选择性必修 第二册第二章 电磁感应第五节 涡流现象及其应用学案及答案

第五节　涡流现象及其应用

[学习目标]　1.理解涡流产生的原理，了解涡流在生产和生活中的应用.2.了解涡流的热效应及其应用.3.了解涡流的机械效应，理解电磁阻尼和电磁驱动的原理．了解其在生产和生活中的应用.4.了解涡流的磁效应及其应用．

一、涡流现象

1．涡流：当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以叫作涡电流，简称涡流．

2．金属块中的涡流会产生热量，利用涡流产生的热量可以冶炼金属．

二、涡流的机械效应

磁场中的涡流会受到安培力的作用，表现出相应的机械效应．

1．电磁驱动：当磁场相对于导体运动时，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叫作电磁驱动．

2．电磁阻尼：当导体在磁场中运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体的运动，这种现象叫作电磁阻尼．

三、涡流的磁效应

1．涡流也是电流，而电流能够产生磁场，因此涡流也具有磁效应．

2．涡流探测

(1)原理：互感．

(2)应用：探测行李包中的枪支、埋于地表的地雷、金属覆盖膜的厚度．

1．判断下列说法的正误．

(1)涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因穿过导体的磁通量变化而产生的．(　√　)

(2)涡流有热效应，但没有磁效应．(　×　)

(3)电磁炉是在金属锅体中产生热效应，从而达到加热和烹饪食物的目的．(　√　)

(4)涡流制动时存在机械能向内能的转化．(　√　)

(5)利用涡流金属探测器，可以探测出违法分子携带的毒品．(　×　)

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)．一个质量为m的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，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(b－a)＋mv2

一、涡流

导学探究　如图2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？

图2

答案　有．它的形状像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流．

知识深化

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非匀强磁场中运动．

2．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．

3．涡流的应用与防止

(1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等．

(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．

(多选)高频焊接原理示意图如图3所示，线圈通以高频交变电流，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，要使焊接处产生的热量较大，可通过(　　)

图3

A．增大交变电流的电压

B．增大交变电流的频率

C．增大焊接缝的接触电阻

D．减小焊接缝的接触电阻

答案　ABC

针对训练　(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．探雷器的线圈中要通变化着的电流

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，故A错误；探雷器的线圈中有变化的电流，如果地下埋着金属物品，金属中会感应出涡流，使仪器报警，这属于涡流的应用，故B错误；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，故C正确；变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止，故D正确．

二、电磁阻尼和电磁驱动

导学探究　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．

知识深化　电磁阻尼和电磁驱动的比较

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5所示．无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是(　　)

图5

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．

如图6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，当蹄形磁铁逆时针转动时(　　)

图6

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　当蹄形磁铁转动时，线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电流，产生安培力，故线圈一定会转动，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错误．

电磁阻尼、电磁驱动都是楞次定律“阻碍”的体现．阻碍磁通量的变化，阻碍导体与磁场的相对运动．

1．(涡流)(多选)图7中的四个图都与涡流有关，下列说法正确的是(　　)

图7

A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置

B．金属探测器是利用被测金属中产生的涡流来进行探测的

C．电磁炉工作时在它的面板上产生涡流加热食物

D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠合而成是为了减小涡流

答案　ABD

解析　真空冶炼炉是利用线圈中的电流做周期性变化，在金属中产生涡流，从而产生大量的热量，熔化金属的，故A正确；金属探测器中通有变化的电流，遇到金属物体时，被测金属中产生涡流，涡流的磁场反过来影响探测器中的电流，从而进行探测，故B正确；电磁炉工作时，在锅体中产生涡流，加热食物，故C错误；当变压器中的电流变化时，在其铁芯中将产生涡流，使用硅钢片制成的铁芯可以减小涡流，从而减小能量损失，故D正确．

2．(电磁阻尼)如图8甲所示是一个电磁阻尼现象演示装置，铜锯条上端固定在支架上，下端固定有强磁铁，将磁铁推开一个角度释放，它会在竖直面内摆动较长时间；如图乙所示，若在其正下方固定一铜块(不与磁铁接触)，则摆动迅速停止．关于该实验，以下分析与结论正确的是(　　)

