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(shí)驗(yàn) 在一個(gè)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(shí)間.再用玻璃杯代替小鐵鍋，通電時(shí)間相同. 圖1 分析上面實(shí)驗(yàn)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(shí)間內(nèi)，若電流變大，則其磁場(chǎng)變強(qiáng)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)出感生電場(chǎng)，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(chǎng)作用下，這些線圈中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電熱，則鍋中的水會(huì)熱起來.而玻璃當(dāng)中雖然也會(huì)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，但沒有自由移動(dòng)的電荷，故不會(huì)產(chǎn)生電流，也不會(huì)產(chǎn)生電熱，則玻璃杯中的水溫沒有變化. [要點(diǎn)總結(jié)] 1.渦流：整塊導(dǎo)體中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，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(chǎng)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(chǎng)中. (2)塊狀金屬進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng). 4.產(chǎn)生渦流時(shí)的能量轉(zhuǎn)化 (1)金屬塊在變化的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)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(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，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(shí)，待焊接的金屬工件中就會(huì)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?yàn)楹缚p處的電阻小 D.工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p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(xiàng)對(duì)，B項(xiàng)錯(cuò)；工件上各處電流相同，電阻大處產(chǎn)生的熱量多，故C項(xiàng)錯(cuò)，D項(xiàng)對(duì). 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(jì)，曲面處在圖中磁場(chǎng)中，則(　　) 圖3 A.若是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)上升的高度小于h B.若是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)上升的高度等于h C.若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)上升的高度等于h D.若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)上升的高度小于h 答案　BD 解析　若磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，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(cuò)誤，B正確；若磁場(chǎng)為非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)內(nèi)要產(chǎn)生電能，機(jī)械能減少，故C錯(cuò)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(chǎng)感應(yīng)渦流加熱原理， 它利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁感線通過含鐵質(zhì)鍋底部時(shí)， 即會(huì)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(shí)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(huì)泄漏，對(duì)人體健康絕對(duì)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(shí)會(huì)不會(huì)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(shí)不會(huì)發(fā)熱. [要點(diǎn)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(shí)，在面板與鐵鍋底之間產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)；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(shí)，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(chǎng)，把鐵鍋放在灶面上時(shí)，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(diǎn).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(duì)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(shí)，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(cuò)誤；鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場(chǎng)變化的頻率有關(guān)，故C正確. 三、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng) 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(dòng)較長時(shí)間才停下來.如果在磁鐵下端放一個(gè)固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動(dòng)時(shí)穿過它(如圖5所示)，磁鐵就會(huì)很快停下來，解釋這個(gè)現(xiàn)象. 答案　當(dāng)磁鐵穿過固定的閉合線圈時(shí)，在閉合線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)會(huì)阻礙磁鐵靠近或離開線圈，也就使磁鐵振動(dòng)時(shí)除了受空氣阻力外，還受線圈的磁場(chǎng)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(huì)很快停下來. 2.電磁驅(qū)動(dòng) 一個(gè)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(dòng).當(dāng)蹄形磁鐵順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈也順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈也逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng). 根據(jù)以上現(xiàn)象，回答下列問題： 圖6 (1)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量是否變化？ (2)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來的動(dòng)力是什么力？線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)力使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來.線圈的轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速. [要點(diǎn)總結(jié)] 電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)；電磁驅(qū)動(dòng)中導(dǎo)體受安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相同，推動(dòng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng). 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(dòng)中由于電磁感應(yīng)，磁場(chǎng)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(duì)外做功. 3.電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象中安培力的作用效果均為阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)注意電磁驅(qū)動(dòng)中導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度要小于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)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(jì)空氣阻力)(　　) 圖7 A.在P和Q中都做自由落體運(yùn)動(dòng) B.在兩個(gè)下落過程中的機(jī)械能都守恒 C.在P中的下落時(shí)間比在Q中的長 D.落至底部時(shí)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(chǎng)力，不做自由落體運(yùn)動(dòng)，而在塑料管Q中只受到重力，在Q中做自由落體運(yùn)動(dòng)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)功能關(guān)系知，在P中下落時(shí)，小磁塊機(jī)械能減少，在Q中下落時(shí)，小磁塊機(jī)械能守恒，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；在P中加速度較小，在P中下落時(shí)間較長，選項(xiàng)C正確；由于在P中下落時(shí)要克服磁場(chǎng)力做功，機(jī)械能有損失，故落至底部時(shí)在P中的速度比在Q中的小，選項(xiàng)D錯(cuò)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(dòng).從上向下看，當(dāng)磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則(　　) 圖8 A.線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同 B.線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速比磁鐵小 C.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生大小、方向周期性變化的電流 D.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)感應(yīng)電流的方向始終是abcda 答案　BC 解析　當(dāng)磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于磁鐵不動(dòng)而線圈順時(shí)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(duì)，D錯(cuò)；由楞次定律可知，線圈將與磁鐵同向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)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(cuò)，B對(duì). 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(duì)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(gè)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(shí)，鍋中金屬就可以熔化，這是因?yàn)?　　) 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(chǎng)，使得處于變化磁場(chǎng)中的金屬塊產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確；故選D. 3.(對(duì)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(diǎn).O點(diǎn)正下方固定一個(gè)水平放置的鋁線圈.讓磁鐵在豎直面內(nèi)擺動(dòng)，下列說法中正確的是(　　) 圖9 A.磁鐵左右擺動(dòng)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(chǎng)的斥力作用 C.磁鐵所受到的感應(yīng)電流對(duì)它的作用力始終是阻力 D.磁鐵所受到感應(yīng)電流對(duì)它的作用力有時(shí)是阻力有時(shí)是動(dòng)力 答案　C 解析　磁鐵向下擺動(dòng)時(shí)，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生逆時(shí)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(duì)它的作用力為阻力，阻礙它靠近；磁鐵向上擺動(dòng)時(shí)，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生順時(shí)針方向感應(yīng)電流(從上往下看)，磁鐵受感應(yīng)電流對(duì)它的作用力仍為阻力，阻礙它遠(yuǎn)離，所以磁鐵在左右擺動(dòng)一次過程中，電流方向改變3次，感應(yīng)電流對(duì)它的作用力始終是阻力，只有C項(xiàng)正確. 4.(對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)”.實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓盤在磁針的磁場(chǎng)中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)勢(shì) B.圓盤內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng) C.在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，磁針的磁場(chǎng)穿過整個(gè)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(yùn)動(dòng)形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng) 答案　AB