選修3-2第四章第7節(jié)《渦流電磁阻尼和電磁驅動》教學設計

1、選修 3-2 第四章第 7 節(jié)渦流 電磁阻尼和電磁驅動一、教材分析本節(jié)是選學內容， 它是又一種特殊的電磁感應現象， 在實際中有許多應用。 可根據各校 的實際情況或選講， 或指導學生閱讀。 渦流和自感現象以及許多現象一樣， 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。 即已經學會 對自感現象的分析， 但頭腦中沒有渦流這個概念而已， 也沒有意識到渦流現象， 線圈本身也 會產生電磁感應現象。學習中對渦

2、流現象的解釋以及分析是學生遇到的最大挑戰(zhàn)。三、教學目標（一）知識與技能1知道渦流是如何產生的。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電磁阻尼和電磁驅動的實例分析。教學難點：電磁阻尼和電磁驅動的實例分析。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

3、磁驅動演示裝置（ U 形磁鐵、能繞軸轉動的鋁框）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

4、原來在鐵芯和鐵板中有渦流產生。 安排學生閱讀教材， 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，若電流變大，則其磁場變強，根據麥克斯韋理論，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 產生了感生電動勢， 從而產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，就會產生電熱，這就是渦流的熱效應。教師：課件演示，渦流的產生過程，增強學生的感性認識。教師

5、：為什么鐵板的溫度比鐵芯高學生： 因為鐵板中的渦流很強， 會產生大量的熱。 而鐵芯中的渦流被限制在狹窄的薄片 之內，回路的電阻很大，渦流大為減弱，渦流產生的熱量也減少。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、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，這種現象稱

6、為 電磁阻尼 。教師：演示 2電磁阻尼。按照教材“做一做”中敘述的內容，演示電表指針在偏轉過程中受到的電磁阻尼現象。學生觀察現象并解釋現象。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。上述現象說明了什么學生：觀察現象并作出分析。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、電磁驅動教師：感應電流不僅會對導體產生阻尼作用，有時還會產

7、生驅動作用。演示 4電磁驅動。演示教材 31 頁的演示實驗。引導學生觀察并解釋實驗現象。 師生共同活動，得出電磁驅動的概念： 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，這種現象稱為 電磁驅動 。教師： 交流感應電動機就是應用電磁驅動的原理工作的。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容。學生活動：認真總結概括本節(jié)內容， 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 ：總結課堂內容，培

8、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容， 允許內容的順序不同， 從而構建他們自己的知 識框架。（四）實例探究渦流的應用屬工件中就產生感應電流， 感應電流通過焊縫產生大量熱量，將金屬融化， 把工件焊接在一例 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生感應電流

9、， 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，感應電動勢就越大。選項正確。工件上焊縫處的電阻大，電流產生的熱量就多， 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。 試解釋這一現象。 若整個空間都 有向外的勻強磁場，會有這種現象嗎分析： 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，有感應電流產生，于是阻礙相對運動，擺動很快停下來，這就是電磁阻 尼現象；空間都有勻強磁場，穿過金屬環(huán)的磁通量反而不變化了， 因此不產生感應電流，不 會阻礙相對運動。（五）鞏固練習

10、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， 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，但運動方向將不會發(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，

11、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)現小球做減速運動，則小球的材料可能是（ ）B木D鋁A鐵C銅 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)現過程是培養(yǎng) 學生能力的關鍵，離開了思維方法和實踐

12、活動，物理教學就成了無源之水、 無本之木。 學生 素質的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。九、板書設計、渦流當線圈中的電流發(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，這種現象稱為 電磁阻尼 。三、電磁驅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， 這種現象稱為 電磁驅動 。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感應的渦流能產生熱效應。 這種加熱方法與用燃料加熱

13、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不是均勻分布的， 越靠近金屬表面 層電流越強，頻率越高這種現象越顯著，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（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機帶 動中頻發(fā)電機或用可控硅逆變器產生；超音頻和高頻交變電流由大功率電子管振蕩器產生。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

14、交變電流的頻率要隨坩鍋能容納的金屬質量多少來選擇，以取得最好的效果。例 如： 5 kg的用20 kHz，100 kg的用 kHz，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 在幾秒鐘內就可上升到淬火需要的高溫， 顏色通紅， 而其內部溫度升高很少。 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

15、金屬內將 產生感應電流，這種電流在金屬塊內自成閉合回路，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）當交流電通過導線時，鐵芯中就產生很強 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。

16、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，轉換 成 15 kHz 50 kHz 的高頻電流，此高頻電流通過扁平螺旋形加熱線圈（螺旋中心有圓環(huán)形磁 芯）產生高頻交變磁場， 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， 由于電 磁感應產生電場，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為高頻轉換電感和電容， C2為調諧電容器， 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

17、流通過逆變器后在 C2 上產生交流電壓， 其頻率為：f=1/2 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（ L3有電阻 R3）的串聯電路上，改變 C3，使 R3L3C3 串聯電路振動頻率 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 變化激起鍋底內部產生渦流 .根據右手定則可知，渦流方向如圖 5 所示，形成一些同心圓。圖5與勵磁線圈 （加熱線圈）通過計算發(fā)現， 鍋底產生的熱功率與交流電的頻率平方成正比， 的安匝數的平方成正比，所以電磁灶一般采用高頻勵磁。用 1620 股直徑為 mm 的銅絲絞 合制成扁平螺旋線圈，以增加安匝數。鐵的磁導率大，電阻也比銅、鋁大些，在相同的頻率和匝數下，產生的熱功率比銅、鋁大，所以一般采用鐵鍋，不用銅鍋、鋁