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第1章 电磁感应与现代生活
第1章 电磁感应与现代生活
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
要点探究讲练互动
突破疑难·讲练提升
涡流现象与电磁灶
1．知道涡流是如何产生的．(重点) 2．知道涡流的弊与利以及如何防止和利用．
3．了解常见的电磁灶的分类和工作原理．
一、探究涡电流现象
1．涡流：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，从而在铁心内产生感应电流．这种感应电流呈涡旋状，所以叫做涡电流，又叫涡流．
2．涡流的危害：由于整块金属的电阻很小，所以涡电流常常很大．涡电流会引起铁心发热，这不仅损耗了大量的电能，而且还可能烧坏设备．
3．涡流危害的防止：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，而不是用一整块金属制成，其原因是为了减小涡电流．
涡流是在整块金属中产生的涡旋状电流，是否遵循法拉第电磁感应定律？
提示：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．
二、无火之灶——电磁灶
1．工频电磁灶
(1)结构：由烹调锅、灶面板及工频励磁器构成．工频励磁器由励磁线圈和励磁铁心构成．
(2)工作原理：在两组线圈中分别通过50 Hz的电流iA和iB，从而在锅体中产生涡流，电能在锅体中转化为热能以加热食品．
2．高频电磁灶
(1)结构：由加热线圈、灶面板、控制保护电路三部分组成．
(2)工作原理：50 Hz的交流电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20～50 kHz的高频振荡电流，从而产生高频磁场使锅内产生涡流，加热食品．
对涡流的理解
1．涡流的产生：涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流．即导体内部产生了涡流．
2．涡流的特点：当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强，根据公式P＝I2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大．
3．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．
(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，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．
如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁心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，则通入的电流与水温升高的是( )
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
[思路点拨] (1)穿过回路的磁通量变化是产生涡流的必要条件．
(2)涡流是在导体内产生的．
[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，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；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．
[答案] C
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：选A．涡流是高频交流电产生的磁场引起的电磁感应现象，故选项A正确、B错误；电磁炉表面一般用绝缘材料制成，避免产生涡流，锅体用金属制成利用涡流加热物体，故选项C、D错误．
电磁灶的原理及优点
1．工频电磁灶
(1)结构如图
工频电磁灶的结构与原理示意图
它的励磁线圈和励磁铁心构成了工频励磁器．
(2)工作原理：接通电源后，在两组线圈中分别通过50 Hz的电流iA和iB，从而在锅体中产生涡流．涡流又将电能在锅体的材料电阻上转化为热能以加热食品．同时，涡流又在磁场中受到电磁力的作用，可使锅体紧紧地吸附在灶面板上，避免产生振动而发出噪音．
2．高频电磁灶
(1)结构：它由加热线圈、灶面板、控制保护电路三部分组成，如图所示．
高频电磁灶的结构示意图
(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，高频电流产生高频磁场，从而在锅体内产生涡流，涡流导致锅体发热，加热食品．
我们用来煮食的炉子有各种各样的款式，它们的工作原理各不相同．有以天然气、液化石油气等作燃料的，例如天然气炉；还有以直接的电热方式加热的，例如电饭锅；下面介绍的是以电磁感应原理生热的电磁炉．如图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，从而起到加热物体的作用．
