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- 2021-05-23 发布
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7 涡流(选学)
[学习目标] 1.了解涡流是怎样产生的,了解涡流现象在日常生活和生产中的应用和危害.
2.了解高频感应炉与电磁灶的工作原理.3.了解什么是电磁阻尼,了解电磁阻尼在日常生活和生产中的应用.
一、涡流
由于电磁感应,在大块金属中会形成感应电流,电流在金属块内组成闭合回路,很像水的旋涡,因此叫做涡电流,简称涡流.
二、高频感应炉与电磁灶
1.高频感应炉是利用涡流熔化金属,这种冶炼方法速度快,温度容易控制,能避免有害杂质混入被冶炼的金属中.
2.电磁灶:在灶内的励磁线圈中通入交变电流时,形成交变磁场,作用于铁磁材料制成的烹饪锅,使锅底产生涡流,锅底有适当的电阻,产生焦耳热,使锅底发热.
三、电磁阻尼
当导体在磁场中运动时,导体中会产生感应电流,感应电流使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体的运动,这种现象叫电磁阻尼.
[即学即用]
1.判断下列说法的正误.
(1)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.( × )
(2)电磁阻尼遵循楞次定律.( √ )
6
(3)电磁阻尼发生的过程,存在机械能向内能的转化.( √ )
(4)高频感应炉是利用高频电流的热效应冶炼金属的.( × )
(5)电磁灶烹饪食物时,锅上的电流容易造成触电事故,故使用时要小心操作.( × )
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.变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场产生感生电场,使导体中的自由电子发生定向移动,产生感应电流,它的形状像水中的旋涡,所以把它叫做涡电流,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.
6
(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,而且用相互绝缘的薄硅钢片叠合成铁芯来代替整块硅钢铁芯.
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,如图3所示为一手持式封口机,它的工作原理是:当接通电源时,内置线圈产生磁场,当磁感线穿过封口铝箔材料时,瞬间产生大量小涡流,致使铝箔自行快速发热,熔化复合在铝箔上的溶胶,从而粘贴在承封容器的封口处,达到迅速封口的目的.下列有关说法正确的是( )
图3
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来解决
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,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,即控制温度,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,否则同样会被熔化,只能是玻璃、塑料等材质,D正确.
例2 (多选)如图4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4
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
6
;若磁场为非匀强磁场,环内要产生电能,机械能减少,故C错误,D正确.
二、电磁阻尼
[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5所示),磁铁就会很快停下来,解释这个现象.
图5
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]
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,于是产生电磁阻尼现象.
2.电磁阻尼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,就会存在电磁阻尼作用.
例3 如图6所示,上端开口、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(不计空气阻力)( )
图6
A.在P和Q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
答案 C
解析 小磁块下落过程中,在铜管P中产生感应电流,小磁块受到向上的磁场力,不做自由落体运动,而在塑料管Q中只受到重力,在Q
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中做自由落体运动,故选项A错误;根据功能关系知,在P中下落时,小磁块机械能减少,在Q中下落时,小磁块机械能守恒,故选项B错误;在P中加速度较小,在P中下落时间较长,选项C正确;由于在P中下落时要克服磁场力做功,机械能有损失,故落至底部时在P中的速度比在Q中的小,选项D错误.
1.(涡流的应用与防止)(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成,而不采用一块整硅钢,这是为了( )
A.增大涡流,提高变压器的效率
B.减小涡流,提高变压器的效率
C.增大涡流,减小铁芯的发热量
D.减小涡流,减小铁芯的发热量
答案 BD
解析 采用薄硅钢片叠压在一起,目的是减小涡流,减小铁芯的发热量,进而提高变压器的效率,故选项B、D正确.
2.(涡流的应用与防止)(多选)如图7所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图,下列说法中正确的是( )
图7
A.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
3.(对电磁阻尼的理解)(多选)如图8所示,磁电式仪表的线圈通常是用铝框做骨架,把线圈绕在铝框上,这样做的目的是( )
图8
A.防止涡流而设计的 B.利用涡流而设计的
6
C.起电磁阻尼的作用 D.起电磁驱动的作用
答案 BC
解析 线圈通电后在安培力作用下转动,铝框随之转动,在铝框内产生涡流.涡流将阻碍线圈的转动,使线圈偏转后尽快停下来,这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用,故B、C正确.
6
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