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人教版 (2019)选择性必修 第二册第二章 电磁感应3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动图文ppt课件
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这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册第二章 电磁感应3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动图文ppt课件，共51页。PPT课件主要包含了必备知识·素养奠基，感应电流，热效应，磁效应，涡流过大，电阻率，硅钢片，电磁阻尼，安培力，关键能力·素养形成等内容，欢迎下载使用。
一、涡流真空冶炼炉的工作原理是什么?金属探测器为什么能探测金属物?
1.产生:在变化的磁场中的导体内产生的_________,就像水中的漩涡。所以把它叫作涡电流,简称涡流。2.特点:若金属的电阻率小,涡流往往很强,产生的_____很多。3.应用:(1)涡流_______的应用:如真空冶炼炉。(2)涡流_______的应用:如探雷器、安检门。
4.防止:电动机、变压器等设备中为防止铁芯中_________而导致浪费能量,损坏电器。(1)途径一:增大铁芯材料的_______。(2)途径二:用相互绝缘的_______叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。
二、电磁阻尼和电磁驱动1.电磁阻尼:(1)产生:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是_____导体的运动的现象。(2)应用:电学仪表中利用_________使指针很快地停下来,便于读数。2.电磁驱动:(1)产生:如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生感应电流,感应电流使导体受到安培力的作用,_______使导体运动起来。(2)应用: 交流感应电动机。
一 对涡流的理解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)金属块放在变化的磁场中,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,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。
【思考·讨论】线圈中的电流变化时,导体中为什么会产生感应电流?(物理观念)提示:电磁感应。
【典例示范】电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟无废气,“火力”强劲,安全可靠,如图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.在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用C.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要原因是这些材料的导热性能较差D.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
【解析】选D。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,D正确;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B错误;金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅,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。
【素养训练】1.如图所示,在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,现接通交流电源,过了几分钟,杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间,下列措施可行的有( )A.减少线圈的匝数 B.提高交流电源的频率C.将金属杯换为瓷杯D.取走线圈中的铁芯
【解析】选B。由题意可知,本题中是涡流现象的应用,即采用线圈产生的磁场使金属杯产生感应电流从而进行加热的,则由法拉第电磁感应定律可知,增加线圈的匝数、提高交流电的频率均可以提高发热功率,则可以缩短加热时间,故A错误,B正确;将杯子换为瓷杯不会产生涡流,则无法加热水,故C错误;取走铁芯磁场减弱,则加热时间变长,故D错误。
