 
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1.认识什么是涡流,理解涡流的成因
及本质.(重点) 
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.(重点) 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    
3.了解在生产、生活中避免或减少
涡流的方法.(难点) 

                             


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                                                                                                                                                         [先填空] 
                                                                                                                                                         1.涡流:整块导体内部因发生电磁感应而产生的感应电流. 
                                                                                                                                                         2.影响涡流大小的因素:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               导体的外_____越长,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        交变磁场的_____越高,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    涡
流就越大. 
                                                                                                                                                         [再判断] 
                                                                                                                                                         1.涡流有热效应,但没有磁效应.(  ) 

                                                           涡                                 流                                  现                                 象 
                                                                                                                                                         2.把金属块放在变化的磁场中可产生涡流.(  ) 
                                                                                                                      周长                                                                    频率

                                                                                                                       ×                                 3.涡流不是感应电流,而是一种有别于感应电流的特殊电流.(  ) 
                                                                                                                                                 √
                                                                                                                                                                                                       ×


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
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                                                                  如图                                                                        1•7•1                                                                         所示,垂直金属圆环的一个匀强磁场在逐渐变化,金属圆环上能
否产生感应电流? 


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               图                                        1•7•1 


                                                                  【提示】                                                                                                                                                                有感应电流. 


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                    [合作探讨] 
                    如图                      1•7•2,将通有变化电流的导线绕在铁块上. 
                    探讨                      1:             请问铁块中有感应电流吗?如果有,它的形 
                    【提示】                                                有.变化的电流产生变化的磁场,根据楞 
状像什么? 
次定律可知铁块中产生感应电流,它的形状像水中的旋涡,图           1•7•2                                                                                                                                                                                                                                
所以把它叫做涡电流,简称涡流. 

                    探讨                     2:在上述过程中伴随着哪些能量转化? 

                    【提示】                                               电能转化为磁场能,磁场能最终转化为内能. 


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                                                                                                                                                         [核心点击] 
                                                                                                                                                         1.涡流的产生 
                                                                                                                                                         涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象,当导体处在变化的磁场中,或者
导体在非匀强磁场中运动时,导体内部可以等效成许许多多的闭合电路,当穿
过这些闭合电路的磁通量变化时,在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电
流,即导体内部产生了涡流. 
                                                                                                                                                         2.涡流的特点 
                                                                                                                                                         (1)电流强:当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时,由于整块金属的
电阻很小,涡流往往很强. 
                                                                                                                                                         (2)功率大:根据公式                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    P=I2R                                                                                                                                                                                                                                             知,热功率的大小与电流的平方成正比,故金
属块的发热功率很大. 


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
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                                                                                                                                                         伴随着涡流现象,常见以下两种能量转化. 
                                                                                                                                                         (1)如                                                                                                                                                                    果金                                                                                                                                                        属                                                                             块放                                                                                                                                                        在                                                                             了变                                                                                                                                                        化                                                                             的磁                                                                                                                                                        场中                                                                                                                                                         ,则                                                                                                                                                        磁                                                                             场                                                                            能转                                                                                                                                                         化为                                                                                                                                                        电                                                                             能,                                                                                                                                                        最                                                                             终转                                                                                                                                                        化为                                                                                                                                                        内
能; 
                                                                                                                                                         (2)如果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. 


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
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点,将圆环拉离平衡位置并释放,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(  ) 
                                                                                                                                                         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                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 
                                                                                                                                                                                                                                                                            图                           1•7•3 
                                                                                                                                                         D.圆环最终将静止在最低点 


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
                                                                                                                                                         【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,A                                                                                                                                                                                                                                                                                                      项错误,B                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               项正确;但在环完全进入磁场后,不再产生感应电流,C                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            项
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,D                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   项错误. 


                                                                                                                                                         【答案】                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           B 


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
                                                                                                                                                         2.如图                                                                                                                                                                                                                                                                                                        1•7•4所示,在光滑水平桌面上放一条形磁铁,分别将大小相同的
铁球、铝球和木球放在磁铁的一                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  端且                                                                                                                                                        给它一个初速度,让其向磁铁滚                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  去,                                                                                                                                                        观察

小球的运动情况                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    (  )                                                                                                                                                                                                                                              【导学号:97192041】 


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 
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                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
               【解析】                                  铁球靠近磁铁时被磁化,与磁铁之间产生相互吸引的作用力,
               A.都做匀速运动 
故铁球将加速运动;铝球向磁铁靠近时,穿过它的磁通量发生变化,因此在其B.铁球、铝球都做减速运动 
内部产生涡流,涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用,所以铝球向C.铁球做加速运动,铝球做减速运动 
               D.铝球、木球做匀速运动 
磁铁运动时会受阻碍而减速;木球为非金属,既不能被磁化,也不产生涡流现

象,所以磁铁对木球不产生力的作用,木球将做匀速运动.综上所述,C                                                                                                                                                                                                         项正确. 


               【答案】                                 C 


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                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            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许多闭合电路. 
                                                                                                                                                         3.导体内部发热的原理是电流的热效应. 


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
                             [先填空] 
                             1.涡流的应用 
                             (1)电磁灶:电磁灶是_____现象在生活中的应用,采用了磁场感应_____的
加热原理. 
                             (2)感应加热:在感应炉中,有产生高频电流的___________和产生交变磁场
的_____,其工作原理也是涡流加热. 


