第5节 涡流现象及其应用（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年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 核心素养导学 物理观念 (1)了解涡流现象及涡流的热效应。 (2)了解电磁驱动和电磁阻尼的概念。 (3)了解涡流的磁效应及应用。 科学思维 通过涡流实例的分析，理解涡流在生产中的应用。 科学探究 探究磁场中涡流的机械效应，了解电磁阻尼和电磁驱动的原理。 一、涡流现象 涡流的热效应 1．涡流：由于电磁感应，在导体内部产生的__________，看起来就像水中的旋涡。 2．涡流现象：整块导体内部发生_________而产生感应电流的现象。 3．涡流的热效应：高频感应炉、电磁炉等。 感应电流 电磁感应 二、涡流的机械效应 涡流的磁效应 1．实验与探究 (1)实验装置：铝笼置于蹄形磁铁的两个磁极之间，铝笼可以绕 支点自由转动。 (2)实验过程和结论：让磁铁转动，可以观察到铝笼也随之同向 转动。 2．电磁驱动 (1)定义：当磁场相对于导体运动时，导体中产生的______使导体受到安培力，安培力使导体运动起来的现象。 (2)应用：磁性式转速表。 涡流 3．电磁阻尼 (1)定义：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，并且安培力总是______导体的运动的现象。 (2)应用：磁电式电表指针转动时，铝框中产生涡流，由于电磁阻尼作用，铝框很快停止摆动。 4．涡流的磁效应 (1)概念：涡流产生磁场的现象。 (2)应用：金属探测器。 阻碍 1．(1)块状金属在匀强磁场中运动时，能否产生涡流？ 提示：不能。块状金属在匀强磁场中运动时，穿过金属块的磁通量不变，所以金属块中不产生涡流。 (2)利用涡流加热时，为什么使用高频交流电源？ 提示：涡流就是感应电流，使用高频交流电源，能产生高频变化的磁场，磁场中导体内的磁通量的变化更迅速，产生的感应电流更大，加热效果更好。 2．磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，工作效应比靠摩擦力刹车更稳定，如图为该新型装置的原理图(从后面朝前看)：过山车的两侧装有铜片，停车区的轨道两侧装有强力磁铁，当过山车进入停车区时铜片与磁铁的相互作用能使过山车很快停下来。 这种刹车装置的原理是什么？ 提示：这种刹车装置是电磁阻尼的一种应用。 3．如图是用涡电流金属探测器探测地下金属物的示意图。判断下列说法的正误。 (1)探测器内的探测线圈会产生交变磁场。 ( ) (2)探测器只能探测到有磁性的金属物。 ( ) (3)探测器能探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡电流。 ( ) √ × × [答案]　D [拓展]　对应[典例]中的情境，若虚线下方的磁场为非匀强磁场，则金属块在曲面上滑动时产生的焦耳热总量是多少？ /方法技巧/ (1)金属块进出匀强磁场时，产生焦耳热，损失机械能。 (2)金属块整体在匀强磁场中运动时，其机械能不再损失，在磁场中做往复运动。 (3)金属块整体在非匀强磁场中运动时，金属块内部有涡流产生，金属块的机械能仍转化为电能。　 [针对训练] 1．某手持式考试金属探测器如图所示，它能检查出考生违规携带的电子通信储存设备。工作时，探测环中的发射线圈通以正弦式电流，附近的被测金属物中产生感应电流，感应电流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流，使探测器发出警报。则 (　 ) A．被测金属物中产生的是恒定电流 B．被测金属物中产生的是交变电流 C．探测器与被测金属物相对静止时不能发出警报 D．违规携带的手机只有发出通信信号时才会被探测到 解析：工作中的探测器靠近金属物体时，在金属物体中就会产生涡流，这种涡流是交变电流，A错误，B正确；根据法拉第电磁感应定律，探测器产生的是变化的磁场，使靠近的金属物体产生涡流，探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报，C错误；探测器的工作原理是电磁感应现象，和手机是否发出通信信号无关，D错误。 答案：B 2．电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，“火力”强劲，安全可靠，如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是 (　 ) A．当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果 越好 B．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用 C．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 D．电磁炉通电线圈加变化的电流后，在锅底产生涡流，进而发热工作 解析：锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是变化的电流，不是恒定的电流，A错误，D正确；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，B错误；金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流，C错误。 