2.通电线圈绕在四种不同的材料上,材料中能产生涡流的是( )【解析】选B。要想产生涡流,应该是在金属块外通以交流电流,故只有B正确,A、C、D错误。
【补偿训练】1.(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成,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发热,而变压器的铁芯发热,是我们不希望出现的,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。
2.(多选)下列哪些措施是为了防止涡流的危害( )A.电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅B.磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架,把线圈绕在铝框上C.变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成D.变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层
【解析】选C、D。电磁炉是采用电磁感应原理,在金属锅上产生涡流,使锅体发热从而加热食物的,属于涡流的应用,故A不符合题意;磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架,起到电磁阻尼作用,是为了利用电磁感应,故B不符合题意;变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止,故C正确;变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止,故D正确;故选C、D。
二 电磁阻尼和电磁驱动的比较
【思考·讨论】灵敏电流表运输中,为什么常用导体把两个接线柱连在一起?(科学思维)提示:连接接线柱后,晃动表,由于电磁阻尼,表针晃动幅度会变小,并能较快停下,起到保护表针的作用。
【典例示范】空间有竖直边界为AB、CD且垂直纸面向里的有界匀强磁场区域。一闭合金属圆环用绝缘细线挂于O点,将圆环拉至如图所示位置静止释放,圆环在摆动过程中环面始终与磁场垂直,若不计空气阻力,则下列说法中正确的是( )A.圆环完全进入磁场后离最低点越近,感应电流越大B.圆环在进入和穿出磁场时,圆环中均有感应电流C.圆环向左穿过磁场后再返回,还能摆到原来的释放位置D.圆环最终将静止在最低点
【解析】选B。整个圆环进入磁场后,磁通量不发生变化,不产生感应电流,故A错误;只有当圆环进入或离开磁场区域时磁通量发生变化,会产生电流,故B正确;当圆环向左穿过磁场区域时磁通量发生变化,会产生电流,机械能向电能转化,所以机械能不守恒,当再返回,不能摆到原来的释放位置,故C错误;在圆环不断经过磁场,机械能不断损耗过程中圆环越摆越低,最后整个圆环只会在磁场区域来回摆动,因为在此区域内没有磁通量的变化(一直是最大值),所以机械能守恒,即圆环最后的运动状态为在磁场区域来回摆动,而不是静止在平衡位置,故D错误。
【素养训练】1.如图甲所示,把一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极间,蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO′轴转动,不计摩擦;如图乙所示,闭合金属环从曲面上h高处滚下,又沿曲面的另一侧上升,设环的初速度为零,不计摩擦,整个曲面处在垂直纸面的磁场中(图中未画出),下列说法正确的是( )
A.当逆时针转动蹄形磁铁时,磁铁的磁极未知,故线圈转动方向未知B.当蹄形磁铁不动时,转动闭合线圈,由于不计摩擦,线圈将匀速转动C.若磁场为非匀强磁场,因圆环面积不变,可知圆环磁通量不变,故圆环机械能守恒,滚上的高度仍为hD.若磁场为非匀强磁场,圆环滚下过程中,圆环内有感应电流
【解析】选D。当逆时针转动蹄形磁铁时,根据楞次定律可知,为阻碍磁通量变化,则导致线圈与磁铁转动方向相同,但快慢不一,故A错误;当蹄形磁铁不动时,转动闭合线圈,切割磁感线,产生感应电流,根据楞次定律可知,安培力阻碍线圈的转动,则线圈做减速转动,故B错误;若是非匀强磁场,闭合圆环滚动过程中,磁通量变化,由于电磁感应产生感应电流,机械能减小转化为内能,高度减小,故C错误,D正确。
2.如图所示,上下开口、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Q和P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