电磁炉的特点是：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，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烹饪器都适用．对于锅的选择，方法很简单，只要锅底能被磁铁吸引的就能用．适合放在电磁炉上的烹饪器有不锈钢锅、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．
(1)在用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)：
①________________________________________________________________________．
②________________________________________________________________________．
③________________________________________________________________________．
(2)电磁炉所用的锅不能用陶瓷锅、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？
[思路点拨] 此类题属于信息题，解题的关键有两点：
(1)熟悉并理解电磁炉的构造及工作原理．
(2)认真读题，提取和问题相应的信息．
[解析] (1)由题干信息可知，电磁炉的原理是变化的电流形成变化的磁场，变化的磁场使电磁炉上的锅具产生涡流加热食物，故涉及以下三个原理：
①电流的磁效应(或电生磁) ②电磁感应现象(或磁生电)
③电流的热效应(或焦耳定律)
(2)电磁炉是电磁感应现象的应用，陶瓷锅、耐热玻璃锅不能产生电磁感应现象．为了更有效加热食物，应选取电热效率高的锅具，铝锅和铜锅电阻率小，电热少，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，利用电流的热效应加热食物．
[答案] 见解析
eq \a\vs4\al()
此类题目属于信息题，阅读量较大，对学生在阅读中提取信息的能力要求较高，因此解答此类问题时，一定要认真，在阅读中发现问题，在阅读中分析问题，在阅读中解决问题．
【通关练习】
1．
由上例可知电磁灶是应用电磁感应原理加热的一种无明火特殊灶具．目前高频电磁灶的灶面只适用于平底锅具，若将弧底锅加入金属材料改造成如图的平底结构，能否正常工作．
解析：这种改造既能使弧底锅能够稳定地放在灶面上，又因附加部分为金属材料，能在高频交变磁场中获得理想的涡流发热效果，所以改造后能正常工作．
答案：见解析
2．
如图所示，光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连，水平轨道上方有一足够长的金属杆，杆上挂有一光滑螺线管A．在弧形轨道上高为h的地方，无初速度释放一磁铁B(可视为质点)，B下滑至水平轨道时恰好沿螺线管A的中心轴运动，设A、B的质量分别为M、m，若最终A、B速度分别为vA、vB．求：
(1)螺线管A将向哪个方向运动？
(2)全过程中整个电路所消耗的电能．
解析：(1)磁铁B向右运动时，螺线管中产生感应电流，感应电流产生电磁驱动作用，使得螺线管A向右运动．
(2)全过程中，磁铁减少的重力势能转化为A、B的动能和螺线管中的电能，所以有
mgh＝Mv＋mv＋E电．
即E电＝mgh－Mv－mv．
答案：(1)向右 (2)mgh－Mv－mv
[随堂检测]
1．以下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发生变化而产生的
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：选A．根据涡流的产生原因(变化磁场中的金属块、电流变化的线圈附近的导体中都产生涡流)知：涡流就是平时常见的感应电流，是因为穿过导体的磁通量发生变化而产生的，符合感应电流产生的原因，所以A正确，B错误；涡流和其他电流一样，也有热效应和磁效应，C错误；硅钢的电阻率大，产生的涡流较小，不是不能产生涡流，D错误．
2．(多选)下列应用中哪些与涡流有关( )
A．高频感应冶炼炉
B．汽车的电磁式速度表
C．家用电度表(转盘式)
D．闭合线圈在匀强磁场中转动，切割磁感线产生的电流
解析：选ABC．真空冶炼炉的炉外围通入反复变化的电流，则炉内的金属中会产生涡流；汽车速度表是磁电式电流表，指针摆动时，铝框骨架中产生涡流；家用电度表(转盘式)的转盘中有涡流产生；闭合线圈在磁场中转动产生感应电流，不同于涡流，D错误．
3．关于电磁灶，以下说法中正确的是( )
A．电磁灶是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的
B．电磁灶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．电磁灶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．电磁灶是利用电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的
