高中物理第1章电磁感应第3节电磁感应定律的应用教学案鲁科版选修32.docx

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高中物理第1章电磁感应第3节电磁感应定律的应用教学案鲁科版选修32

第3节电磁感应定律的应用

　1.金属块在变化的磁场中形成的像旋涡一样的感应电流叫涡流，电磁炉就是利用涡流加热食品。

2．磁卡利用材料的磁化和电磁感应原理存取信息。

记录信息是电流的磁效应，读取信息是电磁感应。

3．动圈式话筒是电磁感应的应用，由膜片、线圈、永磁体组成。

声波使金属膜片带动其上的线圈在永磁铁的磁场中振动而产生感应电流，感应电流的大小和方向随声波变化。

一、涡流及其应用

1．涡流

将整块金属放在变化的磁场中，穿过金属块的磁通量发生变化，金属块内部就会产生旋涡状的感应电流，这种感应电流叫做涡电流，简称涡流。

2．涡流的应用——电磁炉

（1）工作原理：

利用涡流原理制成的。

图131

（2）优点：

热效率高；无烟火，无毒气、废气，被称为“绿色炉具”；只对铁质锅具加热，炉体本身不发热。

3．涡流的危害及防止

（1）危害：

变压器、电动机、发电机的铁芯会因涡流损失大量的电能并导致设备发热。

（2）防止：

为减小涡流，电动机、变压器铁芯是用外表涂有绝缘材料的薄硅钢片叠成的，而不采用整块硅钢铁芯，这样可以使涡流大为减弱，涡流损失大大降低，从而降低能耗，提高了设备的工作效率。

二、磁卡和动圈式话筒

1．磁卡工作原理

磁卡信息的录入是利用了电流的磁效应；信息的读取与录入过程相反，利用了电磁感应原理。

2．动圈式话筒

动圈式话筒是把声音信号转变为电信号的装置，由膜片、线圈、永磁体等构成。

其工作原理是利用了电磁感应现象。

1．自主思考——判一判

（1）涡流也是感应电流。

（√）

（2）金属中的涡流会产生热量，生活中的电磁炉是利用这一原理而工作的。

（√）

（3）磁卡读取信息时，利用了电磁感应原理。

（√）

（4）录音机在磁带上录制声音时，利用了电磁感应原理。

（×）

（5）动圈式话筒工作时利用了电磁感应现象把声音信号转变为电信号。

（√）

2．合作探究——议一议

（1）电磁炉使用时无烟火、无燃气，炉体本身也不发热，它是如何加热锅内食物的呢？

提示：

电磁炉是近几年来逐步进入家庭的一种新型炉具，其工作原理与涡流有关。

如图甲所示，当50Hz的交变电流流入电磁炉时，经过整流和变频后，变成20～50kHz的高频交变电流进入炉内线圈，产生了变化很快的磁场，如图乙所示，放在电磁炉上面的铁质（或钢质）锅底内产生了感应电动势，由E＝n

，由于磁场变化快，则

大，故感应电动势E较大，而铁质（钢质）锅底是整块导体，电阻很小，所以在锅底产生很强的涡电流，热效应极大，短时间内锅底迅速发热，加热锅内的水或食物，如图丙所示。

（2）在使用电磁炉时，所有的锅具都能用吗？

提示：

不能。

因为电磁炉是以电磁感应产生涡电流，利用涡电流的热效应产生热量，所以不是所有的锅具都能

用。

适合放在电磁炉上烹饪的器具有不锈钢锅、不锈钢壶、平底铁锅（钢锅）等；不适用的有陶瓷锅、耐热玻璃锅等，因为陶瓷锅和玻璃锅是由绝缘材料制成，不能产生涡流，无法加热食物。

（3）动圈式话筒与电容式话筒的工作原理相同吗？

提示：

动圈式话筒与电容式话筒的工作原理不同，电容式话筒的工作原理是随着声音信号的变化，电容器两极板间的距离发生变化，从而改变电容器的电容，使电容器在不断地充放电，形成充放电电流，而不是依据电磁感应现象制作的。

涡流的产生及能量变化

1．涡流产生的条件

涡流的本质是电磁感应现象，涡流的产生条件是穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身可自行构成闭合回路。

同时因为整个导体回路的电阻一般很小，所以感应电流很大，就像水中的旋涡。

2．涡流的大小

（1）涡流的大小与电流变化频率有关，电流变化越快，产生的感应电动势E越大。

（2）与被感应的金属导体的电阻有关，电阻越小，金属导体产生的涡流越强。

（3）为尽可能减小涡流损失，可采用大电阻率的硅钢片制作铁芯。

3．可以产生涡流的两种情况

把块状金属放在变化的磁场中。

让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。

4．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。

如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能最终转化为内能；如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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。

[典例]　光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图132所示，抛物线下半部分处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线（图中虚线所示），一个金属块从抛物线上y＝b（b>a）处以速度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132

