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2018-2019版高中物理 第三章 電磁感應(yīng) 第6講 自感現(xiàn)象 渦流學(xué)案 新人教版選修1-1

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1、 第6講 自感現(xiàn)象 渦流 [目標(biāo)定位] 1.了解什么是自感現(xiàn)象、自感系數(shù)和渦流,知道影響自感系數(shù)大小的因素.2.了解自感現(xiàn)象和渦流的利用及其危害的防止.3.初步了解日光燈、電磁爐等家用電器的工作原理. 一、自感現(xiàn)象 1.線圈A中電流的變化引起的磁通量的變化,會(huì)在它自身激發(fā)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這個(gè)電動(dòng)勢(shì)叫做自感電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象. 2.電路中自感的作用是阻礙電流的變化. 想一想 如圖3-6-1所示的電路,L為自感線圈,A是一個(gè)燈泡,E是電源.當(dāng)S閉合瞬間,通過燈泡的電流方向如何?當(dāng)S切斷瞬間,通過燈泡的電流方向如何? 圖3-6-1 答案 當(dāng)S閉合時(shí),通過燈泡的電流方向?yàn)?/p>

2、a→b;當(dāng)S切斷瞬間,由于電源提供給燈泡A及線圈的電流立即消失,因此線圈要產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)來阻礙原電流減小,所以線圈此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)電源,產(chǎn)生的自感電流和原電流方向相同,流經(jīng)A時(shí)的方向是b→a. 二、電感器 1.線路中的線圈叫做電感器,電感器的性能用自感系數(shù)表示,簡(jiǎn)稱自感. 2.線圈越大、匝數(shù)越多,它的自感系數(shù)越大.給線圈中加入鐵芯,自感系數(shù)比沒有鐵芯時(shí)大得多. 3.交流電通過電感器時(shí),由于線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙電流的變化,所以電感器對(duì)交流電有阻礙作用. 4.在自感系數(shù)很大、電流很強(qiáng)的電路中,切斷電源的瞬間都會(huì)產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢(shì),使開關(guān)兩端出現(xiàn)很高的電壓,形成電弧.電弧不僅會(huì)燒

3、蝕開關(guān),有時(shí)還會(huì)危及人員的安全. 想一想 自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與線圈是否有關(guān)?可能與線圈的哪些因素有關(guān)? 答案 有關(guān).與線圈的長(zhǎng)度、大小、匝數(shù)及有無鐵芯都有關(guān). 三、渦流及其應(yīng)用 1.只要空間有變化的磁通量,其中的導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,我們把這種感應(yīng)電流叫做渦流. 2.利用渦流的熱效應(yīng)可以制成一種新型爐灶——電磁爐.金屬探測(cè)器也是利用渦流工作的. 3.渦流的熱效應(yīng)在許多場(chǎng)合是有害的.當(dāng)電機(jī)、變壓器繞組中通過交流時(shí),在鐵芯中會(huì)產(chǎn)生渦流.這會(huì)使鐵芯過熱,消耗電能,破壞絕緣.為了減少渦流,鐵芯都用電阻率很大的硅鋼片疊加. 想一想 電流頻率的高低對(duì)渦流有什么影響?如何減小渦流?

4、 答案 電流頻率越高,渦流越強(qiáng);減小電流的頻率或增大電阻可減小渦流. 一、自感現(xiàn)象及分析 1.通電自感的分析 (1)電路:如圖3-6-2所示. 圖3-6-2 (2)裝置要求及作用:A1、A2規(guī)格相同,R的作用是使燈泡A1、A2亮度相同,R1的作用是使燈泡A1、A2均正常發(fā)光. (3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:S合上時(shí),A2立即正常發(fā)光,A1逐漸亮起來,穩(wěn)定后兩燈亮度相同. (4)現(xiàn)象分析:在接通的瞬間,電路的電流增大,A2立刻亮起來;穿過線圈L的磁通量增加,線圈中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì),這個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)阻礙線圈中電流的增大,不能使電流立即達(dá)到最大值,所以A1只能逐漸亮起來. 2.斷電自感的分析

5、 (1)電路:如圖3-6-3所示. 圖3-6-3 (2)裝置要求:線圈L的電阻較小,目的是接通電路的燈泡正常發(fā)光時(shí),通過線圈的電流IL大于通過燈泡的電流IA,即IL>IA. (3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:斷開S時(shí),發(fā)現(xiàn)燈泡A先閃亮一下,過一會(huì)兒才熄滅. (4)現(xiàn)象分析:電路斷開的瞬間,通電線圈的電流突然減小,穿過線圈的磁通量也很快地減少,線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙線圈L電流的減小.由于S斷開后,L、A形成閉合回路,L中的電流從IL逐漸減小,流過A的電流突然變?yōu)镮L,然后再?gòu)腎L逐漸減小到零,所以A先閃亮一下,再逐漸熄滅. 特別提醒 燈泡的亮度由其電功率決定,功率越大,亮度越高.由