【解析】选C。当小磁块在光滑的铜管P下落时,由于穿过铜管的磁通量变化,导致铜管产生感应电流,从而产生安培阻力,所以P中小磁块做的运动不是自由落体运动;而对于塑料管内小磁块没有任何阻力,在做自由落体运动,故A错误;由A选项分析可知,在铜管的小磁块机械能不守恒,而在塑料管的小磁块机械能守恒,故B错误;在铜管中小磁块受到安培阻力,则在P中的下落时间比在Q中的长,故C正确;根据动能定理可知,因安培阻力,导致产生热能,则至底部时在P中的速度比在Q中的小,故D错误。
【补偿训练】磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置,工作效应比靠摩擦力刹车更稳定,如图为该新型装置的原理图(从后面朝前看):过山车的两侧装有铜片,停车区的轨道两侧装有强力磁铁,当过山车进入停车区时铜片与磁铁的相互作用能使过山车很快停下来,关于该装置的下列说法正确的是( )A.刹车原理是利用了电流的磁效应B.过山车从进入停车区到停止的过程,动能转化成电能C.过山车进入停车区的速度越大,刹车的阻力越大D.若将铜片换成有机玻璃片,也能达到相同的刹车效果
【解析】选C。当过山车进入停车区时,会导致铜片的磁通量发生变化,产生感应电流,从而铜片出现感应磁场,与强力磁铁产生相互作用,利用了电磁感应的原理。刹车过程中过山车运动减慢,过山车减少的动能,先转化为电能,最终会转化为内能,故A、B错误;过山车的速度越大,磁通量变化越快,产生的感应电流越大,从而导致感应磁场越大,与强力磁铁的作用力越大,故刹车的阻力越大,故C正确;把铜片换成有机玻璃片,而有机玻璃不导电,因此不形成感应磁场,从而不会对强力磁铁有阻碍作用,所以不能达到相同的刹车效果,故D错误。
【拓展例题】考查内容:涡流现象在日常生活中的应用【典例】如图为电磁灶,是采用磁场感应涡流原理,它利用高频的交流电通过环形线圈,从而产生无数封闭磁感线,当磁感线通过导磁(如:铁质锅)的底部,而底部可看作由无数个导体圆环构成,当穿过圆环的磁通量发生变化时,圆环上就产生感应电流,即小涡流(一种交变电流,家用电磁炉使用的是15～30 kHz的高频电流)。它和普通电流一样要放出焦耳热,会使锅体本身自行高速发热,然后再加热锅内食物。
(1)为什么锅体必须是导磁性材料?(2)如图所示为电磁灶的结构示意图。电磁灶是根据涡流原理给锅加热的,调查研究电磁灶与一般烹饪灶具比较具有哪些优点?(写出两条即可)
【解析】(1)由于非导磁性材料不能有效汇聚磁感线,几乎不能形成涡流,所以基本上不加热;另外,导电能力特别差的磁性材料由于其电阻率太高,产生的涡流电流也很小,也不能很好地产生热量。所以,电磁灶使用的锅体材料导电性能相对较好,一般采用铁磁性材料的金属或者合金以及它们的复合体,一般采用的锅有:铸造铁锅、生铁锅、不锈铁锅。纯不锈铁锅材料由于其导磁性能非常低,所以在电磁灶上并不能正常工作。
(2)①热效率高。由于电磁灶是通过涡流而使磁性锅体发热的,它不存在热量再传导或辐射的过程,也就减少了传导和辐射过程中的热量损耗,热效率较高。一般电炉的热效率为50%,煤气灶的热效率为40%,而电磁灶的热效率可达80%。②控温准确。电磁灶能方便而准确地根据用户的要求控制发热功率及烹调温度,热惯性小,断电即断磁,也就不再发热,而且使锅内温度分布均匀,烹调效果好。
③安全可靠。由于电磁灶使用时不产生明火,再加上灶台本身不发热,并且又附有多种自动保护功能,因此使用时,不会发生烫伤事故,也不会引起火灾、爆炸、中毒等事故。④清洁卫生。由于电磁灶无明火,无烟,不会产生有害气体污染空气,还能保持锅体和灶台清洁,由于灶台面板为结晶陶瓷玻璃制成,即使食物溢出也不会焦糊,如有污物很容易擦净。⑤使用方便。电磁灶体积小,重量轻,操作简单,一目了然,可随意搬动,便于携带,可以作为外出旅游之用,也可以放在餐桌上使用。答案:见解析
1.如图所示是一种焊接方法的原理示意图。将圆形待焊接金属工件放在线圈中,然后在线圈中通以某种电流,待焊接工件中会产生感应电流,感应电流在焊缝处产生大量的热量将焊缝两边的金属熔化,待焊接工件就焊接在一起了。我国生产的自行车车轮圈就是用这种办法焊接的。下列说法中正确的是( )A.这种焊接方法的原理是电流的磁效应B.线圈中通入的交流电频率越高,焊缝处温度升高得越快C.线圈中的电流是很强的恒定电流D.待焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向总是相反
【解析】选B。这种焊接方法的原理是交流电产生的涡流,待焊接工件焊缝处的接触电阻比非焊接部分电阻大,产生的热量多,故A错误;线圈中的电流是交变电流,且频率很高,磁通量变化快,产生的感应电动势较大,焊缝处温度升高得越快,故B正确;待焊接工件中的电流是很强的交流电,故C错误;若磁通量减少时,焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向相同,故D错误。
