2017-2018通用版高中物理第章电磁感应与现代生活_涡流现象与电磁灶学案沪科版选修_.docx

1.6涡流现象与电磁灶目标定位 1.能说出涡流的产生原因及涡流的防止和利用.2.了解电磁灶的工作原理.一、涡流演示涡流生热实验在一个绕有线圈的可拆变压器铁心上面放一口小铁锅(如图1)，锅内放少许水，给线圈通入交变电流一段时间.再用玻璃杯代替小铁锅，通电时间相同.图1分析上面实验结合教材内容回答下列问题：(1)铁锅和玻璃杯中的水温有什么不同？(2)试着解释这种现象.答案(1)通电后铁锅中的水逐渐变热，玻璃杯中的水温不变化(忽略热传导).(2)线圈接入周期性变化的电流，某段时间内，若电流变大，则其磁场变强，变化的磁场激发出感生电场，小铁锅(导体)可以看作是由许多闭合线圈组成的，在感生电场作用下，这些线圈中产生了感生电动势，从而产生涡旋状的感应电流，由于导体存在电阻，当电流在导体中流动时，就会产生电热，则锅中的水会热起来.而玻璃当中虽然也会产生感生电场，但没有自由移动的电荷，故不会产生电流，也不会产生电热，则玻璃杯中的水温没有变化.要点总结1.涡流：整块导体中的磁通量发生变化时，导体中产生的涡旋状的感应电流叫做涡电流，简称涡流.2.磁场变化越快(越大)，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大.3.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.4.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.例1(多选)如图2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会产生感应电流，感应电流通过焊缝产生很多热量，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()图2A.电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高的越快B.电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高的越快C.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小D.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大答案AD解析电流变化的频率越高，则产生的感应电流越大，升温越快，故A项对，B项错；工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故C项错，D项对.例2(多选)如图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，机械能减少，故C错误，D正确.二、无火之灶电磁灶如图4所示是某电磁灶的工作原理图，下面是某一品牌电磁灶的说明书上的部分内容：“电磁灶是采用磁场感应涡流加热原理， 它利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内的磁感线通过含铁质锅底部时， 即会产生无数的小涡流，使锅体本身自行快速发热，然后再加热锅内食物.电磁灶工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康绝对无危害.”回答下列问题：(1)涡流产生在哪里？(2)产生涡流的部分和引起涡流的部分是否接触？(3)电磁灶的表面(陶瓷)在电磁灶工作时会不会发热？图4答案(1)涡流产生在铁质锅底部.(2)产生涡流的部分和引起涡流的部分不接触.(3)从理论上讲，由于电磁灶表面是陶瓷做成，所以在电磁灶工作时不会发热.要点总结电磁灶的原理：电磁灶的面板下布满了金属导线缠绕的线圈.当通上交替变化极快的交变电流时，在面板与铁锅底之间产生强大的交变磁场；磁感线穿过锅体，使锅底感应出大量的强涡流，当涡流受到材料电阻的阻碍时，就放出大量的热，将饭菜煮熟.例3(多选)电磁灶采用感应电流(涡流)的加热原理，是通过电子线路产生交变磁场，把铁锅放在灶面上时，在铁锅底部产生交变的电流，它具有升温快、效率高、体积小，安全性好等优点.下列关于电磁灶的说法中正确的是()A.电磁灶面板可采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部B.电磁灶可以用陶瓷器皿作为锅具对食品加热C.可以通过改变电子线路的频率来改变电磁灶的功率D.电磁灶面板可采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品答案AC解析电磁灶的上表面如果用金属材料制成，使用电磁灶时，上表面材料发生电磁感应要损失电能，所以电磁炉上表面要用绝缘材料制作，发热部分为铁锅底部，故A正确，B、D错误；锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故C正确.三、电磁阻尼和电磁驱动1.电磁阻尼图5弹簧上端固定，下端悬挂一根磁铁.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.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，还受线圈的磁场阻力，克服阻力需要做的功较多，弹簧振子的机械能损失较快，因而会很快停下来.2.电磁驱动一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图6所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO轴转动.当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动，当磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动.根据以上现象，回答下列问题：图6(1)蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量是否变化？(2)线圈转动起来的动力是什么力？线圈的转动速度与磁铁的转动速度相同吗？答案(1)变化.(2)线圈内产生感应电流受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来.线圈的转速小于磁铁的转速.要点总结电磁阻尼与电磁驱动的区别与联系1.电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动；电磁驱动中导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动.2.电磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能；电磁驱动中由于电磁感应，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而对外做功.3.电磁阻尼与电磁驱动现象中安培力的作用效果均为阻碍相对运动，应注意电磁驱动中导体的运动速度要小于磁场的运动速度.例4如图7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7A.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.例5(多选)如图8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，当磁铁逆时针转动时，则()图8A.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.线圈转动时将产生大小、方向周期性变化的电流D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda答案BC解析当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生大小、方向周期性变化的电流，故C对，D错；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，故A错，B对. 1.(涡流的防止)(多选)变压器的铁心是利用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，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.增大铁心中的电阻，以产生更多的热量D.增大铁心中的电阻，以减小发热量答案BD解析不使用整块硅钢而是采用很薄的硅钢片叠压，这样做的目的是增大铁心中的电阻，减少电能转化成铁心的内能，提高效率，而且是为了防止涡流而采取的措施.2.(对电磁灶工作原理的理解)熔化金属的一种方法是用“高频炉”，它的主要部件是一个铜制线圈，线圈中有一坩锅，锅内放待熔的金属块，当线圈中通以高频交流电时，锅中金属就可以熔化，这是因为()A.线圈中的高频交流电通过线圈电阻，产生焦耳热B.线圈中的高频交流电产生高频微波辐射，深入到金属内部，产生焦耳热C.线圈中的高频交流电在坩锅中产生感应电流，通过坩锅电阻产生焦耳热D.线圈中的高频交流电在金属块中产生感应电流，通过金属块电阻产生焦耳热答案D解析线圈中的高频交流电通过线圈，从而产生变化的磁场，使得处于变化磁场中的金属块产生涡流，进而发热，故A、B、C错误，D正确；故选D.3.(对电磁阻尼的理解与应用)如图9所示，条形磁铁用细线悬挂在O点.O点正下方固定一个水平放置的铝线圈.让磁铁在竖直面内摆动，下列说法中正确的是()图9A.磁铁左右摆动一次，线圈内感应电流的方向改变2次B.磁铁始终受到感应电流磁场的斥力作用C.磁铁所受到的感应电流对它的作用力始终是阻力D.磁铁所受到感应电流对它的作用力有时是阻力有时是动力答案C解析磁铁向下摆动时，根据楞次定律，线圈中产生逆时针方向感应电流(从上往下看)，并且磁铁受到感应电流对它的作用力为阻力，阻碍它靠近；磁铁向上摆动时，根据楞次定律，线圈中产生顺时针方向感应电流(从上往下看)，磁铁受感应电流对它的作用力仍为阻力，阻碍它远离，所以磁铁在左右摆动一次过程中，电流方向改变3次，感应电流对它的作用力始终是阻力，只有C项正确.4.(对电磁驱动的理解)(多选)1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验