答案：D　 3．(选自沪科版新教材课后练习)强大的涡电流在金属内流动时，会释放大量的热能。工业上利用这种热效应，制成高频电磁感应电炉来冶炼金属，其结构原理图如图所示。请分析它的工作原理。 提示：线圈中的高频电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感应电场，感应电场产生感应电流——涡流，涡流产生热效应来冶炼金属。 (1)金属框为什么会运动？若金属框不受阻力，将如何运动？ (2)当金属框始终受到Ff＝1 N的阻力时，金属框的最大速度是多少？ (3)当金属框始终受到Ff＝1 N的阻力时，要使金属框维持最大速度，每秒钟需消耗多少能量？这些能量是谁提供的？ [解析]　(1)因为磁场向右运动，金属框相对于磁场向左运动，于是金属框ad、bc两边切割磁感线产生感应电流，当金属框在题图中实线位置时，由右手定则知，产生逆时针方向的电流，金属框受到向右的安培力作用，所以金属框跟随匀强磁场向右运动。如果金属框处于题图中虚线位置，则产生顺时针方向的感应电流，由左手定则知，金属框所受安培力方向仍然是水平向右的，故只要两者处于相对运动状态，金属框就始终受到向右的安培力作用。金属框开始时处于静止状态(对地)，受安培力作用后，向右做加速运动，若金属框不受阻力，当速度增大到5 m/s时，金属框相对磁场静止，做匀速运动。 [答案]　(1)见解析　(2)1.875 m/s　(3)5 J　由磁场提供的 [系统归纳] 电磁阻尼与电磁驱动的对比分析 比较项目 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由于导体在磁场中运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力 由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力 效果 安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动 导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动 能量 转化 导体克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能 由于电磁感应，磁场能转化为电能，通过安培力做功，电能转化为导体的机械能，从而对外做功 相同点 两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动 [针对训练] 1．很多相同的绝缘铜圆环沿竖直方向叠放，形成一很长的竖直圆筒。一条形磁铁沿圆筒的中心轴竖直放置，其下端与圆筒上端开口平齐。让条形磁铁从静止开始下落。条形磁铁在圆筒中的运动速率 (　 ) A．均匀增大 B．先增大，后减小 C．逐渐增大，趋于不变 D．先增大，再减小，最后不变 解析：条形磁铁在下落过程中，绝缘铜环内产生感应电流，导致条形磁铁做加速度逐渐减小的加速运动，故其速率逐渐增大，最后趋于不变，C正确，A、B、D错误。 答案：C　 2．(多选)位于光滑水平面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水平穿过，如图所示，在此过程中 (　 ) A．磁铁受到螺线管水平向右的力的作用 B．磁铁受到螺线管水平向左的力的作用 C．小车向右做加速运动 D．小车先加速后减速 解析：磁铁水平穿过螺线管时，螺线管中将产生感应电流，由于电磁阻尼并结合牛顿第三定律，整个过程中，磁铁受到螺线管水平向左的力的作用，B正确；对于小车上的螺线管，在此过程中，螺线管会产生感应电流，由于电磁驱动，使小车向右运动起来，在磁铁穿过螺线管过程中，小车一直向右做加速运动，C正确。 答案：BC 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——涡流 1．(选自鲁科版新教材“迷你实验室 ”)如图所示，在一个绕有线圈的 可拆变压器铁芯上面放一口小铁锅，锅内放少许水，给线圈通入一 段时间(通电时间不能过长)的交变电流；再用玻璃杯代替小铁锅， 通入相同时间的交变电流。 铁锅和玻璃杯中的水温变化有什么不同？为什么？ 解析：铁锅中的水温明显升高，因为通入交变电流时，所产生的磁场是变化的，因铁锅是导体，铁锅中产生涡流，电能转化为内能，使水温升高，而玻璃是绝缘体，玻璃杯中无涡流产生，杯中水温不变。 答案：见解析 科学思维——对电磁阻尼的理解 2．(选自鲁科版新教材课后练习)如图所示，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U形磁铁放在铜 盘边缘，但并不与铜盘接触，则铜盘 (　 ) A．不受影响，和原先一样转动 B．很快停下来 C．比原先需要更长时间停下来 D．比原先更快地转动 解析：铜盘由于受到电磁阻尼的作用而很快停下来，故B正确，A、C、D错误。 答案：B　 科学态度与责任——涡流在日常生活中的应用 3．(选自鲁科版新教材课后练习)(多选)如图所示，电磁炉是利用感应电流(涡流)的加热原理工作的。下列关于电磁炉的说法，正确的是 (　 ) A．电磁炉面板采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部 B．电磁炉面板采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品 C．电磁炉可用陶瓷器皿作为锅具对食品加热 D．