2016-2017学年高中物理第1章电磁感应与现代生活1.6涡流现象与电磁灶教师用书沪科版选修3-2

1.6 涡流现象与电磁灶

学 习 目 标 1.了解涡流现象，知道涡流是如何产生的. 2.知道电磁驱动和电磁阻尼现象.(难点) 3.知道涡流的危害以及如何利用和防止涡流.(难点) 4.掌握电磁灶的结构及工作原理.(重点) 探 究 涡 电 流 现 象 知 识 脉 络

[先填空]

1.整块金属放在变化的磁场中或者线圈中用整块软铁割成的铁心在通有交变电流时，金属内的磁通量就会发生变化，从而在金属内产生感应电流，这种感应电流呈涡旋状，叫做涡电流，简称涡流.

2.导体的外周长越长、交变磁场的频率越高，涡流就越大.

图1-6-1

[再判断]

1.涡流有热效应，但没有磁效应.(×) 2.把金属块放在变化的磁场中可产生涡流.(√)

3.涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流.(×) [后思考]

1.涡流是否遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律？

【提示】 涡流是电磁感应现象产生的，遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律. 2.为什么变压器和镇流器的铁心用一片片的硅钢片叠压而成？

【提示】 为了防止在铁心中形成涡流，从而减小电能损失，并防止变压器和镇流器被烧坏.

[合作探讨]

在可拆变压器的一字铁下面加一块厚约2 mm的铁板，铁板垂直于铁芯里磁感线的方向，给原线圈接交流电.

探讨1：通电几分钟以后，会发现铁芯和铁板的温度会升高，那么，它们温度升高的原因是什么？

【提示】 在铁芯和铁板中有涡流产生，使铁芯和铁板发热. 探讨2：通电几分钟以后，铁芯和铁板哪个温度更高些？ 【提示】 铁板的温度比铁芯的温度高. [核心点击] 1.对涡流的正确理解

(1)成因：块状金属在变化的磁场中或在磁场中运动时，穿过金属块的磁通量发生变化，在金属块自身构成的闭合回路中产生感应电流.

(2)特点：金属块本身自行构成闭合回路，如果整块金属的电阻很小，涡流往往很强，金属块会产生大量的热量.

2.涡流的利用和防止

(1)涡流的利用：利用高频真空冶炼炉冶炼高纯度的金属；用探测器探测地雷、探测地下电缆；利用涡流可以治疗疾病；利用涡流探伤技术可以检测导电物体的表面和近表面缺陷、涂镀层厚度，还有磁悬浮列车是利用涡电流减速的.

(2)涡流的防止：减小涡流的主要途径是增大在变化的磁场中使用金属导体的电阻：一是选用电阻率大的材料，如常用的铁芯材料是电阻率较大的硅钢；二是把导体制作成薄片，薄片与薄片之间用绝缘材料相隔，这样增大电阻来减小因涡流损失的能量.

1.下列关于涡流的说法中正确的是 ( )

A.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 B.涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流 C.涡流有热效应，但没有磁效应 D.在硅钢中不能产生涡流

【解析】 涡流是由于穿过整块导体的磁通量发生变化而产生的电磁感应现象，具有热效应、磁效应、机械效应等.故选项A正确.

【答案】 A

2.在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图1-6-2所示，现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去.各滑

块在未接触磁铁前的运动情况是( )

图1-6-2

A.都做匀速运动 C.甲、乙做减速运动

B.甲、乙做加速运动 D.乙、丙做匀速运动

【解析】 铜块、铝块向磁铁靠近时，穿过它们的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，反过来涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铜块和铝块向磁铁运动时会受到阻碍而减速，有机玻璃为非金属，不产生涡流现象.故C正确.

【答案】 C

3.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图1-6-3所示，抛物线的方程为y＝x，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，假设抛物线足够长.求金属块在曲面上滑动的过程中产生的总热量为多少？

【导学号：72000046】

2

图1-6-3

【解析】 金属块在进入磁场或离开磁场的过程中，穿过金属块的磁通量发生变化，产生涡流，进而产生热.最后，金属块在高为a的曲面上做往复运动.减少的机械能为mg(b－

a)＋mv2，这些机械能全部转化为内能，故产生的总热量为mg(b－a)＋mv2.

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【答案】 mg(b－a)＋mv

2

涡流现象中的能量转化

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.如果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；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.

无 火 之 灶——电 磁 灶 1

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[先填空] 1.工频电磁灶

(1)构造：励磁线圈和励磁铁心构成了工频励磁器.

(2)原理：在两组线圈中通过50 Hz的电流iA和iB，从而在锅体中产生涡流，涡流的电能在锅体的材料电阻上转化为热能以加热食品.

2.高频电磁灶

(1)构造：由加热线圈、灶面板、控制保护电路三部分组成.

(2)原理：接通电源后，50 Hz的交变电流经过整流和滤波变为直流，然后通过电子开关的迅速导通和截止，使加热线圈中产生频率为20～50 kHz的高频振荡电流.高频振荡电流产生高频磁场，从而在锅体内产生涡流.

3.涡流的其他应用

(1)利用涡流转化的热能，可以提炼金属.

(2)利用涡流在磁场中受到的电磁力，可制成电磁驱动和电磁阻尼设备. [再判断]

1.提炼金属是利用了涡流产生的热量.(√)

2.电磁灶是利用变化的磁场在食物中产生涡流从而对食物进行加热的.(×)

3.电磁灶是利用变化的磁场在铁质锅底中产生涡流，使铁质锅底迅速升温，而对锅内食物加热的.(√)

[后思考]

1.电磁灶在工作时能不能用陶瓷锅、耐热玻璃锅来加热食物呢？

【提示】 不能，因为不能在锅底产生涡流，也就无法利用涡流的热效应来加热食物. 2.利用涡流制成的电磁驱动和电磁阻尼设备符合能量守恒定律吗？ 【提示】 电磁驱动和电磁阻尼都有能量的转化，都遵守能量守恒定律.

[合作探讨]

高频焊接原理示意图如图1-6-4所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝处金属熔化.

图1-6-4

探讨1：高频焊接是利用了涡流的哪个效应？