2019-2020年高中物理第1章電磁感應第3節(jié)電磁感應定律的應用教學案魯科版選修3.doc

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2019-2020年高中物理第1章電磁感應第3節(jié)電磁感應定律的應用教學案魯科版選修3 　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、渦流及其應用 1．渦流 將整塊金屬放在變化的磁場中，穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化，金屬塊內部就會產生旋渦狀的感應電流，這種感應電流叫做渦電流，簡稱渦流。 2．渦流的應用——電磁爐 (1)工作原理：利用渦流原理制成的。 圖131 (2)優(yōu)點：熱效率高；無煙火，無毒氣、廢氣，被稱為“綠色爐具”；只對鐵質鍋具加熱，爐體本身不發(fā)熱。 3．渦流的危害及防止 (1)危害：變壓器、電動機、發(fā)電機的鐵芯會因渦流損失大量的電能并導致設備發(fā)熱。 (2)防止：為減小渦流，電動機、變壓器鐵芯是用外表涂有絕緣材料的薄硅鋼片疊成的，而不采用整塊硅鋼鐵芯，這樣可以使渦流大為減弱，渦流損失大大降低，從而降低能耗，提高了設備的工作效率。 二、磁卡和動圈式話筒 1．磁卡工作原理 磁卡信息的錄入是利用了電流的磁效應；信息的讀取與錄入過程相反，利用了電磁感應原理。 2．動圈式話筒 動圈式話筒是把聲音信號轉變?yōu)殡娦盘柕难b置，由膜片、線圈、永磁體等構成。其工作原理是利用了電磁感應現(xiàn)象。 1．自主思考——判一判 (1)渦流也是感應電流。(√) (2)金屬中的渦流會產生熱量，生活中的電磁爐是利用這一原理而工作的。(√) (3)磁卡讀取信息時，利用了電磁感應原理。(√) (4)錄音機在磁帶上錄制聲音時，利用了電磁感應原理。() (5)動圈式話筒工作時利用了電磁感應現(xiàn)象把聲音信號轉變?yōu)殡娦盘枴?√) 2．合作探究——議一議 (1)電磁爐使用時無煙火、無燃氣，爐體本身也不發(fā)熱，它是如何加熱鍋內食物的呢？ 提示：電磁爐是近幾年來逐步進入家庭的一種新型爐具，其工作原理與渦流有關。如圖甲所示，當50 Hz的交變電流流入電磁爐時，經過整流和變頻后，變成20～50 kHz的高頻交變電流進入爐內線圈，產生了變化很快的磁場，如圖乙所示，放在電磁爐上面的鐵質(或鋼質)鍋底內產生了感應電動勢，由E＝n，由于磁場變化快，則大，故感應電動勢E較大，而鐵質(鋼質)鍋底是整塊導體，電阻很小，所以在鍋底產生很強的渦電流，熱效應極大，短時間內鍋底迅速發(fā)熱，加熱鍋內的水或食物，如圖丙所示。 (2)在使用電磁爐時，所有的鍋具都能用嗎？ 提示：不能。因為電磁爐是以電磁感應產生渦電流，利用渦電流的熱效應產生熱量，所以不是所有的鍋具都能 用。適合放在電磁爐上烹飪的器具有不銹鋼鍋、不銹鋼壺、平底鐵鍋(鋼鍋)等；不適用的有陶瓷鍋、耐熱玻璃鍋等，因為陶瓷鍋和玻璃鍋是由絕緣材料制成，不能產生渦流，無法加熱食物。 (3)動圈式話筒與電容式話筒的工作原理相同嗎？ 提示：動圈式話筒與電容式話筒的工作原理不同，電容式話筒的工作原理是隨著聲音信號的變化，電容器兩極板間的距離發(fā)生變化，從而改變電容器的電容，使電容器在不斷地充放電，形成充放電電流，而不是依據(jù)電磁感應現(xiàn)象制作的。 