2.3渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)高二下學(xué)期物理人教版選擇性

§2.3渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)1、教材分析本節(jié)課選自2019年人教版《物理》選擇性必修二第二章第3節(jié)。本章教材從電磁感應(yīng)現(xiàn)象、規(guī)律、應(yīng)用這三個(gè)階段逐步展開,2019年人教版《物理》必修三第十三章第3節(jié)《電磁感應(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)用》讓學(xué)生認(rèn)識(shí)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，本章在第1和第2兩節(jié)分別介紹電磁感應(yīng)中的兩個(gè)重要規(guī)律楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律,而最后兩節(jié)則著重介紹特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其應(yīng)用。遞進(jìn)式的結(jié)構(gòu)有助于學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)的知識(shí)建構(gòu)。本節(jié)在本章中承載著復(fù)習(xí)和強(qiáng)化前兩節(jié)中學(xué)到的理論以及拓展學(xué)生在利用渦流服務(wù)生產(chǎn)生活中的視野,從而培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用舊知識(shí)處理新問題的能力以及激發(fā)他們對(duì)科技應(yīng)用的激情,進(jìn)而刺激他們的創(chuàng)新欲望。2、課程標(biāo)準(zhǔn)要求（2017年版）

通過實(shí)驗(yàn)?,了解渦流現(xiàn)象。舉例說明渦流現(xiàn)象在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。3、教材內(nèi)容分析

本節(jié)課圍繞渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)三個(gè)核心概念展開。渦電流的產(chǎn)生具有多種形式,如利用變化的磁場(chǎng)通過塊狀金屬或讓塊狀金屬相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生渦電流的機(jī)理可利用微積分的思想結(jié)合磁生電的條件以及麥克斯韋理論解釋。渦電流具有多種效應(yīng),如熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)等。電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)是渦電流機(jī)械效應(yīng)的表現(xiàn)形式,當(dāng)導(dǎo)體與磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),在某些情況下只需要判明渦流所引起的機(jī)械效果,故可根據(jù)楞次定律的另一種表述推知:渦電流的效果總是反抗引起渦電流的原因,該種效果通過安培力的作用來實(shí)現(xiàn)。

導(dǎo)體在沒有外接電路的情況下能夠產(chǎn)生呈閉合渦旋狀的渦電流,這與學(xué)生的已有認(rèn)識(shí)“感應(yīng)電流”不一致,因此,學(xué)生對(duì)此會(huì)產(chǎn)生認(rèn)識(shí)困難,應(yīng)利用形象直觀的演示實(shí)驗(yàn)及課件來輔助教學(xué),盡量讓學(xué)生充分參與和思考。同時(shí),在認(rèn)知架構(gòu)過程中強(qiáng)調(diào)利用微元法的思想,幫助學(xué)生形成對(duì)渦電流的正確認(rèn)識(shí),學(xué)生在解釋電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象時(shí),需要綜合運(yùn)用電磁感應(yīng)定律、楞次定律和安培力等知識(shí)進(jìn)行邏輯推理,在教學(xué)過程中應(yīng)基于學(xué)生的已有知識(shí)設(shè)置問題鏈以激發(fā)學(xué)生的思考,理解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的本質(zhì)是渦電流所受到的安培力阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

本節(jié)課的內(nèi)容與實(shí)際生活聯(lián)系緊密,在工程技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。在教學(xué)過程中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生正確看待科學(xué)知識(shí)在社會(huì)、生活中的應(yīng)用,形成正確的物理觀和科學(xué)技術(shù)觀。4、學(xué)情分析（1）學(xué)生已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以及學(xué)習(xí)中會(huì)遇到的困難

