选择性必修 第二册第二章 电磁感应第五节 涡流现象及其应用学案及答案

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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.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．2．金属块中的涡流会产生热量，利用涡流产生的热量可以冶炼金属．二、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．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．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、埋于地表的地雷、金属覆盖膜的厚度．1．判断下列说法的正误．(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)涡流有热效应，但没有磁效应．(　×　)(3)电磁炉是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．(　√　)(4)涡流制动时存在机械能向内能的转化．(　√　)(5)利用涡流金属探测器，可以探测出违法分子携带的毒品．(　×　)2.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图1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)．一个质量为m的小金属块从抛物线上y＝b(b>a)处以速度v沿抛物线下滑，假设曲面足够长，重力加速度为g，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量为________________．图1答案　mg(b－a)＋mv2一、涡流导学探究　如图2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？图2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．知识深化1．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．2．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．3．涡流的应用与防止(1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等．(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．(多选)高频焊接原理示意图如图3所示，线圈通以高频交变电流，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，要使焊接处产生的热量较大，可通过(　　)图3A．增大交变电流的电压B．增大交变电流的频率C．增大焊接缝的接触电阻D．减小焊接缝的接触电阻答案　ABC针对训练　(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、电磁阻尼和电磁驱动导学探究　弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁．将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来．如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它(如图4所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象．图4答案　当磁铁穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁铁靠近或离开线圈，也就使磁铁振动时除了受空气阻力外，还要受到线圈的磁场阻力，克服阻力需要做的功较多，机械能损失较快，因而会很快停下来．知识深化　电磁阻尼和电磁驱动的比较 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 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5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(　　)图5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，系统振动时，紫铜薄板随之上下及左右振动，都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力，阻碍系统的振动，故A正确；在B、D图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流，而上下振动无感应电流产生，故B、D错误；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C错误．如图6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(　　)图6A．