渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)_1

1、渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)選修3-2第四章第7節(jié)一、教材分析本節(jié)是選學(xué)內(nèi)容，它是又一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在 實(shí)際中有許多應(yīng)用?？筛鶕?jù)各校的實(shí)際情況或選講，或指導(dǎo) 學(xué)生閱讀。渦流和自感現(xiàn)象以及許多現(xiàn)象一樣，都有利弊兩 個(gè)方面。教學(xué)中應(yīng)充分應(yīng)用這些實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生全面認(rèn)識(shí)和 對(duì)待事物的科學(xué)態(tài)度。二、學(xué)情分析學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電路的基本常識(shí)以及電磁感應(yīng)的相關(guān) 規(guī)律，學(xué)會(huì)判斷回路是否會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流以及感應(yīng)電流的方 向，而且還掌握了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與什么因素有關(guān)。即已 經(jīng)學(xué)會(huì)對(duì)自感現(xiàn)象的分析，但頭腦中沒(méi)有渦流這個(gè)概念而 已，也沒(méi)有意識(shí)到渦流現(xiàn)象，線圈本身也會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn) 象。學(xué)習(xí)中對(duì)渦流現(xiàn)象的解釋以及分析是學(xué)

2、生遇到的最大挑 戰(zhàn)。三、教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能.知道渦流是如何產(chǎn)生的。.知道渦流對(duì)我們有不利和有利的兩方面，以及如何利用和防止.知道電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)。過(guò)程與方法培養(yǎng)學(xué)生客觀、全面地認(rèn)識(shí)事物的科學(xué)態(tài)度。情感、態(tài)度與價(jià)值觀培養(yǎng)學(xué)生用辯證唯物主義的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)問(wèn)題。四、重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：.渦流的概念及其應(yīng)用。.電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析。教學(xué)難點(diǎn)：電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析。五、教學(xué)手段與策略通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)六、教學(xué)用具：電機(jī)、變壓器鐵芯、演示渦流生熱裝置、電磁阻尼演示 裝置，電磁驅(qū)動(dòng)演示裝置。七、課時(shí)安排：1課時(shí)八、教學(xué)過(guò)程引入新教師：出示電動(dòng)機(jī)、變壓器鐵芯，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀

3、察其 鐵芯有什么特點(diǎn)？學(xué)生：它們的鐵芯都不是整塊金屬，而是由許多薄片疊合而成的教師：為什么要這樣做呢？用一個(gè)整塊的金屬做鐵心不 是更省事兒？學(xué)習(xí)了渦流的知識(shí)，同學(xué)們就會(huì)知道其中的奧 秘。進(jìn)行新渦流教師：演示1渦流生熱實(shí)驗(yàn)。在可拆變壓器的一字鐵下面加一塊厚約 2的鐵板，鐵板 垂直于鐵芯里磁感線的方向。 在原線圈接交流電。幾分鐘后， 讓學(xué)生摸摸鐵芯和鐵板， 比較它們的溫度，報(bào)告給全班同學(xué)。學(xué)生：鐵板的溫度比鐵芯高。教師：為什么鐵芯和鐵板會(huì)發(fā)熱呢？原來(lái)在鐵芯和鐵板 中有渦流產(chǎn)生。安排學(xué)生閱讀教材，了解什么叫渦流？學(xué)生：當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)線圈附近的導(dǎo) 體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流看起來(lái)很

4、像水的旋渦，所 以叫做渦流。師生共同活動(dòng)：分析渦流的產(chǎn)生過(guò)程。分析：如圖所示，線圈接入反復(fù)變化的電流，某段時(shí)間 內(nèi)，若電流變大，則其磁場(chǎng)變強(qiáng)，根據(jù)麥克斯韋理論，變化 的磁場(chǎng)激發(fā)出感生電場(chǎng)。導(dǎo)體可以看作是由許多閉合線圈組 成的，在感生電場(chǎng)作用下，這些線圈中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)， 從而產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng)電流。由于導(dǎo)體存在電阻，當(dāng)電流在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電熱，這就是渦流的熱效應(yīng)。教師：演示，渦流的產(chǎn)生過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。教師：為什么鐵板的溫度比鐵芯高？學(xué)生：因?yàn)殍F板中的渦流很強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱。而鐵 芯中的渦流被限制在狹窄的薄片之內(nèi)，回路的電阻很大，渦 流大為減弱，渦流產(chǎn)生的熱量也減少。教師：同