通過以前的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)具備了一定的分析和解決高中物理問題的能力。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)，但頭腦中沒有渦流這個(gè)概念,也沒有意識(shí)到渦流現(xiàn)象。學(xué)習(xí)中對(duì)渦流現(xiàn)象的解釋以及對(duì)于不同情況下產(chǎn)生渦電流的電動(dòng)勢(shì)類型存在判斷困難,是學(xué)生遇到的最大挑戰(zhàn)。其次,感應(yīng)電流的機(jī)械效應(yīng)——電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)是電磁學(xué)與動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的問題,考慮的是感應(yīng)電流受到的安培力產(chǎn)生的機(jī)械效果。涉及的內(nèi)容較多,存在一定的困難。第三,學(xué)生過去學(xué)習(xí)的都是理想的單匝線圈的問題,而在現(xiàn)實(shí)生活中存在的往往是塊狀的金屬導(dǎo)體,所以渦流現(xiàn)象是生活中更加常見的現(xiàn)象,這是從理想到現(xiàn)實(shí)的一個(gè)飛躍,存在一定的困難。（2）學(xué)生的興趣特點(diǎn)

高二學(xué)生具有一定的創(chuàng)新意識(shí),對(duì)于自然及社會(huì)中各種現(xiàn)象具有濃厚的興趣。他們希望通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,經(jīng)過思考來理解現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,并總結(jié)出其中的規(guī)律。

因此在學(xué)習(xí)渦電流的過程中

,應(yīng)充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的作用,通過教師的引導(dǎo),利用渦流在生活中的實(shí)際應(yīng)用,如電磁爐、金屬探測(cè)器、真空冶煉爐等激發(fā)學(xué)生的興趣,也能讓學(xué)生體會(huì)物理與實(shí)際應(yīng)用的密切聯(lián)系,領(lǐng)略物理學(xué)的魅力。5、教學(xué)重難點(diǎn)（1）教學(xué)重點(diǎn)：1、渦流的概念建立及其應(yīng)用。