可通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率 解析：电磁炉面板为陶瓷材料，发热部分为铁锅底部，电磁炉不能对陶瓷器皿加热，A正确，B、C错误；电流频率越大，产生的涡流越强，D正确。 答案：AD　 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(多选)图甲为磁控健身车，图乙为其车轮处结构示意图，在金属飞轮的外侧有一些磁铁(与飞轮不接触)，人用力蹬车带动飞轮旋转时，磁铁会对飞轮产生阻碍作用，拉动旋钮拉线可以改变磁铁与飞轮间的距离。下列说法正确的是 (　 ) A．飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力 B．飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮受到的阻力越小 C．磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，受到的阻力越小 D．磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，内部的涡流越强 解析：根据题意，人用力蹬车带动飞轮旋转时，磁铁会对飞轮产生阻碍作用，飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力，A正确；飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮受到安培力越大，即阻力越大，B错误；磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，磁通量的变化率越大，则飞轮内部的涡流越强，产生的安培力越大，受到的阻力越大，C错误，D正确。 答案：AD 2．(多选)图甲为常见的家用电磁炉，图乙为电磁炉的工作原理图。当通以高频交变电流时，线圈产生的磁场会随电流的大小和方向的变化而变化，使电磁炉上方的铁锅产生感应电流，从而使其发热。下列说法正确的是 (　 ) A．磁场变化的频率越高，电磁炉的加热效果越好 B．由上往下看，图乙中的线圈该时刻的电流方向为顺时针 C．电磁炉是利用电磁感应在锅体中产生涡流来工作的 D．普通陶瓷砂锅也可利用电磁炉来煲汤 解析：磁场变化的频率越高，磁通量变化率越大，由法拉第电磁感应定律可知，产生的感应电动势越大，回路中的电流越大，加热效果越好，A正确；由上往下看，依据安培定则，可知题图乙线圈中该时刻电流方向为逆时针，B错误；电磁炉的工作原理是利用交变电流通过线圈产生交变磁场，使金属锅自身产生无数小涡流从而使锅体温度升高，C正确；交变磁场在普通陶瓷砂锅内不能形成涡流，则不能用来加热，D错误。 答案：AC 新知学习(一) [重点释解] 1．涡流的本质：电磁感应现象。 2．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。 3．产生涡流时的能量转化 伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能。 (1)金属块放在变化的磁场中，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，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。 [典例体验] [典例]　光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，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，假设滑动的时间足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是 (　 ) A．mgb B．mv2 C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2 [解析]　由初状态到末状态(金属块在磁场区域内往复运动)能量守恒。初状态机械能E1＝mgb＋mv2，末状态机械能E2＝mga，焦耳热Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋mv2，D正确。 [解析]　由于虚线下方的磁场为非匀强磁场，则金属块最终停止于最低点O处，由能量守恒定律可知，产生的焦耳热总量Q＝mgb＋mv2。 [答案]　mgb＋mv2 新知学习(二) [典例体验] [典例]　磁悬浮列车的原理如图所示，在水平面上，两根平行直导轨间有竖直方向且等距离的匀强磁场，大小分别为B1和B2，方向相反，导轨上有金属框abcd，当匀强磁场同时以速度v沿直线向右运动时，金属框也会沿直导轨运动。设直导轨间距为l＝0.4 m，B1＝B2＝1 T，磁场运动速度v＝5 m/s，金属框的电阻R＝2 Ω。试回答下列问题： (2)当金属框始终受到Ff＝1 N的阻力时，达最大速度vm时受力平衡，有Ff＝F安＝2BIl，式中I＝，v－vm为磁场速度和金属框最大速度之差，即相对速度，所以vm＝v－＝1.875 m/s。 (3)消耗的能量一是转化为金属框的内能，二是克服阻力做功，所以消耗能量的功率为P＝I2R＋Ffvm，式中 I＝＝ A＝1.25 A 所以P＝[(1.25)2×2＋1×1.875] W＝5 W，则每秒钟需消耗5 J能量，这些能量是由磁场提供的。 $$