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涡流现象及其应用1．在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象，导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流越大。
2．电磁灶是通过锅底涡流发热，不存在热量在传递过程中的损耗，所以它的热效率高。
3．在涡流制动中，安培力做负功，把机械能转化为电能。
一、涡流现象1．定义在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象，如图171所示。
图1712．影响因素(1)导体的外周长。
(2)交变磁场的频率。
(3)导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。
二、涡流的应用与防止1．电磁灶(1)原理：电磁灶采用了磁场感应涡流的加热原理。
(2)优点：①涡流发热，不存在热量在传递过程中的损耗，热效率高，耗电量少。
②无明火和炊烟，没有因加热产生的废气，清洁、环保、安全。
③功能齐全。
2．高频感应加热(1)原理：涡流感应加热。
(2)优点：①非接触式加热，热源和受热物体可以不直接接触。
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。
(3)其他应用：高频塑料热压机，涡流热疗系统等。
3．涡流制动与涡流探测(1)涡流制动：①原理：金属盘与磁场发生相对运动时，会在金属盘中激起涡流，涡流与磁场相互作用产生一个动态阻尼力，从而提供制动力矩。
②应用：电表的阻尼制动，高速机车制动的涡流闸等。
(2)涡流探测①原理：探测线圈产生的交变磁场在金属中激起涡流，隐蔽金属物的等效电阻、电感反射到探测线圈中，改变通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物。
②应用：探测行李中的枪支、埋于地表的地雷、金属覆盖膜厚度等。
4．涡流的防止(1)目的：减少发热损失，提高机械效率。
(2)原理：缩小导体的周长，增大材料的电阻。
(3)方法：把整块铁芯改成用薄片叠压的铁芯，增大回路电阻，从而削弱涡流。
1．自主思考——判一判(1)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。
第七节涡流现象及其应用[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________________．答案mg（b－a）＋错误!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( ）A．若是匀强磁场，环上升的高度小于hB．若是匀强磁场，环上升的高度等于hC．若是非匀强磁场,环上升的高度等于hD．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(2017·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4A．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5A．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6A．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．考点一涡流的理解、利用和防止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答案A解析涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流，只不过是由金属块自身构成回路,它既有热效应，也有磁效应，所以A正确,B、C错误；硅钢中产生的涡流较小,D错误．2。
第七节涡流现象及其应用[知识梳理]一、涡流现象1．涡流：整块导体内部因发生电磁感应而产生的感应电流．2．影响涡流大小的因素：导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大．二、涡流现象的应用与防止1．涡流的应用(1)电磁灶：电磁灶是涡流现象在生活中的应用，采用了磁场感应涡流的加热原理．(2)感应加热：在感应炉中，有产生高频电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，其工作原理也是涡流加热．(3)涡流制动：当导体在磁场中运动时，会在导体中激起涡流，涡流与磁场相互作用产生一个动态阻尼力，从而提供制动力矩阻碍导体的运动．(4)涡流探测：通有交变电流的探测线圈，产生交变磁场，当靠近金属物时，在金属物中激起涡流，隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，改变通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物．2．涡流的防止(1)原理：缩小导体的体积，增大材料的电阻率．(2)事例：电机和变压器的铁芯用硅钢片叠压而成．(3)目的：减少电能损失．[基础自测]1．思考判断(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．(×)(4)变压器硅钢片叠成铁芯是利用涡流现象．(×)(5)金属探测器是利用涡流现象．(√)(6)电表线圈用铝框作线圈骨架不是利用涡流现象．(×)【提示】(1)涡流有热效应，也有磁效应．(3)涡流也是感应电流．(4)变压器硅钢片叠成铁芯是防止涡流现象．(6)电表线圈用铝框作线圈骨架是利用涡流现象．2.如图1-7-1所示，一闭合金属圆环用绝缘细线挂于O点，将圆环拉离平衡位置并释放，圆环摆动过程中(环平面与磁场始终保持垂直)经过有界的水平匀强磁场区域，A、B为该磁场的竖直边界．若不计空气阻力，则()【导学号：97752067】图1-7-1A．圆环向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度B．在进入和离开磁场时，圆环中均有感应电流C．圆环进入磁场后，离最低点越近速度越大，感应电流也越大D．圆环最终将静止在最低点B[在圆环进入和穿出磁场的过程中环中磁通量发生变化，有感应电流产生，即圆环的机械能向电能转化，其机械能越来越小，上升的高度越来越低，A项错误，B项正确；但在环完全进入磁场后，不再产生感应电流，C项错误；最终圆环将不能摆出磁场，从此再无机械能向电能转化，其摆动的幅度不再变化，D项错误．]3．下列应用与涡流无关的是()A．家用电磁炉B．家用微波炉C．真空冶炼炉D．探雷器B[家用电磁炉和真空冶炼炉利用涡流的热效应工作，探雷器利用涡流的磁效应工作，而微波炉利用高频电磁波工作．][合作探究·攻重难]1．涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流，即导体内部产生了涡流．2．