精选沪科版高中物理选修32第1章第9节《涡流现象与电磁灶》word学案物理知识点总结.docx

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精选沪科版高中物理选修32第1章第9节《涡流现象与电磁灶》word学案物理知识点总结

学案9　涡流现象与电磁灶

[学习目标定位]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．

1．楞次定律：

感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化．

2．纯电阻产生电热的表达式：

Q＝I2Rt＝UIt＝

t.

一、探究涡电流现象

1．涡电流现象：

用整块金属材料做铁心绕制的线圈，铁心的横截面可看作是由一圈圈闭合回路组成的．当线圈中通有交变电流时，铁心中这些回路的磁通量就会发生变化，从而在铁心内产生呈涡旋状的感应电流，叫做涡电流，简称涡流．

2．为了减小涡流，变压器和镇流器的铁心通常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成．

二、无火之灶——电磁灶

1．常用的电磁灶有工频电磁灶和高频电磁灶．

2．利用涡电流转化的热能，还可提炼金属；利用涡电流在磁场中受到的电磁力，可制成电磁驱动设备和电磁阻尼设备.

一、探究涡电流现象

[问题设计]

　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．

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？

图1

答案　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）试着解释这种现象．

答案　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．

[要点提炼]

1．涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律．

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．由于整块金属的电阻很小，所以涡电流常常很大．

变压器和镇流器的铁心通常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成，而不是用一整块铁制成，其原因是为了减小涡电流，减少铁心发热损失．

二、无火之灶——电磁灶

[问题设计]

如图2所示是某电磁炉的工作原理图，下面是某一品牌电磁炉的说明书上的部分内容：

“这一部分和电磁炉是采用磁场感应涡流加热原理，他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．电磁炉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．”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）电磁炉的表面（陶瓷）在电磁炉工作时会不会发热？

为什么？

图2

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，由于电磁炉表面是陶瓷做成，所以在电磁炉工作时不会发热．

[要点提炼]

电磁灶的台面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，在台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．

三、电磁阻尼和电磁驱动

[问题设计]

1．电磁阻尼弹簧上端固定，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3所示），磁铁就会很快停下来，解释这个现象．

图3

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4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．

图4

根据以上现象，回答下列问题：

（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．

[要点提炼]

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．

一、对涡流的理解

例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．

二、对电磁灶工作原理的理解

例2

　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、对电磁阻尼和电磁驱动的理解

例3

　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，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．各滑块在向磁铁运动的过程中（　　）

图5

A．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

解析　甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受电磁阻尼作用，做减速运动，丙则不会产生涡流，只能匀速运动．

答案　C

针对训练　位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v水平穿过，如图6所示，在此过程中（　　）

图6

A．磁铁做匀速直线运动

B．磁铁做减速运动

C．小车向右做加速运动

D．小车先加速后减速

解析　磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律知该电流产生的磁场的作用力阻碍磁铁的运动．同理，磁铁穿出时该电流产生的磁场的作用力也阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，B项对．

而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右，这个安培力使小车向右运动，且一直做加速运动，C项对．

答案　BC

1．（涡流的理解）下列做法中可能产生涡流的是（　　）

A．把金属块放在匀强磁场中

B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动

C．让金属块在匀强磁场中做变速运动

D．把金属块放在变化的磁场中

答案　D

解析　涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化．而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误；把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确．

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，线圈中有一钳锅，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钳锅中产生感应电流，通过钳锅电阻产生焦耳热

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，从而产生变化的电磁场，使得处于电磁场的金属块产生涡流，进而发热，故A、B、C错误，D正确；故选D.

3．（电磁阻尼的理解与应用）如图7所示，条形磁铁从高h处自由下落，中途穿过一个固定的空心线圈，开关S断开时，至落地用时t1，落地时速度为v1；开关S闭合时，至落地用时t2，落地时速度为v2.则它们的大小关系正确的是（　　）

图7

A．t1＞t2，v1＞v2

B．t1＝t2，v1＝v2

C．t1＜t2，v1＜v2

D．t1＜t2，v1＞v2

答案　D

解析　开关S断开时，线圈中无感应电流，对磁铁无阻碍作用，故磁铁自由下落，a＝g；当S闭合时，线圈中有感应电流，对磁铁有阻碍作用，故a＜g.所以t1＜t2，v1＞v2.

