2020版高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 6 涡流现象与电磁灶课件 沪科版选修3-2

1.6涡流现象与电磁灶一、探究涡电流现象1.定义:由于金属导体内_______发生变化,从而在金属导体内产生的_______的电流。2.涡流的特点:金属导体电阻小,涡流_____。磁通量涡旋状很大3.防止及应用:(1)防止:变压器和镇流器的铁心,通常由多层涂有________的薄硅钢片叠压而成。(2)应用:电磁灶、感应式电能表等。绝缘漆二、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_________和_________构成。(2)工作原理:在两组线圈中分别通过50Hz的电流iA和iB,从而在锅体中产生涡流,涡流的_____在锅体中转化为热能以加热食品。励磁线圈励磁铁心电能2.高频电磁灶:(1)结构:由_________、_______、_____________三部分组成。(2)工作原理:50Hz的交流电经过整流和滤波变为______,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20～50kHz的_____________,从而产生高频磁场,使锅内产生涡流,加热食品。加热线圈灶面板控制保护电路直流高频振荡电流3.涡电流的其他应用:(1)利用涡电流转化的热能,还可_________。(2)利用涡电流在磁场中受到的电磁力,可制成__________设备和_________设备。提炼金属电磁驱动电磁阻尼【思考辨析】(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)涡流有热效应,但没有磁效应。()(3)电磁炉是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。()提示:(1)√。涡流本质上是感应电流,是自身构成的回路,是在穿过导体的磁通量变化时产生的。(2)×。涡流既有热效应,又有磁效应。(3)√。电磁炉是在金属锅体中产生热效应,是典型的涡流现象的应用,通过这种方式,可以达到加热和烹饪食物的目的。一对涡流的理解【典例】如图所示,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世纪金榜导学号()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】选C。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。【核心归纳】1.涡流的本质:电磁感应现象。2.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。3.产生涡流时的能量转化: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。(1)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;(2)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。【特别提醒】涡流问题的三点注意(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)金属能够自身形成闭合回路,形成涡流。(3)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,形成的涡流就越强。Bt【过关训练】1.(多选)下列应用哪些与涡流有关()A.高频感应冶炼炉B.汽车的电磁式速度表C.家用电表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A、B、C。真空冶炼炉,炉外线圈通入交变电流,使炉内的金属中产生涡流;汽车速度表是电磁式电流表,指针摆动时,铝框骨架中产生涡流;家用电表(转盘式)的转盘中会有涡流产生;闭合线圈在磁场中转动产生感应电流,不同于涡流,选项D错误。2.(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成,而不采用一块整硅钢,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.增大涡流,减小铁芯的发热量D.减小涡流,减小铁芯的发热量【解析】选B、D。涡流的主要效应之一就是热效应,而变压器的铁芯发热,是我们不希望看见的,所以不采用整块硅钢,而采用薄硅钢片叠压在一起,目的是减小涡流,减小铁芯的发热量,进而提高变压器的效率。故选项B、D正确。【补偿训练】1.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的,如图所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图,炉内放入被冶炼的金属,线圈通入高频交变电流,这时被冶炼的金属就能被熔化,这种冶炼方法速度快,温度易控制,并能避免有害杂质混入被冶炼金属中,因此适于冶炼特种金属。该炉的加热原理是()A.利用线圈中电流产生的焦耳热B.利用线圈中电流产生的磁场C.利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流D.给线圈通电的同时,给炉内金属也通了电【解析】选C。高频感应炉的原理:给线圈通以高频交变电流后,线圈产生高频变化的磁场,磁场穿过金属,在金属内产生涡流,由于电流的热效应,可使金属熔化。故只有C正确。2.如图所示,A、B两图是把带绝缘层的线圈绕在软铁上,C、D两图是把带绝缘层的线圈绕在有机玻璃上,则能产生涡流的是()【解析】选A。只有穿过整个导体的磁通量发生变化,才产生涡流,B是直流电源不能产生涡流,C、D不是导体,故只有A能产生涡流。二电磁阻尼和电磁驱动的比较【典例】(2017·全国卷Ⅰ)扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图所示。