高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 1_6 涡流现象与电磁灶教师用书 沪科版选修3-2

1.6涡流现象与电磁灶学 习 目 标知 识 脉 络1.了解涡流现象，知道涡流是如何产生的.2.知道电磁驱动和电磁阻尼现象.(难点)3.知道涡流的危害以及如何利用和防止涡流.(难点)4.掌握电磁灶的结构及工作原理.(重点)探 究 涡 电 流 现 象1.整块金属放在变化的磁场中或者线圈中用整块软铁割成的铁心在通有交变电流时，金属内的磁通量就会发生变化，从而在金属内产生感应电流，这种感应电流呈涡旋状，叫做涡电流，简称涡流.2.导体的外周长越长、交变磁场的频率越高，涡流就越大.图1611.涡流有热效应，但没有磁效应.()2.把金属块放在变化的磁场中可产生涡流.()3.涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流.()1.涡流是否遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律？【提示】涡流是电磁感应现象产生的，遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律.2.为什么变压器和镇流器的铁心用一片片的硅钢片叠压而成？【提示】为了防止在铁心中形成涡流，从而减小电能损失，并防止变压器和镇流器被烧坏.在可拆变压器的一字铁下面加一块厚约2 mm的铁板，铁板垂直于铁芯里磁感线的方向，给原线圈接交流电.探讨1：通电几分钟以后，会发现铁芯和铁板的温度会升高，那么，它们温度升高的原因是什么？【提示】在铁芯和铁板中有涡流产生，使铁芯和铁板发热.探讨2：通电几分钟以后，铁芯和铁板哪个温度更高些？【提示】铁板的温度比铁芯的温度高.1.对涡流的正确理解(1)成因：块状金属在变化的磁场中或在磁场中运动时，穿过金属块的磁通量发生变化，在金属块自身构成的闭合回路中产生感应电流.(2)特点：金属块本身自行构成闭合回路，如果整块金属的电阻很小，涡流往往很强，金属块会产生大量的热量.2.涡流的利用和防止(1)涡流的利用：利用高频真空冶炼炉冶炼高纯度的金属；用探测器探测地雷、探测地下电缆；利用涡流可以治疗疾病；利用涡流探伤技术可以检测导电物体的表面和近表面缺陷、涂镀层厚度，还有磁悬浮列车是利用涡电流减速的.(2)涡流的防止：减小涡流的主要途径是增大在变化的磁场中使用金属导体的电阻：一是选用电阻率大的材料，如常用的铁芯材料是电阻率较大的硅钢；二是把导体制作成薄片，薄片与薄片之间用绝缘材料相隔，这样增大电阻来减小因涡流损失的能量.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【解析】涡流是由于穿过整块导体的磁通量发生变化而产生的电磁感应现象，具有热效应、磁效应、机械效应等.故选项A正确.【答案】A2.在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图162所示，现有铜、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.各滑块在未接触磁铁前的运动情况是()图162A.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】铜块、铝块向磁铁靠近时，穿过它们的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，反过来涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铜块和铝块向磁铁运动时会受到阻碍而减速，有机玻璃为非金属，不产生涡流现象.故C正确.【答案】C3.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图163所示，抛物线的方程为yx2，其下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是ya的直线(如图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物线上yb(ba)处以速度v沿抛物线下滑，假设抛物线足够长.求金属块在曲面上滑动的过程中产生的总热量为多少？【导学号：72000046】图163【解析】金属块在进入磁场或离开磁场的过程中，穿过金属块的磁通量发生变化，产生涡流，进而产生热.最后，金属块在高为a的曲面上做往复运动.减少的机械能为mg(ba)mv2，这些机械能全部转化为内能，故产生的总热量为mg(ba)mv2.【答案】mg(ba)mv2涡流现象中的能量转化伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能.如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能最终转化为内能；如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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.