(讲义)第2章 第5节 涡流现象及其应用-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册(粤教版2019)

第五节　涡流现象及其应用 1．认识什么是涡流，理解涡流的成因及本质。 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。 3．了解在生产、生活中避免或减少涡流的方法。 知识点一　涡流现象 1．涡流：整块导体内部因发生电磁感应而产生旋涡状的感应电流。 2．影响涡流大小的因素：导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。 知识点二　涡流现象的应用 1．涡流的热效应 (1)电磁炉：电磁炉是涡流现象在生活中的应用，采用了磁场感应涡流的加热原理。 (2)高频感应炉：在感应炉中，有产生高频交变电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，其工作原理也是涡流加热。 2．涡流的机械效应 (1)电磁驱动：当磁场相对导体运动时，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。 (2)电磁阻尼：当导体相对磁场运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，并且安培力总是阻碍导体的运动。 3．涡流的磁效应 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，在金属物中激起涡流，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大小和相位，从而探知金属物。 1．思考判断(正确的画“√”，错误的画“×”) (1)涡流有热效应，但没有磁效应。 (×) (2)把金属块放在变化的磁场中可产生涡流。 (√) (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。 (×) (4)金属探测器是利用涡流现象。 (√) (5)电表线圈用铝框作线圈骨架不是利用涡流现象。 (×) 2．如图所示，金属球(铜球)下端有通电的线圈，今把小球拉离平衡位置后释放，此后关于小球的运动情况是(不计空气阻力)(　　) A．做等幅振动 B．做阻尼振动 C．振幅不断增大 D．无法判定 B　[小球在通电线圈磁场中运动，小球中产生涡流，故小球要受到安培力作用阻碍它的相对运动，做阻尼振动，故振幅越来越小，A、C、D错误，B正确。] 3．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直线运动 C．让金属块在匀强磁场中做匀变速直线运动 D．把金属块放在变化的磁场中 D　[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中穿过金属块的磁通量不变化，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。] 1．如图，将通有变化电流的导线绕在铁块上。 (1)请问铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ (2)在上述过程中伴随着哪些能量转化？ 提示：(1)有。变化的电流产生变化的磁场，根据楞次定律可知铁块中产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。 (2)导线电能转化为磁场能，磁场能转化为铁块中电能，最终转化为内能。 2．一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图所示，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？ 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。 　对涡流的理解 1．对涡流的理解 本质 电磁感应现象 条件 穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身可自行构成闭合回路 特点 整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大，发热功率很大 2．能量转化 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。 3．涡流的应用与防治 (1)应用：高频感应炉、金属探测器、安检门等。 (2)防治：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。 【典例1】　(多选)如图所示为用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，将金属材料置于冶炼炉中，当线圈中通以电流时用感应加热的方法使炉内金属发热。下列说法中正确的是(　　) A．线圈中通以恒定电流，金属材料中也能产生感应电流 B．线圈中通以随时间变化的电流，在金属材料中会产生感应电流 C．感应加热是利用金属材料中的涡流冶炼金属的 D．感应加热是利用线圈电阻产生的焦耳热冶炼金属的 BC　[通过线圈的电流是随时间变化的电流，从而在金属材料中产生感应电流，故A选项错误，B选项正确；炉内金属中会产生感应电流，这种电流叫涡流，感应加热是利用金属材料中的涡流冶炼金属的，故C选项正确；炉内金