A．mgb　　　　　　　B.

mv2＋mgb

C．mg（b－a）D.

mv2＋mg（b－a）

[思路点拨]

（1）金属块在反复进出磁场时会产生感应电流。

（2）金属块最终将在虚线以下的光滑曲面上做往复运动，而不是停在O点。

[解析]　金属块在进出磁场过程中要产生感应电流，感应电流产生焦耳热，机械能要减少，上升的最大高度不断降低，最后刚好滑不出磁场后，就做往复运动，永不停止。

根据能量转化与守恒定律，整个过程中产生的焦耳热应等于机械能的损失，即Q＝ΔE＝

mv2＋mg（b－a），故D正确。

[答案]　D

处理有关涡流问题有两种方法：

一是利用楞次定律、法拉第电磁感应定律等知识来判断涡流的作用；二是从能量转化和守恒的角度判断涡流现象中的能量转化问题。

1.如图133所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水。

给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是（　　）

图133

A．恒定直流、小铁锅

B．恒定直流、玻璃杯

C．变化的电流、小铁锅

D．变化的电流、玻璃杯

解析：

选C　通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温。

2．目前金属探测器已经广泛应用于各种安检、高考及一些重要场所，关于金属探测器的下列有关论述中正确的是（　　）

A．金属探测器可用于月饼生产中，用来防止细小的金属颗粒混入月饼陷中

B．金属探测器能帮助医生探测儿童吞食或扎到手、脚中的金属物，是因为探测器的线圈中能产生涡流

C．使用金属探测器时，应该让探测器静止不动，探测效果会更好

D．能利用金属探测器检测考生是否携带手机等违禁物品，是因为探测器的线圈中通有直流电

解析：

选A　金属探测器的探测线圈中，通有交变电流，会在被探测的金属中激起涡流，涡流又会产生磁场，反过来影响原来的磁场，引发探测器发出鸣声。

当探测器相对于被测金属发生移动时，探测器的线圈中的交流电产生的磁场相对变化较快，在金属中产生的涡流会更强，检测效果更好，故A正确。

3.如图134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（　　）

图134

A．在P和Q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　小磁块在铜管中下落时，由于电磁阻尼作用，不做自由落体运动，机械能不守恒，而在塑料管中不受阻力作用而做自由落体运动，机械能守恒，因此在P中下落得慢，用时长，到达底端速度小，C项正确，A、B、D错误。

磁卡和动圈式话筒的工作原理

1．磁卡的工作原理

（1）磁卡的录入：

→

→

→

电流磁效应―→磁现象

（2）磁卡的读取：

→

→

→

磁现象―→电磁感应

2．动圈式话筒的工作原理

（1）构造。

图135

（2）原理：

话筒是把声音转变为电信号的装置。

如图135是动圈式话筒构造原理图，它是利用电磁感应现象工作的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（音圈）随着一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，从而产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，扬声器中就发出了放大的声音。

1．如图136所示，磁带录音机既可用做录音，也可用做放音，其主要部件为可匀速行进的磁带a和绕有线圈的磁头b，不论是录音还是放音过程，磁带或磁隙软铁都会存

图136

在磁化现象，下面对于它们在录音、放音过程中的主要工作原理的说法，正确的是（　　）

A．录音的主要原理是电流的磁效应，放音的主要原理是电磁感应

B．录音的主要原理是电磁感应，放音的主要原理是电流的磁效应

C．录音和放音的主要原理都是磁场对电流的作用

D．录音和放音的主要原理都是电磁感应

解析：

选A　根据磁带录音机录音、放音的工作原理可知选项A正确。

2．唱卡拉OK用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面黏接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。

下列各说法中正确的是（　　）

A．该传感器是根据电流的磁效应工作的

B．该传感器是根据电磁感应原理工作的

C．膜片振动时，穿过线圈的磁通量不变

D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势

解析：

选B　动圈式话筒是利用电磁感应制成的。

当声波使金属膜片振动时，黏接在膜片上的金属线圈随着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动，线圈中的磁通量发生变化，进而产生感应电动势和感应电流，将声音信号转变为电信号。

1．下列关于涡流的说法中正确的是（　　）

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

解析：

选A　涡流属电磁感应现象，故A项正确，B项错误。

涡流具有电流的热效应和磁效应，故C项错。

硅钢只是电阻率大，涡流小，故D项错。

2．下列哪些仪器不是利用涡流工作的（　　）

A．电磁炉　　　　　　　　B．微波炉

C．金属探测器D．真空冶炼炉

解析：

选B　电磁炉、金属探测器、真空冶炼炉都是利用涡流工作的，微波炉是利用微波能量易被水吸收的原理达到加热食物的目的，不是利用涡流工作的，故选B。

3．变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这是因为（　　）

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．增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量