涡流的特点(1)电流强：当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强．(2)功率大：根据公式P＝I2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大．3．能量转化伴随着涡流现象，常见以下两种能量转化．(1)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；(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．如图1-7-2所示，在光滑水平桌面上放一条形磁铁，分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁铁的一端且给它一个初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况()图1-7-2A．都做匀速运动B．铁球、铝球都做减速运动C．铁球做加速运动，铝球做减速运动D．铝球、木球做匀速运动C[铁球靠近磁铁时被磁化，与磁铁之间产生相互吸引的作用力，故铁球将加速运动；铝球向磁铁靠近时，穿过它的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铝球向磁铁运动时会受阻碍而减速；木球为非金属，既不能被磁化，也不产生涡流现象，所以磁铁对木球不产生力的作用，木球将做匀速运动．综上所述，C项正确．]涡流现象的分析方法(1)涡流是整块导体中发生的电磁感应现象，分析涡流一般运用楞次定律和法拉第电磁感应定律．(2)导体内部可以等效为许多闭合电路．(3)导体内部发热的原理是电流的热效应．[针对训练]1．(多选)如图1-7-3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1-7-3A．若是匀强磁场，环上升的高度小于hB．若是匀强磁场，环上升的高度等于hC．若是非匀强磁场，环上升的高度等于hD．若是非匀强磁场，环上升的高度小于hBD[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，机械能减少，故D正确．]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．2．电磁驱动如果磁场相对于导体运动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来．3．电磁阻尼与电磁驱动的比较自由绕OO′轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接触，当磁铁绕轴转动时，铜盘将()图1-7-4A．以相同的转速与磁铁同向转动B．以较小的转速与磁铁同向转动C．以相同的转速与磁铁反向转动D．静止不动思路点拨：①磁铁转动时，铜盘中会产生涡流．②由楞次定律可分析铜盘的转动．B[因磁铁的转动，引起铜盘中磁通量发生变化而产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用是阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，铜盘中能产生电流的条件必须是磁通量发生变化．故铜盘转动方向与磁铁相同而转速较小，不能与磁铁同速转动，所以正确选项是B．]对电磁阻尼和电磁驱动的理解(1)电磁阻尼是感应电流所受的安培力对导体做负功，阻碍导体运动；而电磁驱动是感应电流所受的安培力对导体做正功，推动导体的运动．(2)在两种情况下，安培力均是阻碍导体与磁场之间的相对运动．(3)在电磁驱动中，主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度)．(4)电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象，均可以根据楞次定律和左手定则分析导体的受力情况．[针对训练]2.如图1-7-5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()【导学号：97752068】图1-7-5A．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C[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，故知，落至底部时在P中的速度比在Q中的小，选项D错误．][当堂达标·固双基]1．高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图1-7-6所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被炼金属中，因此适用于冶炼特种金属．该炉的加热原理是()图1-7-6A．利用线圈中电流产生的焦耳热B．利用线圈中电流产生的磁场C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流D．给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电C[交变电流产生的交变磁场在炉内金属截面上引起磁通量变化，使金属内部出现感应电流，因金属的电阻很小，所以感应电流很强．它在金属内自成回路时，形成旋涡状的电流，即涡流．涡流产生大量的焦耳热使炉内温度升高，金属熔化．]2. (多选)如图1-7-7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1-7-7A．防止涡流而设计的B．利用涡流而设计的C．起电磁阻尼的作用D．起电磁驱动的作用BC[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．]3．(多选)如图1-7-8所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是()【导学号：97752069】图1-7-8A．交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快B．交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大AD[交流电频率越高，则产生的感应电流越大，升温越快，工件电流相同，电阻越大，温度越高，放热越多．]4.如图1-7-9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，当两块磁铁匀速向右通过线圈时，线圈仍静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力方向是()图1-7-9A．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D[根据楞次定律的“阻碍变化”知“来拒去留”，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，受木板的摩擦力方向仍是向左的，故选项D正确．]。
