高中物理 第1章 电磁感应 第3节 电磁感应定律的应用教师用书 鲁科版选修3-2

第3节电磁感应定律的应用学 习 目 标知 识 脉 络1.了解涡流现象，知道涡流是如何产生的(重点)2.知道涡流的利与弊，以及在生产、生活中的应用(重点)3.知道磁卡和动圈式话筒的工作原理.涡 流 及 其 应 用1定义将整块金属放在变化的磁场中，穿过金属块的磁通量发生变化，金属块内部所产生的旋涡状的感应电流2利用新型炉具电磁炉就是利用涡流原理制成的，其优点是热效率高；无烟火，无毒气、废气，被称为“绿色炉具”3防止为减小涡流，电动机、变压器铁芯是用外表涂有绝缘材料的薄硅钢片叠成的，而不采用整块硅钢铁芯，这样减少发热，降低能耗，提高了设备的工作效率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()2涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流()3涡流有热效应，但没有磁效应()在使用电磁炉时，所有的锅具都能用吗？【提示】不是如图131所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水，给线圈通入变化的电流，一段时间后，一个容器中水温升高请探究以下几个问题：图131探讨1：线圈通入电流在本题中的作用是什么？【提示】电流磁效应探讨2：线圈通入变化的电流后，小铁锅和玻璃杯中的水哪个水温升高？为什么？【提示】小铁锅中的水通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，铁锅是导体，在其内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温1涡流产生的条件涡流的本质是电磁感应现象，涡流产生的条件是穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身可自行构成闭合回路同时因为整个导体回路的电阻一般很小，所以感应电流很大，就像水中的旋涡2产生涡流的两种常见方式(1)利用变化磁场：把块状金属导体放在变化的磁场中(2)利用相对运动：让块状金属导体进、出磁场或在非匀强磁场中运动3能量转化伴随着涡流现象，其他形式的能转化为电能，电能最终在金属中转化为内能(1)块状金属导体处在变化磁场中，则磁场能转化为电能并最终转化为内能(2)块状金属导体自由进出磁场或在非匀强磁场中运动，则机械能转化为电能最终转化为内能(3)若有其他力作用在块状金属导体上维持其运动，则其他形式能转化为电能最终转化为内能1电磁炉是利用电磁感应引起的涡流加热的原理来工作的，它主要是由感应加热线圈、灶台台板和烹饪锅等组成，如图132所示电磁炉的台面下布满了线圈，当通过高频交流电时，在台板和金属锅之间产生交变磁场，磁感线穿过锅体，产生感应电流涡流，这种感应电流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下列可导致加热效果明显的是()图132A交流电的频率增加B交流电的频率降低C将金属锅换成陶瓷锅D将底面积较大的锅换成底面积较小的锅【解析】逐项分析如下：选项诊断结论A交流电的频率增加，说明电流变化快，所产生的磁场变化快，产生的感应电动势大，产生的涡流大，加热效果越明显B与A选项相反C陶瓷锅不能形成涡流D锅底面积越小，形成涡流的范围越小，加热效果差【答案】A2(多选)如图133所示，闭合金属环从曲面上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，曲面处在图示磁场中，则()图133A若是匀强磁场，环滚上的高度小于hB若是匀强磁场，环滚上的高度等于hC若是非匀强磁场，环滚上的高度等于hD若是非匀强磁场，环滚上的高度小于h【解析】若是匀强磁场，金属环中无涡流产生，无机械能损失；若是非匀强磁场，金属环中有涡流产生，机械能损失转化为内能【答案】BD涡流中能量问题的处理技巧当导体在非匀强磁场中运动时，导体中产生的涡流与磁场相互作用产生一个阻碍导体与磁场相对运动的安培力，从而使机械能转化为电能再转化为内能，即电磁阻尼现象使电学测量仪表指针尽快停下来的电磁阻尼，电气机车的电磁制动器等都是根据这一效应制作的，处理此类问题的关键是利用能量转化与守恒定律磁 卡 和 动 圈 式 话 筒1磁卡工作原理磁卡信息的录入是利用了电流的磁效应；信息的读取与录入过程相反，利用了电磁感应原理2动圈式话筒动圈式话筒是把声音信号转变为电信号的装置，由膜片、线圈、永磁体等构成其工作原理是利用了电磁感应原理1磁卡读取信息时，利用了电磁感应原理()2录音机在磁带上录制声音时，利用了电磁感应原理()3动圈式话筒工作时利用了电磁感应现象把声音信号转变为电信号()动圈式话筒和动圈式扬声器，内部结构相似，它们的工作原理相同吗？