2.如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动,当从上往下看磁铁做逆时针转动后,则( )A.线圈将逆时针方向转动,转速与磁铁相同B.线圈将逆时针方向转动,转速比磁铁小C.线圈将逆时针方向转动,转速比磁铁大D.线圈仍将静止【解析】选B。当转动磁铁时,导致线圈的磁通量发生变化,从而产生感应电流,产生安培力,导致线圈与磁铁转动方向相同,线圈的转速一定比磁铁转速小,B正确、A、C、D错误。
3.如图是机场的安检人员用手持金属探测器检查乘客的情景,探测线圈内通有交变电流,能产生迅速变化的磁场,当探测线圈靠近金属物体时,这个磁场能在金属物体内部产生涡电流,涡电流又会产生磁场,倒过来影响原来的磁场,如果能检测出这种变化,就可以判定探测线圈下面有金属物体了。以下用电器与金属探测器工作原理相似——利用涡流的是( )
【解析】选C。当探测器中通以交变电流的线圈靠近金属物时,线圈在空间产生交变的磁场,金属物品横截面的磁通量发生变化,会产生感应电流,故探测器采用了电磁感应原理中的涡流的原理;变压器采用了电磁互感原理,要防止涡流,故A错误;日光灯的镇流器采用的是线圈的自感现象,与涡流无关,故B错误;电磁炉中,将炉子中的线圈通以交变电流,线圈将产生变化的磁场,该磁场穿过铁质锅时,在锅底的部分将产生涡流,所以电磁炉的原理与金属探测器工作原理相似,故C正确;直流电动机是通电导体在磁场中受力,与涡流无关,故D错误。
4.电磁炉(图甲)的使用让生活便利,环保低碳,它是利用电磁感应原理将电能转换为热能的。某位同学设计了一个小实验模拟电磁炉的工作原理,如图乙,在插入铁芯的线圈上端放置一盛有冷水的铁质杯,现接通电源,过了几分钟,杯内的水沸腾起来。关于该实验,下列说法正确的是( )
A.该同学使用的电源既可以是交流电源,也可以是直流电源B.高频电磁炉有加热线圈,通过热传导将热能传导给锅体及锅内食物C.提高交流电源的频率,同一杯水重复实验,水加热到沸腾时间缩短D.将铁质杯换成电阻率更小的铝质或铜质杯,同一杯水重复实验,水加热到沸腾时间缩短
【解析】选C。由于采用的是电磁感应原理,要使线圈中产生感应电流,需要变化的磁场,所以只能采用交流电源,故A错误;本实验采用的是电磁感应原理,即线圈中产生的磁场在锅体中产生涡流而产生热量,不是利用热传导原理加热食物的,故B错误;根据电磁感应规律可知,提高交流电源的频率,同一杯水重复实验,水加热到沸腾时间缩短,故C正确;由于采用电磁感应原理,铁质材料可以磁化,故可以加强电磁感应现象,所以采用铁质锅体比铝质或铜质杯效果更好,故D错误。
5.(多选)涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示,线圈中通以一定频率的正弦交流电,靠近待测工件时,工件内会产生涡流,同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法中正确的是( )A.涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化B.涡流的频率等于通入线圈的交流电频率C.通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力D.待测工件可以是塑料或橡胶制品
【解析】选A、B、C。根据楞次定律得知:感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化,故涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化,故A项正确;感应电流的频率与原电流的频率是相同的,涡流的频率等于通入线圈的交流电频率,故B项正确;因为线圈交流电是周期变化的,故在工件中引起的交流电也是周期性变化的,可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力,故C项正确;电磁感应只能发生在金属物体上,故待测工件只能是金属制品,故D项错误。
【新思维·新考向】情境:电磁炉原理是这样的:炉内有一金属线圈,当电流通过线圈时产生磁场,该磁场又会引起电磁炉上面的铁质锅底内产生感应电流(即涡流),涡流使锅体铁分子高速无规则热运动,分子碰撞摩擦而产生热能,从而使锅体与食物温度迅速升高。故电磁炉煮食的热源来自于锅具本身而不是电磁炉本身发热传导给锅具,它是区别于靠热传导或微波来加热食物的新厨具。
问题:基于以上信息(1)完成表格:(2)假如想在网上查阅相关资料,写出一个你最关心的电磁炉问题:_______________________________________________________________________。
【解析】(1)微波炉是利用微波使食物产生振荡发热而完成加热过程的,故发热部位为含水食物;电磁炉是利用锅体发生电磁感应现象而发热的,故锅体必须用金属材料制成;完成表格如下:
一、涡流真空冶炼炉的工作原理是什么?金属探测器为什么能探测金属物?
