第2章 第5节 涡流现象及其应用-【金版教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册创新导学案教用Word（粤教版2019）

物理 选择性必修 第二册(粤教) 第五节　涡流现象及其应用 1．理解涡流产生的原理．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 给线圈通入变化的电流，线圈中就会产生变化的磁场，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，如果用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以称之为涡电流，简称涡流．这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象，称为涡流现象． 二　涡流的热效应 像其他电流一样，金属块中的涡流也会产生热量．如果金属的电阻率小，则会产生很强的涡流，产生大量的焦耳热． 1．高频感应炉就是利用涡流的热效应进行金属冶炼的．这种冶炼方法加热效率高、速度快，可以减小表面氧化程度，并且容易控制温度，适合冶炼特种钢等各种特种合金． 2．生活中常见的电磁炉也是涡流热效应的典型应用．热量在传递过程中损耗较少，是一种清洁、高效的炊具． 三　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．磁性式转速表就是利用电磁驱动作用制成的． 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．应用此作用，磁电式电表的指针能够迅速稳定在示数位置上． 四　涡流的磁效应 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． 利用涡流的磁效应，可以通过检测这个磁场，间接地推断物质的属性．根据这一思路，人们制成了探测金属的金属探测器． 判一判 (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)铝块靠近磁体时，铝块中不会产生电流．(　　) (3)涡流的方向可用楞次定律判断．(　　) (4)电磁炉是感应电流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．(　　) (5)电磁阻尼是楞次定律的一种体现．(　　) (6)电磁驱动中不满足能量的转化与守恒定律．(　　) (7)利用涡流金属探测器，可以探测出违法分子携带的毒品．(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√　(6)×　(7)× 课堂任务　涡流现象及其应用 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：如图甲所示，当整块导体处在变化的磁场中时，请问导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ 提示：有．导体可看成是由许多闭合回路组成的，回路中的磁通量不断变化，每个回路中都会产生感应电流．在整个导体中，一圈圈的感应电流环绕导体轴线流动，形状像水中的旋涡． 活动2：上述电流有哪些性质？ 提示：电流做功会产生热量，所以具有热效应；电流在磁场中会受到安培力，所以具有机械效应；电流会在其周围产生磁场，具有磁效应． 活动3：如图乙所示，一个铝笼置于蹄形磁铁的两个磁极间，铝笼可以绕支点自由转动．转动磁铁，铝笼怎么运动？ 提示：磁铁转动时，铝笼周围的磁场变化，铝笼中产生感应电流，受到安培力的作用，根据楞次定律的推论，安培力的作用是阻碍铝笼与磁场的相对运动，所以铝笼也转动起来，转动方向与磁铁相同． 1．涡流的产生 涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，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，穿过这些闭合电路的磁通量变化，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．涡流的热效应 (1)进行金属冶炼的高频感应炉 如图所示，在耐火材料制成的冶炼锅中放入待熔化的金属，冶炼锅外缠绕线圈，让高频交变电流通过线圈，被冶炼的金属内部产生很强的涡流，从而产生大量的热量使金属熔化． (2)电磁炉 如图所示，利用陶瓷玻璃面板下方的线圈产生变化的磁场，当铁磁材料制成的烹饪锅放置在面板上时，锅底处在变化的磁场中产生涡流，使锅本身自行高速发热，达到加热锅内食物的目的．通过控制交变电流的大小，我们可以控制电磁炉的功率，从而满足炒、蒸、炖等多种烹饪方式的火力需要． (3)在涡流的热效应中，变化磁场的磁场能转化为感应电流的电能，电能又转化为内能． 3．涡流的机械效应 (1)电磁驱动的应用 如图所示，转速表的磁铁转轴与其他机器设备(如车轮)相连．磁铁随着转轴转动时，在金属感应片中产生涡流，由于电磁驱动的作用带动指针发生偏转，直到与弹簧游丝扭转产生的反向作用效果平衡，由此显示出转速的大小．将转速表盘改为车速刻度，就成了汽车上的车速表． (2)电磁阻尼的应用 磁电式电表中将线圈绕在一个轻铝框上，如图所示，当有电流输入线圈时，通电线圈在磁场中受力转动，带动指针和铝框一起转动．此时铝框中产生涡流，由于电磁阻尼的作用，铝框很快就会停止摆动，使指针能够迅速稳定在示数位置上． (3)在涡流的机械效应中，变化的磁场能转化为感应电流的电能，电能又转化为机械能． 