第四章第7節(jié)《渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動》教學設計

1、選修 3-2 第四章第7 節(jié)渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動一、教材分析本節(jié)是選學內(nèi)容，它是又一種特殊的電磁感應現(xiàn)象，在實際中有許多應用。可根據(jù)各校的實際情況或選講，或指導學生閱讀。渦流和自感現(xiàn)象以及許多現(xiàn)象一樣，都有利弊兩個方面。教學中應充分應用這些實例，培養(yǎng)學生全面認識和對待事物的科學態(tài)度。二、學情分析學生已經(jīng)學習了電路的基本常識以及電磁感應的相關規(guī)律，學會判斷回路是否會產(chǎn)生感應電流以及感應電流的方向，而且還掌握了感應電動勢的大小與什么因素有關。即已經(jīng)學會對自感現(xiàn)象的分析，但頭腦中沒有渦流這個概念而已，也沒有意識到渦流現(xiàn)象，線圈本身也會產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象。學習中對渦流現(xiàn)象的解釋以及分析是學生遇到的最大

2、挑戰(zhàn)。三、教學目標（一）知識與技能1知道渦流是如何產(chǎn)生的。2知道渦流對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。（二）過程與方法培養(yǎng)學生客觀、全面地認識事物的科學態(tài)度。（三）情感、態(tài)度與價值觀培養(yǎng)學生用辯證唯物主義的觀點認識問題。四、重點、難點教學重點：1渦流的概念及其應用。2電磁阻尼和電磁驅(qū)動的實例分析。教學難點：電磁阻尼和電磁驅(qū)動的實例分析。五、教學手段與策略通過演示實驗，引導學生觀察現(xiàn)象、分析實驗六、教學用具：電機、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)動演示裝置（U 形磁鐵、能繞軸轉(zhuǎn)動的鋁

3、框）。七、課時安排： 1 課時八、教學過程（一）引入新課教師：出示電動機、變壓器鐵芯，引導學生仔細觀察其鐵芯有什么特點？學生：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？用一個整塊的金屬做鐵心不是更省事兒？學習了渦流的知識，同學們就會知道其中的奧秘。（二）進行新課1、渦流教師：演示 1渦流生熱實驗。在可拆變壓器的一字鐵下面加一塊厚約 2 mm 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，讓學生摸摸鐵芯和鐵板，比較它們的溫度，報告給全班同學。學生：鐵板的溫度比鐵芯高。教師：為什么鐵芯和鐵板會發(fā)熱呢？原來在鐵芯和鐵板中有渦流產(chǎn)生。安排學生閱讀教

4、材，了解什么叫渦流？學生：當線圈中的電流發(fā)生變化時，這個線圈附近的導體中就會產(chǎn)生感應電流。這種電流看起來很像水的旋渦，所以叫做渦流 。師生共同活動：分析渦流的產(chǎn)生過程。分析：如圖所示，線圈接入反復變化的電流，某段時間內(nèi)，若電流變大，則其磁場變強，根據(jù)麥克斯韋理論，變化的磁場激發(fā)出感生電場。 導體可以看作是由許多閉合線圈組成的， 在感生電場作用下， 這些線圈中產(chǎn)生了感生電動勢， 從而產(chǎn)生渦旋狀的感應電流。 由于導體存在電阻， 當電流在導體中流動時，就會產(chǎn)生電熱，這就是渦流的熱效應。教師：課件演示，渦流的產(chǎn)生過程，增強學生的感性認識。教師：為什么鐵板的溫度比鐵芯高？學生：因為鐵板中的渦流很強， 會

5、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：同學們明白了為什么鐵芯用薄片疊合而成了嗎？學生：為了減少渦流損失的電能，同時也保護鐵芯不被燒壞。教師：下面大家閱讀教材，了解一下渦流在生產(chǎn)、生活、科技等方面的應用。2、電磁阻尼教師：下面我們看教材30 頁上的“思考與討論” ，分組討論，然后發(fā)表自己的見解。學生：閱讀教材后，發(fā)表自己的看法。師生共同活動，得出電磁阻尼的概念：導體在磁場中運動時， 感應電流使導體受到安培力的作用， 安培力的方向總是阻礙導體的運動，這種現(xiàn)象稱為 電磁阻尼 。教師：演示 2電磁阻尼。按照教材“做一做”中敘述的

