学年高中物理 第1章 第7节 涡流选学学案 教科版选修32Word文档格式.docx
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1.定义:
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.
2.决定因素:
磁场变化越快(
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.利用:
高频感应炉、电磁灶等利用了涡流的热效应;
安检门、扫雷器等利用了涡流的磁效应.
4.防止:
为了减少涡流对电动机、变压器的损害,常用电阻率较大的硅钢做铁芯材料,而且用互相绝缘的薄硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢材料.
二、高频感应炉与电磁灶
[问题设计]
请阅读教材“高频感应炉与电磁灶”的内容,回答下列问题:
(1)高频感应炉冶炼金属的原理是什么?
有什么优点?
(2)电磁灶中的涡流是怎样产生的?
产生涡流的部分和引起涡流的部分是否接触?
电磁灶的表面在电磁灶工作时的热量是怎么产生的?
答案
(1)高频感应炉冶炼金属是利用涡流熔化金属.冶炼锅内装入被冶炼的金属,让高频交流电通过线圈,被冶炼的金属内部就产生很强的涡流,从而产生大量的热使金属熔化.
优点:
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)涡流产生在铁磁材料制成的锅底部,引起涡流的部分是灶内的励磁线圈,它与锅底不接触.电磁灶工作时表面摸上去温度也挺高,是因为其表面与铁锅发生了热传递.
三、电磁阻尼
1.拨动灵敏电流计指针,拨动停止后观察现象.在两个接线柱上接上一根导线(短路线),再次拨动指针,拨动停止后再次观察现象,比较两次观察的现象有何不同?
答案 第一次停止拨动后,可观察到指针要摆动多次,经过一定时间才能停止下来;
第二次可发现指针摆幅迅速减小,比不连导线时摆动的时间短得多.
2.两次观察到不同的现象,是什么原因造成的?
答案 这是由于与指针相连的线圈在磁场中摆动时产生了涡流,线圈受到的安培力总是阻碍线圈的转动,使指针摆幅迅速衰减,这样能起到阻尼保护的作用.
1.电磁阻尼:
当导体在磁场中运动时,导体中产生的感应电流会使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体的运动,这种现象称为电磁阻尼.
2.应用:
磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停下来,便于读数.
一、对涡流的理解
例1
下列关于涡流的说法中正确的是( )
A.涡流跟平时常见的感应电流一样,都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的
B.涡流不是感应电流,而是一种有别于感应电流的特殊电流
C.涡流有热效应,但没有磁效应
D.在硅钢中不能产生涡流
解析 涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流,只不过是由金属块自身构成回路,它既有热效应,也有磁效应,所以A正确,B、C错误;
硅钢中产生的涡流较小,D错误.
答案 A
二、涡流热效应的应用
例2
电磁炉采用感应电流(涡流)的加热原理,是通过电子线路产生交变磁场,把铁锅放在炉面上时,在铁锅底部产生交变电流,它具有升温快、效率高、体积小、安全性好等优点,下列关于电磁炉的说法正确的是( )
A.电磁炉面板可采用陶瓷材料,发热部分为铁锅底部
B.电磁炉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炉的功率
D.电磁炉面板可采用金属材料,通过面板发热加热锅内食品
解析 电磁炉的上表面如果用金属材料制成,使用电磁炉时,上表面材料发生电磁感应要损失电能,电磁炉上表面要用绝缘材料制成,发热部分为铁锅底部,故A正确,B错误;
锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关,故C正确;
电磁炉产生变化的磁场,导致锅底出现涡流,从而产生热量,故D错误.
答案 AC
三、对电磁阻尼的理解
例3
如图2所示,一狭长的铜片能绕O点在纸平面内摆动,有界磁场的方向垂直纸面向里,铜片在摆动时受到较强的阻尼作用,很快就停止摆动.如果在铜片上开几个长缝,铜片可以在磁场中摆动较多的次数后才停止摆动,这是为什么?