5、學(xué)們明白了為什么鐵芯用薄片疊合而成了嗎？學(xué)生：為了減少渦流損失的電能，同時(shí)也保護(hù)鐵芯不被 燒壞。教師：下面大家閱讀教材，了解一下渦流在生產(chǎn)、 生活、 科技等方面的應(yīng)用。電磁阻尼教師：下面我們看教材 30頁(yè)上的“思考與討論”，分 組討論，然后發(fā)表自己的見(jiàn)解。學(xué)生：閱讀教材后，發(fā)表自己的看法。師生共同活動(dòng)，得出電磁阻尼的概念：導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作 用，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁 阻尼。教師：演示2電磁阻尼。按照教材“做一做”中敘述的內(nèi)容，演示電表指針在偏轉(zhuǎn)過(guò)程中受到的電磁阻尼現(xiàn)象 學(xué)生觀察現(xiàn)象并解釋現(xiàn)象。演示3如圖所示，彈簧下端懸掛一根磁鐵，將磁鐵

6、 托起到某高度后釋放，磁鐵能振動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間才停下來(lái)。如果 在磁鐵下端放一固定線圈，磁鐵會(huì)很快停下來(lái)。上述現(xiàn)象說(shuō) 明了什么？學(xué)生：觀察現(xiàn)象并作出分析。當(dāng)磁鐵穿過(guò)固定的閉合線圈時(shí)，在閉合線圈中會(huì)產(chǎn)生感 應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)會(huì)阻礙磁鐵和線圈靠近或離開(kāi)，也 就是磁鐵振動(dòng)時(shí)除了空氣阻力外，還有線圈的磁場(chǎng)力作為阻 力，安培阻力較相對(duì)較大，因而磁鐵會(huì)很快停下來(lái)。電磁驅(qū)動(dòng)教師：感應(yīng)電流不僅會(huì)對(duì)導(dǎo)體產(chǎn)生阻尼作用，有時(shí)還會(huì) 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用。演示4電磁驅(qū)動(dòng)。演示教材31頁(yè)的演示實(shí)驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生觀察并解釋實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象。師生共同活動(dòng)，得出電磁驅(qū)動(dòng)的概念：磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的 作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)

7、起來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁驅(qū)動(dòng)。教師：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)就是應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)的原理工作 的。簡(jiǎn)要介紹交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程。課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng)教師活動(dòng)：讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到 黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑 板上的小結(jié)內(nèi)容。學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的 體會(huì)寫(xiě)下來(lái)、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰(shuí)的更好，好在什么地方。點(diǎn)評(píng)：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。教師要放開(kāi)，讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，允許內(nèi)容的順 序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識(shí)框架。實(shí)例探究渦流的應(yīng)用【例1】如圖所示是高頻焊接原理示意圖.線圈中通以 高頻變化的電流時(shí)，待焊接的金屬工件中就

8、產(chǎn)生感應(yīng)電流， 感應(yīng)電流通過(guò)焊縫產(chǎn)生大量熱量，將金屬融化，把工件焊接 在一起，而工件其他部分發(fā)熱很少，以下說(shuō)法正確的是A. 電流變化的頻率越高，焊縫處的溫度升高的越快B. 電流變化的頻率越低，焊縫處的溫度升高的越快c.工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p處的電 阻小D.工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p處的電 阻大解析：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，電流變化的越快，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大。 A選項(xiàng)正確。工件上焊縫處的電阻大， 電流產(chǎn)生的熱量就多， D選項(xiàng)也正確。答案：AD【例2】用絲線懸掛閉合金屬環(huán)，懸于o

