高中物理《渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動》教案 （人教版選修3-2）

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111 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(xué)內(nèi)容，它是又一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在實際中有許多應(yīng)用。可根據(jù)各校的實際情況或選講，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，都有利弊兩個方面。教學(xué)中應(yīng)充分應(yīng)用這些實例，培養(yǎng)學(xué)生全面認(rèn)識和對待事物的科學(xué)態(tài)度。 二、學(xué)情分析 學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電路的基本常識以及電磁感應(yīng)的相關(guān)規(guī)律，學(xué)會判斷回路是否會產(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)電動勢的大小與什么因素有關(guān)。即已經(jīng)學(xué)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(yīng)現(xiàn)象。學(xué)習(xí)中對渦流現(xiàn)象的解釋以及分析是學(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(xué)生客觀、全面地認(rèn)識事物的科學(xué)態(tài)度。 （三）情感、態(tài)度與價值觀 培養(yǎng)學(xué)生用辯證唯物主義的觀點認(rèn)識問題。 四、重點、難點 教學(xué)重點： 1．渦流的概念及其應(yīng)用。 2．電磁阻尼和電磁驅(qū)動的實例分析。 教學(xué)難點： 電磁阻尼和電磁驅(qū)動的實例分析。 五、教學(xué)手段與策略 通過演示實驗，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、分析實驗 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)動演示裝置（U形磁鐵、能繞軸轉(zhuǎn)動的鋁框）。 七、課時安排 ： 1課時 八、教學(xué)過程 （一）引入新課 教師：出示電動機(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？ 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？用一個整塊的金屬做鐵心不是更省事兒？學(xué)習(xí)了渦流的知識，同學(xué)們就會知道其中的奧秘。 （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(xué)生摸摸鐵芯和鐵板，比較它們的溫度，報告給全班同學(xué)。 學(xué)生：鐵板的溫度比鐵芯高。 教師：為什么鐵芯和鐵板會發(fā)熱呢？原來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，這個線圈附近的導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)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(fù)變化的電流，某段時間內(nèi)，若電流變大，則其磁場變強(qiáng)，根據(jù)麥克斯韋理論，變化的磁場激發(fā)出感生電場。導(dǎo)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(yīng)電流。由于導(dǎo)體存在電阻，當(dāng)電流在導(dǎo)體中流動時，就會產(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)生過程，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識。 教師：為什么鐵板的溫度比鐵芯高？ 學(xué)生：因為鐵板中的渦流很強(qiáng)，會產(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頁上的“思考與討論”，分組討論，然后發(fā)表自己的見解。 學(xué)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(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時，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，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(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(xué)生：觀察現(xiàn)象并作出分析。 當(dāng)磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)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(yīng)電流不僅會對導(dǎo)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(dǎo)學(xué)生觀察并解釋實驗現(xiàn)象。 師生共同活動，得出電磁驅(qū)動的概念： 磁場相對于導(dǎo)體運(yùn)動時，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)動起來，這種現(xiàn)象稱為電磁驅(qū)動。 教師：交流感應(yīng)電動機(jī)就是應(yīng)用電磁驅(qū)動的原理工作的。簡要介紹交流感應(yīng)電動機(jī)的工作過程。 （三）課堂總結(jié)、點評 教師活動：讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請一個同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請同學(xué)評價黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰的更好，好在什么地方。 點評：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，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)建他們自己的知識框架。 （四）實例探究 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，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(yīng)電流，感應(yīng)電流的大小與感應(yīng)電動勢有關(guān)，電流變化的頻率越高，電流變化的越快，感應(yīng)電動勢就越大。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(qiáng)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(qiáng)磁場，會有這種現(xiàn)象嗎？分析：只有左邊有勻強(qiáng)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(yīng)電流產(chǎn)生，于是阻礙相對運(yùn)動，擺動很快停下來，這就是電磁阻尼現(xiàn)象；空間都有勻強(qiáng)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(yīng)電流，不會阻礙相對運(yùn)動。 （五）鞏固練習(xí) 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(yùn)動將逐漸偏向條形磁鐵的N極或S極 D．鋁環(huán)的運(yùn)動速率會改變，但運(yùn)動方向?qū)⒉粫l(fā)生改變 答案：B 2．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，曲面處在圖示磁場中，則（ ） A．若是勻強(qiáng)磁場，環(huán)滾上的高度小于 h B．若是勻強(qiáng)磁場，環(huán)滾上的高度等于h C．若是非勻強(qiáng)磁場，環(huán)滾上的高度等于h D．若是非勻強(qiáng)磁場，環(huán)滾上的高度小于h 答案：BD 3．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，如果發(fā)現(xiàn)小球做減速運(yùn)動，則小球的材料可能是（ ） A．鐵 B．木 C．銅 D．鋁 答案：CD 4．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，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(yùn)動．（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 思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學(xué)的根本；親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學(xué)就成了無源之水、無本之木。學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。 九、板書設(shè)計 一、渦流 當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時，這個線圈附近的導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流看起來很像水的旋渦，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)體在磁場中運(yùn)動時，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，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼。 三、電磁驅(qū)動 磁場相對于導(dǎo)體運(yùn)動時，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(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，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，這是因為渦流在金屬內(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（0.5~8 kHz）；超音頻（20~60 Hz）；高頻（60~600 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(jī)帶動中頻發(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16—41畫的是無心式感應(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)量多少來選擇，以取得最好的效果。例如： 5 kg的用20 kHz， 100 kg的用2.5 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中，或者讓它在磁場中運(yùn)動時，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)交流電通過導(dǎo)線時，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減弱它，其實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 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(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(jìn)入烹飪鐵鍋底內(nèi)，由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生電場，形成強(qiáng)大的渦流電流，發(fā)出大量的焦耳熱，達(dá)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(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，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=1/2π，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(lián)電路上，改變C3，使R3L3C3串聯(lián)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(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，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16~20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(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，所以一般采用鐵鍋，不用銅鍋、鋁鍋.從圖4可以看出渦流主要分布在鍋底的表面，故鍋底在保持機(jī)械強(qiáng)度的條件下可以做得很薄，同時為了減少空隙磁阻，鍋底做成平底。 電磁灶加熱溫度在50~200 ℃范圍內(nèi)，功率在300~1200 W之間，電磁灶是通過鍋底渦流發(fā)熱，不存在熱量在傳遞過程中的損耗，故熱效率高達(dá)83%（普通電爐的熱效率為52%），電磁灶的耗電量只有電爐的63%。 電磁灶是美國西屋電器公司于1971年最先研制成功的，以后經(jīng)過日本廠商的努力，到80年代初才成為技術(shù)成熟的家電產(chǎn)品，我國也開發(fā)了這種新產(chǎn)品。它是一種安全、衛(wèi)生、高效節(jié)能的炊具，是“現(xiàn)在廚房的標(biāo)志”之一。 111