学年新素养同步导学高中物理选修32课件 讲义含物理核心素养 26.docx
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学年新素养同步导学高中物理选修32课件讲义含物理核心素养26
1.6 涡流现象与电磁灶
[学科素养与目标要求]
物理观念:
1.了解涡流的产生原因、防止和利用.2.了解电磁灶的工作原理.3.知道电磁驱动和电磁阻尼.
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(
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.
5.涡流的应用与防止
(1)应用:
电磁灶、安全检查报警器等.
(2)防止:
为了减小变压器和镇流器铁心上的涡流,常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压成铁心代替整块硅钢铁心.
例1
(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中,如图2所示为一手持式封口机,它的工作原理是:
当接通电源时,内置线圈产生磁场,当磁感线穿过封口铝箔材料时,瞬间产生大量小涡流,致使铝箔自行快速发热,熔化复合在铝箔上的溶胶,从而粘贴在待封容器的封口处,达到迅速封口的目的.下列有关说法正确的是( )
图2
A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔
B.该封口机可用干电池作为电源以方便携带
C.封口过程中温度过高,可适当减小所通电流的频率来解决
D.该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口,但不适用于金属容器
答案 CD
解析 由于封口机利用了电磁感应原理,故封口材料必须是金属类材料,而且电源必须是交流电源,A、B错误;减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量,即控制温度,C正确;封口材料应是金属类材料,但对应被封口的容器不能是金属,否则同样会被熔化,只能是玻璃、塑料等材质,D正确.
二、无火之灶——电磁灶
如图3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3
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2
(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
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4所示),磁铁就会很快停下来,解释这个现象.
图4
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5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5
(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.
(2)线圈内产生感应电流,受到安培力的作用,安培力作为动力使线圈转动起来.线圈的转速小于磁铁的转速.
[要点总结]
电磁阻尼与电磁驱动的区别与联系
1.电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动;电磁驱动中导体受到的安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动.安培力的作用效果均是阻碍导体间的相对运动.
2.电磁阻尼中克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能;电磁驱动中由于电磁感应,磁场能转化为电能,通过安培力做功,电能转化为导体的机械能而对外做功.
例3
扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌.为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图6所示.无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是( )
图6
答案 A
解析 感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化.在A图中,系统振动时,紫铜薄板随之上下及左右振动,都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化,产生感应电流,受到安培力,阻碍系统的振动,故A正确;在B、D图中,只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流,而上下振动无感应电流产生,故B、D错误;在C图中,无论紫铜薄板上下振动还是左右振动,都不会产生感应电流,故C错误.
例4
如图7所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动.从上向下看,当磁铁逆时针转动时,则( )
图7
A.线圈将逆时针转动,转速与磁铁相同
B.线圈将逆时针转动,转速比磁铁小
C.线圈将逆时针转动,转速比磁铁大
D.线圈静止不动
答案 B
解析 由楞次定律可知,线圈将与磁铁同向转动,但转速一定小于磁铁的转速.如两者的转速相同,磁感线与线圈处于相对静止状态,线圈不切割磁感线,无感应电流产生,B正确,A、C、D项错误.
[学科素养] 通过例3和例4,建立了电磁阻尼和电磁驱动的思维模型,加深了对电磁阻尼和电磁驱动的理解,较好地体现了“科学思维”的学科素养.
1.(对涡流的理解)(多选)对变压器和电动机中的涡流的认识,以下说法正确的是( )
A.涡流会使铁心温度升高,减少线圈绝缘材料的寿命
B.涡流发热,要损耗额外的能量
C.为了不产生涡流,变压器和电动机的铁心用相互绝缘的硅钢片叠成的铁心来代替整块硅钢铁心
D.涡流产生于线圈中,对原电流起阻碍作用
答案 AB
解析 变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量,同时会减少线圈绝缘材料的寿命,选项A、B正确;变压器和电动机的铁心用相互绝缘的硅钢片叠成的铁心来代替整块硅钢铁心是为了增加电阻,减小涡流,减少产生的热量,选项C错误;涡流产生于铁心中,对原电流无阻碍作用,选项D错误.