1.产生:在变化的磁场中的导体内产生的_________,就像水中的漩涡。所以把它叫作涡电流,简称涡流。2.特点:若金属的电阻率小,涡流往往很强,产生的_____很多。3.应用:(1)涡流_______的应用:如真空冶炼炉。(2)涡流_______的应用:如探雷器、安检门。
4.防止:电动机、变压器等设备中为防止铁芯中_________而导致浪费能量,损坏电器。(1)途径一:增大铁芯材料的_______。(2)途径二:用相互绝缘的_______叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。
二、电磁阻尼和电磁驱动1.电磁阻尼:(1)产生:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是_____导体的运动的现象。(2)应用:电学仪表中利用_________使指针很快地停下来,便于读数。2.电磁驱动:(1)产生:如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生感应电流,感应电流使导体受到安培力的作用,_______使导体运动起来。(2)应用: 交流感应电动机。
一 对涡流的理解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)金属块放在变化的磁场中,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,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。
【思考·讨论】线圈中的电流变化时,导体中为什么会产生感应电流?(物理观念)提示:电磁感应。
【典例示范】电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟无废气,“火力”强劲,安全可靠,如图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.在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用C.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要原因是这些材料的导热性能较差D.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
【解析】选D。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,D正确;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B错误;金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅,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。
【素养训练】1.如图所示,在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,现接通交流电源,过了几分钟,杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间,下列措施可行的有( )A.减少线圈的匝数 B.提高交流电源的频率C.将金属杯换为瓷杯D.取走线圈中的铁芯
【解析】选B。由题意可知,本题中是涡流现象的应用,即采用线圈产生的磁场使金属杯产生感应电流从而进行加热的,则由法拉第电磁感应定律可知,增加线圈的匝数、提高交流电的频率均可以提高发热功率,则可以缩短加热时间,故A错误,B正确;将杯子换为瓷杯不会产生涡流,则无法加热水,故C错误;取走铁芯磁场减弱,则加热时间变长,故D错误。
2.通电线圈绕在四种不同的材料上,材料中能产生涡流的是( )【解析】选B。要想产生涡流,应该是在金属块外通以交流电流,故只有B正确,A、C、D错误。
【补偿训练】1.(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成,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发热,而变压器的铁芯发热,是我们不希望出现的,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。