6、于P=I2R=,故增加燈泡兩端的電壓或通電電流,燈泡都會(huì)變亮. 例1 如圖3-6-4所示為演示自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)電路,下列說法正確的是(   ) 圖3-6-4 A.當(dāng)閉合開關(guān)S時(shí)A1先亮 B.當(dāng)閉合開關(guān)S時(shí)A2先亮 C.當(dāng)斷開開關(guān)S時(shí)A1先熄滅 D.當(dāng)斷開開關(guān)S時(shí)A2先熄滅 答案 B 解析 閉合開關(guān)時(shí),由于自感電動(dòng)勢(shì)的阻礙作用,A1電路中的電流只能逐漸增大,所以A2先亮,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確;當(dāng)斷開開關(guān)S時(shí),L相當(dāng)于電源,A1、A2、L、R組成閉合回路,電流由支路A1中的電流逐漸減小,所以A1、A2一起逐漸熄滅,選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤. 針對(duì)訓(xùn)練1 如圖3-6-5所示的電路,當(dāng)開關(guān)閉合

7、時(shí),小燈泡將________(選填“逐漸”或“立刻”)變亮.當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),小燈泡將________(選填“逐漸”或“立刻”)熄滅. 圖3-6-5 答案 逐漸 立刻 解析 閉合開關(guān)時(shí),由于電感器的自感電動(dòng)勢(shì)的阻礙作用,A中的電流只能逐漸增大,即小燈泡逐漸變亮;當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),由于小燈泡無法與其它用電器構(gòu)成回路,雖然電感器中有自感電動(dòng)勢(shì),但是沒有自感電流,所以小燈泡立刻熄滅. 二、渦流的利用及防止 1.渦流的利用 (1)渦流的熱效應(yīng).可以利用渦流來加熱,例如電磁爐和高頻感應(yīng)爐. (2)渦流的阻尼作用(稱為電磁阻尼),例如在一些電學(xué)測(cè)量?jī)x表中,利用電磁阻尼儀表的指針迅速地停在它所測(cè)出

8、的刻度上,以及高速機(jī)車制動(dòng)的渦流閘等. (3)渦流探測(cè),如探雷器等. 2.渦流的防止 要減小渦流,可采用的方法是把整塊鐵芯改成薄片疊壓的鐵芯,增大回路電阻.例如電動(dòng)機(jī)和變壓器的鐵芯都不是整塊金屬. 例2 關(guān)于電磁爐,下列說法正確的是(  ) A.電磁爐也利用了電磁感應(yīng)原理 B.電磁爐可以用陶瓷鍋?zhàn)鲲? C.電磁爐是利用渦流的典型例子 D.電磁爐工作時(shí),鍋與爐體是相互絕緣的 答案 ACD 解析 電磁爐的工作原理是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦流的熱效應(yīng),A正確;電磁爐的鍋應(yīng)是金屬材料,最好是鐵鍋.當(dāng)鐵鍋與爐體絕緣時(shí),鐵鍋內(nèi)的渦流產(chǎn)生大量的熱量,從而加熱食物.B錯(cuò)誤,C、D正確. 針對(duì)訓(xùn)練2

9、 變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成,而不采用一塊整硅鋼,這是為了(  ) 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.增大渦流,減小鐵芯的發(fā)熱量 D.減小渦流,減小鐵芯的發(fā)熱量 答案 BD 解析 渦流的主要效應(yīng)之一就是發(fā)熱,而變壓器的鐵芯發(fā)熱,是我們不希望出現(xiàn)的.所以不采用整塊硅鋼,而采用薄硅鋼片疊壓在一起,目的是減小渦流,減小鐵芯的發(fā)熱量,進(jìn)而提高變壓器的效率.故B、D正確. 對(duì)自感現(xiàn)象的理解 1.下列說法中正確的是(  ) A.電路中電流越大,自感電動(dòng)勢(shì)越大 B.電路中電流變化越大,自感電動(dòng)勢(shì)越大 C.線圈中電流均勻增大,線圈的自感系數(shù)也