【提示】不同话筒是利用电磁感应原理工作的扬声器则是利用电流的磁效应原理工作的动圈式话筒和磁带录放机都应用了电磁感应现象如图134甲所示是动圈式话筒的原理图，如图乙所示分别是录放机的录、放原理图图134探讨1：话筒的工作原理？【提示】话筒工作时，磁铁不动，音圈随膜片振动而产生感应电流探讨2：录放机放音时的工作原理？【提示】录放机放音时，变化的磁场在静止的线圈内激发起感应电流1磁卡的工作原理(1)磁卡的录入：电流磁效应磁现象(2)磁卡的读取：磁现象电磁感应2动圈式话筒的工作原理如图135所示，是动圈式话筒的结构原理图图135它是利用电磁感应原理制成的当声波传播到金属膜片时，金属膜片随着振动起来，连接在膜片上的线圈(即音圈)随之振动起来，这样音圈在永久磁铁的磁场中振动的过程中产生感应电流，感应电流的大小与方向随着声波信号的变化而变化，从而将声音信号转化为电信号这个电信号电流经放大，传给扬声器，又将电信号转化为声音信号发送出去3磁带录音机是利用了电磁感应现象制成的，下图是录音机的录、放原理图录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流；录音机放音时线圈中变化的电流在磁头空隙处产生变化的磁场；录音机录音时线圈中变化的电流在磁头空隙处产生变化的磁场其中正确的是()图136ABCD【解析】磁带在放音时通过变化的磁场使线圈里产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，正确录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头空隙处产生变化的磁场，正确【答案】D4(多选)唱卡拉OK用的话筒，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面黏接一个轻小的金属圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号下列各说法中正确的是()A该话筒是根据电流的磁效应工作的B该话筒是根据电磁感应原理工作的C膜片振动时，穿过线圈的磁通量不变D膜片振动时，金属线圈中会产生感应电动势【解析】唱歌时声波带动话筒中的膜片振动，从而带动处在永磁铁磁场中的线圈切割磁感线产生感应电动势，所以选项B、D正确【答案】BD电磁感应定律的应用在现实生活中被广泛使用的电磁设备，其工作原理都是电磁感应原理或电流的磁效应，只不过不同的装置其工作程序的繁简程度不同比如日常生活中常见的磁带录音机、磁带录像机等都与磁卡的原理相同学业分层测评(三)(建议用时：45分钟)学业达标1(多选)下列器具的工作原理与涡流有关的是()A家用电磁炉B家用微波炉C变压器的铁芯用多块相互绝缘硅钢片粘在一起D风扇转动时扇叶与空气摩擦发热【解析】电磁炉是利用高频磁场产生涡流来加热食物的，故A选项正确变压器的铁芯不用一块钢，是为了防止涡流损耗电能并烧毁变压器，多块硅钢片彼此绝缘，有效地减小了涡流，C选项正确【答案】AC2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【解析】涡流是由高频交流电产生的磁场引起的电磁感应现象，故A对，B错；电磁炉表面一般用绝缘材料制成，避免产生涡流，D错；锅体用金属制成，利用涡流加热物体，C错【答案】A3(多选)在大型用电系统中，都配有变压器，通过互感可以把交变电流进行升压和降压如图137所示，变压器的线圈中都有铁芯，铁芯往往都是用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这样做的目的是()图137A硅钢电阻率大，用薄硅钢片叠压成铁芯，使铁芯电阻增大，减少变压器工作时产生的热量B硅钢电阻率小，用薄硅钢片叠压成铁芯，使铁芯电阻减小，减少变压器工作时产生的热量C增大涡流发热，提高变压器的效率D减少涡流发热，提高变压器的效率【解析】硅钢材料的电阻率大，且采用薄硅钢片，增大了铁芯中的电阻，阻断了涡流回路，变压器工作时产生的涡流的发热量大大减少，减少了电能损失，提高了变压器的效率，所以A、D正确【答案】AD4(多选)(2014江苏高考)如图138所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有() 