D．减小铁芯中的电阻，以减小发热量

解析：

选B　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芯中的电阻，阻断涡流回路，来减少电能转化成铁芯的内能，提高效率，所以B正确。

4．（多选）磁电式仪表的线圈通常用铝框作骨架，把线圈绕在铝框上，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

解析：

选BC　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，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，故B、C均正确。

5．动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象。

如图1所示，图甲是动圈式话筒的原理图，图乙是录音机的录、放音原理图。

由图可知以下说法错误的是（　　）

图1

A．话筒工作时，磁铁不动，音圈随膜片振动而产生感应电流

B．录音机放音时，变化的磁场在静止的线圈内激发起感应电流

C．录音机放音时，线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

D．录音机录音时，线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

解析：

选C　由动圈式话筒原理图可知，话筒工作时将声音信号转变为电信号，A正确；录音机放音时，将磁信号转变为电信号，录音时，将电信号转变为磁信号加以保存，B、D均正确，C错误。

6．（多选）如图2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（　　）

图2

A．增加线圈的匝数

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AB　当线圈上通交流电时，金属杯由于发生电磁感应现象，杯中有感应电流，对水加热，若要增大感应电流，则需要增大感应电动势或者减小杯体的电阻。

增加线圈的

匝数，使得穿过金属杯的磁场增强，感应电动势增大，选项A正确；提高交流电的频率，

使得磁通量的变化率增大，感应电动势增大，选项B正确；若将金属杯换为瓷杯，则不会

产生感应电流，选项C错误；取走线圈中的铁芯，磁场会大大减弱，感应电动势减小，选项D错误。

7.在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图3所示，现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去。

各滑块在未接触磁铁前的运动情况是（　　）

图3

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：

选C　铜块、铝块向磁铁靠近时，穿过它们的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，反过来涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铜块和铝块向磁铁运动时会受到阻碍而减速，有机玻璃为非金属，不产生涡流现象。

故C正确。

8.如图4所示，使一个水平放置的铜盘绕其竖直的轴OO′转动，且假设摩擦等阻力不计，转动是匀速的。

现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则（　　）

图4

A．铜盘转动将变慢

B．铜盘转动将变快

C．铜盘仍以原来的转速转动

D．铜盘的转动速度是否变化，要根据磁铁的上下两端的极性来决定

解析：

选A　当一个蹄形磁铁移近铜盘时，铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，由楞次定律可知感应电流受的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘的转动将变慢，本题也可以从能量守恒的角度去分析，因为铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，铜盘的机械能不断转化成电能，铜盘转动会逐渐变慢，故正确选项为A。

9．磁卡的磁条中有用于存储信息的磁极方向不同的磁化区，刷卡器中有检测线圈（如图5甲所示）。

当以速度v0刷卡时，在线圈中产生感应电动势，其Et关系如图乙所示。

如果只将刷卡速度改为

，线圈中的Et关系图可能是选项中的（　　）

图5

解析：

选D　若将刷卡速度改为

，线圈切割磁感线运动时产生的感应电动势大小将会减半，周期将会加倍，故D正确。

10．（多选）如图6所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜环在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是（　　）

图6

A．A与B两点位于同一水平线

B．A点高于B点

C．A点低于B点

D．铜环在开始一段时间内将做幅度越来越小的摆动

解析：

选BD　由于铜环进入和穿出磁场的过程中，产生涡流，这样就产生了电能，消耗了机械能。

则A点高于B点，故B、D正确。

11.如图7所示的动圈式话筒的音圈半径为r，磁铁产生的径向磁场的磁感应强度为B，音圈匝数为n，音圈导线的横截面积为S，电阻率为ρ，如果音圈在某一时刻振动的速率为v，求此时在线圈中产生的感应电流的大小。

图7

解析：

由法拉第电磁感应定律知，音圈中产生的感应电动势为E＝nBLv＝nB×2πrv＝2nπBrv

由电阻定律得音圈的电阻为R＝ρ

＝ρ

由欧姆定律得音圈中的感应电流为I＝

＝

。

答案：

12．如图8所示，在光滑的水平面上有一半径r＝10cm、电阻R＝1Ω、质量m＝1kg的金属环，以速度v＝10m/s向一有界磁场滑去，匀强磁场方向垂直于纸面向里，B＝0.5T，从环刚进入磁场算起，到刚好有一半进入磁场时，圆环释放了32J的热量，求：

图8

（1）此时圆环中电流的瞬时功率；

（2）此时圆环运动的加速度。

解析：

（1）由能量守恒定律Q＝

mv2－

mvt2

此时圆环中感应电动势E＝B·2rvt

此时圆环中电流I＝

此时圆环中电流的瞬时功率P＝I2R

联立四式得P＝0.36W。

（2）由牛顿第二定律F＝ma，又F＝BI·2r

故a＝

＝

＝0.06m/s2。

答案：

（1）0.36W　

（2）0.06m/s2