渦流的產生及能量變化 1．渦流產生的條件 渦流的本質是電磁感應現(xiàn)象，渦流的產生條件是穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化，并且金屬塊本身可自行構成閉合回路。同時因為整個導體回路的電阻一般很小，所以感應電流很大，就像水中的旋渦。 2．渦流的大小 (1)渦流的大小與電流變化頻率有關，電流變化越快，產生的感應電動勢E越大。 (2)與被感應的金屬導體的電阻有關，電阻越小，金屬導體產生的渦流越強。 (3)為盡可能減小渦流損失，可采用大電阻率的硅鋼片制作鐵芯。 3．可以產生渦流的兩種情況 把塊狀金屬放在變化的磁場中。 讓塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動。 4．能量轉化 伴隨著渦流現(xiàn)象，其他形式的能轉化成電能最終在金屬塊中轉化為內能。如果金屬塊放在了變化的磁場中，則磁場能轉化為電能最終轉化為內能；如果是金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉化為電能，最終轉化為內能。 [典例]　光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖132所示，拋物線下半部分處在一個水平方向的勻強磁場中，磁場的上邊界是y＝a的直線(圖中虛線所示)，一個金屬塊從拋物線上y＝b(b>a)處以速度v沿拋物線下滑，假設拋物線足夠長，金屬塊沿拋物線下滑后產生的焦耳熱總量是(　　) 圖132 A．mgb　　　　　　　 B.mv2＋mgb C．mg(b－a) D.mv2＋mg(b－a) [思路點撥] (1)金屬塊在反復進出磁場時會產生感應電流。 (2)金屬塊最終將在虛線以下的光滑曲面上做往復運動，而不是停在O點。 [解析]　金屬塊在進出磁場過程中要產生感應電流，感應電流產生焦耳熱，機械能要減少，上升的最大高度不斷降低，最后剛好滑不出磁場后，就做往復運動，永不停止。根據(jù)能量轉化與守恒定律，整個過程中產生的焦耳熱應等于機械能的損失，即Q＝ΔE＝mv2＋mg(b－a)，故D正確。 [答案]　D 處理有關渦流問題有兩種方法：一是利用楞次定律、法拉第電磁感應定律等知識來判斷渦流的作用；二是從能量轉化和守恒的角度判斷渦流現(xiàn)象中的能量轉化問題?！　　　? 1.如圖133所示，在一個繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上分別放一小鐵鍋水和一玻璃杯水。給線圈通入電流，一段時間后，一個容器中水溫升高，則通入的電流與水溫升高的是(　　) 圖133 A．恒定直流、小鐵鍋 B．恒定直流、玻璃杯 C．變化的電流、小鐵鍋 D．變化的電流、玻璃杯 解析：選C　通入恒定直流時，所產生的磁場不變，不會產生感應電流，通入變化的電流，所產生的磁場發(fā)生變化，在導體內產生渦流，電能轉化為內能，使水溫升高；渦流是由變化的磁場在導體內產生的，所以玻璃杯中的水不會升溫。 2．目前金屬探測器已經廣泛應用于各種安檢、高考及一些重要場所，關于金屬探測器的下列有關論述中正確的是(　　) A．金屬探測器可用于月餅生產中，用來防止細小的金屬顆?；烊朐嘛炏葜? B．金屬探測器能幫助醫(yī)生探測兒童吞食或扎到手、腳中的金屬物，是因為探測器的線圈中能產生渦流 C．使用金屬探測器時，應該讓探測器靜止不動，探測效果會更好 D．