2.5 涡流现象及其应用（课件PPT）-【优化指导】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 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 栏目索引 教材知识 梳理 随堂达标 训练 知识方法 探究 教材知识 梳理 涡电流 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 焦耳热 热效应 × √ √ 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 安培力 阻碍 电磁阻尼 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 知识方法 探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 随堂达标 训练 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 谢谢观看！ 课程内容要求 核心素养提炼 1．通过实验，了解涡流现象． 2．能举例说明涡流现象在生产生活中的应用 1．物理观念：了解涡流、电磁阻尼和电磁驱动的概念．解释自然现象，解决实际问题． 2．科学思维：了解涡流的原理，能在问题情境中应用其性质进行分析，获得结论． 3．科学探究：观察电磁阻尼和电磁驱动现象，了解电磁阻尼和电磁驱动的原理及其在生活、生产中的应用 [对应学生用书P53] eq \a\vs4\al(一、涡流现象) 当某线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，穿过附近的导体的磁通量发生变化，导体内会产生感应电流，如图中的虚线所示．这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以把它叫作______，简称涡流(eddy current). eq \a\vs4\al(二、涡流的热效应) 1．特点：若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的______很多． 2．应用：涡流______的应用：如真空冶炼炉、家用电磁炉． [判断] (1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象，不遵从电磁感应定律．( ) (2)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流．( ) (3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流．( ) eq \a\vs4\al(三、涡流的机械效应) 1．电磁驱动 (1)产生：当磁场相对于导体转动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，______使导体运动起来． (2)应用：磁性式转速表． 2．电磁阻尼 (1)产生：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：电学仪表中利用________使指针很快地停下来，便于读数． [思考] 用导线把微安表的两个接线柱连在一起后，晃动微安表时，表针摆动的幅度为什么比没连接接线柱时的小？ 提示　用导线把微安表的两个接线柱连接起来后，就形成了闭合回路，产生感应电流阻碍表针的相对运动，即发生电磁阻尼现象． eq \a\vs4\al(四、涡流的磁效应) 1．特点：涡流也是电流，而电流能够产生____，因此，涡流具有磁效应． 2．涡流磁效应的应用：金属探测器、安检门． [对应学生用书P54] 探究点一　对涡流的理解 线圈中的电流变化时，导体中为什么会产生感应电流？ 提示　电磁感应． 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． 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．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 D　[锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流，故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，故B错误；金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅，陶瓷或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流，故C错误．] [训练1]　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．减少线圈的匝数 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 B　[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的，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A错误，B正确；将杯子换为瓷杯不会产生涡流，则无法加热水，故C错误；取走铁芯磁场减弱，则加热时间变长，故D错误．] [训练2]　通电线圈绕在四种不同的材料上，材料中能产生涡流的是(　　) B　[要想产生涡流，应该是在金属块外通以交流电流，故只有B正确，A、C、D错误．] 探究点二　电磁阻尼和电磁驱动的比较 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轴转动．当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动；蹄形磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动． (1)蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量是否变化？ (2)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是什么关系？ 提示　(1)变化． (2)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，线圈的转动速度小于磁铁的转动速度． 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 空间有竖直边界为AB、CD且垂直纸面向里的有界匀强磁场区域．一闭合金属圆环用绝缘细线挂于O点，将圆环拉至如图所示位置静止释放，圆环在摆动过程中环面始终与磁场垂直，若不计空气阻力，则下列说法中正确的是(　　) A．圆环完全进入磁场后离最低点越近，感应电流越大 B．圆环在进入和穿出磁场时，圆环中均有感应电流 C．圆环向左穿过磁场后再返回，还能摆到原来的释放位置 D．