10、均勻增大 D.線圈中的電流為零時(shí),自感電動(dòng)勢(shì)不一定為零 答案 D 解析 在自感一定的情況下,電流變化越快,自感電動(dòng)勢(shì)越大,與電流的大小、電流變化的大小沒有必然的關(guān)系,A、B項(xiàng)錯(cuò)誤;線圈的自感系數(shù)是由線圈本身的性質(zhì)決定的,與線圈的大小、形狀、匝數(shù)、有無鐵芯等有關(guān),而與線圈的電流的變化率無關(guān),C項(xiàng)錯(cuò)誤;線圈中的電流為零時(shí),自感電動(dòng)勢(shì)不一定為零,D正確. 2.關(guān)于線圈的自感系數(shù)大小的下列說法中,正確的是(  ) A.通過線圈的電流越大,自感系數(shù)也越大 B.線圈中的電流變化越快,自感系數(shù)也越大 C.插有鐵芯時(shí)線圈的自感系數(shù)會(huì)變大 D.線圈的自感系數(shù)與電流的大小、電流變化的快慢、是否有鐵

11、芯等都無關(guān) 答案 C 解析 自感系數(shù)是由電感器本身的因素決定的,包括線圈的大小、單位長(zhǎng)度上的匝數(shù),而且有鐵芯時(shí)比無鐵芯時(shí)自感系數(shù)要大. 電感在電路中的作用 3.如圖3-6-6所示,L為一純電感線圈(直流電阻不計(jì)),A為一燈泡,下列說法正確的是(  ) 圖3-6-6 A.開關(guān)S接通的瞬間,無電流通過燈泡 B.開關(guān)S接通后,電路穩(wěn)定時(shí),無電流通過燈泡 C.開關(guān)S斷開的瞬間,無電流通過燈泡 D.開關(guān)S接通的瞬間及接通后電路穩(wěn)定時(shí),燈泡中均有從a到b的電流,而在開關(guān)斷開瞬間,燈泡中則有從b到a的電流 答案 B 解析 開關(guān)S接通的瞬間,燈泡中的電流從a到b;S接通的瞬間,線圈由

12、于自感作用,通過它的電流逐漸增大.開關(guān)S接通后,電路穩(wěn)定時(shí),純電感線圈對(duì)電流無阻礙作用,將燈泡短路,燈泡中無電流通過.開關(guān)S斷開的瞬間,由于線圈的自感作用,線圈中原有向右的電流將逐漸減小,該電流通過燈泡形成回路,故燈泡中有從b到a的瞬間電流. 自感現(xiàn)象的應(yīng)用與防止 4.日光燈電路主要由鎮(zhèn)流器、啟動(dòng)器和燈管組成,在日光燈正常工作的情況下(  ) A.燈管點(diǎn)燃發(fā)光后,啟動(dòng)器中兩個(gè)觸片是分離的 B.燈管點(diǎn)燃發(fā)光后,鎮(zhèn)流器起降壓限流作用 C.鎮(zhèn)流器起整流作用 D.鎮(zhèn)流器給日光燈的開始點(diǎn)燃提供瞬間高壓 答案 ABD 解析 日光燈在點(diǎn)燃時(shí)需要一個(gè)瞬時(shí)高壓,在啟動(dòng)器的U形觸片冷卻收縮分離,使

13、電路突然中斷的瞬間,因鎮(zhèn)流器的自感作用產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì)加在燈絲兩端,使燈管中水銀蒸汽導(dǎo)通,日光燈點(diǎn)燃,當(dāng)日光燈正常發(fā)光時(shí),啟動(dòng)器中觸片是斷開的,由于交流電不斷通過鎮(zhèn)流器的線圈,線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙其電流的變化,這時(shí)鎮(zhèn)流器的作用是降壓、限流,以保證日光燈正常工作. (時(shí)間:60分鐘) 題組一、對(duì)自感現(xiàn)象的理解 1.關(guān)于線圈中自感電動(dòng)勢(shì)的大小,下列說法中正確的是(  ) A.電感一定時(shí),電流變化越大,電動(dòng)勢(shì)越大 B.電感一定時(shí),電流變化越快,電動(dòng)勢(shì)越大 C.通過線圈的電流為零的瞬間,電動(dòng)勢(shì)為零 D.通過線圈的電流為最大值的瞬間,電動(dòng)勢(shì)最大 答案 B 解析 在電感

14、一定的情況下電流變化越快即變化率越大,電動(dòng)勢(shì)越大,A項(xiàng)錯(cuò),B項(xiàng)正確;電流為零的瞬間電流的變化率不一定為零,電流的值最大時(shí)電流的變化率不一定最大,所以C、D項(xiàng)錯(cuò)誤. 2.如圖3-6-7所示,A、B為大小、形狀均相同且內(nèi)壁光滑,但用不同材料制成的圓管,豎直固定在相同高度.兩個(gè)相同的磁性小球,同時(shí)從A、B管上端的管口無初速度釋放,穿過A管的小球比穿過B管的小球先落到地面.下面對(duì)于兩管的描述可能正確的是(  ) 圖3-6-7 A.A管是用塑料制成的,B管是用銅制成的 B.A管是用鋁制成的,B管是用膠木制成的 C.A管是用膠木制成的,B管是用塑料制成的 D.A管是用膠木制成的,B管是用鋁

