【物理】2020届一轮复习人教版涡流现象及其应用学案

【物理】2020届一轮复习人教版涡流现象及其应用学案

‎2020届一轮复习人教版 涡流现象及其应用 学案 ‎ [学科素养与目标要求]　‎ 物理观念：1.了解涡流现象；知道涡流的产生原理.2.了解感应加热和电磁炉的工作原理.3.了解涡流制动、涡流探测及涡流的防止．‎ 科学思维：尝试从楞次定律中“阻碍”的角度去分析涡流制动．‎ 一、涡流现象及应用 ‎1．涡流现象 在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象．‎ ‎2．影响涡流大小的因素 ‎(1)导体的外周长．‎ ‎(2)交变磁场的频率．‎ ‎3．电磁灶 ‎(1)加热原理：磁场感应涡流加热．‎ ‎(2)优点 ‎①直接加热，热效率高．‎ ‎②无明火和炊烟，清洁、安全．‎ ‎③功能全．‎ ‎4．高频感应炉 ‎(1)原理：涡流感应加热．‎ ‎(2)优点 ‎①非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触；‎ ‎②加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象；‎ ‎③容易控制温度，提高加工精度；‎ ‎④可实现局部加热；‎ ‎⑤可实现自动化控制；‎ ‎⑥可减少占地、热辐射、噪声和灰尘．‎ 二、涡流制动与探测 ‎1．涡流制动 ‎(1)原理：导体相对于磁场运动，产生的感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动．‎ ‎(2)应用：电表的阻尼制动、高速机车制动的涡流闸、脱水机的制动．‎ ‎2．涡流探测 ‎(1)原理：涡流与互感．‎ ‎(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．‎ ‎3．涡流的防止 ‎(1)原理：缩小导体的外周长，增大材料的电阻率．‎ ‎(2)实例：电机和变压器的铁芯用硅钢片叠压而成．‎ ‎(3)目的：减少发热损失，提高效率．‎ ‎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、涡流的理解、利用和防止 ‎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)金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，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，则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．‎ 例1　电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物．下列相关的说法中正确的是(　　)‎ A．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关 B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作 C．金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物 D．电磁炉的上表面一般都是用金属材料制成，以加快热传递、减少热损耗 答案　A 解析　锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故A正确；直流电不能产生变化的磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能使用直流电，故B错误；锅体只能用铁磁性导体材料，不能使用绝缘材料制作锅体，故C错误；电磁炉的上表面如果用金属材料制成，使用电磁炉时，上表面材料发生电磁感应要损失电能，电磁炉上表面要用绝缘材料制成，故D错误．‎ 例2　(多选)如图2所示，闭合金属环从光滑曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速度为零，摩擦不计，曲面处在图中磁场中，则(　　)‎ 图2‎ A．若是匀强磁场，环上升的高度小于h B．若是匀强磁场，环上升的高度等于h C．若是非匀强磁场，环上升的高度等于h D．若是非匀强磁场，环上升的高度小于h 答案　BD 解析　若磁场为匀强磁场，穿过环的磁通量不变，不产生感应电流，即无机械能向电能转化，机械能守恒，故A错误，B正确；若磁场为非匀强磁场，环内要产生电能，最终转化为内能，机械能减少，故D正确．‎ 二、对涡流制动与涡流探测的理解 ‎1．闭合回路的部分导体在做切割磁感线运动产生感应电流时，导体在磁场中就要受到磁场力的作用，根据楞次定律，磁场力总是阻碍导体的运动，于是产生涡流制动．‎ ‎2．涡流制动是一种十分普遍的物理现象，任何在磁场中运动的导体，只要给感应电流提供回路，就会存在涡流制动作用．‎ 例3　(2018·全国卷Ⅰ)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3所示．无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场；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(　　)‎ 图3‎ 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．‎ 例4　金属探测器已经广泛应用于安检场所，关于金属探测器的论述正确的是(　　)‎ A．金属探测器可用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中 B．金属探测器探测地雷时，探测器的线圈中产生涡流 C．金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流 D．探测过程中金属探测器与被测物体相对静止与相对运动探测效果相同 答案　C 解析　金属探测器只能探测金属，不能探测细小的砂石颗粒，故A错误；金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流，故B错误，C正确；当探测器对于被测金属发生相对移动时，金属所在磁场相对变化较快，在金属中产生的涡流更强，检测效果更好，故D错误．‎ ‎1．(对涡流的理解)(多选)对变压器和电动机中的涡流的认识，以下说法正确的是(　　)‎ A．涡流会使铁芯温度升高，减少线圈绝缘材料的寿命 B．涡流发热，要损耗额外的能量 C．为了不产生涡流，变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯 D．涡流产生于线圈中，对原电流起阻碍作用 答案　AB 解析　变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量，同时会减少线圈绝缘材料的寿命，选项A、B正确；变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻，减小涡流，减少产生的热量，选项C错误；涡流产生于铁芯中，选项D错误．‎ ‎2．(涡流加热)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4所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是(　　)‎ 图4‎ 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　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．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，故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，故C错误．金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，不会产生涡流，故D错误．‎ ‎3．(涡流制动)在水平放置的光滑绝缘导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图5所示．现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们分别从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去．各滑块在向磁铁运动的过程中(　　)‎ 图5‎ A．都做匀速运动 B．甲、乙做加速运动 C．甲、乙做减速运动 D．乙、丙做匀速运动 答案　C 解析　甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受涡流制动作用，做减速运动，丙则不会产生涡流，只能匀速运动．‎ ‎4．(涡流探测)(2018·龙岩市六校高二下学期期中)涡流检测是工业上无损检测的方法之一．如图6所示，线圈中通以一定频率的交变电流，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(　　)‎ 图6‎ A．涡流的磁场总是与线圈的磁场方向相反 B．涡流的大小与通入线圈的交变电流频率无关 C．待测工件可以是塑料或橡胶制品 D．通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力 答案　D 解析　涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化，根据楞次定律可知，涡流的磁场与线圈的磁场方向可能相同也可能相反，故A错误；涡流的大小取决于磁场变化的快慢，故与通入线圈的交变电流的频率有关，故B错误；电磁感应只能发生在金属物体中，故待测工件只能是金属制品，故C 错误；因为通过线圈的交变电流是周期性变化的，故在待测工件内产生的涡流也是周期性变化的，可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力，故D正确．‎