2019-2020年高中物理第1章電磁感應(yīng)第3節(jié)電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用教學(xué)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(yīng)第3節(jié)電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用教學(xué)案魯科版選修3 　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、渦流及其應(yīng)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(nèi)部就會產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流叫做渦電流，簡稱渦流。 2．渦流的應(yīng)用——電磁爐 (1)工作原理：利用渦流原理制成的。 圖131 (2)優(yōu)點(diǎn)：熱效率高；無煙火，無毒氣、廢氣，被稱為“綠色爐具”；只對鐵質(zhì)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(jī)、發(fā)電機(jī)的鐵芯會因渦流損失大量的電能并導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱。 (2)防止：為減小渦流，電動機(jī)、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(shè)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(yīng)；信息的讀取與錄入過程相反，利用了電磁感應(yīng)原理。 2．動圈式話筒 動圈式話筒是把聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置，由膜片、線圈、永磁體等構(gòu)成。其工作原理是利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 1．自主思考——判一判 (1)渦流也是感應(yīng)電流。(√) (2)金屬中的渦流會產(chǎn)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(shí)，利用了電磁感應(yīng)原理。(√) (4)錄音機(jī)在磁帶上錄制聲音時(shí)，利用了電磁感應(yīng)原理。() (5)動圈式話筒工作時(shí)利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象把聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?√) 2．合作探究——議一議 (1)電磁爐使用時(shí)無煙火、無燃?xì)?，爐體本身也不發(fā)熱，它是如何加熱鍋內(nèi)食物的呢？ 提示：電磁爐是近幾年來逐步進(jìn)入家庭的一種新型爐具，其工作原理與渦流有關(guān)。如圖甲所示，當(dāng)50 Hz的交變電流流入電磁爐時(shí)，經(jīng)過整流和變頻后，變成20～50 kHz的高頻交變電流進(jìn)入爐內(nèi)線圈，產(chǎn)生了變化很快的磁場，如圖乙所示，放在電磁爐上面的鐵質(zhì)(或鋼質(zhì))鍋底內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，由E＝n，由于磁場變化快，則大，故感應(yīng)電動勢E較大，而鐵質(zhì)(鋼質(zhì))鍋底是整塊導(dǎo)體，電阻很小，所以在鍋底產(chǎn)生很強(qiáng)的渦電流，熱效應(yīng)極大，短時(shí)間內(nèi)鍋底迅速發(fā)熱，加熱鍋內(nèi)的水或食物，如圖丙所示。 (2)在使用電磁爐時(shí)，所有的鍋具都能用嗎？ 提示：不能。因?yàn)殡姶艩t是以電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦電流，利用渦電流的熱效應(yīng)產(chǎn)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?yàn)樘沾慑伜筒Ａу伿怯山^緣材料制成，不能產(chǎn)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(yīng)現(xiàn)象制作的。 渦流的產(chǎn)生及能量變化 1．渦流產(chǎn)生的條件 渦流的本質(zhì)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，渦流的產(chǎn)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(gòu)成閉合回路。同時(shí)因?yàn)檎麄€(gè)導(dǎo)體回路的電阻一般很小，所以感應(yīng)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(guān)，電流變化越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E越大。 (2)與被感應(yīng)的金屬導(dǎo)體的電阻有關(guān)，電阻越小，金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的渦流越強(qiáng)。 (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(chǎn)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(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動。 4．能量轉(zhuǎn)化 伴隨著渦流現(xiàn)象，其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。如果金屬塊放在了變化的磁場中，則磁場能轉(zhuǎn)化為電能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；如果是金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)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(gè)水平方向的勻強(qiáng)磁場中，磁場的上邊界是y＝a的直線(圖中虛線所示)，一個(gè)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(shè)拋物線足夠長，金屬塊沿拋物線下滑后產(chǎn)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(diǎn)撥] (1)金屬塊在反復(fù)進(jìn)出磁場時(shí)會產(chǎn)生感應(yīng)電流。 (2)金屬塊最終將在虛線以下的光滑曲面上做往復(fù)運(yùn)動，而不是停在O點(diǎn)。 [解析]　金屬塊在進(jìn)出磁場過程中要產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生焦耳熱，機(jī)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(fù)運(yùn)動，永不停止。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，整個(gè)過程中產(chǎn)生的焦耳熱應(yīng)等于機(jī)械能的損失，即Q＝ΔE＝mv2＋mg(b－a)，故D正確。 [答案]　D 處理有關(guān)渦流問題有兩種方法：一是利用楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等知識來判斷渦流的作用；二是從能量轉(zhuǎn)化和守恒的角度判斷渦流現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化問題?！　　　? 1.如圖133所示，在一個(gè)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(shí)間后，一個(gè)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(shí)，所產(chǎn)生的磁場不變，不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，通入變化的電流，所產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高；渦流是由變化的磁場在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的，所以玻璃杯中的水不會升溫。 2．目前金屬探測器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種安檢、高考及一些重要場所，關(guān)于金屬探測器的下列有關(guān)論述中正確的是(　　) A．金屬探測器可用于月餅生產(chǎn)中，用來防止細(xì)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?yàn)樘綔y器的線圈中能產(chǎn)生渦流 C．使用金屬探測器時(shí)，應(yīng)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(jī)等違禁物品，是因?yàn)樘綔y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(chǎn)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(dāng)探測器相對于被測金屬發(fā)生移動時(shí)，探測器的線圈中的交流電產(chǎn)生的磁場相對變化較快，在金屬中產(chǎn)生的渦流會更強(qiáng)，檢測效果更好，故A正確。 3.如圖134所示，上下開口、內(nèi)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(yùn)動 B．在兩個(gè)下落過程中的機(jī)械能都守恒 C．在P中的下落時(shí)間比在Q中的長 D．落至底部時(shí)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(shí)，由于電磁阻尼作用，不做自由落體運(yùn)動，機(jī)械能不守恒，而在塑料管中不受阻力作用而做自由落體運(yùn)動，機(jī)械能守恒，因此在P中下落得慢，用時(shí)長，到達(dá)底端速度小，C項(xiàng)正確，A、B、D錯(cuò)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(yīng)―→磁現(xiàn)象 (2)磁卡的讀?。? →→→ 磁現(xiàn)象―→電磁感應(yīng) 2．動圈式話筒的工作原理 (1)構(gòu)造。 圖135 (2)原理：話筒是把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。如圖135是動圈式話筒構(gòu)造原理圖，它是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象工作的，當(dāng)聲波使金屬膜片振動時(shí)，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(chǎn)生感應(yīng)電流(電信號)，感應(yīng)電流的大小和方向都變化，這個(gè)信號電流經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器中就發(fā)出了放大的聲音。 1．如圖136所示，磁帶錄音機(jī)既可用做錄音，也可用做放音，其主要部件為可勻速行進(jìn)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(yīng)，放音的主要原理是電磁感應(yīng) B．錄音的主要原理是電磁感應(yīng)，放音的主要原理是電流的磁效應(yīng) 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(yīng) 解析：選A　根據(jù)磁帶錄音機(jī)錄音、放音的工作原理可知選項(xiàng)A正確。 2．唱卡拉OK用的話筒，內(nèi)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(gè)輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，當(dāng)聲波使膜片前后振動時(shí)，就將聲音信號轉(zhuǎn)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(yīng)工作的 B．該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的 C．膜片振動時(shí)，穿過線圈的磁通量不變 D．膜片振動時(shí)，金屬線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 解析：選B　動圈式話筒是利用電磁感應(yīng)制成的。當(dāng)聲波使金屬膜片振動時(shí)，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(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴? 1．下列關(guān)于渦流的說法中正確的是(　　) A．渦流跟平時(shí)常見的感應(yīng)電流一樣，都是因?yàn)榇┻^導(dǎo)體的磁通量變化而產(chǎn)生的 B．渦流不是感應(yīng)電流，而是一種有別于感應(yīng)電流的特殊電流 C．渦流有熱效應(yīng)，但沒有磁效應(yīng) D．在硅鋼中不能產(chǎn)生渦流 解析：選A　渦流屬電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故A項(xiàng)正確，B項(xiàng)錯(cuò)誤。渦流具有電流的熱效應(yīng)和磁效應(yīng)，故C項(xiàng)錯(cuò)。硅鋼只是電阻率大，渦流小，故D項(xiàng)錯(cuò)。 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(dá)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?yàn)?　　) 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(chǎn)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(zhuǎn)化成鐵芯的內(nèi)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(shè)計(jì)的 B．利用渦流而設(shè)計(jì)的 C．起電磁阻尼的作用 D．起電磁驅(qū)動的作用 解析：選BC　線圈通電后，在安培力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，鋁框隨之轉(zhuǎn)動，并切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，就是渦流。渦流阻礙線圈的轉(zhuǎn)動，使線圈偏轉(zhuǎn)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(jī)都應(yīng)用了電磁感應(yīng)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(jī)的錄、放音原理圖。