6、內(nèi)容，演示電表指針在偏轉(zhuǎn)過程中受到的電磁阻尼現(xiàn)象。學生觀察現(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，磁鐵能振動較長時間才停下來。如果在磁鐵下端放一固定線圈，磁鐵會很快停下來。上述現(xiàn)象說明了什么？學生：觀察現(xiàn)象并作出分析。當磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產(chǎn)生感應電流，感應電流的磁場會阻礙磁鐵和線圈靠近或離開， 也就是磁鐵振動時除了空氣阻力外， 還有線圈的磁場力作為阻力，安培阻力較相對較大，因而磁鐵會很快停下來。3、電磁驅(qū)動教師：感應電流不僅會對導體產(chǎn)生阻尼作用，有時還會產(chǎn)生驅(qū)動作用。演示 4電磁驅(qū)動。演示教材 31 頁的演示實驗。引導學生觀察并解

7、釋實驗現(xiàn)象。師生共同活動，得出電磁驅(qū)動的概念：磁場相對于導體運動時，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來，這種現(xiàn)象稱為 電磁驅(qū)動 。教師：交流感應電動機就是應用電磁驅(qū)動的原理工作的。 簡要介紹交流感應電動機的工作過程。（三）課堂總結、點評教師活動： 讓學生概括總結本節(jié)的內(nèi)容。 請一個同學到黑板上總結， 其他同學在筆記本上總結，然后請同學評價黑板上的小結內(nèi)容。學生活動： 認真總結概括本節(jié)內(nèi)容， 并把自己這節(jié)課的體會寫下來、 比較黑板上的小結和自己的小結，看誰的更好，好在什么地方。點評 ：總結課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學生概括總結能力。教師要放開， 讓學生自己總結所學內(nèi)容， 允許內(nèi)容的順序不同

8、， 從而構建他們自己的知識框架。（四）實例探究渦流的應用【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，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應電流，感應電流通過焊縫產(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為焊縫處的電阻小D工件上只有焊縫處溫度升的很高是因為焊縫處的電阻大解析：線圈中通以高頻變化的電流時，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應電流，感應電流的大小與感應電動勢有關，電流變化的頻率越高，電流變化的越快，感應電動勢就越

9、大。A選項正確。工件上焊縫處的電阻大，電流產(chǎn)生的熱量就多，D 選項也正確。答案： AD【例 2】用絲線懸掛閉合金屬環(huán)，懸于O 點，虛線左邊有勻強磁場，右邊沒有磁場。 金屬環(huán)的擺動會很快停下來。試解釋這一現(xiàn)象。若整個空間都有向外的勻強磁場，會有這種現(xiàn)象嗎？分析： 只有左邊有勻強磁場，金屬環(huán)在穿越磁場邊界時，由于磁通量發(fā)生變化，有感應電流產(chǎn)生，于是阻礙相對運動，擺動很快停下來，這就是電磁阻尼現(xiàn)象；空間都有勻強磁場，穿過金屬環(huán)的磁通量反而不變化了，因此不產(chǎn)生感應電流，不會阻礙相對運動。（五）鞏固練習1如圖所示，一塊長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

10、閉合鋁環(huán)以初速度v 從板的左端沿中線向右端滾動，則（）A鋁環(huán)的滾動速度將越來越小B鋁環(huán)將保持勻速滾動C鋁環(huán)的運動將逐漸偏向條形磁鐵的N 極或 S 極D鋁環(huán)的運動速率會改變，但運動方向?qū)⒉粫l(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，設環(huán)的初速為零，摩擦不計，曲面處在圖示磁場中，則（）A若是勻強磁場，環(huán)滾上的高度小于hB若是勻強磁場，環(huán)滾上的高度等于hC若是非勻強磁場，環(huán)滾上的高度等于hD若是非勻強磁場，環(huán)滾上的高度小于h答案： BD3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動，如果發(fā)現(xiàn)小球做減速運動，則小球的材料可能是（