2.(对电磁灶工作原理的理解)电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟,无废气,“火力”强劲,安全可靠.图8所示是描述电磁炉工作原理的示意图,下列说法正确的是( )
图8
A.当恒定电流通过线圈时,会产生恒定磁场,恒定磁场越强,电磁炉加热效果越好
B.电磁炉通电线圈加交流电后,在锅底产生涡流,进而发热工作
C.在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用
D.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要原因是这些材料的导热性能较差
答案 B
解析 锅体中的涡流是由变化的磁场产生的,所加的电流是交流,不是直流,故A错误.根据电磁炉的工作原理可知,电磁炉通电线圈加交流电后,在锅底产生涡流,进而发热工作,故B正确;在锅和电磁炉中间放一纸板,不会影响电磁炉的加热作用,故C错误.金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅底,陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料,里面不会产生涡流,故D错误.
3.(对电磁阻尼的理解)(多选)如图9所示是电表中的指针和电磁阻尼器,下列说法正确的是( )
图9
A.2是磁铁,在1中产生涡流
B.1是磁铁,在2中产生涡流
C.该装置的作用是使指针能够转动
D.该装置的作用是使指针能很快地稳定
答案 AD
解析 当指针摆动时,1随之转动,2是磁铁,那么在1中产生涡流,2对1的安培力将阻碍1的转动;总之不管1向哪个方向转动,2对1的效果总起到阻尼作用,所以它能使指针很快地稳定下来,选项A、D正确.
4.(对电磁驱动的理解)(多选)1824年,法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”.实验中将一铜圆盘水平放置,在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针,如图10所示.实验中发现,当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时,磁针也随着一起转动起来,但略有滞后.下列说法正确的是( )
图10
A.圆盘上产生了感应电动势
B.圆盘内的涡流产生的磁场导致磁针转动
C.在圆盘转动的过程中,磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化
D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流,此电流产生的磁场导致磁针转动
答案 AB
考点一 涡流的理解、利用和防止
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
答案 A
解析 涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流,只不过是由金属块自身构成回路,它既有热效应,也有磁效应,所以A正确,B、C错误;硅钢中产生的涡流较小,D错误.
2.(多选)安检门是一个用于安全检查的“门”,“门框”内有线圈,线圈里通有交变电流,交变电流在“门”内产生交变磁场,金属物品通过“门”时能产生涡流,涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流,从而引起报警.以下关于这个安检门的说法正确的是( )
A.这个安检门能检查出毒品携带者
B.这个安检门只能检查出金属物品携带者
C.如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流,也能检查出金属物品携带者
D.这个安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应
答案 BD
解析 这个安检门是利用涡流工作的,因而只能检查出金属物品携带者,A错,B对.若“门框”的线圈中通上恒定电流,只能产生恒定磁场,它不能使块状金属产生涡流,因而不能检查出金属物品携带者,C错.安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应,D对.
3.如图1所示,金属探测器是用来探测金属的仪器,关于其工作原理,下列说法中正确的是( )
图1
A.探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场
B.只有有磁性的金属才会被探测器探测到
C.探测到金属是因为金属中产生了涡流
D.探测到金属是因为探测器中产生了涡流
答案 C
解析 金属探测器探测金属时,探测器内的探测线圈会产生变化的磁场,被测金属中产生了涡流,故选项A、D错误,C正确;所有的金属都能在变化的磁场中产生涡流,选项B错误.
4.(2018·龙岩市六校高二下学期期中)涡流检测是工业上无损检测的方法之一.如图2所示,线圈中通以一定频率的正弦交流电,靠近待测工件时,工件内会产生涡流,同时
图2
线圈中的电流受涡流影响也会发生变化.下列说法中正确的是( )
A.涡流的磁场总是与线圈的磁场方向相反
B.涡流的大小与通入线圈的交流电频率无关
C.待测工件可以是塑料或橡胶制品
D.通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力
答案 D
解析 涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化,根据楞次定律可知,涡流的磁场与线圈的磁场方向可能相同也可能相反,故A错误;涡流的大小取决于磁场变化的快慢,故与通入线圈的交流电频率有关,故B错误;电磁感应只能发生在金属物体中,故待测工件只能是金属制品,故C错误;因为线圈交流电是周期性变化的,故在待测工件中引起的交流电也是周期性变化的,可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力,故D正确.