2.(多选)下列哪些措施是为了防止涡流的危害( )A.电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅B.磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架,把线圈绕在铝框上C.变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成D.变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层
【解析】选C、D。电磁炉是采用电磁感应原理,在金属锅上产生涡流,使锅体发热从而加热食物的,属于涡流的应用,故A不符合题意;磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架,起到电磁阻尼作用,是为了利用电磁感应,故B不符合题意;变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止,故C正确;变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止,故D正确;故选C、D。
二 电磁阻尼和电磁驱动的比较
【思考·讨论】灵敏电流表运输中,为什么常用导体把两个接线柱连在一起?(科学思维)提示:连接接线柱后,晃动表,由于电磁阻尼,表针晃动幅度会变小,并能较快停下,起到保护表针的作用。
【典例示范】空间有竖直边界为AB、CD且垂直纸面向里的有界匀强磁场区域。一闭合金属圆环用绝缘细线挂于O点,将圆环拉至如图所示位置静止释放,圆环在摆动过程中环面始终与磁场垂直,若不计空气阻力,则下列说法中正确的是( )A.圆环完全进入磁场后离最低点越近,感应电流越大B.圆环在进入和穿出磁场时,圆环中均有感应电流C.圆环向左穿过磁场后再返回,还能摆到原来的释放位置D.圆环最终将静止在最低点
【解析】选B。整个圆环进入磁场后,磁通量不发生变化,不产生感应电流,故A错误;只有当圆环进入或离开磁场区域时磁通量发生变化,会产生电流,故B正确;当圆环向左穿过磁场区域时磁通量发生变化,会产生电流,机械能向电能转化,所以机械能不守恒,当再返回,不能摆到原来的释放位置,故C错误;在圆环不断经过磁场,机械能不断损耗过程中圆环越摆越低,最后整个圆环只会在磁场区域来回摆动,因为在此区域内没有磁通量的变化(一直是最大值),所以机械能守恒,即圆环最后的运动状态为在磁场区域来回摆动,而不是静止在平衡位置,故D错误。
【素养训练】1.如图甲所示,把一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极间,蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO′轴转动,不计摩擦;如图乙所示,闭合金属环从曲面上h高处滚下,又沿曲面的另一侧上升,设环的初速度为零,不计摩擦,整个曲面处在垂直纸面的磁场中(图中未画出),下列说法正确的是( )
A.当逆时针转动蹄形磁铁时,磁铁的磁极未知,故线圈转动方向未知B.当蹄形磁铁不动时,转动闭合线圈,由于不计摩擦,线圈将匀速转动C.若磁场为非匀强磁场,因圆环面积不变,可知圆环磁通量不变,故圆环机械能守恒,滚上的高度仍为hD.若磁场为非匀强磁场,圆环滚下过程中,圆环内有感应电流
【解析】选D。当逆时针转动蹄形磁铁时,根据楞次定律可知,为阻碍磁通量变化,则导致线圈与磁铁转动方向相同,但快慢不一,故A错误;当蹄形磁铁不动时,转动闭合线圈,切割磁感线,产生感应电流,根据楞次定律可知,安培力阻碍线圈的转动,则线圈做减速转动,故B错误;若是非匀强磁场,闭合圆环滚动过程中,磁通量变化,由于电磁感应产生感应电流,机械能减小转化为内能,高度减小,故C错误,D正确。
2.如图所示,上下开口、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Q和P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
【解析】选C。当小磁块在光滑的铜管P下落时,由于穿过铜管的磁通量变化,导致铜管产生感应电流,从而产生安培阻力,所以P中小磁块做的运动不是自由落体运动;而对于塑料管内小磁块没有任何阻力,在做自由落体运动,故A错误;由A选项分析可知,在铜管的小磁块机械能不守恒,而在塑料管的小磁块机械能守恒,故B错误;在铜管中小磁块受到安培阻力,则在P中的下落时间比在Q中的长,故C正确;根据动能定理可知,因安培阻力,导致产生热能,则至底部时在P中的速度比在Q中的小,故D错误。
