2.5 涡流现象及其应用-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修 第二册 （粤教版2019）

第五节　涡流现象及其应用 [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(重点)。2.了解涡流的热效应及其应用(重难点)。3.了解涡流的机械效应，理解电磁阻尼和电磁驱动的原理，并了解其在生产和生活中的应用(重点)。4.了解涡流的磁效应及其应用。 一、涡流现象　涡流的热效应 如图所示，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？ 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。 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。这种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。 2．涡流的热效应：金属块中的涡流会产生热量，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，利用涡流产生的热量可以冶炼金属。 3．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。 4．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。 5．涡流的应用与防止 (1)应用：真空冶炼炉、电磁炉等。 (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作材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。 (1)涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流。(　×　) (2)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。(　√　) (3)导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热。(　×　) 例1　(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，它的工作原理是：在封口机工作时，套在瓶口上的封口头内的线圈有电流通过，致使靠近线圈(但与线圈绝缘)的铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在被封容器的瓶口处，达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是(　　) A．封口材料可用普通塑料来代替铝箔 B．该封口机可用干电池作为电源以方便携带 C．封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率 D．该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器 答案　CD 解析　由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电源，A、B错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，可解决温度过高的问题，C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样会被加热，只能是玻璃、塑料等材质，D正确。 针对训练1　(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、涡流的机械效应 (1)如图甲所示，将两磁铁在同一高度释放，下方放有闭合线圈的磁铁很快停止振动，而下方不放闭合线圈的磁铁能振动较长时间，如何解释这个现象？ (2)如图乙所示，当顺时针或逆时针转动蹄形磁铁时线圈怎样转动？使线圈转动起来的动力是什么？ 答案　(1)题图甲中下方放有闭合线圈的磁铁振动时除了受空气阻力外，还受到线圈的磁场阻力，所以很快停下来。 (2)当蹄形磁铁顺时针转动时，线圈也顺时针转动；当蹄形磁铁逆时针转动时，线圈也逆时针转动。线圈内产生感应电流，线圈受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来。 1．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。 2．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。 3．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。 例2　如图所示，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(　　) 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，若两者的转速相同，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。 