15、制成的 答案 AD 解析 磁性小球穿過金屬圓管過程中,將圓管看作由許多金屬圓環(huán)組成,小球的磁場(chǎng)使每個(gè)圓環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流,電流阻礙磁性小球的下落,小球向下運(yùn)動(dòng)的加速度小于重力加速度;小球在塑料、膠木等非金屬材料圓管中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,小球仍然做自由落體運(yùn)動(dòng),穿過塑料、膠木圓管的時(shí)間比穿過金屬圓管的時(shí)間少. 3.下列說法正確的是(  ) A.當(dāng)線圈中電流不變時(shí),線圈中沒有自感電動(dòng)勢(shì) B.當(dāng)線圈中電流不變時(shí),線圈中自感電動(dòng)勢(shì)的方向不變 C.當(dāng)線圈中電流增大時(shí),線圈中自感電動(dòng)勢(shì)的方向與線圈中電流的方向相反 D.當(dāng)線圈中電流減小時(shí),線圈中自感電動(dòng)勢(shì)的方向與線圈中電流的方向相反 答案 AC

16、 解析 線圈中電流不變時(shí),自身電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁通量不變,線圈中不可能產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì),選項(xiàng)A正確,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;當(dāng)線圈中電流增大時(shí),電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁通量增大,根據(jù)楞次定律可判斷自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相反,選項(xiàng)C正確;同理可知選項(xiàng)D錯(cuò)誤. 題組二、電感在電路中的作用 4.如圖3-6-8所示,L為自感系數(shù)很大的線圈,其自身的電阻忽略不計(jì),A、B是完全相同的兩個(gè)小燈泡.在t=0時(shí)刻閉合開關(guān)S,經(jīng)過一段時(shí)間t1斷開S.下列表示A、B兩燈泡中電流i隨時(shí)間t變化的圖象中,正確的是(  ) 圖3-6-8 答案 BD 解析 電鍵閉合時(shí),由于電感線圈的阻礙作用,流過電感的電流慢慢增大,

17、所以iB慢慢增大,iA慢慢減小,最后穩(wěn)定時(shí)電感相當(dāng)于一根導(dǎo)線,iA為0,iB最大;斷開電鍵,原來通過B的電流立即消失,由于電感線圈阻礙自身電流變化,產(chǎn)生與原電流同方向的感應(yīng)電流,此時(shí)電感線圈和燈泡A形成回路,流過燈泡A中的電流方向與原來流過燈泡A中的電流方向相反,且電流iA慢慢減小,最后為0,故A、C錯(cuò)誤,B、D正確. 5.如圖3-6-9所示,電路甲、乙中電阻R和自感線圈L的電阻都很小.接通S,使電路達(dá)到穩(wěn)定,燈泡A發(fā)光,則(  ) 圖3-6-9 A.在電路甲中,斷開S,A將漸漸變暗 B.在電路甲中,斷開S,A將先變得更亮,然后漸漸變暗 C.在電路乙中,斷開S,A將漸漸變暗 D

18、.在電路乙中,斷開S,A將先變得更亮,然后漸漸變暗 答案 AD 解析 甲圖中,燈A與線圈L在同一支路,通過的電流相同;斷開開關(guān)S時(shí),A、L、R組成回路,由于自感作用,L中電流逐漸減小,燈不會(huì)閃亮一下,燈A將逐漸變暗,故A正確,B錯(cuò)誤;乙圖中,電路穩(wěn)定時(shí),通過上支路的電流IL>IA(因L的電阻很小);斷開開關(guān)S時(shí),由于L的自感作用,回路中電流在IL的基礎(chǔ)上減小,電流反向通過A的瞬間,A中電流變大,然后漸漸變小,所以燈A要閃亮一下,然后漸漸變暗,故C錯(cuò)誤,D正確. 6.如圖3-6-10所示,開關(guān)S閉合且電路達(dá)到穩(wěn)定時(shí),小燈泡能正常發(fā)光,則(  ) 圖3-6-10 A.當(dāng)S閉合瞬間,小

