1、学案 9 涡流现象与电磁灶 学习目标定位 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 1楞次定律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化 2纯电阻产生电热的表达式：Q I 2RtUIt t. U2R 一、探究涡电流现象 1涡电流现象：用整块金属材料做铁心绕制的线圈，铁心的横截面可看作是由一圈圈 闭合回路组成的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 而在铁心内产生呈涡旋状的感应电流，叫做涡电流，简称涡流 2为了减小涡流，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 二、无火之灶电磁灶 1常用的电磁灶有工频电磁灶和高频电磁灶
2、2利用涡电流转化的热能，还可提炼金属；利用涡电流在磁场中受到的电磁力，可制 成电磁驱动设备和电磁阻尼设备. 一、探究涡电流现象 问题设计 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 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？ 图 1 答案 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)试着解释这种现象 答案 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
3、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 要点提炼 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( 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 Bt 涡流就越大 3由于整块金属的电阻很小，所以涡电流常常很大 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，而不是用一整块铁制 成，其原因是为了减
4、小涡电流，减少铁心发热损失 二、无火之灶电磁灶 问题设计 如图 2 所示是某电磁炉的工作原理图，下面是某一品牌电磁炉的说明书上的部分内容： “这一部分和电磁炉是采用磁场感应涡流加热原理， 他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，对人体健康绝对无危害 ”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)电磁炉的表面 (陶瓷)在电磁炉工作时会不会 发热？为什么？ 图 2 答案 (1)涡流
5、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，由于电磁炉表面是陶瓷做成，所以在电磁炉工作时不会发热 要点提炼 电磁灶的台面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 台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 三、电磁阻尼和电磁驱动 问题设计 1电磁阻尼弹簧上端固定，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 3 所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象
6、 图 3 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 4 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 图 4 根据以上现象，回答下列问题： (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 要点提炼 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 一、对涡流的理解 例 1 下列关于涡流的说法中正确的是(
8、 ) 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 答案 A 解析 涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流，只不过是由金属块自身构成回 路，它既有热效应，也有磁效应，所以 A 正确，B、C 错误；硅钢中产生的涡流较小，D 错误 二、对电磁灶工作原理的理解 例 2 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
9、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 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、对电磁阻尼和电磁驱动的理解 例 3 在水平放置的光滑绝缘导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图 5 所示，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
10、点以某一初速度向磁铁滑 去各滑块在向磁铁运动的过程中( ) 图 5 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 甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受电磁阻尼作用，做减速运动，丙则不会产 生涡流，只能匀速运动 答案 C 针对训练 位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿 着螺线管的轴线以初速度 v 水平穿过，如图 6 所示，在此过程中( ) 图 6 A磁铁做匀速直线运动 B磁铁做减速运动 C小车向右做加速运动 D小车先加速后减速 解析 磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律知该电流产生的磁 场的作用力阻碍磁铁的运动同理，磁铁
11、穿出时该电流产生的磁场的作用力也阻碍磁铁的 运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，B 项对 而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右，这个 安培力使小车向右运动，且一直做加速运动，C 项对 答案 BC 1(涡流的理解)下列做法中可能产生涡流的是 ( ) A把金属块放在匀强磁场中 B让金属块在匀强磁场中做匀速运动 C让金属块在匀强磁场中做变速运动 D把金属块放在变化的磁场中 答案 D 解析 涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中 产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化而 A、B、C 中磁通量不变化， 所以 A、B 、C 错误；把金
12、属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化， 有涡流产生，所以 D 正确 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，线圈中有一钳锅，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钳锅中产生感应电流，通过钳锅电阻产生焦耳热 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 解析 线圈中的高频交流电通过线圈，从而产生变化的电磁场，使得