能利用金屬探測器檢測考生是否攜帶手機等違禁物品，是因為探測器的線圈中通有直流電 解析：選A　金屬探測器的探測線圈中，通有交變電流，會在被探測的金屬中激起渦流，渦流又會產生磁場，反過來影響原來的磁場，引發(fā)探測器發(fā)出鳴聲。當探測器相對于被測金屬發(fā)生移動時，探測器的線圈中的交流電產生的磁場相對變化較快，在金屬中產生的渦流會更強，檢測效果更好，故A正確。 3.如圖134所示，上下開口、內壁光滑的銅管P和塑料管Q豎直放置，小磁塊先后在兩管中從相同高度處由靜止釋放，并落至底部，則小磁塊(　　) 圖134 A．在P和Q中都做自由落體運動 B．在兩個下落過程中的機械能都守恒 C．在P中的下落時間比在Q中的長 D．落至底部時在P中的速度比在Q中的大 解析：選C　小磁塊在銅管中下落時，由于電磁阻尼作用，不做自由落體運動，機械能不守恒，而在塑料管中不受阻力作用而做自由落體運動，機械能守恒，因此在P中下落得慢，用時長，到達底端速度小，C項正確，A、B、D錯誤。 磁卡和動圈式話筒的工作原理 1．磁卡的工作原理 (1)磁卡的錄入： →→→ 電流磁效應―→磁現(xiàn)象 (2)磁卡的讀取： →→→ 磁現(xiàn)象―→電磁感應 2．動圈式話筒的工作原理 (1)構造。 圖135 (2)原理：話筒是把聲音轉變?yōu)殡娦盘柕难b置。如圖135是動圈式話筒構造原理圖，它是利用電磁感應現(xiàn)象工作的，當聲波使金屬膜片振動時，連接在膜片上的線圈(音圈)隨著一起振動，音圈在永久磁鐵的磁場里振動，從而產生感應電流(電信號)，感應電流的大小和方向都變化，這個信號電流經擴音器放大后傳給揚聲器，揚聲器中就發(fā)出了放大的聲音。 1．如圖136所示，磁帶錄音機既可用做錄音，也可用做放音，其主要部件為可勻速行進的磁帶a和繞有線圈的磁頭b，不論是錄音還是放音過程，磁帶或磁隙軟鐵都會存 圖136 在磁化現(xiàn)象，下面對于它們在錄音、放音過程中的主要工作原理的說法，正確的是(　　) A．錄音的主要原理是電流的磁效應，放音的主要原理是電磁感應 B．錄音的主要原理是電磁感應，放音的主要原理是電流的磁效應 C．錄音和放音的主要原理都是磁場對電流的作用 D．錄音和放音的主要原理都是電磁感應 解析：選A　根據(jù)磁帶錄音機錄音、放音的工作原理可知選項A正確。 2．唱卡拉OK用的話筒，內有傳感器，其中有一種是動圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面黏接一個輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，當聲波使膜片前后振動時，就將聲音信號轉變?yōu)殡娦盘?。下列各說法中正確的是(　　) A．該傳感器是根據(jù)電流的磁效應工作的 B．該傳感器是根據(jù)電磁感應原理工作的 C．膜片振動時，穿過線圈的磁通量不變 D．膜片振動時，金屬線圈中不會產生感應電動勢 解析：選B　動圈式話筒是利用電磁感應制成的。當聲波使金屬膜片振動時，黏接在膜片上的金屬線圈隨著一起振動，線圈在永磁體的磁場里振動，線圈中的磁通量發(fā)生變化，進而產生感應電動勢和感應電流，將聲音信號轉變?yōu)殡娦盘枴? 1．下列關于渦流的說法中正確的是(　　) A．渦流跟平時常見的感應電流一樣，都是因為穿過導體的磁通量變化而產生的 B．渦流不是感應電流，而是一種有別于感應電流的特殊電流 C．