例3　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其左右振动的衰减最有效的方案是(　　) 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，系统震动时，紫铜薄板随之上下及左右振动，在磁场中的部分有时多有时少，磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力，阻碍系统的震动；在B、D图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流，而上下振动无电流产生；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，故选A。 针对训练2　某同学搬运如图所示的磁电式电流表时，发现表针晃动剧烈且不易停止。按照老师建议，该同学在两接线柱间接一根导线后再次搬运，发现表针晃动明显减弱且能很快停止。下列说法正确的是(　　) A．未接导线时，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势 B．未接导线时，表针晃动剧烈是因为表内线圈受到安培力的作用 C．接上导线后，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势 D．接上导线后，表针晃动减弱是因为表内线圈受到安培力的作用 答案　D 解析　未接导线时，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势，但不构成闭合回路，故不产生感应电流，不受安培力作用，A、B错误；接上导线后，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势，在闭合回路中产生感应电流，受到安培力的作用，是电磁阻尼的表现，C错误，D正确。 电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 由导体在磁场中运动形成的 由磁场运动而形成的 效果 安培力方向与导体运动方向相反，为阻力 安培力方向与导体运动方向相同，为动力 能量转化 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 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 共同点 两者都是电磁感应现象，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动 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、埋于地下的地雷、金属覆盖膜的厚度。 例4　(2023·成都市树德中学高二月考)如图所示为安检门原理图，左边门框中有一通电线圈，右边门框中有一接收线圈，若工作过程中某段时间通电线圈中存在顺时针方向(从左向右观察)均匀增大的电流，则下列说法正确的是(电流方向判断均从左向右观察)(　　) A．无金属片通过时，接收线圈中感应电流的方向为顺时针 B．无金属片通过时，接收线圈中感应电流的大小不变 C．有金属片通过时，按收线圈中感应电流的方向为顺时针 D．有金属片通过时，接收线圈中感应电流会变大 答案　B 解析　当左侧通电线圈中通有不断增大的顺时针方向的电流时，知穿过右侧接收线圈的磁通量向右，且增大，根据楞次定律，右侧线圈中产生逆时针方向的电流，即使有金属片通过时，接收线圈中的感应电流方向仍然为逆时针，故A、C错误；无金属片通过时，通电线圈中存在顺时针方向均匀增大的电流，则通电线圈产生的磁场均匀增大，所以穿过右侧接收线圈的磁通量均匀增大，则磁通量的变化率是定值，由法拉第电磁感应定律可知，接收线圈中的感应电流不变，故B正确；有金属片通过时，穿过金属片的磁通量也发生变化，金属片中也会产生感应电流，与接收线圈中的感应电流的方向相同，所以会使该空间中磁场的变化削弱一些，引起接收线圈中的感应电流大小发生变化，接收线圈中感应电流会变小，故D错误。 课时对点练 考点一　涡流现象 涡流的热效应 1．(多选)(2023·肇庆市高二期末)电磁灶是现代家庭中的常用灶具，如图是某型号电磁灶的原理图。下列有关电磁灶的说法正确的是(　　) A．电磁灶在使用时主要利用涡流热效应 B．电磁灶发热原理与电炉相同 C．不锈钢锅、塑料容器均可在电磁灶上使用 D．电磁灶加热食物是电磁感应在生活中的应用 答案　AD 解析　电磁灶使用时，线圈将电能转化为电磁能，在锅底产生涡流是将电磁能转化为电能，电能通过涡流做功再转化为内能，电炉利用的是电流的热效应，故B错误，A、D正确；铁质锅、不锈钢锅可在电磁灶上使用，塑料容器不可在电磁灶上使用，故C错误。 2．(多选)(2022·太原市高二期中)如图是高频焊接原理示意图。当线圈中通有变化的电流时，待焊接的金属工件的焊缝处就会产生大量热量将金属熔化，把工件焊接在一起。