【导学号：78870015】图138A增加线圈的匝数B提高交流电源的频率C将金属杯换为瓷杯D取走线圈中的铁芯【解析】利用法拉第电磁感应定律和涡电流解题当接通交流电源时，金属杯处在变化的磁场中产生涡电流发热，使水温升高要缩短加热时间，需增大涡电流，即增大感应电动势或减小电阻增加线圈匝数、提高交变电流的频率都是为了增大感应电动势瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致磁性减弱所以选项A、B正确，选项C、D错误【答案】AB5如图139所示，将一根带有绝缘漆的金属导线按如图所示方式缠绕在一铁块上，线圈中通入变化的电流时，下列说法正确的是()图139A铁块中会产生感应电流B铁块中不会产生感应电流C铁块电阻很大，会产生很弱的感应电流D铁块换为塑料块的话，一定会产生感应电流【解析】由于上下各一半的线圈中电流方向相反、磁场方向相反，合磁场为零，磁通量不变化，也就不会产生感应电流，B对，A、C、D错【答案】B6. (多选)如图1310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1310A2是磁铁，在1中产生涡流B1是磁铁，在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【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，A对、B错；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总起到阻碍作用，所以它能使指针很快地稳定下来，C错、D对【答案】AD7(多选)如图1311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1311A电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高得越快B电流变化的频率越低，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【解析】交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快，根据法拉第电磁感应定律，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大而放出的电热与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高，焊接处放出的热量越多又可根据QI2Rt判断D正确【答案】AD8如图1312所示，在O点正下方有一个有理想边界的磁场，铜球在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法中正确的是() 【导学号：78870016】图1312AA、B两点在同一水平线上BA点高于B点CA点低于B点D铜球将做等幅摆动【解析】铜球在进入和穿出磁场的过程中，球中会有涡流产生，有一些机械能转化为了电能(最终转化为内能)，所以A点应高于B点选B.【答案】B能力提升9磁卡的磁条中有用于存储信息的磁极方向不同的磁化区，刷卡器中有检测线圈当以速度v0刷卡时，在线圈中产生感应电动势，其Et关系如图1313所示如果只将刷卡速度改为，线圈中的Et关系图可能是() 【导学号：78870017】图1313图135【解析】由公式EBlv可知，当刷卡速度减半时，线圈中的感应电动势最大值减半，且刷卡所用时间加倍，故本题正确选项为D.【答案】D10(2014广东高考)如图1314所示，上下开口、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()图1314A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【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，故知，落至底部时在P中的速度比在Q中的小，选项D错误【答案】C11一个质量为m的正方体金属块以速度v1沿光滑水平轨道进入变化的磁场，并以大小为v2的速度从磁场中滑出来，求这一过程中金属块中产生的热量图1315【解析】由于产生涡电流，金属块损失的机械能转化为电热，产生的电热大小：Qmvmv.【答案】mvmv12高频焊接(利用电磁感应产生热量进行焊接)是一种常用焊接方法，其原理如图1316所示，将半径是10cm的待焊接圆形金属工件放在用金属导线做成的1 000匝线圈中，然后在线圈中通以变化的电流，线圈中产生垂直于金属工件所在平面的变化磁场，磁场的变化率为10T/s.焊缝处(待焊处)的电阻是非焊接部分电阻的99倍工件非焊接部分单位长度的电阻R0102，焊接的缝宽远小于未焊接部分的长度，则在焊接过程中焊接处产生的热功率为多大？(210，结果保留两位有效数字) 【导学号：78870018】图1316【解析】由法拉第电磁感应定律得En1 000102102V103 V非焊接部分电阻R2rR020.11020.02 总电阻R总100R2 热功率P总W1106 W.焊接处热功率P0.99P总9.9105 W.【答案】9.9105 W