渦流有熱效應，但沒有磁效應 D．在硅鋼中不能產生渦流 解析：選A　渦流屬電磁感應現(xiàn)象，故A項正確，B項錯誤。渦流具有電流的熱效應和磁效應，故C項錯。硅鋼只是電阻率大，渦流小，故D項錯。 2．下列哪些儀器不是利用渦流工作的(　　) A．電磁爐　　　　　　　 　B．微波爐 C．金屬探測器 D．真空冶煉爐 解析：選B　電磁爐、金屬探測器、真空冶煉爐都是利用渦流工作的，微波爐是利用微波能量易被水吸收的原理達到加熱食物的目的，不是利用渦流工作的，故選B。 3．變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成的，而不是采用一整塊硅鋼，這是因為(　　) A．增大渦流，提高變壓器的效率 B．減小渦流，提高變壓器的效率 C．增大鐵芯中的電阻，以產生更多的熱量 D．減小鐵芯中的電阻，以減小發(fā)熱量 解析：選B　不使用整塊硅鋼而是采用很薄的硅鋼片，這樣做的目的是增大鐵芯中的電阻，阻斷渦流回路，來減少電能轉化成鐵芯的內能，提高效率，所以B正確。 4．(多選)磁電式儀表的線圈通常用鋁框作骨架，把線圈繞在鋁框上，這樣做的目的是(　　) A．防止渦流而設計的 B．利用渦流而設計的 C．起電磁阻尼的作用 D．起電磁驅動的作用 解析：選BC　線圈通電后，在安培力作用下發(fā)生轉動，鋁框隨之轉動，并切割磁感線產生感應電流，就是渦流。渦流阻礙線圈的轉動，使線圈偏轉后盡快停下來，所以，這樣做的目的是利用渦流來起電磁阻尼的作用，故B、C均正確。 5．動圈式話筒和磁帶錄音機都應用了電磁感應現(xiàn)象。如圖1所示，圖甲是動圈式話筒的原理圖，圖乙是錄音機的錄、放音原理圖。由圖可知以下說法錯誤的是(　　) 圖1 A．話筒工作時，磁鐵不動，音圈隨膜片振動而產生感應電流 B．錄音機放音時，變化的磁場在靜止的線圈內激發(fā)起感應電流 C．錄音機放音時，線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產生變化的磁場 D．錄音機錄音時，線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產生變化的磁場 解析：選C　由動圈式話筒原理圖可知，話筒工作時將聲音信號轉變?yōu)殡娦盘?，A正確；錄音機放音時，將磁信號轉變?yōu)殡娦盘枺浺魰r，將電信號轉變?yōu)榇判盘柤右员４妫珺、D均正確，C錯誤。 6．(多選)如圖2所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現(xiàn)接通交流電源，過了幾分鐘，杯內的水沸騰起來。若要縮短上述加熱時間，下列措施可行的有(　　) 圖2 A．增加線圈的匝數(shù) B．提高交流電源的頻率 C．將金屬杯換為瓷杯 D．取走線圈中的鐵芯 解析：選AB　當線圈上通交流電時，金屬杯由于發(fā)生電磁感應現(xiàn)象，杯中有感應電流，對水加熱，若要增大感應電流，則需要增大感應電動勢或者減小杯體的電阻。增加線圈的 匝數(shù)，使得穿過金屬杯的磁場增強，感應電動勢增大，選項A正確；提高交流電的頻率， 使得磁通量的變化率增大，感應電動勢增大，選項B正確；若將金屬杯換為瓷杯，則不會 產生感應電流，選項C錯誤；取走線圈中的鐵芯，磁場會大大減弱，感應電動勢減小，選項D錯誤。 7.