選修第四章第節(jié)渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)

1、選修 3-2 第四章第 7 節(jié)渦流 電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)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

2、以及分析是學(xué) 生遇到的最大挑戰(zhàn)。三、教學(xué)目標(biāo)（一）知識(shí)與技能1知道渦流是如何產(chǎn)生的。2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。3知道電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)。（二）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。（三）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)：1渦流的概念及其應(yīng)用。2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（可拆變壓器） 、電磁阻尼演示裝置（示教電流表、微安表、彈簧、 條形磁鐵），電磁驅(qū)動(dòng)演示裝

3、置（ U 形磁鐵、能繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁框） 。七、課時(shí)安排 ： 1 課時(shí)八、教學(xué)過(guò)程（一）引入新課教師：出示電動(dòng)機(jī)、變壓器鐵芯，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀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。（二）進(jìn)行新課1、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 mm勺鐵板，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

4、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：課件演示，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

5、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。2、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 為 電磁阻尼

6、 。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)。3、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。

7、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)起來(lái)， 這種現(xiàn)象稱為 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。（三）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

8、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。（四）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

9、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邊沒(méi)有磁場(chǎng)。金屬環(huán) 會(huì)有這種現(xiàn)象嗎 化，有感應(yīng)電流產(chǎn)生, 磁場(chǎng)，穿過(guò)金屬環(huán)的【例2】用絲線懸掛閉合金屬環(huán)，懸于0點(diǎn)，虛線左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，右的擺動(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)， 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 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)。（五）鞏固練習(xí)1. 如圖所示，一塊長(zhǎng)方形光

10、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)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)生改變答案：B2. 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： BD3. 如圖所示，在光滑

11、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： CD4. 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). （選填“加速” 、“勻速”或“減速” ）答案：減速（六）作業(yè)1、認(rèn)真閱讀教材。2、思考并完成“問(wèn)題與練習(xí)”中的習(xí)題。3、收集“渦流的利用和防止”方面的資料，在課下交流。（七）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)

12、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。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 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)象稱為 電磁驅(qū) 動(dòng)。十、資料袋1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

13、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（50 Hz）;中頻（8 kHz）;超音頻（2060 Hz）;高頻（60600 kHz）。 工頻交變電流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

14、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：5 kg 的用 20 kHz，100 kg 的用 kHz，5 t 的用 1 kHz 乃至 50 kHz.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。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。2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

15、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)稱渦流 . 由于金屬電阻小，所以渦流很強(qiáng)， （如圖 1 所示）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

16、把 50 Hz 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15 kHz 50 kHz的高頻電流，此高頻電流通過(guò)扁平螺旋形加熱線圈（螺旋中心有圓環(huán)形磁芯）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G為濾波電容，Li為扼流圈，D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，C2為調(diào)諧電容器，L3為加熱線圈，DD和L2C2組成逆變器，通過(guò)計(jì)算可知，加在 D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

17、：f =1/2 n L2C2 ,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15kHz 50kHz之間。從圖3可知，C2兩端的電壓加到L3C3（ La有電阻F3）的串聯(lián)電路上，改變G,使RLsG串聯(lián)電路振動(dòng)頻率f與C2的頻率f相等，這樣在La中的電流振幅最大，La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（加熱線圈）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mm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，所以一般采