无 火 之 灶电 磁 灶1.工频电磁灶(1)构造：励磁线圈和励磁铁心构成了工频励磁器.(2)原理：在两组线圈中通过50 Hz的电流iA和iB，从而在锅体中产生涡流，涡流的电能在锅体的材料电阻上转化为热能以加热食品.2.高频电磁灶(1)构造：由加热线圈、灶面板、控制保护电路三部分组成.(2)原理：接通电源后，50 Hz的交变电流经过整流和滤波变为直流，然后通过电子开关的迅速导通和截止，使加热线圈中产生频率为2050 kHz的高频振荡电流.高频振荡电流产生高频磁场，从而在锅体内产生涡流.3.涡流的其他应用(1)利用涡流转化的热能，可以提炼金属.(2)利用涡流在磁场中受到的电磁力，可制成电磁驱动和电磁阻尼设备.1.提炼金属是利用了涡流产生的热量.()2.电磁灶是利用变化的磁场在食物中产生涡流从而对食物进行加热的.()3.电磁灶是利用变化的磁场在铁质锅底中产生涡流，使铁质锅底迅速升温，而对锅内食物加热的.()1.电磁灶在工作时能不能用陶瓷锅、耐热玻璃锅来加热食物呢？【提示】不能，因为不能在锅底产生涡流，也就无法利用涡流的热效应来加热食物.2.利用涡流制成的电磁驱动和电磁阻尼设备符合能量守恒定律吗？【提示】电磁驱动和电磁阻尼都有能量的转化，都遵守能量守恒定律.高频焊接原理示意图如图164所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝处金属熔化.图164探讨1：高频焊接是利用了涡流的哪个效应？【提示】高频焊接是利用了电磁感应，涡流的热效应.探讨2：要使焊接处产生的热量较大，高频交流电的频率越高越好，还是越低越好？【提示】越高越好.1.电磁灶采用了电磁感应、 涡流加热原理，它利用交变电流通过线圈产生交变磁场，在铁质锅的底部即会产生无数强大的小涡流，使锅本身自行迅速发热，然后再加热锅内的食物.2.涡流有以下几方面的应用(1)利用涡流的热效应：应用涡流在回路中产生的热量冶炼金属，如高频感应炉、电磁灶.(2)利用涡流的磁效应：电磁阻尼和电磁驱动.(3)利用涡流现象的小型装置：在车站、机场进行安检的探测器，用来探测旅客是否带有金属制品，像刀、枪之类的危险物品等.4.涡电流会使金属发热，人们利用这个原理制成了电磁灶.关于电磁灶，下列说法正确的是()A.电磁灶都是用高频交流电工作的B.高频电磁灶有加热线圈，可以通过热传导将热能传导给锅体及锅内食物C.电磁灶和微波炉是一个道理，工作原理是一样的D.无论哪种电磁灶，都是利用涡流原理工作的【解析】电磁灶都是用家用交流电工作的，工频电磁灶就是直接用50 Hz的电流工作，而不是用高频交变电流工作的，故A错；高频电磁灶由加热线圈、灶面板、控制保护电路组成.通过电子开关，可以使加热线圈中产生高频率振荡电流，从而再使锅体内产生涡电流，用以加热食物，而不是直接用加热线圈去加热锅体内食物，故B错；电磁灶是利用电磁感应现象产生涡流，而微波炉是利用电磁场产生电磁波，故C错；电磁灶都是利用电磁感应产生的涡流电的热效应工作的，故D正确.【答案】D5.如图165所示，金属球(铜球)下端有通电的线圈，现把小球拉离平衡位置后释放，此后关于小球的运动情况是(不计空气阻力)()图165A.做等幅振动B.做阻尼振动C.振幅不断增大D.无法判定【解析】小球在通电线圈磁场中运动，小球中产生涡流，故小球要受到安培力作用阻碍它的相对运动做阻尼振动，故B正确.【答案】B6.(多选)(2015全国卷)1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”.实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图166所示.实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后.下列说法正确的是() 【导学号：72000047】图166A.圆盘上产生了感应电动势B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动【解析】A.当圆盘转动时，圆盘的半径切割磁针产生的磁场的磁感线，产生感应电动势，选项A正确； B.如图所示，铜圆盘上存在许多小的闭合回路，当圆盘转动时，穿过小的闭合回路的磁通量发生变化，回路中产生感应电流，根据楞次定律，感应电流阻碍其相对运动，但抗拒不了相对运动，故磁针会随圆盘一起转动，但略有滞后，选项B正确；C.在圆盘转动过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量始终为零，选项C错误；D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成的电流的磁场方向沿圆盘轴线方向，会使磁针沿轴线方向偏转，选项D错误. 【答案】AB电磁灶的分类及优点(1)电磁灶的分类：常用的电磁灶有工频电磁灶和高频电磁灶.工频电磁灶的主体部件是由励磁线圈和励磁铁心组成的工频励磁器.高频电磁灶的主体部件是由加热线圈、控制保护电路和灶面板组成.(2)电磁灶的优点：与一般灶具相比，电磁灶具有热效率高、环保性好、节能等优点.