9、點(diǎn)，虛線左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，右邊沒(méi)有磁場(chǎng)。金屬環(huán)的擺動(dòng)會(huì)很快停下來(lái)。 試解釋這一現(xiàn)象。若整個(gè)空間都有向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，會(huì)有這 種現(xiàn)象嗎？分析：只有左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，金屬環(huán)在穿越磁場(chǎng)邊界時(shí)， 由于磁通量發(fā)生變化， 有感應(yīng)電流產(chǎn)生，于是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 擺動(dòng)很快停下來(lái)，這就是電磁阻尼現(xiàn)象； 空間都有勻強(qiáng)磁場(chǎng)， 穿過(guò)金屬環(huán)的磁通量反而不變化了，因此不產(chǎn)生感應(yīng)電流， 不會(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)。鞏固練習(xí).如圖所示，一塊長(zhǎng)方形光滑鋁板水平放在桌面上，鋁 板右端拼接一根與鋁板等厚的條形磁鐵，一質(zhì)量分布均勻的 閉合鋁環(huán)以初速度 v從板的左端沿中線向右端滾動(dòng)，則A. 鋁環(huán)的滾動(dòng)速度將越來(lái)越小B. 鋁環(huán)將保持勻速滾動(dòng)c .鋁環(huán)的運(yùn)

10、動(dòng)將逐漸偏向條形磁鐵的N極或S極D.鋁環(huán)的運(yùn)動(dòng)速率會(huì)改變，但運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒉粫?huì)發(fā)生改答案：B.如圖所示，閉合金屬環(huán)從曲面上h高處滾下，又沿曲面的另一側(cè)上升，設(shè)環(huán)的初速為零，摩擦不計(jì)，曲面處在圖 示磁場(chǎng)中，則A. 若是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度小于hB. 若是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度等于hc .若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度等于hD.若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度小于h答案：BD.如圖所示，在光滑水平面上固定一條形磁鐵，有一小 球以一定的初速度向磁鐵方向運(yùn)動(dòng)，如果發(fā)現(xiàn)小球做減速運(yùn) 動(dòng)，則小球的材料可能是A.鐵B.木c .銅D.鋁答案：cD.如圖所示，圓形金屬環(huán)豎直固定穿套在光滑水平導(dǎo)軌 上，條形磁鐵沿導(dǎo)軌以初

11、速度v0向圓環(huán)運(yùn)動(dòng)，其軸線在圓環(huán)圓心，與環(huán)面垂直，則磁鐵在穿過(guò)環(huán)過(guò)程中，做 運(yùn)動(dòng).答案：減速作業(yè)認(rèn)真閱讀教材。思考并完成“問(wèn)題與練習(xí)”中的習(xí)題。收集“渦流的利用和防止”方面的資料，在課下交流。教學(xué)反思思維方法是解決問(wèn)題的靈魂，是物理教學(xué)的根本；親自 實(shí)踐參與知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵，離開(kāi)了思 維方法和實(shí)踐活動(dòng)，物理教學(xué)就成了無(wú)源之水、無(wú)本之木。 學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。九、板書(shū)設(shè)計(jì)一、渦流當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)線圈附近的導(dǎo)體中就 會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流看起來(lái)很像水的旋渦，所以叫做 渦流。應(yīng)用：真空冶煉爐、探雷器、安檢門(mén)。二、電磁阻尼導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流使

12、導(dǎo)體受到安培力的作 用，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁 阻尼。三、電磁驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的 作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁驅(qū)動(dòng)。十、資料袋.利用渦流加熱和熔煉金屬交變電流的磁場(chǎng)在金屬內(nèi)感應(yīng)的渦流能產(chǎn)生熱效應(yīng)。這 種加熱方法與用燃料加熱相比有很多優(yōu)點(diǎn)，除課本所述外還 有：加熱效率高，達(dá)到 50%90%加熱速度快；用不同頻率 的交變電流可得到不同的加熱深度，這是因?yàn)闇u流在金屬內(nèi) 不是均勻分布的，越靠近金屬表面層電流越強(qiáng)，頻率越高這 種現(xiàn)象越顯著，稱(chēng)為“趨膚效應(yīng)”。工業(yè)上把感應(yīng)加熱依頻率分為四種：工頻；中頻；超音 頻；高頻。工頻交變電流

13、直接由配電變壓器提供；中頻交變 電流由三相電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)中頻發(fā)電機(jī)或用可控硅逆變器產(chǎn)生； 超音頻和高頻交變電流由大功率電子管振蕩器產(chǎn)生。課本圖1641畫(huà)的是無(wú)心式感應(yīng)熔爐，用途是熔煉鑄 鐵、鋼、合金鋼和銅、鋁等有色金屬.所用交變電流的頻率要隨坩鍋能容納的金屬質(zhì)量多少來(lái)選擇，以取得最好的效 果。例如：5g的用20Hz，100g的用2.5Hz，5t的用1Hz乃 至 50Hz.感應(yīng)加熱法也廣泛用于鋼件的熱處理，如淬火、回火、 表面滲碳等.例如齒輪、軸等只需要將表面淬火提高硬度、 增加耐磨性，可以把它放入通有高頻交流的空心線圈中，表 面層在幾秒鐘內(nèi)就可上升到淬火需要的高溫，顏色通紅，而 其內(nèi)部溫度升高很少