13、处于电磁场的金 属块产生涡流，进而发热，故 A、B、C 错误，D 正确；故选 D. 3(电磁阻尼的理解与应用)如图 7 所示，条形磁铁从高 h 处自由下落，中途穿过一个 固定的空心线圈，开关 S 断开时，至落地用时 t1，落地时速度为 v1；开关 S 闭合时，至落 地用时 t2，落地时速度为 v2.则它们的大小关系正确的是 ( ) 图 7 At 1t 2，v 1v 2 Bt 1t 2，v 1 v2 Ct 1t 2，v 1 v2 Dt 1t 2，v 1v 2 答案 D 解析 开关 S 断开时，线圈中无感应电流，对磁铁无阻碍作用，故磁铁自由下落， ag；当 S 闭合时，线圈中有感应电流，对磁铁有阻
14、碍作用，故 ag.所以 t1t 2，v 1v 2. 4(对涡流的防止)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，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 题组一 涡流的理解与应用 1下列仪器是利用涡流工作的有( ) A电磁灶 B微波炉 C金属探测器 D真空冶炼炉 答案 ACD 2电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使
15、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 答案 A 解析 锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故 A 正确；直流电不能产生变化的 磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能使用直流电，故 B 错误；锅体只能用铁磁 性导体材料，不能使用绝缘材料制作锅体，故 C 错误；电磁炉产生变化的磁场，导致加热 锅底出现涡流，从而产生热量而不是靠热传递，D 错误 3安检门是一个用于安全检查的
16、“门” ， “门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交 变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场又反过 来影响线圈中的电流，从而引起报警以下关于这个安检门的说法正确的是( ) A这个安检门也能检查出毒品携带者 B这个安检门只能检查出金属物品携带者 C如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者 D这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应 答案 BD 解析 这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出金属物品携带者，A 错，B 对若“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使块状金属产生涡流， 因而不能检查出金属物品携
17、带者，C 错安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用 了电流的磁效应，D 对 4如图 1 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 工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热，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 1 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 交流电频率越高，则产生的感应电流越强，升温越快，故 A 项对工件上各处 电流相同，电阻大处
18、产生的热量多，故 D 项对 5光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图 2 所示，抛物线的方程是 yx 2，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(图中的虚线所示) ，一个 小金属块从抛物线上 yb( ba) 处以初速度 v 沿抛物线下滑假设抛物线足够长，金属块 沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是 ( ) 图 2 Amgb B. mv2 12 Cmg(ba) Dmg (ba) mv2 12 答案 D 解析 金属块进出磁场时，会产生焦耳热，损失机械能而使金属块所能达到的最高位 置越来越低，当金属块所能达到的最高位置为 ya 时，金属块不再进出磁场，不再产生焦 耳热金属块的
19、机械能不再损失，而在磁场中做往复运动 由于金属块减少的动能和重力势能全部转化为内能，所以 Q|E pE k|mg( ba) mv2. 12 6磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈围绕在铝框上，这样做的目的是( ) A防止涡流而设计的 B利用涡流而设计的 C起电磁阻尼的作用 D起电磁驱动的作用 答案 BC 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，也就是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电磁阻尼的作用 题组二 对电磁驱动与电磁阻尼的理解与应用 7如图 3 所示，A、B 为大小、形状均相同且内壁光滑、但用不
20、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 管比穿过 B 管的小球先落到地面下面对于两管的描述中可能正确的是( ) 图 3 AA 管是用塑料制成的，B 管是用铜制成的 BA 管是用铝制成的，B 管是用胶木制成的 CA 管是用胶木制成的，B 管是用塑料制成的 DA 管是用胶木制成的，B 管是用铝制成的 答案 AD 8.如图 4 所示 ，金属球(铜球 )下端有通电的线圈，今把金属球向上拉离平衡位置后释 放，此后金属球的运动情况是( 不计空气阻力)( ) 图 4 A做等幅振动 B做阻尼振动 C振幅不断增大 D无法判定 答案 B 解析
21、 金属球在通电线圈产生的磁场中运动，金属球中产生涡流，故金属球要受到安 培力作用，阻碍它的相对运动，做阻尼振动 9如图 5 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 5 A2 是磁铁，1 中产生涡流 B1 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 答案 AD 解析 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 的效果总是起到阻尼作用，所以 它能使指针很快地稳定下来 10如图 6 所示，磁极远离和靠近圆环时产生的现象正确的是 ( ) 图 6 A图中磁铁 N 极接近 A 环时，A 环被吸引，而后被推开 B图中磁铁 N 极远离 A 环时，A 环被排斥，而后随磁铁运动 C用磁铁 N 极接近 B 环时，B 环被排斥，远离磁铁运动 D用磁铁的任意一磁极接近 A 环时，A 环均被排斥 答案 D 解析 根据楞次定律，感应电流在回路中产生的磁通量总是反抗(或阻碍) 原磁通量的 变化，所以用磁铁的任意一磁极接近 A 环时，A 环均被排斥；由于 B 环不是闭合回路，因 此没有感应电流