下列说法正确的是(　　) A．电源的频率越高，工件中的感应电流越大 B．电源的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 C．焊缝处产生大量的热量是因为焊缝处的电流大 D．焊缝处产生大量的热量是因为焊缝处的电阻大 答案　AD 解析　根据法拉第电磁感应定律，电源的频率越高，感应电动势越大，工件中的感应电流越大，焊缝处的温度升高得越快，A正确，B错误；焊缝处产生大量的热量是因为焊缝处接触面积小，电阻大，C错误，D正确。 考点二　电磁驱动和电磁阻尼 3．(2023·东莞市石龙中学高二月考)著名的“圆盘实验”中，将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图所示。实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后。下列说法不正确的是(　　) A．圆盘上产生了感应电动势 B．圆盘内的涡流产生的磁场导致磁针转动 C．在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量不变 D．圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动 答案　D 解析　圆盘运动过程中，半径方向的金属条在切割磁感线，在圆心和边缘之间产生了感应电动势，选项A正确，不符合题意；圆盘转动过程中会形成涡流，涡流产生的磁场导致磁针转动，选项B正确，不符合题意；圆盘转动过程中，圆盘位置、圆盘面积和磁场都没有发生变化，所以没有磁通量的变化，选项C正确，不符合题意；当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，产生涡流，而磁针对电流有力的作用，根据力的作用是相互的，磁针会受力发生转动，故D错误，符合题意。 4.(多选)如图所示，是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是(　　) A．2是磁铁，在1中产生涡流 B．1是磁铁，在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稳定下来 答案　AD 解析　当电表的指针摆动时，金属框1在蹄形磁铁2中同时转动，金属框中的磁通量发生变化，则产生感应电流——即涡流，金属框在磁场中所受的安培力阻碍其相对运动，使指针很快稳定下来，故A、D正确。 考点三　涡流的磁效应 5．(多选)(2023·东莞高级中学高二月考)考生入场时，监考老师要用金属探测器对考生进行安检后才允许其进入考场。探测器内有通电线圈，当探测器靠近任何金属材料物体时，就会引起探测器内线圈中电流变化，报警器就会发出警报；靠近非金属物体时则不发出警报。关于探测器工作原理，下列说法正确的是(　　) A．探测器利用的是静电感应现象 B．探测器利用的是磁场对金属的吸引作用 C．探测器利用的是电磁感应现象 D．当探测器靠近金属物体时，能在金属中形成涡流，进而引起线圈中电流的变化 答案　CD 解析　当线圈靠近金属物体时，在金属物体中产生涡流，相当于闭合电路的部分导体在切割磁感线，故在金属中会产生电流，而金属中的电流产生的磁场又引起线圈中的磁通量发生变化，进而引起线圈中电流的变化，报警器发出警报，故D正确；由D选项分析可知探测器采用了电磁感应原理，而非金属则不会产生电磁感应现象，故C正确，A、B错误。 6.四川三星堆新发现6个祭祀坑，挖掘之前考古人员用图示金属探测器在地面上进行探测定位，探测器中的发射线圈产生磁场，在地下的被测金属物中感应出电流，感应电流又影响线圈中的电流，使探测器发出警报，则(　　) A．发射线圈产生的磁场是恒定磁场 B．被测金属中产生的电流是恒定电流 C．探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱无关 D．探测器与被测金属物相对静止时出能发出警报 答案　D 解析　探测器中的发射线圈产生磁场，在地下的被测金属物中产生感应电流，所以发射线圈产生的磁场是变化的磁场，A错误；感应电流的磁场又影响线圈中的电流，说明感应电流产生的磁场是变化的，在线圈中又产生了感应电流，从而发出警报，B错误；探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱有关，发射线圈中的电流越强，其产生的磁场也越强，其探测的深度就越深，C错误；因为探测器产生的磁场是变化的，所以探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报，D正确。 7.(多选)(2022·肇庆市高二期末)如图所示，纽扣形永磁铁直径略小于铜管、塑料管内径，某同学分别同时将两个纽扣形永磁铁从竖直放置的空心铜管和空心塑料管上端口处由静止释放，忽略空气阻力以及磁铁与管壁的摩擦。下列说法正确的是(　　) A．纽扣形永磁铁在铜管中下落得快 B．纽扣形永磁铁在塑料管中下落得快 C．纽扣形永磁铁在铜管中下落过程中机械能守恒 D．