14、。然后用水或其他淬火劑迅速冷卻就可 以了.其他的熱處理工藝可根據(jù)需要的加熱深度選用中頻或工頻等.渦流與節(jié)能炊具電磁灶我們知道，把塊狀的金屬放在變化的磁場(chǎng)中，或者讓它 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，塊狀金屬內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在 金屬塊內(nèi)自成閉合回路，很像水的旋渦，叫渦電流，簡(jiǎn)稱(chēng)渦 流.由于金屬電阻小，所以渦流很強(qiáng)，當(dāng)交流電通過(guò)導(dǎo)線時(shí)， 鐵芯中就產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流，這種強(qiáng)電流使鐵芯發(fā)熱，浪費(fèi)電 能.為了減少損失，電機(jī)、變壓器等通常用具有絕緣層的薄 硅鋼片疊壓制成鐵芯，使回路電阻增大，減少渦流。在各種電機(jī)、變壓器中，渦流是有害的，我們要采取各 種辦法來(lái)減弱它，其實(shí)渦流也是可以利用的，工業(yè)上的高頻 感應(yīng)爐就是利

15、用渦流來(lái)熔化、冶煉金屬的.這種冶煉方法速度快，溫度容易控制，而且污染少，適應(yīng)冶煉特種合金和特 種鋼。渦流也可以應(yīng)用于生活.本文將要介紹的電磁灶就是渦 流在生活中的應(yīng)用。電磁灶首先把 50Hz的交流電通過(guò)橋式整流裝置改換成 直流電，然后通過(guò)逆變器，轉(zhuǎn)換成15Hz50Hz的高頻電流，此高頻電流通過(guò)扁平螺旋形加熱線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，這 個(gè)磁場(chǎng)的磁感線穿過(guò)非金屬灶臺(tái)面板進(jìn)入烹飪鐵鍋底內(nèi)，由 于電磁感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)，形成強(qiáng)大的渦流電流，發(fā)出大量的焦 耳熱，達(dá)到對(duì)食物加熱的目的。圖1圖2圖2是電磁灶的內(nèi)部電路.圖中cl為濾波電容，L1為扼流圈，D1和D2為半導(dǎo)體高速二極管，L2和c2為高頻轉(zhuǎn)換 電感和電容，

16、c2為調(diào)諧電容器，L3為加熱線圈，D1D2和L2c2 組成逆變器，通過(guò)計(jì)算可知，加在 D1上的直流電流通過(guò)逆 變器后在c2上產(chǎn)生交流電壓，其頻率為：f=1/2 n，如果改變L2和c2的值可獲得不同頻率的交 變電壓，一般f在15Hz50Hz之間。從圖3可知，c2兩端的電壓加到L3c3的串聯(lián)電路上， 改變c3，使R3L3c3串聯(lián)電路振動(dòng)頻率f與c2的頻率f相等， 這樣在L3中的電流振幅最大，L3中交變電流在鐵鍋底中的 的振幅也最大，產(chǎn)生的渦流最強(qiáng)，電磁灶的熱功率最大。下面談?wù)勲姶旁罱o鍋加熱的情況，如圖4為放在加熱圖上的鍋底剖面圖，B是加熱圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng) 從圓心沿徑向分布。其磁感線分布形狀如圖5所示的傘形。B的變化激起鍋底內(nèi)部產(chǎn)生渦流.根據(jù)右手定則可知，渦流方 向如圖5所示，形成一些同心圓。圖3圖4圖5通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鍋底產(chǎn)生的熱功率與交流電的頻率平方 成正比，與勵(lì)磁線圈的安匝數(shù)的平方成正比，所以電磁灶一 般采用高頻勵(lì)磁。用1620股直徑為0.5的銅絲絞合制成扁 平螺旋線圈，以增加安匝數(shù)。鐵的磁導(dǎo)率大，電阻也比銅、鋁大些，在相同的頻率和匝數(shù)下，產(chǎn)生的熱功率比銅、鋁大，所以一般