           涡              流              现              象              的              应              用              与             防              止 
                             (3)涡流制动:当导体在磁场中运动时,会在导体中激起_____,涡流与磁场
              涡流                        涡流

                            大功率电源
相互作用产生一个线圈                                                                                                            ___________力,从而提供制动力矩阻碍导体的运动. 
                                  涡流
           动态阻尼


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                                         (4)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_____,隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中,

改变通过探测线圈电流的_____和_____,从而探知金属物. 
                                         2.涡流的防止 
                                         (1)原理:缩小导体的_____,增大材料的______. 
                                         (2)事例:电机和变压器的铁芯用硅钢片叠压而成. 
             涡流
                    大小    相位

                    体积              电阻率  (3)目的:减少_____损失. 

               电能


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        [再判断] 
        1.变压器硅钢片叠成铁芯是利用涡流现象.(  ) 
        2.金属探测器是利用涡流现象.(  ) 

       ×
    √   3.电表线圈用铝框做线圈骨架不是利用涡流现象.(  ) 
         ×


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               【提示】                                  使用高频电源好,感应加热就是利用感应电流产生的热量,感
               [后思考] 
应电流适当大些较好,当使用高频交流电源时,它产生高频变化的磁场,磁场在感应加热中,是使用高频交流电源好,还是使用低频交流电源好?为什
么?
中导体内的磁通量变化非常迅速,产生较大的感应电动势和感应电流,加热效 

果会更好. 


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                                                                                                                           [合作探讨] 
                                                                                                                           探讨                                                                                                                                          1: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.如果在磁【提示】                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       当磁铁穿过固定的闭合线圈时,在闭合线圈中会产
铁下端放一个固定的闭合线圈,使磁铁上下振动时穿过它生感应电流,感应电流的磁场会阻碍磁铁靠近或离开线圈,因此磁(如图
1•7•5铁振动时除了有空气阻力外,还有线圈的磁场力作为阻力,克服阻所示),磁铁就会很快停下来,解释这个现象.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        
力需要做的功较多,弹簧振子的机械能损失较快,因而会很快停下图                                                                                                                                                                                                                                                               1•7 •5 
来. 


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
                        探讨                        2:一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间,如图
1•7•6                       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? 
                                                        图     1•7•6 
                        【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. 


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                                                                                                                                                         1.电磁阻尼 
                                                                                                                                                         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
就要受到磁场力的作用,根据楞次定律,磁场力总是阻碍导体的运动,于是产

生电磁阻尼. 
                                                                                                                                                         2.电磁驱动 
                                                                                                                                                         如果磁场相对于导体运动,在导体中会产生感应电流,感应电流使导体受

到安培力的作用,安培力使导体运动起来. 


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
                                                                                              3.电磁阻尼与电磁驱动的比较 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  电磁阻尼                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            电磁驱动 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           由于导体在磁场中运动而                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             由于磁场运动引起磁通量的变化而
                                                                                                                                                                                                           成因 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           产生感应电流                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  产生感应电流 
                                                     不                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     安培力的方向与导体运动                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             导体受安培力的方向与导体运动方
                                                                                                                                                                                                           效果 
                                                     同                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     方向相反,阻碍物体运动                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             向相同,推动导体运动 
                                                     点                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     导体克服安培力做功,其他                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            由于电磁感应,磁场能转化为电能,
                                                                                                                                                                                                           能量 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           形式的能转化为电能,最终                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            通过安培力做功,电能转化为导体
                                                                                                                                                                                                           转化 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           转化为内能                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   的机械能,而对外做功 
                                                                                        相同点                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                两者都是电磁感应现象 

                             


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                              3.下列应用与涡流无关的是(  ) 
                              A.家用电磁炉                                                                                                                                                                                                                                   B.家用微波炉 
                              C.真空冶炼炉                                                                                                                                                                                                                                   D.探雷器 
                              【解析】                                                                          家用电磁炉和真空冶炼炉利用涡流的热效应工作,探雷器利用

涡流的磁效应工作,而微波炉利用高频电磁波工作. 

                              【答案】                                                                         B 


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                                                                                                                                                         4.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的,如图                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  1•7•7 
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,这时被冶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, 
因此适用于冶炼特种金属.该炉的加热原理是 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  (  )                                                                                                                                                                                                                                               【导学号:97192042】 
                                                                                                                                                         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                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             
                                                                                                                                                                                                                                                       图                        1•7•7 
                                                                                                                                                         D.给线圈通电的同时,给炉内金属也通了电 


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
               【解析】                                  交变电流产生的交变磁场在炉内金属截面上引起磁通量变化,
使金属内部出现感应电流,因金属的电阻很小,所以感应电流很强.它在金属
内自成回路时,形成旋涡状的电流,即涡流.涡流产生大量的焦耳热使炉内温

度升高,金属熔化. 


               【答案】                                 C 


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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(  )                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        
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                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
               【解析】                                  因磁铁的转动,引起铜盘中磁通量发生变化而产生感应电流,
               A.以相同的转速与磁铁同向转动 
进而受安培力作用而发生转动,由楞次定律可B.以较小的转速与磁铁同向转动                                                                                                                   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C.以相同的转速与磁铁反向转动 
               D.静止不动 
的条件必须是磁通量发生变化.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. 


               【答案】                                 B 


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                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   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.在两种情况下,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,均可以根据楞次定律和左手定
则分析导体的受力情况. 


                                                                              上一页                         返回首页                                下一页
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