【补偿训练】磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置,工作效应比靠摩擦力刹车更稳定,如图为该新型装置的原理图(从后面朝前看):过山车的两侧装有铜片,停车区的轨道两侧装有强力磁铁,当过山车进入停车区时铜片与磁铁的相互作用能使过山车很快停下来,关于该装置的下列说法正确的是( )A.刹车原理是利用了电流的磁效应B.过山车从进入停车区到停止的过程,动能转化成电能C.过山车进入停车区的速度越大,刹车的阻力越大D.若将铜片换成有机玻璃片,也能达到相同的刹车效果
【解析】选C。当过山车进入停车区时,会导致铜片的磁通量发生变化,产生感应电流,从而铜片出现感应磁场,与强力磁铁产生相互作用,利用了电磁感应的原理。刹车过程中过山车运动减慢,过山车减少的动能,先转化为电能,最终会转化为内能,故A、B错误;过山车的速度越大,磁通量变化越快,产生的感应电流越大,从而导致感应磁场越大,与强力磁铁的作用力越大,故刹车的阻力越大,故C正确;把铜片换成有机玻璃片,而有机玻璃不导电,因此不形成感应磁场,从而不会对强力磁铁有阻碍作用,所以不能达到相同的刹车效果,故D错误。
【拓展例题】考查内容:涡流现象在日常生活中的应用【典例】如图为电磁灶,是采用磁场感应涡流原理,它利用高频的交流电通过环形线圈,从而产生无数封闭磁感线,当磁感线通过导磁(如:铁质锅)的底部,而底部可看作由无数个导体圆环构成,当穿过圆环的磁通量发生变化时,圆环上就产生感应电流,即小涡流(一种交变电流,家用电磁炉使用的是15～30 kHz的高频电流)。它和普通电流一样要放出焦耳热,会使锅体本身自行高速发热,然后再加热锅内食物。
(1)为什么锅体必须是导磁性材料?(2)如图所示为电磁灶的结构示意图。电磁灶是根据涡流原理给锅加热的,调查研究电磁灶与一般烹饪灶具比较具有哪些优点?(写出两条即可)
【解析】(1)由于非导磁性材料不能有效汇聚磁感线,几乎不能形成涡流,所以基本上不加热;另外,导电能力特别差的磁性材料由于其电阻率太高,产生的涡流电流也很小,也不能很好地产生热量。所以,电磁灶使用的锅体材料导电性能相对较好,一般采用铁磁性材料的金属或者合金以及它们的复合体,一般采用的锅有:铸造铁锅、生铁锅、不锈铁锅。纯不锈铁锅材料由于其导磁性能非常低,所以在电磁灶上并不能正常工作。
(2)①热效率高。由于电磁灶是通过涡流而使磁性锅体发热的,它不存在热量再传导或辐射的过程,也就减少了传导和辐射过程中的热量损耗,热效率较高。一般电炉的热效率为50%,煤气灶的热效率为40%,而电磁灶的热效率可达80%。②控温准确。电磁灶能方便而准确地根据用户的要求控制发热功率及烹调温度,热惯性小,断电即断磁,也就不再发热,而且使锅内温度分布均匀,烹调效果好。
③安全可靠。由于电磁灶使用时不产生明火,再加上灶台本身不发热,并且又附有多种自动保护功能,因此使用时,不会发生烫伤事故,也不会引起火灾、爆炸、中毒等事故。④清洁卫生。由于电磁灶无明火,无烟,不会产生有害气体污染空气,还能保持锅体和灶台清洁,由于灶台面板为结晶陶瓷玻璃制成,即使食物溢出也不会焦糊,如有污物很容易擦净。⑤使用方便。电磁灶体积小,重量轻,操作简单,一目了然,可随意搬动,便于携带,可以作为外出旅游之用,也可以放在餐桌上使用。答案:见解析
1.如图所示是一种焊接方法的原理示意图。将圆形待焊接金属工件放在线圈中,然后在线圈中通以某种电流,待焊接工件中会产生感应电流,感应电流在焊缝处产生大量的热量将焊缝两边的金属熔化,待焊接工件就焊接在一起了。我国生产的自行车车轮圈就是用这种办法焊接的。下列说法中正确的是( )A.这种焊接方法的原理是电流的磁效应B.线圈中通入的交流电频率越高,焊缝处温度升高得越快C.线圈中的电流是很强的恒定电流D.待焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向总是相反
【解析】选B。这种焊接方法的原理是交流电产生的涡流,待焊接工件焊缝处的接触电阻比非焊接部分电阻大,产生的热量多,故A错误;线圈中的电流是交变电流,且频率很高,磁通量变化快,产生的感应电动势较大,焊缝处温度升高得越快,故B正确;待焊接工件中的电流是很强的交流电,故C错误;若磁通量减少时,焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向相同,故D错误。
2.如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动,当从上往下看磁铁做逆时针转动后,则( )A.线圈将逆时针方向转动,转速与磁铁相同B.线圈将逆时针方向转动,转速比磁铁小C.线圈将逆时针方向转动,转速比磁铁大D.线圈仍将静止【解析】选B。当转动磁铁时,导致线圈的磁通量发生变化,从而产生感应电流,产生安培力,导致线圈与磁铁转动方向相同,线圈的转速一定比磁铁转速小,B正确、A、C、D错误。