4．（对涡流的防止）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，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．

题组一　涡流的理解与应用

1．下列仪器是利用涡流工作的有（　　）

A．电磁灶B．微波炉

C．金属探测器D．真空冶炼炉

答案　ACD

2．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；电磁炉产生变化的磁场，导致加热锅底出现涡流，从而产生热量而不是靠热传递，D错误．

3．安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警．以下关于这个安检门的说法正确的是（　　）

A．这个安检门也能检查出毒品携带者

B．这个安检门只能检查出金属物品携带者

C．如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者

D．这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应

答案　BD

解析　这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出金属物品携带者，A错，B对．若“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使块状金属产生涡流，因而不能检查出金属物品携带者，C错．安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应，D对．

4．如图1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，感应电流通过焊缝产生大量热，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1

A．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　交流电频率越高，则产生的感应电流越强，升温越快，故A项对．工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故D项对．

5．光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图2所示，抛物线的方程是y＝x2，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（图中的虚线所示），一个小金属块从抛物线上y＝b（b＞a）处以初速度v沿抛物线下滑．假设抛物线足够长，金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是（　　）

图2

A．mgbB.

mv2

C．mg（b－a）D．mg（b－a）＋

mv2

答案　D

解析　金属块进出磁场时，会产生焦耳热，损失机械能而使金属块所能达到的最高位置越来越低，当金属块所能达到的最高位置为y＝a时，金属块不再进出磁场，不再产生焦耳热．金属块的机械能不再损失，而在磁场中做往复运动．

由于金属块减少的动能和重力势能全部转化为内能，所以

Q＝|ΔEp＋ΔEk|＝mg（b－a）＋

mv2.

6．磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈围绕在铝框上，这样做的目的是（　　）

A．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

答案　BC

解析　线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，也就是涡流．涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来．所以，这样做的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用．

题组二　对电磁驱动与电磁阻尼的理解与应用

7．如图3所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑、但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度．两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速度释放，穿过A管比穿过B管的小球先落到地面．下面对于两管的描述中可能正确的是（　　）

图3

A．A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的

B．A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的

C．A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的

D．A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的

答案　AD

8.如图4所示，金属球（铜球）下端有通电的线圈，今把金属球向上拉离平衡位置后释放，此后金属球的运动情况是（不计空气阻力）（　　）

图4

A．做等幅振动

B．做阻尼振动

C．振幅不断增大

D．无法判定

答案　B

解析　金属球在通电线圈产生的磁场中运动，金属球中产生涡流，故金属球要受到安培力作用，阻碍它的相对运动，做阻尼振动．

9．如图5所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是（　　）

图5

A．2是磁铁，1中产生涡流

B．1是磁铁，2中产生涡流

C．该装置的作用是使指针能够转动

D．该装置的作用是使指针能很快地稳定下来

答案　AD

解析　当指针摆动时，1随之转动，2是磁铁，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动．总之，不管1向哪个方向转动，2对1的效果总是起到阻尼作用，所以它能使指针很快地稳定下来．

10．如图6所示，磁极远离和靠近圆环时产生的现象正确的是（　　）

图6

A．图中磁铁N极接近A环时，A环被吸引，而后被推开

B．图中磁铁N极远离A环时，A环被排斥，而后随磁铁运动

C．用磁铁N极接近B环时，B环被排斥，远离磁铁运动

D．用磁铁的任意一磁极接近A环时，A环均被排斥

答案　D

解析　根据楞次定律，感应电流在回路中产生的磁通量总是反抗（或阻碍）原磁通量的变化，所以用磁铁的任意一磁极接近A环时，A环均被排斥；由于B环不是闭合回路，因此没有感应电流．