图2
解析 没有开长缝的铜片在磁场中摆动时,铜片内将产生较大的涡流,涡流在磁场中所受的安培力总是阻碍铜片的摆动,因此铜片很快就停止摆动.如果在铜片上开有多条长缝,就可以把涡流限制在缝与缝之间的各部分铜片上,较大地削弱了涡流,阻力随之减小,所以铜片可以摆动多次后才停止摆动.
答案 见解析
针对训练 如图3所示,条形磁铁用细线悬挂在O点.O点正下方固定一个水平放置的铝线圈.让磁铁在竖直面内摆动,下列说法中正确的是( )
图3
A.磁铁左右摆动一次,线圈内感应电流的方向改变2次
B.磁铁始终受到感应电流磁场的斥力作用
C.磁铁所受到的感应电流对它的作用力始终是阻力
D.磁铁所受到的感应电流对它的作用力有时是阻力,有时是动力
答案 C
解析 磁铁向下摆动时,根据楞次定律,线圈中产生逆时针方向的感应电流(从上面看),并且磁铁受到感应电流对它的作用力为阻力,阻碍它靠近;
磁铁向上摆动时,根据楞次定律,线圈中产生顺时针方向的感应电流(从上面看),磁场所受到的感应电流对它的作用力仍为阻力,阻碍它远离,所以磁铁在左右摆动一次过程中,感应电流方向改变3次,感应电流对它的作用力始终是阻力,只有C项正确.
1.(涡流的理解)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做匀速运动
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正确.
2.(对涡流热效应的应用)熔化金属的一种方法是用“高频炉”,它的主要部件是一个铜制线圈,线圈中有一坩埚,埚内放待熔的金属块,当线圈中通以高频交流电时,埚中金属就可以熔化,这是因为( )
A.线圈中的高频交流电通过线圈电阻,产生焦耳热
B.线圈中的高频交流电产生高频微波辐射,深入到金属内部,产生焦耳热
C.线圈中的高频交流电在坩埚中产生感应电流,通过坩埚电阻产生焦耳热
D.线圈中的高频交流电在金属块中产生感应电流,通过金属块电阻产生焦耳热
解析 高频交流电通过线圈,从而产生变化的磁场,使得处于磁场的金属块产生涡流,进而发热,故A、B、C错误,D正确.
3.(电磁阻尼的理解与应用)如图4所示,条形磁铁从高h处自由下落,中途穿过一个固定的空心线圈,开关S断开时,条形磁铁落地用时t1,落地时速度为v1;
开关S闭合时,条形磁铁落地用时t2,落地时速度为v2。
则它们的大小关系正确的是( )
图4
A.t1>t2,v1>v2
B.t1=t2,v1=v2
C.t1<t2,v1<v2
D.t1<t2,v1>v2
解析 开关S断开时,线圈中无感应电流,对磁铁无阻碍作用,故磁铁自由下落,a=g;
当S闭合时,线圈中有感应电流,对磁铁有阻碍作用,故a<g,所以t1<t2,v1>v2,故D正确.
4.(对涡流的防止)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的,而不是采用一整块硅钢,这是为了( )
A.增大涡流,提高变压器的效率
B.减小涡流,提高变压器的效率
C.增大铁芯中的电阻,以产生更多的热量
D.增大铁芯中的电阻,以减小发热量
答案 BD
解析 不使用整块硅钢而是采用很薄的硅钢片,这样做的目的是增大铁芯中的电阻,减少电能转化成铁芯的内能,提高效率,而且是为了防止涡流而采取的措施.
题组一 涡流的理解与应用
1.下列仪器是利用涡流工作的有( )
A.电磁炉B.微波炉
C.金属探测器D.真空冶炼炉
答案 ACD
高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的,如图1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冶炼的金属中,因此适于冶炼特种金属.那么该炉的加热原理是( )
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
3.电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流,使锅体发热从而加热食物,下列相关的说法正确的是( )
A.锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关
B.电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作
C.金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物
D.电磁炉的上表面一般都用金属材料制成,以加快热传递减少热损耗
解析 锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关,故A正确;
直流电不能产生变化的磁场,在锅体中不能产生感应电流,电磁炉不能使用直流电,故B错误;
锅体只能用铁磁性导体材料,不能使用绝缘材料制成锅体,故C错误;
电磁炉产生变化的磁场,导致加热锅底出现涡流,从而产生热量而不是靠热传递,D错误.