5.电磁灶是利用电磁感应现象产生的涡流,使锅体发热从而加热食物,下列相关的说法中正确的是( )
A.锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关
B.电磁灶中通入电压足够高的直流电也能正常工作
C.金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁灶来烹饪食物
D.电磁灶的上表面一般都用金属材料制成,以加快热传递减少热损耗
答案 A
解析 锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关,故A正确;直流电不能产生变化的磁场,在锅体中不能产生感应电流,电磁灶不能使用直流电,故B错误;锅体只能用铁磁性导体材料,不能使用绝缘材料制作锅体,故C错误;电磁灶产生变化的磁场,导致锅底出现涡流,从而产生热量而不是靠热传递,D错误.
6.如图3所示为高频电磁灶的工作示意图,它是采用电磁感应原理产生涡流加热的,它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场,当变化的磁场通过含铁质锅的底部时,即会产生无数小涡流,使锅体本身自行高速升温,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,对人体健康无危害.关于电磁灶,以下说法中正确的是( )
图3
A.电磁灶是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的
B.电磁灶是利用变化的磁场使含铁质锅底产生涡流,使锅体迅速升温,进而对锅内食物加热的
C.电磁灶是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的
D.电磁灶跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的
答案 B
解析 电磁灶的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场,变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流,使锅体温度升高后加热食物,故选项A、D错误,B正确;而选项C是微波炉的加热原理,C错误.
7.(2018·云南大理州新世纪中学高二月考)熔化金属的一种方法是用“高频炉”,它的主要部件是一个铜制线圈,线圈中有一坩埚,埚内放待熔的金属块,当线圈中通以高频交流电时,埚中金属就可以熔化,这是因为( )
A.线圈中的高频交流电通过线圈电阻,产生焦耳热
B.线圈中的高频交流电产生高频微波辐射,深入到金属内部,产生焦耳热
C.线圈中的高频交流电在坩埚中产生感应电流,通过坩埚电阻产生焦耳热
D.线圈中的高频交流电在金属块中产生感应电流,通过金属块电阻产生焦耳热
答案 D
解析 线圈中的高频交流电通过线圈,从而产生变化的电磁场,使得处于电磁场中的金属块产生涡流,进而发热,故A、B、C错误,D正确.
考点二 电磁驱动和电磁阻尼的理解与应用
8.(2018·北京师大附中高二期中)如图4所示,A、B为大小、形状均相同且内壁光滑,但用不同材料制成的圆管,竖直固定在相同高度.两个相同的磁性小球,同时从A、B管上端的管口无初速度释放,穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面,不计空气阻力,下面对于两管的描述中可能正确的是( )
图4
A.A管是用塑料制成的,B管是用铜制成的
B.A管是用铝制成的,B管是用胶木制成的
C.A管是用胶木制成的,B管是用塑料制成的
D.A管是用塑料制成的,B管是用胶木制成的
答案 A
解析 由题意可知,B管中小球下落的速度要小于A管中小球下落的速度,说明小球在B管时受到阻力作用;其原因是金属导体切割磁感线,从而使闭合的导体中产生感应电流,由于磁极间的相互作用而使小球受到向上的阻力,故B管应为金属导体,如铜、铝、铁等,而A管应为绝缘体,如塑料、胶木等,故A正确,B、C、D错误.
9.甲、乙两个完全相同的铜环均可绕竖直固定轴O1O2旋转,现让它们以相同的角速度同时开始转动,由于阻力作用,经相同的时间后停止,若将圆环置于如图5所示的匀强磁场中,甲环的转轴与磁场方向垂直,乙环的转轴与磁场方向平行,现让甲、乙两环同时以相同的初始角速度开始转动后,下列判断正确的是( )
图5
A.甲环先停下B.乙环先停下
C.两环同时停下D.两环都不会停下
答案 A
解析 当铜环转动时,乙环一直与磁场方向平行,穿过乙环的磁通量为零,而穿过甲环的磁通量不断变化,不断有感应电流产生,一定受到安培力,安培力阻碍圆环与磁场间的相对运动,故甲环先停止运动,A正确.