解析：选B．由电磁灶的工作原理可知，选项A、D错误，B正确，选项C其实是微波炉的加热原理．
4．
光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，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(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，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是( )
A．mgb B．mv2
C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2
解析：选D．金属块在进入磁场或离开磁场过程中，穿过金属块的磁通量发生变化，产生涡流，机械能损失，转化成内能，不妨设x轴所在水平面为零势面，
E机初＝mv2＋mgb E机末＝mga
ΔE机械＝mv2＋mgb－mga＝mg(b－a)＋mv2
根据能量的转化和守恒定律：产生热量Q＝ΔE机械，故D项正确．
5．金属探测器已经广泛应用于安检场所，关于金属探测器的论述正确的是( )
A．金属探测器可用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中
B．金属探测器探测地雷时，探测器的线圈中产生涡流
C．金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流
D．探测过程中金属探测器与被测物体相对静止与相对运动探测效果相同
解析：选C．金属探测器只能探测金属，不能用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中；故A错误；金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流；故B错误，C正确；探测过程中工作时金属探测器应与被测物体相对运动；相对静止时无法得出探测效果；故D错误．
[课时作业]
一、单项选择题
1．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：选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错误；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错误；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错误；电磁灶都是利用电磁感应产生的涡电流的热效应工作的，故D正确．
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
解析：选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，食物的导电性能太差了．
3．
如图所示，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( )
A．整个过程做匀速运动
B．进入磁场过程中球做减速运动，穿出过程中球做加速运动
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：选D．小球的运动主要研究两个阶段．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，由能量的转化与守恒可知，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，故选项D正确．
4．
在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁如图．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点以某一初速向磁铁滑去．各物块在碰上磁铁前的运动情况将是( )
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：选C．铜块和铝块在向磁铁靠近时，穿过它们的磁通量发生改变，因此在其内部会产生涡流，即感应电流．感应电流的效果会阻碍它们之间的相对运动，也就是铜块和铝块将做减速运动．而有机玻璃为非金属，不产生涡流现象，它将做匀速运动．故正确选项为C．
5．
如图所示，在蹄形磁铁的两极间有一可以自由转动的铜盘(不计各种摩擦)，现让铜盘转动．下面对观察到的现象描述及解释正确的是( )
A．铜盘中没有感应电动势、没有感应电流，铜盘将一直转动下去
B．铜盘中有感应电动势、没有感应电流，铜盘将一直转动下去
C．铜盘中既有感应电动势又有感应电流，铜盘将很快停下
D．铜盘中既有感应电动势又有感应电流，铜盘将越转越快
解析：选C．铜盘转动时，根据法拉第电磁感应定律及楞次定律知，盘中有感应电动势，也产生感应电流，并且受到阻尼作用，机械能很快转化为电能进而转化为焦耳热，铜盘将很快停下，故C对，A、B、D错．
二、多项选择题
6．