圆环最终将静止在最低点 B　[整个圆环进入磁场后，磁通量不发生变化，不产生感应电流，故A错误；只有当圆环进入或离开磁场区域时磁通量发生变化，会产生电流，故B正确；当圆环向左穿过磁场区域时磁通量发生变化，会产生电流，机械能向电能转化，所以机械能不守恒，当再返回，不能摆到原来的释放位置，故C错误；在圆环不断经过磁场，机械能不断损耗过程中圆环越摆越低，最后整个圆环只会在磁场区域来回摆动，因为在此区域内没有磁通量的变化(一直是最大值)，所以机械能守恒，即圆环最后的运动状态为在磁场区域来回摆动，而不是静止在平衡位置，故D错误．] [训练3]　如图甲所示，把一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极间，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO′轴转动，不计摩擦；如图乙所示，闭合金属环从曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速度为零，不计摩擦，整个曲面处在垂直纸面的磁场中(图中未画出)，下列说法正确的是(　　) A．当逆时针转动蹄形磁铁时，磁铁的磁极未知，故线圈转动方向未知 B．当蹄形磁铁不动时，转动闭合线圈，由于不计摩擦，线圈将匀速转动 C．若磁场为非匀强磁场，因圆环面积不变，可知圆环磁通量不变，故圆环机械能守恒，滚上的高度仍为h D．若磁场为非匀强磁场，圆环滚下过程中，圆环内有感应电流 D　[当逆时针转动蹄形磁铁时，根据楞次定律可知，为阻碍磁通量变化，则导致线圈与磁铁转动方向相同，但快慢不一，故A错误；当蹄形磁铁不动时，转动闭合线圈，切割磁感线，产生感应电流，根据楞次定律可知，安培力阻碍线圈的转动，则线圈做减速转动，故B错误；若是非匀强磁场，闭合圆环滚动过程中，磁通量变化，由于电磁感应产生感应电流，机械能减小转化为内能，高度减小，故C错误，D正确．] [训练4]　如图所示，上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置，小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部，则小磁块(　　) A．在Q和P中都做自由落体运动 B．在两个下落过程中的机械能都守恒 C．在P中的下落时间比在Q中的长 D．落至底部时在P中的速度比在Q中的大 C　[当小磁块在光滑的铜管P下落时，由于穿过铜管的磁通量变化，导致铜管产生感应电流，从而产生安培阻力，所以P中小磁块做的运动不是自由落体运动；而对于塑料管内小磁块没有任何阻力，在做自由落体运动，故A错误；由A选项分析可知，在铜管的小磁块机械能不守恒，而在塑料管的小磁块机械能守恒，故B错误；在铜管中小磁块受到安培阻力，则小磁块在铜管P中的下落时间比在塑料管Q中的长，故C正确；根据动能定理可知，因安培阻力，导致产生热能，则至底部时小磁块在P中的速度比在Q中的小，故D错误．] [对应学生用书P57] 1．(涡流热效应)如图所示是一种焊接方法的原理示意图，将圆形待焊接金属工件放在线圈中，然后在线圈中通以某种电流，待焊接工件中会产生感应电流，感应电流在焊缝处产生大量的热量将焊缝两边的金属熔化，待焊接工件就焊接在一起了．我国生产的自行车车轮圈就是用这种办法焊接的．下列说法中正确的是(　　) A．这种焊接方法的原理是电流的磁效应 B．线圈中通入的交流电频率越高，焊缝处温度升高得越快 C．线圈中的电流是很强的恒定电流 D．待焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向总是相反 B　[这种焊接方法的原理是交流电产生的涡流，待焊接工件焊缝处的接触电阻比非焊接部分电阻大，产生的热量多，故A错误；线圈中的电流是交变电流，且频率越高，磁通量变化越快，产生的感应电动势越大，焊缝处温度升高得越快，故B正确；待焊接工件中的电流是很强的交流电，故C错误；若磁通量减少时，焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向相同，故D错误．] 2．(电磁驱动)如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动，当从上往下看磁铁做逆时针转动时(　　) A．线圈将逆时针方向转动，转速与磁铁相同 B．线圈将逆时针方向转动，转速比磁铁小 C．线圈将逆时针方向转动，转速比磁铁大 D．线圈仍将静止 B　[当转动磁铁时，导致线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电流，产生安培力，导致线圈与磁铁转动方向相同，线圈的转速一定比磁铁转速小，B正确，A、C、D错误．] 3．(涡流热效应)电磁炉(图甲)的使用让生活便利，环保低碳，它是利用电磁感应原理将电能转换为热能的．某位同学设计了一个小实验模拟电磁炉的工作原理，如图乙，在插入铁芯的线圈上端放置一盛有冷水的铁质杯，现接通电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．关于该实验，下列说法正确的是(　　) A．该同学使用的电源既可以是交流电源，也可以是直流电源 B．高频电磁炉有加热线圈，通过热传导将热能传导给锅体及锅内食物 C．提高交流电源的频率，同一杯水重复实验，水加热到沸腾时间缩短 D．将铁质杯换成电阻率更小的铝质或铜质杯，同一杯水重复实验，水加热到沸腾时间缩短 C　[由于采用的是电磁感应原理，要使线圈中产生感应电流，需要变化的磁场，所以只能采用交流电源，故A错误；本实验采用的是电磁感应原理，即线圈中产生的磁场在锅体中产生涡流而产生热量，不是利用热传导原理加热食物的，故B错误；根据电磁感应规律可知，提高交流电源的频率，同一杯水重复实验，水加热到沸腾时间缩短，故C正确；由于采用电磁感应原理，铁质材料可以磁化，故可以加强电磁感应现象，所以采用铁质锅体比铝质或铜质杯效果更好，故D错误．] 4．(涡流磁效应)(多选)涡流检测是工业上无损检测的方法之一．如图所示，线圈中通以一定频率的正弦交流电，靠近待测工件时，工件内会产生涡流，同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化．下列说法中正确的是(　　) A．涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化 B．涡流的频率等于通入线圈的交流电频率 C．通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力 D．待测工件可以是塑料或橡胶制品 ABC　[根据楞次定律得知：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，故涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化，故A项正确；感应电流的频率与原电流的频率是相同的，涡流的频率等于通入线圈的交流电频率，故B项正确；因为线圈交流电是周期性变化的，故在工件中引起的交流电也是周期性变化的，可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力，故C项正确；电磁感应只能发生在金属物体上，故待测工件只能是金属制品，故D项错误．] $$