4．涡流的磁效应 (1)金属探测器 通有变化电流的线圈在扫过金属物体时，金属物体在交变磁场中被激发出涡流，涡流产生磁场影响线圈的磁场，从而触发报警． (2)在涡流的磁效应中，变化的磁场能转化为感应电流的电能，电能又转化为磁场能． 例　如图所示为电磁驱动器的原理图．其中①为磁极，它被固定在电动机②的转轴上，金属圆盘③可以绕中心轴转动，圆盘与转轴间的阻力较小．整个装置固定在一个绝缘支架④上．当电动机的转轴转动时，金属圆盘也将转动起来．下列有关说法中正确的是(　　) A．金属圆盘转动的方向和磁极的转动方向相同，转速小于磁极的转速 B．金属圆盘转动的方向和磁极的转动方向相同，转速等于磁极的转速 C．将金属圆盘换成绝缘圆盘，它也会跟着磁极转动 D．当电动机突然被卡住不转时，金属圆盘将转动较长时间才会停下来 (1)磁极在电动机作用下转动，会产生什么现象？ 提示：电磁驱动． (2)磁极突然停止运动时，金属圆盘中会产生感应电流吗？ 提示：会． [规范解答]　当磁极转动时，在金属圆盘中会产生涡流，涡流所受安培力阻碍其相对运动，金属圆盘转动方向与磁极的转动方向相同，但转速一定小于磁极的转速，这样才会有持续的安培力，让其持续转动下去，故A正确，B错误；如果将金属圆盘换成绝缘圆盘，圆盘中不能产生感应电流，所以它不会跟着磁极转动，故C错误；当电动机突然被卡住不转时，金属圆盘与磁极有相对运动，仍会产生涡流，金属圆盘的动能因电磁阻尼将转化为焦耳热，所以很快停下来，故D错误． [答案]　A 　电磁阻尼与电磁驱动的比较 电磁驱动 电磁阻尼 不同点 成因 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 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 效果 导体所受安培力的方向与磁场运动方向相同，推动导体运动 安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动 能量 转化 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 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 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 特别提醒：电磁驱动、电磁阻尼现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动，应注意电磁驱动中阻碍的结果——导体的运动速度仍小于磁场的运动速度． [变式训练1]　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．图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．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 C．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用 D．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 答案　B 解析　根据电磁炉的工作原理可知，电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，A错误，B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，C错误；金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅是用绝缘材料制作的，不会产生涡流，D错误． [变式训练2]　如图所示为游乐场中过山车的“磁力刹车装置”．在过山车两侧安装铜片，停车区的轨道两侧安装强力磁体，当过山车进入停车区时，铜片与强力磁体的相互作用使过山车能很快地停下．下列说法中错误的是(　　) A．过山车进入停车区时其动能转化为电能 B．过山车在停车区运动的过程中两侧的铜片中会产生感应电流 C．把铜片换成有机玻璃片，也能达到相同的刹车效果 D．过山车进入停车区时铜片受到的安培力使过山车减速 答案　C 解析　当过山车进入停车区时，两侧铜片切割磁感线，产生感应电流，此电流在磁场中受到安培力的作用，阻碍磁体与铜片的相对运动，即产生电磁阻尼现象，使过山车减速，此过程中过山车的动能转化成电能，最终转化为内能，故A、B、D正确．把铜片换成有机玻璃片，因有机玻璃不导电，无法产生感应电流，达不到同样的刹车效果，C错误．本题选说法错误的，故选C． 1．(涡流的应用)如图所示是冶炼金属的感应炉的示意图，感应炉中装有待冶炼的金属，线圈中通有电流，则(　　) A．感应炉的线圈中必须通有变化的电流，才会产生涡流 B．感应炉的线圈中通有恒定的电流，也可以产生涡流 C．感应炉是利用线圈中电流产生的焦耳热使金属熔化的 D．感应炉是利用线圈中电流产生的磁场使金属熔化的 答案　A 解析　根据电磁感应的条件可知，感应炉的线圈中必须通有变化的电流，才会产生涡流，A正确，B错误；感应炉的线圈中变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场穿过金属，在金属内产生强涡流，涡流产生大量的热使金属熔化，C、D错误． 2．