2、利用渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)解釋物理現(xiàn)象和生活實(shí)例。（2）教學(xué)難點(diǎn)1、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析。2、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的本質(zhì)是渦流所受到的安培力阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。6、教學(xué)目標(biāo)（物理核心素養(yǎng)）（一）物理觀念1、知道渦流是如何產(chǎn)生的,渦流的本質(zhì)是感應(yīng)電流。2、知道渦流對(duì)我們有有利和不利的兩方面,以及如何利用和防止。3、知道電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng),其本質(zhì)是渦流所受到的安培力阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。（二）科學(xué)思維了解渦流的原理，能在問題情境中應(yīng)用其性質(zhì)進(jìn)行分析，獲得結(jié)論。（三）科學(xué)探究了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的原理及其在生活中、生產(chǎn)中的應(yīng)用。（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任1、培養(yǎng)學(xué)生用辯證唯物主義的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)問題。對(duì)渦流產(chǎn)生效應(yīng)的利弊分析,樹立正確的價(jià)值觀。凡事要有辯證的態(tài)度即一分為二的態(tài)度。2、通過以已掌握知識(shí)“感應(yīng)電流形成原因探究”為基礎(chǔ)過渡到渦流成因的探究,使學(xué)生養(yǎng)成在科學(xué)探究的路上具備質(zhì)疑的態(tài)度。3、體驗(yàn)物理技術(shù)與社會(huì)的聯(lián)系。7、教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)探究法、講授法、教學(xué)媒體設(shè)計(jì)8、教學(xué)過程師：各位同學(xué)大家好，今天我們要學(xué)習(xí)的內(nèi)容是第二章第2節(jié)《渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)》（板書），在開始我們的新課之前，我想請(qǐng)大家先來，大家相信魔法嗎？今天老師將化身一個(gè)魔法師，給大家展示一下我的魔法(一)創(chuàng)設(shè)情境,導(dǎo)入新課探究活動(dòng)1無源之電探究活動(dòng)2電磁爐燒水、金魚（“魔法小魚不怕熱”）師：老師對(duì)兩條小魚施加了魔法，現(xiàn)在小魚是不怕熱的。我們將小魚放在電磁灶上。等著水開的同時(shí)，我向大家展示我的另一項(xiàng)魔法技能，就是可以在沒有連接電源的電路中產(chǎn)生電流，點(diǎn)亮燈泡，現(xiàn)在是展示我的魔法的時(shí)刻了。現(xiàn)象：電磁爐點(diǎn)亮燈泡（演示兩遍）師：我們?cè)诘人_的同時(shí)，請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合電磁爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析一下為什么在沒有電源的情況下小燈泡會(huì)發(fā)亮。（3分鐘）師：這邊是電磁爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，我們發(fā)現(xiàn)它是由加熱線圈（多匝線圈）構(gòu)成。電磁爐通過內(nèi)部控制電路產(chǎn)生交變電流，利用高頻的電流，通過環(huán)形線圈產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)使閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以說小燈泡被點(diǎn)亮。（PPT展示）師：我們把剛才的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化成一個(gè)模型，當(dāng)磁場(chǎng)變強(qiáng)時(shí)，根據(jù)楞次定律，閉合回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向豎直向下，從上往下看，感應(yīng)電流順時(shí)針方向，電流是因?yàn)殡姾傻亩ㄏ蛞苿?dòng)所形成的，假設(shè)自由電荷是電子，那么電子的定向移動(dòng)方向是逆時(shí)針方向，請(qǐng)問回路中使自由電荷定向移動(dòng)的力是什么力？（是洛倫茲力、靜電力？）（兩位同學(xué)，旁邊受力分析，忽略重力，俯視圖）生：洛倫茲力和靜電力、安培力。原因：洛倫茲力與速度方向垂直，只改變速度的大小。靜電力是電荷間的相互作用力，與磁場(chǎng)無關(guān)。安培力：電流在磁場(chǎng)中受到的力。師：根據(jù)必修三教材所說，電子在定向移動(dòng)的過程中會(huì)受到一個(gè)跟電子運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力，現(xiàn)在需要一個(gè)力克服阻力，促進(jìn)電子的運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)力是感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)電子的力（非靜電力），電子受到的電場(chǎng)力方向與電場(chǎng)方向相反，所以回路中電場(chǎng)的方向是順時(shí)針的。師：早在1856年，麥克斯韋就在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了完整的電磁場(chǎng)理論，根據(jù)麥克斯韋的解釋，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)激發(fā)電場(chǎng)（感生），電場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的自由電荷產(chǎn)生力的作用，從而形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在導(dǎo)體閉合的情況下，電荷在定向移動(dòng)的過程中會(huì)形成感應(yīng)電流。