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是()世纪金榜导学号【解析】选A。装置的原理是利用电磁阻尼。当薄板进出磁场时产生感应电流,薄板受安培力,安培力总是阻碍导体相对磁场的运动,从而使薄板尽快停下来。选项中,B项无法有效阻碍上下振动,C项无法有效阻碍上下左右振动,D项无法有效阻碍上下振动。只有A项阻碍上下左右振动最有效。【核心归纳】电磁阻尼电磁驱动不同点成因由导体在磁场中运动形成的由磁场运动而形成的效果安培力方向与导体运动方向相反,为阻力安培力方向与磁场运动方向相同,为动力能量转化克服安培力做功,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共同点两者都是电磁感应现象,导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动【过关训练】1.(多选)如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器,下列说法中正确的是()A.2是磁铁,1中产生涡流B.1是磁铁,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下来【解析】选A、D。当指针摆动时,1随之转动,2是磁铁,那么在1中产生涡流,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的效果总是起到阻碍作用,所以它能使指针很快地稳定下来。2.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),则小球世纪金榜导学号()A.整个过程做匀速运动B.进入磁场过程中小球做减速运动,穿出过程中做加速运动C.整个过程做匀减速运动D.穿出时的速度一定小于初速度【解析】选D。金属球进入和穿出磁场时,金属球切割磁感线产生感应电流,从而产生阻碍金属球运动的安培力,故两过程均做减速运动;当全部进入磁场时,磁通量不变,没有感应电流产生,金属球做匀速直线运动,故A、B、C均错误,只有D正确。【补偿训练】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正确,A、B、D错误。【拓展例题】考查内容:电磁感应的综合应用【典例】如图所示,水平地面上方矩形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场,两个边长相等的单匝闭合正方形线圈Ⅰ和Ⅱ,分别用相同材料、不同粗细的导线绕制(Ⅰ为细导线)。两线圈在距磁场上界面h高处由静止开始自由下落,再进入磁场,最后落到地面。运动过程中,线圈平面始终保持在竖直平面内且下边缘平行于磁场上边界。设线圈Ⅰ、Ⅱ落地时的速度大小分别为v1、v2,在磁场中运动时产生的热量分别为Q1、Q2。不计空气阻力,则()A.v1v2,Q1Q2B.v1=v2,Q1=Q2C.v1v2,Q1Q2D.v1=v2,Q1Q2【正确解答】选D。设边长为L,匝数为n,密度为ρ,导线的电阻率为ρ0,导线的横截面积为S,则导线的电阻R=ρ0;线圈的质量m=ρV=ρ·4nL·S,设刚要进入磁场时的速度为v0,则由机械能守恒定律可得:mgh=m,v0=。以该时刻线圈为研究对象,进行受力分析,线圈受重力和安培力作用,由牛顿第二定律可得:a==g-=g-=g-,4nLS1220v2ghmgFm安－220BLvmR2200BLv4nL4nLSS2020Bv16n对两个线圈来说,它们的加速度与横截面积无关,时刻相同,所以在穿过磁场的过程中速度的变化是相同的,由于初速度相同,所以末速度也是相同的。当线圈完全进入磁场后,又做加速度同为g的匀加速运动,所以最终速度相同,即v1=v2。根据功能关系,Q=|WF|,所以Q=F安2L===,所以横截面积大的线圈Ⅱ产生的热量大,即Q1Q2,D正确。22BLv2LR220BLv2L4nLS220BLvS2n物理思想方法——电磁感应与力和能量综合问题【案例示范】如图所示,一矩形金属框架与水平面成θ=37°角,宽L=0.4m,上、下两端各有一个电阻R0=2Ω,框架的其他部分电阻不计,框架足够长,垂直于金属框架平面的方向有一向上的匀强磁场,磁感应强度B=1.0T。ab为金属杆,与框架良好接触,其质量m=0.1kg,电阻r=1.0Ω,杆与框架间的动摩擦因数μ=0.5。杆由静止开始下滑,在速度达到最大的过程中,上端电阻R0产生的热量Q0=0.5J(g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)。求:世纪金榜导学号(1)流过R0的最大电流;(2)从开始运动到速度达到最大的过程中ab杆沿框架下滑的距离。【解析】(1)当速度达到最大时,杆受力平衡,有BImL+μmgcosθ=mgsinθ,此时ab杆中有最大电流,则Im==A=0.5A流过R0的最大电流I0==0.25A。(sincos)mgBL0.60.50.80.1101.00.4A（）mI2(2)由题得Q总=4Q0=2J,Em=ImR总=0.5×2V=1.0V此时杆的速度vm==m/s=2.5m/s由动能定理得mgssinθ-μmgscosθ-Q总=m-0mEBL1.01.00.4122mv解得杆下滑的距离s==m≈11.56m。答案:(1)0.25A(2)11.56m2mmv2Q2mg(sincos)总20.12.52220.110(0.60.50.8)【方法技巧】分析电磁感应与力和能量综合问题的思路(1)电磁感应中的力和运动,导体切割磁感线时,感应电动势E=BLv,与物体的速度v有关,而E影响I→I影响安培力F安→安培力影响合力F(或加速度a)→合力影响运动的速度v……,周而复始,相互牵连,最后达到恒定速度(收尾速度)时导体处于平衡状态,受到平衡力的作用。因此涉及电磁感应的力和运动往往都是动态变化,正确的运动分析和受力分析是解决问题的关键。(2)电磁感应中的功和能,电磁感应的过程总量伴随着能量的转化,而且克服安培力做多少功,就有多少电能产