(电磁驱动)如图所示，闭合导线环和条形磁体都可以绕水平的中心轴OO′自由转动，开始时磁体和圆环都静止在竖直平面内，若条形磁体突然绕OO′轴N极向纸里、S极向纸外转动，在此过程中，圆环将(　　) A．产生逆时针方向的感应电流，圆环上端向里、下端向外随磁体转动 B．产生顺时针方向的感应电流，圆环上端向外、下端向里转动 C．产生逆时针方向的感应电流，圆环并不转动 D．产生顺时针方向的感应电流，圆环并不转动 答案　A 解析　磁体转动时，穿过圆环向里的磁通量增加，根据楞次定律，圆环中产生逆时针方向的感应电流．磁体转动时，为阻碍磁通量的变化，圆环与磁体同向转动．故A正确． 3．(涡流的应用)(多选)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 答案　BD 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错误，B正确；若“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使金属物品产生涡流，因而不能检查出金属物品携带者，C错误；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正确． 4．(涡流与电磁阻尼)(多选)很多高层建筑都会安装减震耗能阻尼器，用来控制强风或地震导致的振动．上海中心大厦使用重达1000吨的“上海慧眼”作为阻尼器．阻尼器采用的是电磁原理消能减震的技术，其建筑的主体结构在遭遇强风或地震时发生振动，吊挂在结构顶部的阻尼器就会带动磁钢组件在固定的铜板上进行相对移动，从而将系统振动的能量转化为内能．关于减震耗能阻尼器的工作原理，下面说法正确的是(　　) A．铜板中产生涡电流的原因是穿过铜板的磁通量在变化 B．磁钢组件摆动得越快，铜板上产生的涡电流越小 C．采用铜板是因为铜的导电性能好，产生的涡电流大、阻尼大 D．阻尼器摆动幅度不受风力大小影响 答案　AC 解析　产生涡电流的原因与产生感应电流的原因相同，都是由于穿过导体的磁通量发生变化，故A正确；磁钢组件摆动得越快，穿过铜板的磁通量变化越快，铜板上产生的涡电流越大，故B错误；采用铜板是因为铜的电阻率低，导电性能好，产生的涡电流大、阻尼大，故C正确；由受迫振动发生机制可知，阻尼器摆动幅度受风力大小影响，故D错误． 5．(涡流与电磁阻尼)如图所示为实验室所用的某种灵敏天平，安装在天平臂一端(图中的右端)的金属片置于蹄形磁体的两个磁极之间，该装置有利于振动的天平臂迅速稳定下来．现因物体放置在秤上引起天平臂的摆动带动金属片上下运动，则以下说法正确的是(　　) A．当金属片上下运动时，由于穿过金属片的磁通量没有发生变化，因此金属片中没有感应电流 B．当金属片上下运动时，金属片中会产生逆时针方向的涡流 C．当金属片向上运动时，金属片受到向下的磁场力 D．由于金属片在上下运动，受到的磁场力总是阻碍金属片的运动，使其机械能转化为内能，导致物体质量测量值偏小 答案　C 解析　当金属片上下运动时，由于穿过金属片的磁通量发生变化，因此金属片中产生感应电流，A错误；当金属片上下运动时，金属片中会产生方向变化的涡流，涡流的方向与金属片的运动方向及位置有关，B错误；当金属片向上运动时，根据“来拒去留”原则，金属片受到向下的磁场力，C正确；当天平静止时才可以进行读数，此时磁场力消失，不会影响物体质量的测量，D错误． 6．(电磁驱动)电磁驱动是21世纪初问世的新概念、新技术，现已广泛应用在我们的日常生活中．装在汽车上的磁性转速表就利用了电磁驱动，其工作原理如图所示．下列说法正确的是(　　) A．永久磁体和铝盘应装在同一转轴上，两者同步转动 B．永久磁体和铝盘应装在不同的转轴上，两者转动方向相反 C．永久磁体相对铝盘转动，铝盘中产生感应电流，并受安培力而转动 D．在电磁驱动的过程中，通过克服安培力做功将机械能转化为电能 答案　C 解析　根据电磁驱动的概念可知，永久磁体和铝盘固定在不同的转轴上，当永久磁体随转轴转动时，在铝盘中产生感应电流，这时永久磁体的磁场会对铝盘上的感应电流有安培力的作用，使铝盘转动，由于弹簧游丝的作用，会使指针稳定在某一刻度上，故A错误，C正确；该转速表运用了电磁感应原理，由楞次定律的“来拒去留”可知，铝盘转动方向与永久磁体转动方向应相同，且两者的转动不是同步的，故B错误；在电磁驱动的过程中，通过安培力做功将电能转化为机械能，故D错误． 7．(电磁阻尼)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(　　) 答案　A 解析　出现扰动后，其扰动方向不确定，在选项C这种情况下，紫铜薄板上下或左右振动时，穿过薄板的磁通量难以改变，不能发生电磁感应现象，没有电磁阻尼效应；在选项B、D这两种情况下，紫铜薄板上下振动时，也没有发生电磁阻尼现象；选项A这种情况下，不管紫铜薄板上下振动还是左右振动时，都会发生电磁感应现象，产生电磁阻尼效应．A正确． 8．(涡流的应用)(多选)如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有(　　) A．增加线圈的匝数 B．提高交流电源的频率 C．将金属杯换为瓷杯 D．取走线圈中的铁芯 答案　AB 解析　当线圈接交流电源时，金属杯处在变化的磁场中，产生涡电流发热，使水温升高．要缩短加热时间，需增大涡电流，即增大感应电动势．增加线圈的匝数、提高交变电流的频率都可以增大感应电动势，瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致感应电动势减小．故A、B正确，C、D错误． 1 学科网（北京）股份有限公司 $$