通用版2018-2019版高中物理第1章電磁感應(yīng)與現(xiàn)代生活1.6渦流現(xiàn)象與電磁灶學(xué)案滬科版選修3 .doc

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1.6　渦流現(xiàn)象與電磁灶 [目標(biāo)定位] 1.能說出渦流的產(chǎn)生原因及渦流的防止和利用.2.了解電磁灶的工作原理. 一、渦流 演示渦流生熱實驗 在一個繞有線圈的可拆變壓器鐵心上面放一口小鐵鍋(如圖1)，鍋內(nèi)放少許水，給線圈通入交變電流一段時間.再用玻璃杯代替小鐵鍋，通電時間相同. 圖1 分析上面實驗結(jié)合教材內(nèi)容回答下列問題： (1)鐵鍋和玻璃杯中的水溫有什么不同？ (2)試著解釋這種現(xiàn)象. 答案　(1)通電后鐵鍋中的水逐漸變熱，玻璃杯中的水溫不變化(忽略熱傳導(dǎo)).(2)線圈接入周期性變化的電流，某段時間內(nèi)，若電流變大，則其磁場變強(qiáng)，變化的磁場激發(fā)出感生電場，小鐵鍋(導(dǎo)體)可以看作是由許多閉合線圈組成的，在感生電場作用下，這些線圈中產(chǎn)生了感生電動勢，從而產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng)電流，由于導(dǎo)體存在電阻，當(dāng)電流在導(dǎo)體中流動時，就會產(chǎn)生電熱，則鍋中的水會熱起來.而玻璃當(dāng)中雖然也會產(chǎn)生感生電場，但沒有自由移動的電荷，故不會產(chǎn)生電流，也不會產(chǎn)生電熱，則玻璃杯中的水溫沒有變化. [要點總結(jié)] 1.渦流：整塊導(dǎo)體中的磁通量發(fā)生變化時，導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦旋狀的感應(yīng)電流叫做渦電流，簡稱渦流. 2.磁場變化越快(越大)，導(dǎo)體的橫截面積S越大，導(dǎo)體材料的電阻率越小，形成的渦流就越大. 3.產(chǎn)生渦流的兩種情況 (1)塊狀金屬放在變化的磁場中. (2)塊狀金屬進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運動. 4.產(chǎn)生渦流時的能量轉(zhuǎn)化 (1)金屬塊在變化的磁場中，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能. (2)金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運動，由于克服安培力做功，金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能. 例1　(多選)如圖2所示是高頻焊接原理示意圖.線圈中通以高頻變化的電流時，待焊接的金屬工件中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過焊縫產(chǎn)生很多熱量，將金屬熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分發(fā)熱很少，以下說法正確的是(　　) 圖2 A.電流變化的頻率越高，焊縫處的溫度升高的越快 B.電流變化的頻率越低，焊縫處的溫度升高的越快 C.工件上只有焊縫處溫度升的很高是因為焊縫處的電阻小 D.工件上只有焊縫處溫度升的很高是因為焊縫處的電阻大 答案　AD 解析　電流變化的頻率越高，則產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大，升溫越快，故A項對，B項錯；工件上各處電流相同，電阻大處產(chǎn)生的熱量多，故C項錯，D項對. 例2　(多選)如圖3所示，閉合金屬環(huán)從光滑曲面上h高處滾下，又沿曲面的另一側(cè)上升，設(shè)環(huán)的初速度為零，摩擦不計，曲面處在圖中磁場中，則(　　) 圖3 A.若是勻強(qiáng)磁場，環(huán)上升的高度小于h B.若是勻強(qiáng)磁場，環(huán)上升的高度等于h C.若是非勻強(qiáng)磁場，環(huán)上升的高度等于h D.若是非勻強(qiáng)磁場，環(huán)上升的高度小于h 答案　BD 解析　若磁場為勻強(qiáng)磁場，穿過環(huán)的磁通量不變，不產(chǎn)生感應(yīng)電流，即無機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒，故A錯誤，B正確；若磁場為非勻強(qiáng)磁場，環(huán)內(nèi)要產(chǎn)生電能，機(jī)械能減少，故C錯誤，D正確. 二、無火之灶——電磁灶 如圖4所示是某電磁灶的工作原理圖，下面是某一品牌電磁灶的說明書上的部分內(nèi)容：“電磁灶是采用磁場感應(yīng)渦流加熱原理， 它利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)磁場內(nèi)的磁感線通過含鐵質(zhì)鍋底部時， 即會產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使鍋體本身自行快速發(fā)熱，然后再加熱鍋內(nèi)食物.電磁灶工作時產(chǎn)生的電磁波，完全被線圈底部的屏蔽層和頂板上的含鐵質(zhì)鍋所吸收，不會泄漏，對人體健康絕對無危害.”回答下列問題：(1)渦流產(chǎn)生在哪里？(2)產(chǎn)生渦流的部分和引起渦流的部分是否接觸？