19、燈泡將慢慢變亮 B.當(dāng)S閉合瞬間,小燈泡立即變亮 C.當(dāng)S斷開瞬間,小燈泡慢慢熄滅 D.當(dāng)S斷開瞬間,小燈泡先閃亮一下,再慢慢熄滅 答案 A 解析 當(dāng)S閉合瞬間,通過L的電流增大,自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相反,阻礙電流的增大,故A慢慢變亮;當(dāng)S斷開瞬間,A將立即熄滅,因?yàn)镾斷開,再無電流回路. 7.如圖3-6-11所示,燈LA、LB完全相同,帶鐵芯的線圈L的電阻可忽略.則(  ) 圖3-6-11 A.S閉合瞬間、LA、LB同時(shí)發(fā)光,接著LA變暗,LB更亮,最后LA熄滅 B.S閉合瞬間,LA不亮,LB立即亮 C.S閉合瞬間,LA、LB都不立即亮 D.穩(wěn)定后再斷開S的

20、瞬間,LB熄滅,LA比LB(斷開S前)更亮 答案 A 解析 S接通的瞬間,L支路中電流從無到有發(fā)生變化,因此,L中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流增加.由于有鐵芯,自感系數(shù)較大,對(duì)電流的阻礙作用也就很強(qiáng),所以S接通的瞬間L中的電流非常小,即干路中的電流幾乎全部流過LA.所以LA、LB會(huì)同時(shí)亮.又由于L中電流很快穩(wěn)定,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很快消失,L的阻值因?yàn)楹苄。詫?duì)LA起到“短路”作用,因此,LA便熄滅.這里電路的總電阻比剛接通時(shí)小,LB會(huì)比以前更亮,A正確,B、C錯(cuò)誤;穩(wěn)定后斷開S瞬間,LB熄滅,LA與LB熄滅前一樣亮,D錯(cuò)誤. 8.如圖3-6-12所示,是測(cè)定自感系數(shù)很大的線圈L直流電阻的電路,L

21、兩端并聯(lián)一只電壓表,用來測(cè)量自感線圈的直流電壓,在測(cè)量完畢后,將電路解體時(shí)應(yīng)(  ) 圖3-6-12 A.先斷開S1 B.先斷開S2 C.先拆除電流表 D.先拆除電阻R 答案 B 解析 S1斷開瞬間,L中產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢(shì),若此時(shí)S2閉合,則可能將電壓表燒壞,故應(yīng)先斷開S2. 題組三、渦流的應(yīng)用及防止 9.如圖3-6-13所示是冶煉金屬的高頻感應(yīng)爐的示意圖.冶煉爐內(nèi)裝入被冶煉的金屬,線圈通入高頻交變電流,這時(shí)被冶煉的金屬就能被熔化.這種冶煉方法速度快,溫度容易控制,并能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中,因此適于冶煉特種金屬,該爐的加熱原理(  ) 圖3-6-13

22、 A.利用線圈中電流產(chǎn)生的焦耳熱 B.利用紅外線 C.利用交變電流的交變磁場(chǎng)在爐內(nèi)金屬中產(chǎn)生的渦流 D.利用交變電流的交變磁場(chǎng)所激發(fā)的電磁波 答案 C 解析 利用交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在引起爐內(nèi)金屬截面的磁通量變化時(shí),使金屬中產(chǎn)生感應(yīng)電流,因整塊金屬的電阻相當(dāng)小,所以感應(yīng)電流很強(qiáng),它在金屬內(nèi)自成回路流動(dòng)時(shí),形成漩渦狀的電流,即渦流,渦流產(chǎn)生大量的焦耳熱使?fàn)t內(nèi)溫度升高,金屬熔化,故選C正確;當(dāng)然線圈中也因有交變電流會(huì)產(chǎn)生一定的焦耳熱,但它是相當(dāng)少的,根本不可能使?fàn)t內(nèi)溫度高到使金屬熔化的程度,故A錯(cuò)誤;依題意B、D錯(cuò)誤. 10.如圖3-6-14所示,是高頻焊接原理示意圖,線圈中通以高

23、頻交流電時(shí),待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流通過焊縫時(shí)產(chǎn)生大量熱量,將金屬熔化,把工件焊接在一起,而工件其他部分發(fā)熱很少,以下說法中正確的是(  ) 圖3-6-14 A.交流電的頻率越高,焊縫處的溫度升高得越快 B.交流電的頻率越低,焊縫處的溫度升高得越快 C.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻小 D.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大 答案 AD 解析 線圈中通以高頻變化的電流時(shí),待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流的大小與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有關(guān),電流變化的頻率越高,電流變化得越快,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;工件上焊縫處的電阻大,電流產(chǎn)生的熱量就多,選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確. 12

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