4.安检门是一个用于安全检查的“门"
“门框"
内有线圈,线圈里通有交变电流,交变电流在“门”内产生交变磁场,金属物品通过“门"
时能产生涡流,涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流,从而引起报警.以下关于这个安检门的说法正确的是( )
A.这个安检门也能检查出毒品携带者
B.这个安检门只能检查出金属物品携带者
C.如果这个“门框"
的线圈中通上恒定电流,也能检查出金属物品携带者
D.这个安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应
解析 这个安检门是利用涡流工作的,因而只能检查出金属物品携带者,A错,B对.若“门框"
的线圈中通入恒定电流,只能产生恒定磁场,它不能使块状金属产生涡流,因而不能检查出金属物品携带者,C错.安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应,D对.
5。
如图2所示是高频焊接原理示意图.线圈中通以高频变化的电流时,待焊接的金属工件中就产生感应电流,感应电流通过焊缝产生大量热,将金属熔化,把工件焊接在一起,而工件其他部分发热很少,以下说法正确的是( )
A.电流变化的频率越高,焊缝处的温度升高的越快
B.电流变化的频率越低,焊缝处的温度升高的越快
C.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小
D.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大
答案 AD
解析 交流电频率越高,则产生的感应电流越强,升温越快,故A项对.工件上各处电流相同,电阻大处产生的热量多,故D项对.
6.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线,如图3所示,抛物线的方程是y=x2,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(图中的虚线所示),一个小金属块从抛物线上y=b(b>a)处以初速度v沿抛物线下滑.假设抛物线足够长,金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是( )
A.mgbB。
mv2
C.mg(b-a)D.mg(b-a)+
解析 金属块进、出磁场时,会产生焦耳热,损失机械能而使金属块所能达到的最高位置越来越低,当金属块所能达到的最高位置为y=a时,金属块不再进、出磁场,不再产生焦耳热.金属块的机械能不再损失,而在磁场中做往复运动.由于金属块减少的动能和重力势能全部转化为内能,所以Q=|ΔEp+ΔEk|=mg(b-a)+
mv2,故D正确.
题组二 对电磁阻尼的理解与应用
7.磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架,把线圈围绕在铝框上,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,也就是涡流.涡流阻碍线圈的转动,使线圈偏转后尽快停下来,所以,这样做的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用.
8。
如图4所示,A、B为大小、形状均相同且内壁光滑、但用不同材料制成的圆管,竖直固定在相同高度.两个相同的磁性小球,同时从A、B管上端的管口无初速度释放,穿过A管比穿过B管的小球先落到地面.下列对于两管的描述中可能正确的选项是( )
A.A管是用塑料制成的,B管是用铜制成的
B.A管是用铝制成的,B管是用胶木制成的
C.A管是用胶木制成的,B管是用塑料制成的
D.A管是用胶木制成的,B管是用铝制成的
9.如图5所示,金属球(铜球)下端有通电的线圈,今把金属球向上拉离平衡位置后释放,此后金属球的运动情况是(不计空气阻力)( )
图5
A.做等幅振动B.做阻尼振动
C.振幅不断增大D.无法判定
答案 B
解析 金属球在通电线圈产生的磁场中运动,金属球中产生涡流,故金属球要受到安培力作用,阻碍它的相对运动,做阻尼振动,故B正确.
10。
如图6所示是电表中的指针和电磁阻尼器,下列说法中正确的是( )
图6
A.2是磁铁,1中产生涡流
B.1是磁铁,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下来
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的效果总是起到阻尼作用,所以它能使指针很快地稳定下来,故A、D正确.
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