学业分层测评(六)(建议用时：45分钟)学业达标1.电磁灶的加热原理是涡流现象，下列哪种锅体适用于电磁灶加热()A.不锈钢锅体B.玻璃锅体C.塑料锅体D.陶瓷锅体【解析】因为加热原理是涡流，首先考虑锅体应该是导体，只有导体才能产生较强的涡流，这里不考虑食物本身产生涡流，因为食物的导电性能太差了.【答案】A2.如图167所示，教室正南面的钢窗原来是关着的，现在将其中一扇钢窗迅速朝外推开，从室内观察则钢窗中() 【导学号：72000048】图167A.不会产生感应电流B.会产生感应电流，电流方向为顺时针方向C.会产生感应电流，电流方向为逆时针方向D.会产生感应电流，但是电流方向无法判定【解析】地理南极为地磁场的N极，磁感线分布如图所示，打开窗子的过程中，通过窗子的磁通量减小，由楞次定律可知产生的感应电流方向为逆时针方向.【答案】C3.(多选)磁电式仪表的线圈通常用铝框作为骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是()A.防止涡流B.利用涡流C.起电磁阻尼的作用D.起电磁驱动的作用【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即涡流，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到电磁阻尼的作用.【答案】BC4.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.给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高很明显，而另一个容器中的水温升高不明显，则通入的电流与水温升高明显的是()A.恒定直流、小铁锅B.恒定直流、玻璃杯C.变化的电流、小铁锅 D.变化的电流、玻璃杯【解析】通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，所产生的磁场发生变化.在空间产生感生电场，小铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高明显；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水温升高不明显.【答案】C5.(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【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，减小涡流；减少电能转化成铁心的内能，提高效率，是为了防止涡流而采取的措施，故选B、D.【答案】BD6.如图168所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环1竖直、环2水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是()图168A.两环都向右运动B.两环都向左运动C.环1静止，环2向右运动D.两环都静止【解析】条形磁铁向右运动时，环1中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止.环2中磁通量变化，根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流的效果使环2向右运动.【答案】C7.如图169所示，在光滑绝缘水平面上，有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场，则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中(磁场宽度大于金属球的直径)，小球()图169A.整个过程做匀速运动B.进入磁场过程中做减速运动，穿出过程中做加速运动C.整个过程都做匀减速运动D.穿出时的速度一定小于初速度【解析】小球的运动主要有两个阶段.一是球进入磁场的过程，由于穿过小球的磁通量增加，在球内垂直于磁场的平面上产生涡流，有电能产生，而小球在水平方向上又不受其他外力，所以产生的电能只能是由球的机械能转化而来，由能的转化与守恒可知，其速度减小；二是穿出磁场的过程，同理可得速度进一步减小，故D正确.【答案】D8.(多选)如图1610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1610A.2是磁铁，在1中会产生涡流B.1是磁铁，在2中会产生涡流C.电磁阻尼器的作用是使指针能够转动D.电磁阻尼器的作用是使指针能很快地稳定【解析】电磁阻尼在实际中有很多用处，电学仪表的指针能很快停下来就是利用了电磁阻尼，故题图中2是磁铁，线圈1在磁场中运动时，闭合线圈中形成电流，获得电磁阻尼力矩.【答案】AD能力提升9. (多选)如图1611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() 【导学号：72000049】图1611A.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.