關於渦流電磁阻尼和電磁驅的優秀課堂教案
關於渦流電磁阻尼和電磁驅的優秀課堂教案
一、教材分析
本節是選學內容，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例項，培養學生全面認識和對待事物的科學態度。
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律，學會判斷迴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麼因素有關。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。學習中對渦流現象的解釋以及分析是學生遇到的最大挑戰。
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
培養學生客觀、全面地認識事物的科學態度。
（三）情感、態度與價值觀
培養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例項分析。
教學難點：
電磁阻尼和電磁驅動的例項分析。
五、教學手段與策略
透過演示實驗，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麼特點？
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：為什麼要這樣做呢？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，鐵板垂直於鐵芯裡磁感線的方向。在原線圈接交流電。幾分鐘後，讓學生摸摸鐵芯和鐵板，比較它們的溫度，給全班同學。
學生：鐵板的溫度比鐵芯高。
教師：為什麼鐵芯和鐵板會發熱呢？原來在鐵芯和鐵板中有渦流產生。安排學生閱讀教材，瞭解什麼叫渦流？
學生：當線圈中的電流發生變化時，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，線圈接入反覆變化的電流，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。由於導體存在電阻，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：為什麼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，迴路的電阻很大，渦流大為減弱，渦流產生的熱量也減少。
教師：同學們明白了為什麼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，瞭解一下渦流在生產、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，然後發表自己的見解。
學生：閱讀教材後，發表自己的看法。
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，演示電錶指標在偏轉過程中受到的電磁阻尼現象。
學生觀察現象並解釋現象。
［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後釋放，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。上述現象說明了什麼？
學生：觀察現象並作出分析。
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。引導學生觀察並解釋實驗現象。
師生共同活動，得出電磁驅動的概念：
磁場相對於導體運動時，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、點評
教師活動：讓學生概括本節的內容。請一個同學到黑板上總結，其他同學在筆記本上總結，然後請同學評價黑板上的小結內容。
學生活動：認真總結概括本節內容，並把自己這節課的寫下來、比較黑板上的小結和自己的小結，看誰的更好，好在什麼地方。
點評：總結課堂內容，培養學生概括總結能力。
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）例項探究
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生感應電流，感應電流透過焊縫產生大量熱量，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，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。A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，懸於O點，虛線左邊有勻強磁場，右邊沒有磁場。金屬環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，金屬環在穿越磁場邊界時，由於磁通量發生變化，有感應電流產生，於是阻礙相對運動，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
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，一質量分佈均勻的閉合鋁環以初速度v從板的左端沿中線向右端滾動，則（ ）
A．鋁環的滾動速度將越來越小
B．鋁環將保持勻速滾動
C．鋁環的運動將逐漸偏向條形磁鐵的N極或S極
D．鋁環的運動速率會改變，但運動方向將不會發生改變
答案：B
2．如圖所示，閉合金屬環從曲面上 h高處滾下，又沿曲面的另一側上升，設環的初速為零，摩擦不計，曲面處在圖示磁場中，則（ ）
A．若是勻強磁場，環滾上的高度小於 h
B．若是勻強磁場，環滾上的高度等於h
C．若是非勻強磁場，環滾上的高度等於h
D．若是非勻強磁場，環滾上的高度小於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動，如果發現小球做減速運動，則小球的可能是（ ）
A．鐵 B．木
C．銅 D．鋁
答案：CD
4．如圖所示，圓形金屬環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向圓環運動，其軸線在圓環圓心，與環面垂直，則磁鐵在穿過環過程中，做______運動．（選填“加速”、“勻速”或“減速”）
答案：減速
（六）作業
1、認真閱讀教材。
2、思考並完成“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現過程是培養學生能力的關鍵，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。學生素質的培養就成了鏡中花，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
磁場相對於導體運動時，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．利用渦流加熱和熔鍊金屬
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相比有很多優點，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佈的，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”。
工業上把感應加熱依頻率分為四種：工頻（50 Hz）；中頻（0.5~8 kHz）；超音訊（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帶動中頻發電機或用可控矽逆變器產生；超音訊和高頻交變電流由大功率電子管振盪器產生。
課本圖16?41畫的是無心式感應熔爐，用途是熔鍊鑄鐵、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.
感應加熱法也廣泛用於鋼件的熱處理，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。然後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，塊狀金屬內將產生感應電流，這種電流在金屬塊內自成閉合迴路，很像水的旋渦，叫渦電流，簡稱渦流.由於金屬電阻小，所以渦流很強，（如圖1所示）當交流電透過導線時，鐵芯中就產生很強的渦流，這種強電流使鐵芯發熱，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矽鋼片疊壓制成鐵芯，使迴路電阻增大，減少渦流。
在各種電機、變壓器中，渦流是有害的，我們要採取各種辦法來減弱它，其實渦流也是可以利用的，工業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，而且汙染少，適應冶煉特種合金和特種鋼。
渦流也可以應用於生活.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的交流電透過橋式整流裝置改換成直流電，然後透過逆變器，轉換成15 kHz ~50 kHz的高頻電流，此高頻電流透過扁平螺旋形加熱線圈（螺旋中心有圓環形磁芯）產生高頻交變磁場，這個磁場的磁感線穿過非金屬灶檯面板進入烹飪鐵鍋底內，由於電磁感應產生電場，形成強大的渦流電流，發出大量的焦耳熱，達到對食物加熱的目的。