2018-2019学年高二物理沪科版选修3-2学案：第1章 1.6 涡流现象与电磁灶
文档属性
| 名称 | 2018-2019学年高二物理沪科版选修3-2学案：第1章 1.6 涡流现象与电磁灶 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 93.4KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 沪科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2018-09-14 10:10:22 | ||
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文档简介
1.6 涡流现象与电磁灶
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道涡流现象，知道涡流是如何产生的．
2.理解电磁驱动和电磁阻尼现象．(难点)
3.掌握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)
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、探究涡流现象(图1-6-1)
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1-6-1
二、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20～50 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．
[基础自测]
1．思考判断
(1)涡流有热效应，但没有磁效应． (×)
【提示】 涡流也有磁效应．
(2)把金属块放在变化的磁场中可产生涡流． (√)
(3)探测器探测地雷是利用了涡电流． (√)
(4)提炼金属是利用了涡流产生的热量． (√)
(5)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． (×)
【提示】 电磁灶是利用变化的磁场在锅体内产生涡流从而对食物进行加热的．
(6)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． (√)
2．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
A [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．]
3．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
D [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的热效应工作的，故D正确．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
涡流现象
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，如常用的铁心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．
光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图1-6-2所示，抛物线的方程为y＝x2，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y＝a的直线(如图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物线上y＝b(b＞a)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？
图1-6-2
【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(b－a)＋mv2，这些机械能全部转化为内能，故产生的总热量为mg(b－a)＋mv2.
【答案】 mg(b－a)＋mv2
规律方法
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．
[针对训练]
1．(多选)如图1-6-3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( )
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
BD [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D正确．]
涡流的应用
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．
电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，电磁“火力”强劲，安全可靠．如图1-6-4所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是( )
A．当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好
B．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作
C．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因这些材料的导热性能较差
D．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用
B [锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流．故A错误，B正确．金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流，故C错误；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，故D错误．故选B.]
规律方法
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．
[针对训练]
2．如图1-6-5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( )
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
C [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．]
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．如图1-6-6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( )
图1-6-6
A．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
C [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．]
2．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
A [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．]
3.在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图1-6-7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1-6-7
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
C [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．]
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道涡流现象，知道涡流是如何产生的．
2.理解电磁驱动和电磁阻尼现象．(难点)
3.掌握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)
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、探究涡流现象(图1-6-1)
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1-6-1
二、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20～50 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．
[基础自测]
1．思考判断
(1)涡流有热效应，但没有磁效应． (×)
【提示】 涡流也有磁效应．
(2)把金属块放在变化的磁场中可产生涡流． (√)
(3)探测器探测地雷是利用了涡电流． (√)
(4)提炼金属是利用了涡流产生的热量． (√)
(5)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． (×)
【提示】 电磁灶是利用变化的磁场在锅体内产生涡流从而对食物进行加热的．
(6)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． (√)
2．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
A [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．]
3．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
D [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的热效应工作的，故D正确．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
涡流现象
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，如常用的铁心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．
光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图1-6-2所示，抛物线的方程为y＝x2，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y＝a的直线(如图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物线上y＝b(b＞a)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？
图1-6-2
【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(b－a)＋mv2，这些机械能全部转化为内能，故产生的总热量为mg(b－a)＋mv2.
【答案】 mg(b－a)＋mv2
规律方法
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．
[针对训练]
1．(多选)如图1-6-3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( )
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
BD [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D正确．]
涡流的应用
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．
电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，电磁“火力”强劲，安全可靠．如图1-6-4所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是( )
A．当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好
B．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作
C．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因这些材料的导热性能较差
D．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用
B [锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流．故A错误，B正确．金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流，故C错误；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，故D错误．故选B.]
规律方法
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．
[针对训练]
2．如图1-6-5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( )
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
C [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．]
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．如图1-6-6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( )
图1-6-6
A．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
C [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．]
2．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
A [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．]
3.在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图1-6-7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1-6-7
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
C [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．]