图8

A．如果将磁铁的磁极调换，重复实验将不能观察到电磁阻尼现象

B．用闭合的铜制线圈替代铜块，重复实验将不能观察到电磁阻尼现象

C．在图乙情况中，下摆和上摆过程中磁铁和锯条组成的系统机械能均减少

D．在摆动过程中铜块不受磁铁的作用力

答案　C

解析　此实验的原理是：当磁铁在铜块正上方摆动时，在铜块中产生涡流，涡流的磁场阻碍磁铁的运动，如果将磁铁的磁极调换，重复实验仍能观察到电磁阻尼现象，选项A错误；用闭合的铜制线圈替代铜块，仍能在线圈中产生感应电流，从而对磁铁的运动产生阻碍作用，则重复实验仍能观察到电磁阻尼现象，选项B错误；在题图乙情况中，磁铁下摆和上摆过程中，铜块均会产生涡流，从而消耗机械能，则磁铁和锯条组成的系统机械能均减少，选项C正确；在摆动过程中，铜块对磁铁有阻碍作用，同时铜块也要受磁铁的作用力，选项D错误．

3.(电磁驱动)如图9所示，矩形线圈放置在水平薄木板上，有两块相同的蹄形磁铁，四个磁极之间的距离相等，当两块磁铁以相同的速度匀速向右通过线圈时，线圈始终静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力方向是(　　)

图9

A．先向左、后向右

B．先向左、后向右、再向左

C．一直向右

D．一直向左

答案　D

解析　根据楞次定律的“来拒去留”结论可知，当两磁铁靠近线圈时，线圈要阻碍其靠近，线圈有向右移动的趋势，受到木板的摩擦力向左，当磁铁远离时，线圈要阻碍其远离，仍有向右移动的趋势，受到木板的摩擦力方向仍是向左的，故选项D正确．

考点一　涡流

1．如图1所示是冶炼金属的真空冶炼炉的示意图，冶炼炉内装入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时炉内被冶炼的金属就会熔化．这种冶炼方法速度快、温度容易控制，并能避免杂质混入被冶炼金属中，因此适用于冶炼特种金属．该炉的加热原理是(　　)

图1

A．利用线圈中电流产生的焦耳热

B．利用红外线

C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流

D．利用交变电流的交变磁场所激发的电磁波

答案　C

2．(多选)电磁炉为新一代炊具，无烟、无明火、无污染、不产生有害气体、无微波辐射、高效节能等是电磁炉的优势所在．电磁炉的工作原理是利用电流通过线圈产生磁场，当磁场通过含铁质锅底部时，会产生无数小涡流，使锅体本身快速发热，然后再加热锅内食物，如图2所示．下列相关说法正确的是(　　)

图2

A．锅体中的涡流是由恒定的磁场产生的

B．锅体中的涡流是由变化的磁场产生的

C．磁场越强，电磁炉的加热效果越好

D．提高磁场变化的频率，可提高电磁炉的加热效果

答案　BD

解析　电磁炉接交流电，锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，故A错误，B正确；电磁炉的加热效果与磁场的强弱无关，只与磁场的变化快慢有关，故C错误；根据发热原理可知，提高磁场变化的频率，可增强涡流，提高电磁炉的加热效果，故D正确．

3.(多选)如图3所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图，下列说法正确的是(　　)

图3

A．探测器内的探测线圈会产生交变磁场

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

答案　AD

解析　探测器内探测线圈产生变化的磁场，使金属物中产生涡流，A、D正确．

4．安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈中通有变化的电流．如果金属物品通过安检门，金属中会被感应出涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警，关于安检门的说法正确的是(　　)

A．安检门能检查出毒贩携带的毒品

B．安检门能检查出旅客携带的金属水果刀

C．如果“门框”的线圈中通上恒定电流，安检门也能正常工作

D．安检门工作时，主要利用了电流的热效应原理

答案　B

解析　安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品的原理：线圈中的交变电流产生交变的磁场，会在金属物品中产生涡流，而金属物品中涡流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流，引起线圈中交变电流发生变化，从而被探测到，则安检门不能检查出毒贩携带的毒品，选项A、C错误，B正确；安检门工作时，主要利用了电磁感应原理，选项D错误．

考点二　电磁驱动和电磁阻尼

5．(多选)关于电磁阻尼，下列说法正确的是(　　)

A．当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体运动的现象称为电磁阻尼

B．磁电式仪表利用电磁阻尼原理使指针迅速停下来，从而便于读数

C．电磁阻尼是导体因感应电流受到的安培力对导体做负功的现象，阻碍导体运动

D．电磁阻尼现象实质上不是电磁感应现象，但分析时同样遵循楞次定律

答案　ABC

解析　电磁阻尼现象实质上是电磁感应现象，分析时不仅遵循楞次定律，同样也遵循法拉第电磁感应定律，选项D错误．

6．(多选)如图4所示为演示电磁驱动的装置，图中①是磁铁，②是电机，当电机带动磁铁旋转时，靠近它们的金属圆盘(图中③)也会绕轴转动起来．关于电磁驱动与电磁阻尼，下列说法正确的是(　　)