在水平放置的光滑導軌上，沿導軌固定一個條形磁鐵，如圖3所示，現(xiàn)有銅、鋁和有機玻璃制成的滑塊甲、乙、丙，使它們從導軌上的A點以某一初速度向磁鐵滑去。各滑塊在未接觸磁鐵前的運動情況是(　　) 圖3 A．都做勻速運動 B．甲、乙做加速運動 C．甲、乙做減速運動 D．乙、丙做勻速運動 解析：選C　銅塊、鋁塊向磁鐵靠近時，穿過它們的磁通量發(fā)生變化，因此在其內部產生渦流，反過來渦流產生的感應磁場對原磁場的變化起阻礙作用，所以銅塊和鋁塊向磁鐵運動時會受到阻礙而減速，有機玻璃為非金屬，不產生渦流現(xiàn)象。故C正確。 8.如圖4所示，使一個水平放置的銅盤繞其豎直的軸OO′轉動，且假設摩擦等阻力不計，轉動是勻速的?，F(xiàn)把一個蹄形磁鐵移近銅盤，則(　　) 圖4 A．銅盤轉動將變慢 B．銅盤轉動將變快 C．銅盤仍以原來的轉速轉動 D．銅盤的轉動速度是否變化，要根據(jù)磁鐵的上下兩端的極性來決定 解析：選A　當一個蹄形磁鐵移近銅盤時，銅盤轉動切割磁感線，產生感應電流，由楞次定律可知感應電流受的安培力阻礙其相對運動，所以銅盤的轉動將變慢，本題也可以從能量守恒的角度去分析，因為銅盤轉動切割磁感線，產生感應電流，銅盤的機械能不斷轉化成電能，銅盤轉動會逐漸變慢，故正確選項為A。 9．磁卡的磁條中有用于存儲信息的磁極方向不同的磁化區(qū)，刷卡器中有檢測線圈(如圖5甲所示)。當以速度v0刷卡時，在線圈中產生感應電動勢，其Et關系如圖乙所示。如果只將刷卡速度改為，線圈中的Et關系圖可能是選項中的(　　) 圖5 解析：選D　若將刷卡速度改為，線圈切割磁感線運動時產生的感應電動勢大小將會減半，周期將會加倍，故D正確。 10．(多選)如圖6所示，在O點正下方有一個具有理想邊界的磁場，銅環(huán)在A點由靜止釋放，向右擺至最高點B，不考慮空氣阻力，則下列說法正確的是(　　) 圖6 A．A與B兩點位于同一水平線 B．A點高于B點 C．A點低于B點 D．銅環(huán)在開始一段時間內將做幅度越來越小的擺動 解析：選BD　由于銅環(huán)進入和穿出磁場的過程中，產生渦流，這樣就產生了電能，消耗了機械能。則A點高于B點，故B、D正確。 11.如圖7所示的動圈式話筒的音圈半徑為r，磁鐵產生的徑向磁場的磁感應強度為B，音圈匝數(shù)為n，音圈導線的橫截面積為S，電阻率為ρ，如果音圈在某一時刻振動的速率為v，求此時在線圈中產生的感應電流的大小。 圖7 解析：由法拉第電磁感應定律知，音圈中產生的感應電動勢為E＝nBLv＝nB2πrv＝2nπBrv 由電阻定律得音圈的電阻為R＝ρ＝ρ 由歐姆定律得音圈中的感應電流為I＝＝。 答案： 12．如圖8所示，在光滑的水平面上有一半徑r＝10 cm、電阻R＝1 Ω、質量m＝1 kg的金屬環(huán)，以速度v＝10 m/s向一有界磁場滑去，勻強磁場方向垂直于紙面向里，B＝0.5 T，從環(huán)剛進入磁場算起，到剛好有一半進入磁場時，圓環(huán)釋放了32 J的熱量，求： 圖8 (1)此時圓環(huán)中電流的瞬時功率； (2)此時圓環(huán)運動的加速度。 解析：(1)由能量守恒定律Q＝mv2－mvt 2 此時圓環(huán)中感應電動勢E＝B2rvt 此時圓環(huán)中電流I＝ 此時圓環(huán)中電流的瞬時功率P＝I2R 聯(lián)立四式得P＝0.36 W。 (2)由牛頓第二定律F＝ma，又F＝BI2r 故a＝＝＝0.06 m/s2。 答案：(1)0.36 W　(2)0.06 m/s2