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，如两者的转速相同，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．电磁阻尼、电磁驱动都是楞次定律“阻碍”的体现．阻碍磁通量的变化，阻碍导体与磁场的相对运动． 1．(涡流)(多选)图7中的四个图都与涡流有关，下列说法正确的是(　　)图7A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B．金属探测器是利用被测金属中产生的涡流来进行探测的C．电磁炉工作时在它的面板上产生涡流加热食物D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠合而成是为了减小涡流答案　ABD解析　真空冶炼炉是利用线圈中的电流做周期性变化，在金属中产生涡流，从而产生大量的热量，熔化金属的，故A正确；金属探测器中通有变化的电流，遇到金属物体时，被测金属中产生涡流，涡流的磁场反过来影响探测器中的电流，从而进行探测，故B正确；电磁炉工作时，在锅体中产生涡流，加热食物，故C错误；当变压器中的电流变化时，在其铁芯中将产生涡流，使用硅钢片制成的铁芯可以减小涡流，从而减小能量损失，故D正确．2．(电磁阻尼)如图8甲所示是一个电磁阻尼现象演示装置，铜锯条上端固定在支架上，下端固定有强磁铁，将磁铁推开一个角度释放，它会在竖直面内摆动较长时间；如图乙所示，若在其正下方固定一铜块(不与磁铁接触)，则摆动迅速停止．关于该实验，以下分析与结论正确的是(　　)图8A．如果将磁铁的磁极调换，重复实验将不能观察到电磁阻尼现象B．用闭合的铜制线圈替代铜块，重复实验将不能观察到电磁阻尼现象C．在图乙情况中，下摆和上摆过程中磁铁和锯条组成的系统机械能均减少D．在摆动过程中铜块不受磁铁的作用力答案　C解析　此实验的原理是：当磁铁在铜块正上方摆动时，在铜块中产生涡流，涡流的磁场阻碍磁铁的运动，如果将磁铁的磁极调换，重复实验仍能观察到电磁阻尼现象，选项A错误；用闭合的铜制线圈替代铜块，仍能在线圈中产生感应电流，从而对磁铁的运动产生阻碍作用，则重复实验仍能观察到电磁阻尼现象，选项B错误；在题图乙情况中，磁铁下摆和上摆过程中，铜块均会产生涡流，从而消耗机械能，则磁铁和锯条组成的系统机械能均减少，选项C正确；在摆动过程中，铜块对磁铁有阻碍作用，同时铜块也要受磁铁的作用力，选项D错误．3.(电磁驱动)如图9所示，矩形线圈放置在水平薄木板上，有两块相同的蹄形磁铁，四个磁极之间的距离相等，当两块磁铁以相同的速度匀速向右通过线圈时，线圈始终静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力方向是(　　)图9A．先向左、后向右B．先向左、后向右、再向左C．一直向右D．一直向左答案　D解析　根据楞次定律的“来拒去留”结论可知，当两磁铁靠近线圈时，线圈要阻碍其靠近，线圈有向右移动的趋势，受到木板的摩擦力向左，当磁铁远离时，线圈要阻碍其远离，仍有向右移动的趋势，受到木板的摩擦力方向仍是向左的，故选项D正确．考点一　涡流1．如图1所示是冶炼金属的真空冶炼炉的示意图，冶炼炉内装入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时炉内被冶炼的金属就会熔化．这种冶炼方法速度快、温度容易控制，并能避免杂质混入被冶炼金属中，因此适用于冶炼特种金属．该炉的加热原理是(　　)图1A．利用线圈中电流产生的焦耳热B．利用红外线C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流D．利用交变电流的交变磁场所激发的电磁波答案　C2．(多选)电磁炉为新一代炊具，无烟、无明火、无污染、不产生有害气体、无微波辐射、高效节能等是电磁炉的优势所在．电磁炉的工作原理是利用电流通过线圈产生磁场，当磁场通过含铁质锅底部时，会产生无数小涡流，使锅体本身快速发热，然后再加热锅内食物，如图2所示．下列相关说法正确的是(　　)图2A．锅体中的涡流是由恒定的磁场产生的B．锅体中的涡流是由变化的磁场产生的C．磁场越强，电磁炉的加热效果越好D．提高磁场变化的频率，可提高电磁炉的加热效果答案　BD解析　电磁炉接交流电，锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，故A错误，B正确；电磁炉的加热效果与磁场的强弱无关，只与磁场的变化快慢有关，故C错误；根据发热原理可知，提高磁场变化的频率，可增强涡流，提高电磁炉的加热效果，故D正确．3.(多选)如图3所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图，下列说法正确的是(　　)图3A．探测器内的探测线圈会产生交变磁场B．只有有磁性的金属物才会被探测器探测到C．探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流D．探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流答案　AD解析　探测器内探测线圈产生变化的磁场，使金属物中产生涡流，A、D正确．4．安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈中通有变化的电流．如果金属物品通过安检门，金属中会被感应出涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警，关于安检门的说法正确的是(　　)A．安检门能检查出毒贩携带的毒品B．