由圖可知以下說法錯(cuò)誤的是(　　) 圖1 A．話筒工作時(shí)，磁鐵不動，音圈隨膜片振動而產(chǎn)生感應(yīng)電流 B．錄音機(jī)放音時(shí)，變化的磁場在靜止的線圈內(nèi)激發(fā)起感應(yīng)電流 C．錄音機(jī)放音時(shí)，線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場 D．錄音機(jī)錄音時(shí)，線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)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(shí)將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，A正確；錄音機(jī)放音時(shí)，將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，錄音時(shí)，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榇判盘柤右员４?，B、D均正確，C錯(cuò)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(nèi)的水沸騰起來。若要縮短上述加熱時(shí)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(dāng)線圈上通交流電時(shí)，金屬杯由于發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，杯中有感應(yīng)電流，對水加熱，若要增大感應(yīng)電流，則需要增大感應(yīng)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(qiáng)，感應(yīng)電動勢增大，選項(xiàng)A正確；提高交流電的頻率， 使得磁通量的變化率增大，感應(yīng)電動勢增大，選項(xiàng)B正確；若將金屬杯換為瓷杯，則不會 產(chǎn)生感應(yīng)電流，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；取走線圈中的鐵芯，磁場會大大減弱，感應(yīng)電動勢減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 7.在水平放置的光滑導(dǎo)軌上，沿導(dǎo)軌固定一個(gè)條形磁鐵，如圖3所示，現(xiàn)有銅、鋁和有機(jī)玻璃制成的滑塊甲、乙、丙，使它們從導(dǎo)軌上的A點(diǎn)以某一初速度向磁鐵滑去。各滑塊在未接觸磁鐵前的運(yùn)動情況是(　　) 圖3 A．都做勻速運(yùn)動 B．甲、乙做加速運(yùn)動 C．甲、乙做減速運(yùn)動 D．乙、丙做勻速運(yùn)動 解析：選C　銅塊、鋁塊向磁鐵靠近時(shí)，穿過它們的磁通量發(fā)生變化，因此在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，反過來渦流產(chǎn)生的感應(yīng)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(yùn)動時(shí)會受到阻礙而減速，有機(jī)玻璃為非金屬，不產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。故C正確。 8.如圖4所示，使一個(gè)水平放置的銅盤繞其豎直的軸OO′轉(zhuǎn)動，且假設(shè)摩擦等阻力不計(jì)，轉(zhuǎn)動是勻速的。現(xiàn)把一個(gè)蹄形磁鐵移近銅盤，則(　　) 圖4 A．銅盤轉(zhuǎn)動將變慢 B．銅盤轉(zhuǎn)動將變快 C．銅盤仍以原來的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動 D．銅盤的轉(zhuǎn)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(dāng)一個(gè)蹄形磁鐵移近銅盤時(shí)，銅盤轉(zhuǎn)動切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知感應(yīng)電流受的安培力阻礙其相對運(yùn)動，所以銅盤的轉(zhuǎn)動將變慢，本題也可以從能量守恒的角度去分析，因?yàn)殂~盤轉(zhuǎn)動切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，銅盤的機(jī)械能不斷轉(zhuǎn)化成電能，銅盤轉(zhuǎn)動會逐漸變慢，故正確選項(xiàng)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(dāng)以速度v0刷卡時(shí)，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其Et關(guān)系如圖乙所示。如果只將刷卡速度改為，線圈中的Et關(guān)系圖可能是選項(xiàng)中的(　　) 圖5 解析：選D　若將刷卡速度改為，線圈切割磁感線運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)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(diǎn)正下方有一個(gè)具有理想邊界的磁場，銅環(huán)在A點(diǎn)由靜止釋放，向右擺至最高點(diǎn)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(diǎn)位于同一水平線 B．A點(diǎn)高于B點(diǎn) C．A點(diǎn)低于B點(diǎn) D．銅環(huán)在開始一段時(shí)間內(nèi)將做幅度越來越小的擺動 解析：選BD　由于銅環(huán)進(jìn)入和穿出磁場的過程中，產(chǎn)生渦流，這樣就產(chǎn)生了電能，消耗了機(jī)械能。則A點(diǎn)高于B點(diǎn)，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(chǎn)生的徑向磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，音圈匝數(shù)為n，音圈導(dǎo)線的橫截面積為S，電阻率為ρ，如果音圈在某一時(shí)刻振動的速率為v，求此時(shí)在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小。 圖7 解析：由法拉第電磁感應(yīng)定律知，音圈中產(chǎn)生的感應(yīng)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(yīng)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(zhì)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(qiáng)磁場方向垂直于紙面向里，B＝0.5 T，從環(huán)剛進(jìn)入磁場算起，到剛好有一半進(jìn)入磁場時(shí)，圓環(huán)釋放了32 J的熱量，求： 圖8 (1)此時(shí)圓環(huán)中電流的瞬時(shí)功率； (2)此時(shí)圓環(huán)運(yùn)動的加速度。 解析：(1)由能量守恒定律Q＝mv2－mvt 2 此時(shí)圓環(huán)中感應(yīng)電動勢E＝B2rvt 此時(shí)圓環(huán)中電流I＝ 此時(shí)圓環(huán)中電流的瞬時(shí)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