(通用版)201X-201x版高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 1.6 涡流现象与电磁灶学案 沪

1.6 涡流现象与电磁灶

[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.

一、涡流

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.

图1

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？

(2)试着解释这种现象.

答案 (1)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)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.

[要点总结]

1.涡流：整块导体中的磁通量发生变化时，导体中产生的涡旋状的感应电流叫做涡电流，简称涡流.

2.磁场变化越快(ΔB Δt

越大)，导体的横截面积S 越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大.

3.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.

4.产生涡流时的能量转化

(1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能.

(2)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.

例1(多选)如图2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会产生感应电流，感应电流通过焊缝产生很多热量，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2

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

解析电流变化的频率越高，则产生的感应电流越大，升温越快，故A项对，B项错；工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故C项错，D项对.

例2(多选)如图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( )

图3

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

答案BD

解析若磁场为匀强磁场，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C 错误，D正确.

二、无火之灶——电磁灶

如图4所示是某电磁灶的工作原理图，下面是某一品牌电磁灶的说明书上的部分内容：“电磁灶是采用磁场感应涡流加热原理，它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.电磁灶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.”回答下列问题：(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)电磁灶的表面(陶瓷)在电磁灶工作时会不会发热？

图4

答案(1)涡流产生在铁质锅底部.(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，由于电磁灶表面是陶瓷做成，所以在电磁灶工作时不会发热.

[要点总结]

电磁灶的原理：电磁灶的面板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，在面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.

例3(多选)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.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、电磁阻尼和电磁驱动

1.电磁阻尼

图5

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5所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象.

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6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.

根据以上现象，回答下列问题：

图6

(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.