安检门能检查出旅客携带的金属水果刀C．如果“门框”的线圈中通上恒定电流，安检门也能正常工作D．安检门工作时，主要利用了电流的热效应原理答案　B解析　安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品的原理：线圈中的交变电流产生交变的磁场，会在金属物品中产生涡流，而金属物品中涡流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流，引起线圈中交变电流发生变化，从而被探测到，则安检门不能检查出毒贩携带的毒品，选项A、C错误，B正确；安检门工作时，主要利用了电磁感应原理，选项D错误．考点二　电磁驱动和电磁阻尼5．(多选)关于电磁阻尼，下列说法正确的是(　　)A．当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体运动的现象称为电磁阻尼B．磁电式仪表利用电磁阻尼原理使指针迅速停下来，从而便于读数C．电磁阻尼是导体因感应电流受到的安培力对导体做负功的现象，阻碍导体运动D．电磁阻尼现象实质上不是电磁感应现象，但分析时同样遵循楞次定律答案　ABC解析　电磁阻尼现象实质上是电磁感应现象，分析时不仅遵循楞次定律，同样也遵循法拉第电磁感应定律，选项D错误．6．(多选)如图4所示为演示电磁驱动的装置，图中①是磁铁，②是电机，当电机带动磁铁旋转时，靠近它们的金属圆盘(图中③)也会绕轴转动起来．关于电磁驱动与电磁阻尼，下列说法正确的是(　　)图4A．电磁驱动是一种非接触传动，它减小了皮带或齿轮传动的粉尘、噪音、震动等危害，还能避免磨损问题B．电磁驱动离不开涡流，正是磁场对涡流的作用力，实现了这种非接触传动，而且磁铁和圆盘的转速可以达到同步C．电磁驱动效率可以达到100%D．磁电式仪表运输过程中用导线将正负接线柱短接，利用了电磁阻尼答案　AD解析　电磁驱动利用磁场对涡流的作用力，实现了非接触传动，减小了皮带或齿轮传动的粉尘、噪音、震动等危害，还能避免磨损问题，但磁铁与圆盘的转速不可能达到同步，要有速度差，选项A正确，B错误；涡流要消耗能量，所以电磁驱动效率必定小于100%，选项C错误；磁电式仪表运输过程中用导线将正负接线柱短接，当指针摆动时产生感应电流，要阻碍转子的运动，利用了电磁阻尼，选项D正确．7．甲、乙两个完全相同的铜环均可绕竖直固定轴O1O2旋转，现让它们以相同角速度同时开始转动，由于阻力作用，经相同的时间后停止，若将圆环置于如图5所示的匀强磁场中，甲环的转轴与磁场方向垂直，乙环的转轴与磁场方向平行，现让甲、乙两环同时以相同的初始角速度开始转动后，下列判断正确的是(　　)图5A．甲环先停下   B．乙环先停下C．两环同时停下  D．两环都不会停下答案　A解析　当铜环转动时，乙环一直与磁场方向平行，穿过乙环的磁通量为零，穿过甲环的磁通量不断变化，不断有感应电流产生，甲环受到安培力，安培力阻碍甲环与磁场间的相对运动，故甲环先停止运动，A正确．8．如图6所示，使一个铜盘绕其竖直的轴OO′转动，且假设摩擦等阻力不计，转动是匀速的．现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则(　　)图6A．铜盘的转动将变慢B．铜盘的转动将变快C．铜盘仍以原来的转速转动D．铜盘的转动速度是否变化，由磁铁上下两端的极性决定答案　A9．(多选)位于光滑水平面上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以初速度v水平穿过，如图7所示，在此过程中(　　)图7A．磁铁做匀速直线运动   B．磁铁做减速运动C．小车向右做加速运动   D．小车先加速后减速答案　BC解析　磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律知该电流产生的磁场阻碍磁铁的运动．同理，磁铁穿出时该电流产生的磁场也阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，A项错，B项对；而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右，这个安培力使小车向右一直做加速运动，C项对，D项错．10．(多选)物理课上，老师做了一个“电磁阻尼”的实验：如图8甲所示，A摆摆片是铜片，B摆摆片由相互绝缘的导体片叠加而成，A、B两摆在通过磁场时，A摆很快停下来，B摆摆动了很长一段时间后才停下．图乙是致远同学另找器材再来探究此实验的装置：A是由摆片和细杆组成的摆，其摆动平面在磁铁的两极之间，当绕在磁铁上的励磁线圈未通电时，摆片可自由摆动，要经过较长时间才会停下来；当线圈通电时，摆动应当迅速停止．他连接好电路，经重复实验，均没出现摆动迅速停止的现象．对比老师的演示实验，下列四个选项中，正确的说法是(　　)图8A．老师实验中，A摆很快停下来的原因是摆上产生了感应电流B．老师实验中，B摆摆动了很长时间后才停下来的原因是摆上没有产生感应电流C．致远同学没有成功的原因可能是所选线圈的匝数过多D．致远同学没有成功的原因可能是构成摆的材质是塑料答案　AD解析　老师实验中，A摆很快停下来的原因是摆上产生了感应电流，从而阻碍磁通量的变化，选项A正确；老师实验中，B摆摆片是用相互绝缘的导体片叠加成的，产生的涡流很小，所以B摆摆动了很长时间后才停下来，B错误；线圈的匝数越多，摆受阻碍作用越明显，则越容易停下来，选项C错误；如果致远同学实验时所用摆的材质是塑料，则不会产生感应电流，摆不会受到磁场力作用，故摆不会很快停下来，选项D正确．