纽扣形永磁铁在塑料管中下落过程中机械能守恒 答案　BD 解析　纽扣形永磁铁在塑料管中下落时只受重力作用，做自由落体运动，在铜管中下落时，使铜管的磁通量发生变化，铜管中产生感应电流，感应电流产生的磁场对磁铁产生磁场力的作用，根据“来拒去留”规律，可知磁铁所受磁场力向上，比自由落体运动慢，所以纽扣形永磁铁在塑料管中下落得快，A错误，B正确；由于纽扣形永磁铁在铜管中下落过程中部分机械能转变为电能，机械能不守恒，而纽扣形永磁铁在塑料管中下落过程中只有重力做功，机械能守恒，C错误，D正确。 8.(2022·惠州市博罗县高二月考)学完涡流的知识后，某个同学回家制作了一个简易加热器，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．提高交流电源的频率 B．减少线圈的匝数 C．将金属杯换为陶瓷杯 D．将交流电源换成电压更大的直流电源 答案　A 解析　由题意可知，本题中是涡流现象的应用，即采用线圈产生的磁场使金属杯产生感应电流，从而进行加热，则由法拉第电磁感应定律可知，增加线圈的匝数、提高交流电的频率均可以提高发热功率，则可以缩短加热时间，故B错误，A正确； 将杯子换为陶瓷杯不会产生涡流，则无法加热水，故C错误；将交流电源换成电压更大的直流电源不会产生涡流，故D错误。 9．(多选)如图为磁控健身车车轮处的结构示意图，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。下列说法正确的有(　　) 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 答案　AD 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，选项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，选项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，选项C错误，D正确。 10．(多选)(2022·中山市高二月考)我们熟知磁铁不能吸引金银。但最近媒体报导了几起怪事，有人发现从正规渠道购买的金条能被磁铁“吸”得动起来，当强磁铁对着金条前后快速移动时，金条被“吸”得前后摆动，于是就怀疑金条有问题，但通过专业检测这些金条都符合国家标准。检测员再次用强磁铁在金条旁边上下左右、前后缓慢移动时，未发现金条被吸引的现象，只有在前后快速移动磁铁时才发现吸引现象，对此现象下列解释合理的是(　　) A．金条被“吸”是因为受到万有引力的作用 B．前后快速移动磁铁时磁通量变化较快，金条中产生涡流，从而和磁铁发生相互作用，发生摆动 C．前后缓慢移动磁铁时，金条中磁通量不发生变化，所以没有感应电流 D．上下或左右缓慢移动磁铁时，磁通量变化较慢，金条中感应电流很小，和磁铁相互作用很弱，不足以观察到金条摆动 答案　BD 解析　当磁铁快速前后移动时，穿过金条的磁通量变化较快，金条中产生涡流，从而和磁铁发生相互作用，发生摆动，故A错误，B正确；当磁铁在金条旁边上下左右、前后缓慢移动时，穿过金条的磁通量变化较慢，金条中感应电流很小，和磁铁相互作用很弱，不足以观察到金条摆动，故C错误，D正确。 11．(多选)(2023·茂名市高二期末)如图所示为某种售货机硬币识别系统简图。虚线框内存在磁场，从入口A进入的硬币沿斜面滚落，通过磁场区域后，由测速器测出速度大小，若速度在某一合适范围，挡板B自动开启，硬币就会沿斜面进入接收装置；否则挡板C开启，硬币进入另一个通道拒绝接收。下列说法正确的是(　　) A．磁场能使硬币的速度增大得更快 B．由于磁场的作用，硬币的机械能减小 C．硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力 D．如果没有磁场，则测速器示数会更大一些 答案　BCD 解析　根据题意可知，硬币进入磁场和离开磁场时，穿过硬币的磁通量发生变化，硬币中产生感应电流，硬币受到安培力作用会阻碍硬币的相对运动，即硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力，若磁场阻力大于硬币重力沿斜面的分力，硬币将做减速运动，若磁场阻力等于硬币重力沿斜面的分力，硬币将匀速进入磁场，若磁场阻力小于硬币重力沿斜面的分力，硬币继续加速运动，但速度增加变慢，综上所述，A错误，C正确；安培力对硬币做负功，使硬币的机械能减小，故B正确；如果没有磁场，对硬币没有阻碍作用，由动能定理可知，硬币到达测速器位置时速度会更大一些，故D正确。 12．(2022·菏泽市高二期中)如图所示，扇形铜框在绝缘细杆作用下绕点O在同一水平面内快速逆时针转动，虚线把圆环分成八等份，其中虚线为匀强磁场的理想边界，扇形铜框恰好可以与其中一份重合。下列线框停止最快的是(　　) 答案　D 解析　当线框转动时，如果穿过线框的磁通量发生变化，则线框中产生感应电流，线框就会受到安培力的阻碍作用，磁通量变化越快，阻碍作用越大，越容易停下来。 由选项A、B图可知，线框转动时，磁通量不变，没有感应电流产生，无阻碍作用，不会停下来，故A、B错误；由选项C、D图可知，线框转动时，D项的磁通量变化快，阻碍作用更大，更容易停下来，故C错误，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$