如图所示，在O点正下方有一个理想边界的匀强磁场，铜环在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是( )
A．A、B两点在同一水平线上
B．A点高于B点
C．A点低于B点
D．铜环最终做等幅摆动
解析：选BD．铜环在进入和穿出磁场的过程中，环中会有涡流产生，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．由于磁场是匀强磁场，当铜环完全在磁场中时，将不再产生电能，机械能不变，最终做等幅摆动，故B、D正确．
7．下列对变压器和电机中的涡流认识正确的是( )
A．涡流会使铁心温度升高，危及线圈绝缘材料的寿命
B．涡流发热要损耗额外的能量
C．可以将变压器和电机的铁心用相互绝缘的很薄的硅钢片叠压而成，这样可以减小铁心中的感应电动势
D．涡流产生于变压器和电机的线圈中，对电流起阻碍作用
解析：选AB．电动机、变压器的线圈都绕在铁心上．工作时，线圈中流过变化的电流，在铁心中产生涡流，使铁心发热浪费能量，热量过高，还会损害电器，所以选项A、B正确，D错误；变压器和电动机的铁心用相互绝缘的很薄的硅钢片做成，这样做的目的是增大铁心的电阻，阻断涡流回路来减少电能转化为铁心的内能，提高效率，感应电动势的大小由线圈中的电流的变化率决定，所以选项C错误．
8．关于常用电磁灶，下列说法正确的是( )
A．常用电磁灶有工频电磁灶和高频电磁灶
B．电磁灶除可用铁磁性材料的锅体外，应急时也可以用铝锅或陶砂锅
C．同等条件下，锅体的电阻率会影响其发热效率
D．电磁灶不仅在锅底上产生涡电流，还要在锅竖直壁上产生涡电流，所以效率很高
解析：选AC．常用电磁灶有两种，一种是直接用50 Hz的交变电流产生变化的电磁场，这是工频电磁灶；另一种是将50 Hz的交变电流变为直流后，再用电子开关迅速通、断产生高频电流，进一步产生高频磁场，这是高频电磁灶．电磁灶要用铁磁性材料的锅体，铝锅或砂锅等非磁性材料的锅体放上去都不行(不会产生涡电流，也就不会使锅体发热)．磁性材料的锅体能够约束更多的磁感线．在产生电磁场的空间中，在锅体内感应的电动势一定，锅体的电阻率越小，在其中产生的感应电流越大．电磁灶只在锅底内产生涡电流，而在锅的竖直侧壁上不会产生涡流．
9．
如图所示，光滑金属球从高h的曲面滚下，又沿曲面的另一侧上升，设金属球初速度为零，曲面光滑，则( )
A．若是匀强磁场，球滚上的高度小于h
B．若是匀强磁场，球滚上的高度等于h
C．若是非匀强磁场，球滚上的高度等于h
D．若是非匀强磁场，球滚上的高度小于h
解析：选BD．若是匀强磁场，则穿过球的磁通量不发生变化，球中无涡流，机械能没有损失，故球滚上的高度等于h，选项A错，B对；若是非匀强磁场，则穿过球的磁通量发生变化，球中有涡流产生，机械能转变为内能，故球滚上的最大高度小于h，选项C错，D对．
10．
如图所示，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管的小球比穿过B管的小球先落到地面．下面对于两管的描述可能正确的是( )
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
解析：选AD．磁性小球穿过金属圆管过程中，将圆管看做由许多金属圆环组成，小球的磁场使每个圆环中产生感应电流，据楞次定律，该电流阻碍磁性小球的下落，小球向下运动的加速度小于重力加速度；小球在塑料、胶木等非金属材料圆管中不会产生感应电流，小球仍然做自由落体运动，穿过塑料、胶木圆管的时间比穿过金属圆管的时间少．
三、非选择题
11．
如图所示是利用高频交流电焊接自行车零件的原理示意图，其中外圈A是通高频交流电的线圈，B是自行车零件，a是待焊接口，焊接时接口两端接触在一起，当A中通有交变电流时，B中会产生感应电流，使得接口处金属熔化焊接起来．
(1)试分析说明，焊接的快慢与交变电流的频率有什么关系？
(2)试解释说明，为什么焊接过程中，接口a处被熔化而零件其他部分并不热？
解析：(1)线圈A中交变电流的频率越高，B中磁通量的变化率越大，产生的感应电动势越大，感应电流I也越大，所以电流的热功率P＝I2R也越大，焊接越快．
(2)B中各处电流大小相等，但在接口a处因是点接触，故此处接触电阻很大，电流的热功率P＝I2R也很大，而其他部分电阻很小，电流的热功率也很小，所以接口处已被熔化，而零件的其他部分并不很热．
答案：见解析
12．
如图所示，质量为m＝100 g的铝环，用细线悬挂起来，环中央距地面高度h＝0．8 m，有一质量为M＝200 g的小磁铁(长度可忽略)，以10 m/s 的水平速度射入并穿过铝环，落地点距铝环原位置的水平距离为3．6 m，则磁铁与铝环发生相互作用时(小磁铁穿过铝环后的运动看做平抛运动)
(1)铝环向哪边偏斜？
(2)若铝环在磁铁穿过后速度为2 m/s，在磁铁穿过铝环的整个过程中，环中产生了多少电能？(g取10 m/s2)
解析：(1)由楞次定律可知，当小磁铁向右运动时，铝环向右偏斜(阻碍相对运动)．
(2)由磁铁穿过铝环飞行的水平距离可求出穿过后的速度
v＝ m/s＝9 m/s
由能量守恒可得：
W电＝Mv－Mv2－mv′2＝1．7 J．
答案：(1)铝环向右偏斜 (2)1．7 J
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