師：通過我們剛才的分析，感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線有什么特點(diǎn)？閉合曲線，這一點(diǎn)要跟我們前面所學(xué)的靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)別。師：麥克斯韋認(rèn)為，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生旋渦狀的感生電場(chǎng)，如果電場(chǎng)處存在單匝圓線圈，那么就會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流（環(huán)形電流），那么如果是很多個(gè)單匝圓線圈，那么情況又會(huì)是怎樣呢？師：在這呢，就要用到我們數(shù)學(xué)中的微積分思想，我們?cè)O(shè)想將塊狀金屬（比如鐵盤、不銹鋼碗的底部）進(jìn)行無限分割，可以看成一系列不同半徑的單匝圓線圈緊密疊加而成，最小單位（微元）為單匝圓線圈。無數(shù)個(gè)環(huán)形電流疊加起來，就像水的漩渦。我們把這個(gè)電流稱為渦電流（渦輪流），簡(jiǎn)稱渦流。（PPT展示）探究活動(dòng)2電磁爐燒水師：大家看到水開了嗎？我們找一位同學(xué)來看下，水開了嗎?那你再看看裝小魚的容器。（看溫度和材質(zhì)）師：那你覺得為什么一邊水是冷的，一邊水是熱的。生：小魚的容器是塑料的，燒水的是金屬。師：剛才同學(xué)已經(jīng)破解了我關(guān)于小燈泡發(fā)亮的魔法，那現(xiàn)在誰能給我破解一下為什么我的小魚放到電磁爐上沒有變成魚湯呢？大家按照學(xué)習(xí)小組分組進(jìn)行討論。學(xué)生：變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，金屬中的自由電子會(huì)在感生電場(chǎng)力的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，電荷的定向移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電流（渦流），渦流是電流，電流有熱效應(yīng)，所以電磁灶會(huì)加熱金屬容器。非金屬容器內(nèi)部沒有可以自由移動(dòng)的電荷，不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以不能被加熱。師：結(jié)合感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件想一想，渦流的產(chǎn)生條件是什么？學(xué)生：（1）穿過導(dǎo)體（金屬塊）的磁通量發(fā)生變化；（2）導(dǎo)體（金屬塊）本身可自行構(gòu)成閉合回路。師：結(jié)合渦流的定義及產(chǎn)生條件說說渦流的實(shí)質(zhì)又是什么？學(xué)生：電磁感應(yīng)（感應(yīng)電流）師：渦流實(shí)際上是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)導(dǎo)體處在變化的磁場(chǎng)中，或者導(dǎo)體在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部可以等效成許許多多的閉合電路，當(dāng)穿過這些閉合電路的磁通量變化時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)部的這些閉合電路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。即導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了渦流。師：由于塊狀金屬存在電阻，當(dāng)渦流在塊狀金屬中流動(dòng)時(shí)，就會(huì)釋放出大量的焦耳熱，這就是渦流的熱效應(yīng)。渦流在我們生產(chǎn)生活中的很多地方都有應(yīng)用，電磁爐就是利用渦流的熱效應(yīng)來加熱食物的，因?yàn)橐秒姶鸥袘?yīng)，所以在選材上，電磁爐的鍋應(yīng)該用鐵磁性金屬制造（比如鐵、不銹鋼和搪瓷等），這樣磁感線在鍋體內(nèi)更為集中。在工業(yè)生產(chǎn)中，渦流加熱也可用于真空冶煉和高頻焊接。師：接下來，我們來一起看下真空冶煉的過程。真空冶煉是一種新型的金屬冶煉方式，最高溫度可以達(dá)到2000攝氏度，工作原理就是在線圈中接入高頻電流，在爐內(nèi)金屬中產(chǎn)生渦電流，使?fàn)t內(nèi)金屬發(fā)熱融化；其優(yōu)點(diǎn)是可以在真空中進(jìn)行，避免雜質(zhì)進(jìn)入。播放視頻（教師描述，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)渦流是在金屬物品里面產(chǎn)生的）師：電動(dòng)機(jī)和變壓器的工作原理都跟電磁感應(yīng)現(xiàn)象有關(guān)，內(nèi)部都有鐵芯結(jié)構(gòu)，線圈中流過變化的電流,在鐵芯中產(chǎn)生的渦流使鐵芯發(fā)熱,浪費(fèi)了能量,還可能損壞電器。因此，我們要想減小渦流，我們主要從兩方面入手，1、使用電阻率大的鐵芯材料2、問：用一層層硅鋼片疊成疊成的鐵心代替整塊硅鋼鐵芯。（電流被局限在小回路內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率不變，面積減小，磁通量變化率減小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小，感應(yīng)電流減小，對(duì)渦流有防止的作用。略）師：渦流是電流，通過導(dǎo)體能夠產(chǎn)生熱效應(yīng)、磁效應(yīng)。生活中常見的金屬探測(cè)器、地雷探測(cè)器、安檢門都是渦流磁效應(yīng)的應(yīng)用。請(qǐng)大家閱讀第3637頁最后兩段文字，請(qǐng)同學(xué)說一下金屬探測(cè)器的工作過程。探究活動(dòng)3電磁阻尼管（“時(shí)光隧道”）引導(dǎo)問題：老師費(fèi)了很大勁找到了一個(gè)可以讓時(shí)間變慢的管道（鋁管）。兩個(gè)圓柱體（同學(xué)們觀察）實(shí)驗(yàn)演示：一長(zhǎng)鋁管，中間空心，豎直放置。大小相同的塑料圓柱體和永磁圓柱體，兩圓柱體塊在相同的高度，同時(shí)釋放，學(xué)生觀察比較圓柱體塊的下落。