10.(2018·德化县、永安市、漳平市高二第一次联考)如图6所示,水平桌面上放置一铝板,在铝板正上方通过细线将磁性小球悬挂于O点,将小球拉至a处由静止释放,b为摆动的最低点,发现小球未接触铝板但很快停止摆动,铝板始终保持静止,下列判断中正确的是( )
图6
A.小球停止运动主要是由于铝板发生磁化
B.小球由a摆至b过程,桌面对铝板的摩擦力向左
C.由于电磁感应,小球最后可能不停在最低点
D.小球由b摆至c过程,铝板对桌面的压力大于重力
答案 B
解析 小球由a摆至c过程,铝板的磁通量变化,产生感应电流,感应磁场阻碍磁性小球与铝板的相对运动.小球由a摆至b过程,铝板对小球作用力的水平分量向左,小球对铝板作用力的水平分量向右,铝板保持静止,则桌面对铝板的摩擦力向左,故A错误,B正确;小球由b摆至c过程,铝板对小球作用力的竖直分量向下,小球对铝板作用力的竖直分量向上,故铝板对桌面的压力小于重力,故D错误;由能量守恒可知,磁性小球的机械能转化为铝板的内能,最终小球停在最低点,故C错误.
11.(2018·江门市高二调研)如图7所示为游乐场中过山车的“磁力刹车装置”.在过山车两侧安装铜片,停车区的轨道两侧安装强力磁铁,当过山车进入停车区时,铜片与强力磁铁的相互作用使过山车能很快地停下,下列说法中错误的是( )
图7
A.过山车进入停车区时其动能转化成内能
B.过山车进入停车区的过程中两侧的铜片中会产生感应电流
C.把铜片换成有机玻璃片,也能达到相同的刹车效果
D.过山车进入停车区的过程中铜片受到的安培力使过山车减速
答案 C
解析 当过山车进入停车区时,铜片切割磁感线,会在金属内部产生感应电流,铜片受到安培力作用使过山车减速,金属片在磁铁内移动,同时产生内能.玻璃片不是金属,达不到同样的刹车效果,故C错误.
12.(多选)(2018·连云港市、徐州市、宿迁市模拟)图8甲为磁控健身车,图乙为其车轮处结构示意图,在金属飞轮的外侧有一些磁铁(与飞轮不接触),人用力蹬车带动飞轮旋转时,磁铁会对飞轮产生阻碍,拉动旋钮拉线可以改变磁铁与飞轮间的距离.下列说法正确的有( )
图8
A.飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力
B.飞轮转速一定时,磁铁越靠近飞轮,飞轮受到的阻力越小
C.磁铁和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,受到的阻力越小
D.磁铁和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,内部的涡流越强
答案 AD
解析 根据题意,人用力蹬车带动飞轮旋转时,磁铁会对飞轮产生阻碍,则飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力,选项A正确;飞轮转速一定时,磁铁越靠近飞轮,飞轮受到的安培力越大,阻力越大,选项B错误;磁铁和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,磁通量的变化率越大,则内部的涡流越强,产生的安培力越大,受到的阻力越大,选项C错误,D正确.
13.如图9所示,在一蹄形磁铁下面放一个铜盘,铜盘和磁铁均可以绕OO′轴自由转动,两磁极靠近铜盘,但不接触.当磁铁绕轴转动时,铜盘将( )
图9
A.以相同的转速与磁铁同向转动
B.以较小的转速与磁铁同向转动
C.以相同的转速与磁铁反向转动
D.静止不动
答案 B
14.如图10所示,闭合导线圆环和条形磁铁都可以绕水平的中心轴OO′自由转动,开始时磁铁和圆环都静止在竖直平面内,若条形磁铁突然绕OO′轴,N极向纸里,S极向纸外转动,在此过程中,圆环将( )
图10
A.产生逆时针方向的感应电流,圆环上端向里、下端向外随磁铁转动
B.产生顺时针方向的感应电流,圆环上端向外、下端向里转动
C.产生逆时针方向的感应电流,圆环并不转动
D.产生顺时针方向的感应电流,圆环并不转动
答案 A
解析 磁铁开始转动时,环中穿过环向里的磁通量增加,根据楞次定律,环中产生逆时针方向的感应电流.磁铁转动时,为阻碍磁通量的变化,圆环与磁铁同向转动,所以选项A正确.
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- 学年新素养同步导学高中物理选修32课件 讲义含物理核心素养 26 学年 素养 同步 高中物理 选修 32 课件 讲义 物理 核心