3.如图是机场的安检人员用手持金属探测器检查乘客的情景,探测线圈内通有交变电流,能产生迅速变化的磁场,当探测线圈靠近金属物体时,这个磁场能在金属物体内部产生涡电流,涡电流又会产生磁场,倒过来影响原来的磁场,如果能检测出这种变化,就可以判定探测线圈下面有金属物体了。以下用电器与金属探测器工作原理相似——利用涡流的是( )
【解析】选C。当探测器中通以交变电流的线圈靠近金属物时,线圈在空间产生交变的磁场,金属物品横截面的磁通量发生变化,会产生感应电流,故探测器采用了电磁感应原理中的涡流的原理;变压器采用了电磁互感原理,要防止涡流,故A错误;日光灯的镇流器采用的是线圈的自感现象,与涡流无关,故B错误;电磁炉中,将炉子中的线圈通以交变电流,线圈将产生变化的磁场,该磁场穿过铁质锅时,在锅底的部分将产生涡流,所以电磁炉的原理与金属探测器工作原理相似,故C正确;直流电动机是通电导体在磁场中受力,与涡流无关,故D错误。
4.电磁炉(图甲)的使用让生活便利,环保低碳,它是利用电磁感应原理将电能转换为热能的。某位同学设计了一个小实验模拟电磁炉的工作原理,如图乙,在插入铁芯的线圈上端放置一盛有冷水的铁质杯,现接通电源,过了几分钟,杯内的水沸腾起来。关于该实验,下列说法正确的是( )
A.该同学使用的电源既可以是交流电源,也可以是直流电源B.高频电磁炉有加热线圈,通过热传导将热能传导给锅体及锅内食物C.提高交流电源的频率,同一杯水重复实验,水加热到沸腾时间缩短D.将铁质杯换成电阻率更小的铝质或铜质杯,同一杯水重复实验,水加热到沸腾时间缩短
【解析】选C。由于采用的是电磁感应原理,要使线圈中产生感应电流,需要变化的磁场,所以只能采用交流电源,故A错误;本实验采用的是电磁感应原理,即线圈中产生的磁场在锅体中产生涡流而产生热量,不是利用热传导原理加热食物的,故B错误;根据电磁感应规律可知,提高交流电源的频率,同一杯水重复实验,水加热到沸腾时间缩短,故C正确;由于采用电磁感应原理,铁质材料可以磁化,故可以加强电磁感应现象,所以采用铁质锅体比铝质或铜质杯效果更好,故D错误。
5.(多选)涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示,线圈中通以一定频率的正弦交流电,靠近待测工件时,工件内会产生涡流,同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法中正确的是( )A.涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化B.涡流的频率等于通入线圈的交流电频率C.通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力D.待测工件可以是塑料或橡胶制品
【解析】选A、B、C。根据楞次定律得知:感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化,故涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化,故A项正确;感应电流的频率与原电流的频率是相同的,涡流的频率等于通入线圈的交流电频率,故B项正确;因为线圈交流电是周期变化的,故在工件中引起的交流电也是周期性变化的,可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力,故C项正确;电磁感应只能发生在金属物体上,故待测工件只能是金属制品,故D项错误。
【新思维·新考向】情境:电磁炉原理是这样的:炉内有一金属线圈,当电流通过线圈时产生磁场,该磁场又会引起电磁炉上面的铁质锅底内产生感应电流(即涡流),涡流使锅体铁分子高速无规则热运动,分子碰撞摩擦而产生热能,从而使锅体与食物温度迅速升高。故电磁炉煮食的热源来自于锅具本身而不是电磁炉本身发热传导给锅具,它是区别于靠热传导或微波来加热食物的新厨具。
问题:基于以上信息(1)完成表格:(2)假如想在网上查阅相关资料,写出一个你最关心的电磁炉问题:_______________________________________________________________________。
【解析】(1)微波炉是利用微波使食物产生振荡发热而完成加热过程的,故发热部位为含水食物;电磁炉是利用锅体发生电磁感应现象而发热的,故锅体必须用金属材料制成;完成表格如下:
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