探究活動(dòng)4電磁爐+鋁箔（“會(huì)飛”的鋁箔）引導(dǎo)：感應(yīng)電流受安培力作用阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，能否將這阻礙轉(zhuǎn)變成一種驅(qū)動(dòng)？

師：我有一張家用鋁箔，現(xiàn)在我對(duì)它施以“魔法”，讓它飛起來，同樣請(qǐng)出我的電磁爐（把鋁箔紙放在碗的邊上，不能直接放鋁箔，因?yàn)殡姶艩t有一個(gè)感應(yīng)裝置），“起”“下去”，再來一次。師：要想解釋以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們就要先從理論的角度出發(fā)，請(qǐng)同學(xué)們分析以下四種情況的線框所受安培力方向。同時(shí)請(qǐng)同學(xué)們分析安培力的作用效果安培力總是阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它跟我們前面所學(xué)的摩檫力很相似，摩檫力既可以充當(dāng)動(dòng)力，也可以充當(dāng)阻力，或者我們換句話說，安培力就是導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間的摩檫力?，F(xiàn)象：鋁管中永磁圓柱體下落的時(shí)間更長(zhǎng)。（請(qǐng)學(xué)生合作）

問：經(jīng)過剛才的理論學(xué)習(xí)，有沒有同學(xué)可以破解我“時(shí)光隧道”的魔法？給大家展示管道是鋁管，磁鐵圓柱體。（演示磁鐵跟鋁管不會(huì)吸引）引導(dǎo)：鋁管可以看到一個(gè)個(gè)鋁環(huán)并排放置，磁鐵經(jīng)過鋁管的過程中，鋁環(huán)中會(huì)有感應(yīng)電流。

學(xué)生回答，教師總結(jié)：磁鐵下落過程中，鋁管中產(chǎn)生感應(yīng)電流，鋁管受到磁場(chǎng)的安培力作用，反過來鋁管對(duì)磁鐵有向上的力的作用。這個(gè)力阻礙磁鐵相對(duì)鋁管的運(yùn)動(dòng)。那么，我們這種現(xiàn)象稱之為電磁阻尼現(xiàn)象。

教師介紹：電磁阻尼的定義，磁電式電流表就是電磁阻尼現(xiàn)象的體現(xiàn)

。線圈繞在鋁框上，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鋁框轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致鋁框的磁通量變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，出現(xiàn)安培阻力，使其很快停止擺動(dòng)。（閱讀教材37思考與討論部分）問：那么鋁箔為什么能懸??？是因?yàn)槲业哪Х▎?？生：電磁爐工作中，鋁箔紙中會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流在磁場(chǎng)中會(huì)受到安培力的作用，安培力驅(qū)動(dòng)鋁箔運(yùn)動(dòng)起來。師：非常好，我們把這樣的現(xiàn)象稱為電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象。它主要應(yīng)用在例如交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、家用電度表、汽車速度計(jì)等磁懸浮的基本原理很簡(jiǎn)單，就是利用“同性相斥、異性相吸”的電磁原理，讓磁鐵對(duì)抗地心引力，讓車輛懸浮起來（一般情況下不超過1厘米），然后利用安培力引導(dǎo)，推動(dòng)列車前行。作為一種新興高速交通模式，高速磁浮列車具有速度快、啟動(dòng)加速度大、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，既可以在長(zhǎng)大干線交通中發(fā)揮出速度優(yōu)勢(shì)，也適用于中短途快