线圈转动时将产生感应电流D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda【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，线圈中产生感应电流，故C对；当线圈相对磁铁转过90时电流方向不再是abcda，D错；由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁极同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度.若两者的角速度相同，磁感线与线圈处于相对静止，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，故A错、B对.【答案】BC10.如图1612所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采用电磁感应原理产生涡流加热的，它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，当变化的磁场通过含铁质锅的底部时，即会产生无数小涡流，使锅体本身自行高速升温，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，对人体健康无危害.关于电磁炉，以下说法中正确的是()图1612A.电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的B.电磁炉是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的C.电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的D.电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的【解析】电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物，故选项A、D错误、B正确；而选项C是微波炉的加热原理，C错误.【答案】B11.把一个用丝线悬挂的铜球放在通电螺线管上方，如图1613所示，在下列三种情况下，悬挂铜球的丝线所受的拉力怎样变化： 【导学号：72000050】图1613(1)当滑动变阻器的滑片向右移动时，拉力 (填“变大”不变”或“变小”)；(2)当滑动变阻器的滑片向左移动时，拉力 (填“变大”“不变”或“变小”)；(3)当滑动变阻器的滑片不动时，拉力 (填“变大”“不变”或“变小”).【解析】(1)铜球可看成由许多水平铜片叠加而成，每一铜片又可看成由许多同心圆环叠加而成.当滑动变阻器的滑片向右移动时，螺线管中的电流增大，穿过铜球的磁通量增大，铜球中产生感应电流(涡流)，感应电流的磁场阻碍其磁通量增大，故有远离螺线管运动的趋势，因此丝线的拉力变小.(2)同理可分析，当滑片向左移动时，螺线管中的电流减小，使铜球中产生涡流，阻碍磁通量的减小，因此铜球有靠近螺线管运动的趋势，使丝线的拉力变大.(3)滑片不动，铜球中不产生涡流，因此丝线拉力不变.【答案】(1)变小(2)变大(3)不变12.如图1614所示是描述电磁炉工作原理的示意图.炉子的内部有一个金属线圈，当交变电流通过线圈时，会产生磁场，这个磁场的大小和方向是不断变化的，这个变化的磁场又会引起放在电磁炉上面的铁质(或钢质)锅底内产生感应电流，由于锅底有电阻，所以感应电流又会在锅底产生热效应，这些内能便能起到加热物体的作用从而煮熟食物.电磁炉的特点：电磁炉的效率比一般的炉子都高，热效率高达90%，炉面无明火、无烟、无废气，电磁炉火力强劲，安全可靠.因为电磁炉是以电磁感应产生电流，利用电流的热效应产生热量，所以不是所有的锅或器具都适用.对于锅的选择，方法很简单，只要锅底能被磁铁吸住的就能用.适合放在电磁炉上的烹饪器具有不锈钢锅、不锈钢壶、平底铁锅；不适用的有陶瓷锅、圆底铁锅、耐热玻璃锅、铝锅、铜锅等. 【导学号：72000051】图1614(1)在电磁炉加热食物的过程中涉及的物理原理有(回答三个即可)： (2)电磁炉所用的锅不能是陶瓷锅、耐热玻璃锅的原因是 ；电磁炉所用的锅不能用铝锅、铜锅的原因是 .(3)在锅和电磁炉中间放置一纸板，则电磁炉还能起到加热作用吗？为什么？【解析】(1)因为电磁炉是以电磁感应产生电流，利用电流的热效应产生热量，所以包含了电流的热效应、电磁感应现象；对于锅的选择，方法很简单，只要锅底能被磁铁吸住的就能用，其中包含了电流的磁效应.(2)陶瓷锅、耐热玻璃锅不能产生电磁感应现象，在锅内也就不能产生电流；铝锅、铜锅导磁性太差，效率低.(3)能起到加热作用，线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅底，在锅底产生感应电流，利用电流的热效应起到加热作用.【答案】(1)电流的磁效应(或电生磁)电磁感应现象(或磁生电)电流的热效应(或焦耳定律)(2)不能产生电磁感应现象铝、铜的导磁性太差，效率低(3)见解析