11、）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軌上，條形磁鐵沿導軌以初速度v0 向圓環(huán)運動，其軸線在圓環(huán)圓心，與環(huán)面垂直， 則磁鐵在穿過環(huán)過程中，做 _運動（選填“加速”、“勻速”或“減速” ）答案：減速（六）作業(yè)1、認真閱讀教材。2、思考并完成“問題與練習”中的習題。3、收集“渦流的利用和防止”方面的資料，在課下交流。（七）教學反思思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學的根本；親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學生能力的關鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學就成了無源之水、無本之木。 學生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。九、板書設計一、渦流當線圈中的電流發(fā)生變化

12、時，這個線圈附近的導體中就會產(chǎn)生感應電流。這種電流看起來很像水的旋渦，所以叫做渦流。應用：真空冶煉爐、探雷器、安檢門。二、電磁阻尼導體在磁場中運動時，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力的方向總是阻礙導體的運動，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼 。三、電磁驅(qū)動磁場相對于導體運動時，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來，這種現(xiàn)象稱為 電磁驅(qū)動 。十、資料袋1利用渦流加熱和熔煉金屬交變電流的磁場在金屬內(nèi)感應的渦流能產(chǎn)生熱效應。這種加熱方法與用燃料加熱相比有很多優(yōu)點，除課本所述外還有：加熱效率高，達到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，這是因為渦流在金屬內(nèi)不是

13、均勻分布的，越靠近金屬表面層電流越強，頻率越高這種現(xiàn)象越顯著，稱為“趨膚效應”。工業(yè)上把感應加熱依頻率分為四種：工頻（ 50 Hz ）；中頻（ 0.58 kHz ）；超音頻（ 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2060動機帶動中頻發(fā)電機或用可控硅逆變器產(chǎn)生；產(chǎn)生。超音頻和高頻交變電流由大功率電子管振蕩器課本圖 1641 畫的是無心式感應熔爐，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)量多少來選擇，以取得最好的效果。例如： 5 kg 的用 20 kHz ， 100 kg 的用 2.5 kH

14、z ， 5 t 的用 1 kHz 乃至 50 kHz.感應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中，或者讓它在磁場中運動時，塊狀金屬內(nèi)將產(chǎn)生感應電流，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，簡稱渦流由于金屬電阻小，所以渦流很強，（如圖 1 所示）

15、當交流電通過導線時，鐵芯中就產(chǎn)生很強的渦流，這種強電流使鐵芯發(fā)熱，浪費電能.為了減少損失，電機、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、變壓器中，渦流是有害的， 我們要采取各種辦法來減弱它，其實渦流也是可以利用的，工業(yè)上的高頻感應爐就是利用渦流來熔化、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，適應冶煉特種合金和特種鋼。渦流也可以應用于生活.本文將要介紹的電磁灶就是渦流在生活中的應用。電磁灶首先把50 Hz的交流電通過橋式整流裝置改換成直流電，然后通過逆變器，轉(zhuǎn)換成 15 kHz50 kHz 的高頻電流，此高頻電流通過扁平螺旋形加熱

16、線圈（螺旋中心有圓環(huán)形磁芯） 產(chǎn)生高頻交變磁場，這個磁場的磁感線穿過非金屬灶臺面板進入烹飪鐵鍋底內(nèi)，由于電磁感應產(chǎn)生電場，形成強大的渦流電流，發(fā)出大量的焦耳熱，達到對食物加熱的目的。圖 1圖 2圖 2 是電磁灶的內(nèi)部電路.圖中 C1 為濾波電容， L1 為扼流圈， D1 和 D2 為半導體高速二極管， 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， D1D2 和 L2C2 組成逆變器， 通過計算可知，加在D1 上的直流電流通過逆變器后在C2 上產(chǎn)生交流電壓，其頻率為：f=1/2 L 2C 2 ，如果改變 L 2和 C2的值可獲得不同頻率的交變電壓，一般f在15k

17、Hz50kHz 之間。從圖 3 可知，C2兩端的電壓加到333333 3C3LC （L有電阻 R ）的串聯(lián)電路上， 改變 C ，使 R L串聯(lián)電路振動頻率 f 與 C2 的頻率 f 相等，這樣在L 3 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，電磁灶的熱功率最大。下面談談電磁灶給鍋加熱的情況，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，這個磁場從圓心沿徑向分布。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通過計算發(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磁。用1620 股直徑為 0.5 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，所以一般采用鐵鍋，