图4

A．电磁驱动是一种非接触传动，它减小了皮带或齿轮传动的粉尘、噪音、震动等危害，还能避免磨损问题

B．电磁驱动离不开涡流，正是磁场对涡流的作用力，实现了这种非接触传动，而且磁铁和圆盘的转速可以达到同步

C．电磁驱动效率可以达到100%

D．磁电式仪表运输过程中用导线将正负接线柱短接，利用了电磁阻尼

答案　AD

解析　电磁驱动利用磁场对涡流的作用力，实现了非接触传动，减小了皮带或齿轮传动的粉尘、噪音、震动等危害，还能避免磨损问题，但磁铁与圆盘的转速不可能达到同步，要有速度差，选项A正确，B错误；涡流要消耗能量，所以电磁驱动效率必定小于100%，选项C错误；磁电式仪表运输过程中用导线将正负接线柱短接，当指针摆动时产生感应电流，要阻碍转子的运动，利用了电磁阻尼，选项D正确．

7．甲、乙两个完全相同的铜环均可绕竖直固定轴O1O2旋转，现让它们以相同角速度同时开始转动，由于阻力作用，经相同的时间后停止，若将圆环置于如图5所示的匀强磁场中，甲环的转轴与磁场方向垂直，乙环的转轴与磁场方向平行，现让甲、乙两环同时以相同的初始角速度开始转动后，下列判断正确的是(　　)

图5

A．甲环先停下   B．乙环先停下

C．两环同时停下  D．两环都不会停下

答案　A

解析　当铜环转动时，乙环一直与磁场方向平行，穿过乙环的磁通量为零，穿过甲环的磁通量不断变化，不断有感应电流产生，甲环受到安培力，安培力阻碍甲环与磁场间的相对运动，故甲环先停止运动，A正确．

8．如图6所示，使一个铜盘绕其竖直的轴OO′转动，且假设摩擦等阻力不计，转动是匀速的．现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则(　　)

图6

A．铜盘的转动将变慢

B．铜盘的转动将变快

C．铜盘仍以原来的转速转动

D．铜盘的转动速度是否变化，由磁铁上下两端的极性决定

答案　A

9．(多选)位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v水平穿过，如图7所示，在此过程中(　　)

图7

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

答案　BC

解析　磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律知该电流产生的磁场阻碍磁铁的运动．同理，磁铁穿出时该电流产生的磁场也阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，A项错，B项对；而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右，这个安培力使小车向右一直做加速运动，C项对，D项错．

10．(多选)物理课上，老师做了一个“电磁阻尼”的实验：如图8甲所示，A摆摆片是铜片，B摆摆片由相互绝缘的导体片叠加而成，A、B两摆在通过磁场时，A摆很快停下来，B摆摆动了很长一段时间后才停下．图乙是致远同学另找器材再来探究此实验的装置：A是由摆片和细杆组成的摆，其摆动平面在磁铁的两极之间，当绕在磁铁上的励磁线圈未通电时，摆片可自由摆动，要经过较长时间才会停下来；当线圈通电时，摆动应当迅速停止．他连接好电路，经重复实验，均没出现摆动迅速停止的现象．对比老师的演示实验，下列四个选项中，正确的说法是(　　)

图8

A．老师实验中，A摆很快停下来的原因是摆上产生了感应电流

B．老师实验中，B摆摆动了很长时间后才停下来的原因是摆上没有产生感应电流

C．致远同学没有成功的原因可能是所选线圈的匝数过多

D．致远同学没有成功的原因可能是构成摆的材质是塑料

答案　AD

解析　老师实验中，A摆很快停下来的原因是摆上产生了感应电流，从而阻碍磁通量的变化，选项A正确；老师实验中，B摆摆片是用相互绝缘的导体片叠加成的，产生的涡流很小，所以B摆摆动了很长时间后才停下来，B错误；线圈的匝数越多，摆受阻碍作用越明显，则越容易停下来，选项C错误；如果致远同学实验时所用摆的材质是塑料，则不会产生感应电流，摆不会受到磁场力作用，故摆不会很快停下来，选项D正确．