(3)電磁灶的表面(陶瓷)在電磁灶工作時會不會發(fā)熱？ 圖4 答案　(1)渦流產(chǎn)生在鐵質(zhì)鍋底部.(2)產(chǎn)生渦流的部分和引起渦流的部分不接觸.(3)從理論上講，由于電磁灶表面是陶瓷做成，所以在電磁灶工作時不會發(fā)熱. [要點總結(jié)] 電磁灶的原理：電磁灶的面板下布滿了金屬導(dǎo)線纏繞的線圈.當(dāng)通上交替變化極快的交變電流時，在面板與鐵鍋底之間產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場；磁感線穿過鍋體，使鍋底感應(yīng)出大量的強(qiáng)渦流，當(dāng)渦流受到材料電阻的阻礙時，就放出大量的熱，將飯菜煮熟. 例3　(多選)電磁灶采用感應(yīng)電流(渦流)的加熱原理，是通過電子線路產(chǎn)生交變磁場，把鐵鍋放在灶面上時，在鐵鍋底部產(chǎn)生交變的電流，它具有升溫快、效率高、體積小，安全性好等優(yōu)點.下列關(guān)于電磁灶的說法中正確的是(　　) A.電磁灶面板可采用陶瓷材料，發(fā)熱部分為鐵鍋底部 B.電磁灶可以用陶瓷器皿作為鍋具對食品加熱 C.可以通過改變電子線路的頻率來改變電磁灶的功率 D.電磁灶面板可采用金屬材料，通過面板發(fā)熱加熱鍋內(nèi)食品 答案　AC 解析　電磁灶的上表面如果用金屬材料制成，使用電磁灶時，上表面材料發(fā)生電磁感應(yīng)要損失電能，所以電磁爐上表面要用絕緣材料制作，發(fā)熱部分為鐵鍋底部，故A正確，B、D錯誤；鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場變化的頻率有關(guān)，故C正確. 三、電磁阻尼和電磁驅(qū)動 1.電磁阻尼 圖5 彈簧上端固定，下端懸掛一根磁鐵.將磁鐵托起到某一高度后放開，磁鐵能上下振動較長時間才停下來.如果在磁鐵下端放一個固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動時穿過它(如圖5所示)，磁鐵就會很快停下來，解釋這個現(xiàn)象. 答案　當(dāng)磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場會阻礙磁鐵靠近或離開線圈，也就使磁鐵振動時除了受空氣阻力外，還受線圈的磁場阻力，克服阻力需要做的功較多，彈簧振子的機(jī)械能損失較快，因而會很快停下來. 2.電磁驅(qū)動 一個閉合線圈放在蹄形磁鐵的兩磁極之間，如圖6所示，蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動.當(dāng)蹄形磁鐵順時針轉(zhuǎn)動時線圈也順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時線圈也逆時針轉(zhuǎn)動. 根據(jù)以上現(xiàn)象，回答下列問題： 圖6 (1)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量是否變化？ (2)線圈轉(zhuǎn)動起來的動力是什么力？線圈的轉(zhuǎn)動速度與磁鐵的轉(zhuǎn)動速度相同嗎？ 答案　(1)變化. (2)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流受到安培力的作用，安培力作為動力使線圈轉(zhuǎn)動起來.線圈的轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速. [要點總結(jié)] 電磁阻尼與電磁驅(qū)動的區(qū)別與聯(lián)系 1.電磁阻尼中安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相反，阻礙導(dǎo)體運動；電磁驅(qū)動中導(dǎo)體受安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相同，推動導(dǎo)體運動. 2.電磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；電磁驅(qū)動中由于電磁感應(yīng)，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能而對外做功. 3.電磁阻尼與電磁驅(qū)動現(xiàn)象中安培力的作用效果均為阻礙相對運動，應(yīng)注意電磁驅(qū)動中導(dǎo)體的運動速度要小于磁場的運動速度. 例4　如圖7所示，上端開口、內(nèi)壁光滑的銅管P和塑料管Q豎直放置.小磁塊先后在兩管中從相同高度處由靜止釋放，并落至底部，則小磁塊(不計空氣阻力)(　　) 圖7 A.在P和Q中都做自由落體運動 B.在兩個下落過程中的機(jī)械能都守恒 C.在P中的下落時間比在Q中的長 D.落至底部時在P中的速度比在Q中的大 答案　C 解析　小磁塊下落過程中，在銅管P中產(chǎn)生感應(yīng)電流，小磁塊受到向上的磁場力，不做自由落體運動，而在塑料管Q中只受到重力，在Q中做自由落體運動，故選項A錯誤；根據(jù)功能關(guān)系知，在P中下落時，小磁塊機(jī)械能減少，在Q中下落時，小磁塊機(jī)械能守恒，故選項B錯誤；在P中加速度較小，在P中下落時間較長，選項C正確；由于在P中下落時要克服磁場力做功，機(jī)械能有損失，故落至底部時在P中的速度比在Q中的小，選項D錯誤. 