2020版高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 1 7页

‎1.6　涡流现象与电磁灶 ‎[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.‎ 一、涡流 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.‎ 图1‎ 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？‎ ‎(2)试着解释这种现象.‎ 7‎ 答案　(1)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)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.‎ ‎[要点总结]‎ ‎1.涡流：整块导体中的磁通量发生变化时，导体中产生的涡旋状的感应电流叫做涡电流，简称涡流.‎ ‎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.产生涡流的两种情况 ‎(1)块状金属放在变化的磁场中.‎ ‎(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动.‎ ‎4.产生涡流时的能量转化 ‎(1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能.‎ ‎(2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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.‎ 例1　(多选)如图2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会产生感应电流，感应电流通过焊缝产生很多热量，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2‎ 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　电流变化的频率越高，则产生的感应电流越大，升温越快，故A项对，B项错；工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故C项错，D项对.‎ 例2　(多选)如图3所示，闭合金属环从光滑曲面上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，曲面处在图中磁场中，则(　　)‎ 图3‎ 7‎ A.若是匀强磁场，环上升的高度小于h B.若是匀强磁场，环上升的高度等于h C.若是非匀强磁场，环上升的高度等于h D.若是非匀强磁场，环上升的高度小于h 答案　BD 解析　若磁场为匀强磁场，穿过环的磁通量不变，不产生感应电流，即无机械能向电能转化，机械能守恒，故A错误，B正确；若磁场为非匀强磁场，环内要产生电能，机械能减少，故C错误，D正确.‎ 二、无火之灶——电磁灶 如图4所示是某电磁灶的工作原理图，下面是某一品牌电磁灶的说明书上的部分内容：“电磁灶是采用磁场感应涡流加热原理， 它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.电磁灶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.”回答下列问题：(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)电磁灶的表面(陶瓷)在电磁灶工作时会不会发热？‎ 图4‎ 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，由于电磁灶表面是陶瓷做成，所以在电磁灶工作时不会发热.‎ ‎[要点总结]‎ 电磁灶的原理：电磁灶的面板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，在面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.‎ 例3　(多选)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 7‎ 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、电磁阻尼和电磁驱动 ‎1.电磁阻尼 图5‎ 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5所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象.‎ 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6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.‎ 根据以上现象，回答下列问题：‎ 图6‎ ‎(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.‎ 7‎ ‎(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.‎ ‎[要点总结]‎ 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.‎ 例4　如图7所示，上端开口、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(不计空气阻力)(　　)‎ 图7‎ A.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 答案　C 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，故落至底部时在P中的速度比在Q中的小，选项D错误.‎ 例5　(多选)如图8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(　　)‎ 7‎ 图8‎ A.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.线圈转动时将产生大小、方向周期性变化的电流 D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda 答案　BC 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，线圈中产生大小、方向周期性变化的电流，故C对，D错；由楞次定律可知，线圈将与磁铁同向转动，但转速一定小于磁铁的转速.如两者的转速相同，磁感线与线圈处于相对静止状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，故A错，B对. ‎ ‎1.(涡流的防止)(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 答案　BD 解析　不使用整块硅钢而是采用很薄的硅钢片叠压，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.‎ ‎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，线圈中有一坩锅，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坩锅中产生感应电流，通过坩锅电阻产生焦耳热 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 7‎ 解析　线圈中的高频交流电通过线圈，从而产生变化的磁场，使得处于变化磁场中的金属块产生涡流，进而发热，故A、B、C错误，D正确；故选D.‎ ‎3.(对电磁阻尼的理解与应用)如图9所示，条形磁铁用细线悬挂在O点.O点正下方固定一个水平放置的铝线圈.让磁铁在竖直面内摆动，下列说法中正确的是(　　)‎ 图9‎ A.磁铁左右摆动一次，线圈内感应电流的方向改变2次 B.磁铁始终受到感应电流磁场的斥力作用 C.磁铁所受到的感应电流对它的作用力始终是阻力 D.磁铁所受到感应电流对它的作用力有时是阻力有时是动力 答案　C 解析　磁铁向下摆动时，根据楞次定律，线圈中产生逆时针方向感应电流(从上往下看)，并且磁铁受到感应电流对它的作用力为阻力，阻碍它靠近；磁铁向上摆动时，根据楞次定律，线圈中产生顺时针方向感应电流(从上往下看)，磁铁受感应电流对它的作用力仍为阻力，阻碍它远离，所以磁铁在左右摆动一次过程中，电流方向改变3次，感应电流对它的作用力始终是阻力，只有C项正确.‎ ‎4.(对电磁驱动的理解)(多选)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10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(　　)‎ 图10‎ A.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 答案　AB 7‎