例5　(多選)如圖8所示，蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉(zhuǎn)動.從上向下看，當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，則(　　) 圖8 A.線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同 B.線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁鐵小 C.線圈轉(zhuǎn)動時將產(chǎn)生大小、方向周期性變化的電流 D.線圈轉(zhuǎn)動時感應(yīng)電流的方向始終是abcda 答案　BC 解析　當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，相當(dāng)于磁鐵不動而線圈順時針旋轉(zhuǎn)切割磁感線，線圈中產(chǎn)生大小、方向周期性變化的電流，故C對，D錯；由楞次定律可知，線圈將與磁鐵同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)速一定小于磁鐵的轉(zhuǎn)速.如兩者的轉(zhuǎn)速相同，磁感線與線圈處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，線圈不切割磁感線，無感應(yīng)電流產(chǎn)生，故A錯，B對. 1.(渦流的防止)(多選)變壓器的鐵心是利用薄硅鋼片疊壓而成的，而不是采用一整塊硅鋼，這是為了(　　) A.增大渦流，提高變壓器的效率 B.減小渦流，提高變壓器的效率 C.增大鐵心中的電阻，以產(chǎn)生更多的熱量 D.增大鐵心中的電阻，以減小發(fā)熱量 答案　BD 解析　不使用整塊硅鋼而是采用很薄的硅鋼片疊壓，這樣做的目的是增大鐵心中的電阻，減少電能轉(zhuǎn)化成鐵心的內(nèi)能，提高效率，而且是為了防止渦流而采取的措施. 2.(對電磁灶工作原理的理解)熔化金屬的一種方法是用“高頻爐”，它的主要部件是一個銅制線圈，線圈中有一坩鍋，鍋內(nèi)放待熔的金屬塊，當(dāng)線圈中通以高頻交流電時，鍋中金屬就可以熔化，這是因為(　　) A.線圈中的高頻交流電通過線圈電阻，產(chǎn)生焦耳熱 B.線圈中的高頻交流電產(chǎn)生高頻微波輻射，深入到金屬內(nèi)部，產(chǎn)生焦耳熱 C.線圈中的高頻交流電在坩鍋中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過坩鍋電阻產(chǎn)生焦耳熱 D.線圈中的高頻交流電在金屬塊中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過金屬塊電阻產(chǎn)生焦耳熱 答案　D 解析　線圈中的高頻交流電通過線圈，從而產(chǎn)生變化的磁場，使得處于變化磁場中的金屬塊產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱，故A、B、C錯誤，D正確；故選D. 3.(對電磁阻尼的理解與應(yīng)用)如圖9所示，條形磁鐵用細(xì)線懸掛在O點.O點正下方固定一個水平放置的鋁線圈.讓磁鐵在豎直面內(nèi)擺動，下列說法中正確的是(　　) 圖9 A.磁鐵左右擺動一次，線圈內(nèi)感應(yīng)電流的方向改變2次 B.磁鐵始終受到感應(yīng)電流磁場的斥力作用 C.磁鐵所受到的感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力 D.磁鐵所受到感應(yīng)電流對它的作用力有時是阻力有時是動力 答案　C 解析　磁鐵向下擺動時，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生逆時針方向感應(yīng)電流(從上往下看)，并且磁鐵受到感應(yīng)電流對它的作用力為阻力，阻礙它靠近；磁鐵向上擺動時，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生順時針方向感應(yīng)電流(從上往下看)，磁鐵受感應(yīng)電流對它的作用力仍為阻力，阻礙它遠(yuǎn)離，所以磁鐵在左右擺動一次過程中，電流方向改變3次，感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力，只有C項正確. 4.(對電磁驅(qū)動的理解)(多選)1824年，法國科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”.實驗中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖10所示.實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動起來，但略有滯后.下列說法正確的是(　　) 圖10 A.圓盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢 B.圓盤內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動 C.在圓盤轉(zhuǎn)動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發(fā)生了變化 D.圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動 答案　AB