關(guān)于渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)的優(yōu)秀課堂教案
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(shí)際中有許多應(yīng)用。可根據(jù)各校的實(shí)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(gè)方面。教學(xué)中應(yīng)充分應(yīng)用這些實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生全面認(rèn)識(shí)和對(duì)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(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)。即已經(jīng)學(xué)會(huì)對(duì)自感現(xiàn)象的分析，但頭腦中沒(méi)有渦流這個(gè)概念而已，也沒(méi)有意識(shí)到渦流現(xiàn)象，線(xiàn)圈本身也會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象。學(xué)習(xí)中對(duì)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)
�。ㄒ唬┲R(shí)與技能
1．知道渦流是如何產(chǎn)生的。
2．知道渦流對(duì)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(dòng)。
（二）過(guò)程與方法
培養(yǎng)學(xué)生客觀(guān)、全面地認(rèn)識(shí)事物的科學(xué)態(tài)度。
（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān)
培養(yǎng)學(xué)生用辯證唯物主義的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)識(shí)問(wèn)題。
四、重點(diǎn)、難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn)：
1．渦流的概念及其應(yīng)用。
2．電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析。
教學(xué)難點(diǎn)：
電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析。
五、教學(xué)手段與策略
通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)
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(dòng)演示裝置（U形磁鐵、能繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁框）。
七、課時(shí)安排 ： 1課時(shí)
八、教學(xué)過(guò)程
�。ㄒ唬┮胄抡n
教師：出示電動(dòng)機(jī)、變壓器鐵芯，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀(guān)察其鐵芯有什么特點(diǎn)？
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(gè)整塊的金屬做鐵心不是更省事兒？學(xué)習(xí)了渦流的知識(shí)，同學(xué)們就會(huì)知道其中的奧秘。
�。ǘ┻M(jìn)行新課
1、渦流
教師：［演示1］渦流生熱實(shí)驗(yàn)。
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(xiàn)的方向。在原線(xiàn)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，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(huì)發(fā)熱呢？原來(lái)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(xiàn)圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)線(xiàn)圈附近的導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流看起來(lái)很像水的旋渦，所以叫做渦流。
師生共同活動(dòng)：分析渦流的產(chǎn)生過(guò)程。
分析：如圖所示，線(xiàn)圈接入反復(fù)變化的電流，某段時(shí)間內(nèi)，若電流變大，則其磁場(chǎng)變強(qiáng)，根據(jù)麥克斯韋理論，變化的磁場(chǎng)激發(fā)出感生電場(chǎng)。導(dǎo)體可以看作是由許多閉合線(xiàn)圈組成的，在感生電場(chǎng)作用下，這些線(xiàn)圈中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)時(shí)，就會(huì)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(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。
教師：為什么鐵板的溫度比鐵芯高？
學(xué)生：因?yàn)殍F板中的渦流很強(qiáng)，會(huì)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(shí)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(yè)上的“思考與討論”，分組討論，然后發(fā)表自己的見(jiàn)解。
學(xué)生：閱讀教材后，發(fā)表自己的看法。
師生共同活動(dòng)，得出電磁阻尼的概念：
導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(guò)程中受到的電磁阻尼現(xiàn)象。
學(xué)生觀(guān)察現(xiàn)象并解釋現(xiàn)象。
�。垩菔�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(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間才停下來(lái)。如果在磁鐵下端放一固定線(xiàn)圈，磁鐵會(huì)很快停下來(lái)。上述現(xiàn)象說(shuō)明了什么？
學(xué)生：觀(guān)察現(xiàn)象并作出分析。
當(dāng)磁鐵穿過(guò)固定的閉合線(xiàn)圈時(shí)，在閉合線(xiàn)圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)會(huì)阻礙磁鐵和線(xiàn)圈靠近或離開(kāi)，也就是磁鐵振動(dòng)時(shí)除了空氣阻力外，還有線(xiàn)圈的磁場(chǎng)力作為阻力，安培阻力較相對(duì)較大，因而磁鐵會(huì)很快停下來(lái)。
3、電磁驅(qū)動(dòng)
教師：感應(yīng)電流不僅會(huì)對(duì)導(dǎo)體產(chǎn)生阻尼作用，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用。
�。垩菔�4］電磁驅(qū)動(dòng)。
演示教材31頁(yè)的演示實(shí)驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察并解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
師生共同活動(dòng)，得出電磁驅(qū)動(dòng)的概念：
磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)起來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁驅(qū)動(dòng)。
教師：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)就是應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)的原理工作的。簡(jiǎn)要介紹交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程。
�。ㄈ┱n堂、點(diǎn)評(píng)
教師活動(dòng)：讓學(xué)生概括本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)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(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。
學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的寫(xiě)下來(lái)、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰(shuí)的更好，好在什么地方。
點(diǎn)評(píng)：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(kāi)，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(shí)框架。
�。ㄋ模⿲�(shí)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(xiàn)圈中通以高頻變化的電流時(shí)，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(guò)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(shuō)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?yàn)楹缚p處的電阻小
D．工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大
解析：線(xiàn)圈中通以高頻變化的電流時(shí)，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(dòng)勢(shì)有關(guān)，電流變化的頻率越高，電流變化的越快，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大。A選項(xiàng)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(xiàng)也正確。
答案：AD
【例2】用絲線(xiàn)懸掛閉合金屬環(huán)，懸于O點(diǎn)，虛線(xiàn)左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，右邊沒(méi)有磁場(chǎng)。金屬環(huán)的擺動(dòng)會(huì)很快停下來(lái)。試解釋這一現(xiàn)象。若整個(gè)空間都有向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，會(huì)有這種現(xiàn)象嗎？
分析：只有左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，金屬環(huán)在穿越磁場(chǎng)邊界時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)很快停下來(lái)，這就是電磁阻尼現(xiàn)象；空間都有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，穿過(guò)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(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
�。ㄎ澹╈柟叹毩�(xí)
1．如圖所示，一塊長(zhǎng)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(xiàn)向右端滾動(dòng)，則（ ）
A．鋁環(huán)的滾動(dòng)速度將越來(lái)越小
B．鋁環(huán)將保持勻速滾動(dòng)
C．鋁環(huán)的運(yùn)動(dòng)將逐漸偏向條形磁鐵的N極或S極
D．鋁環(huán)的運(yùn)動(dòng)速率會(huì)改變，但運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒉粫?huì)發(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(jì)，曲面處在圖示磁場(chǎng)中，則（ ）
A．若是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度小于 h
B．若是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度等于h
C．若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度等于h
D．若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，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(dòng)，如果發(fā)現(xiàn)小球做減速運(yùn)動(dòng)，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(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(dòng)，其軸線(xiàn)在圓環(huán)圓心，與環(huán)面垂直，則磁鐵在穿過(guò)環(huán)過(guò)程中，做______運(yùn)動(dòng)．（選填“加速”、“勻速”或“減速”）
答案：減速
�。┳鳂I(yè)
1、認(rèn)真閱讀教材。
2、思考并完成“問(wèn)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。
�。ㄆ撸┙虒W(xué)反思
思維方法是解決問(wèn)題的靈魂，是物理教學(xué)的根本；親自實(shí)踐參與知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵，離開(kāi)了思維方法和實(shí)踐活動(dòng)，物理教學(xué)就成了無(wú)源之水、無(wú)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(shū)設(shè)計(jì)
一、渦流
當(dāng)線(xiàn)圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)線(xiàn)圈附近的導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流看起來(lái)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(mén)。
二、電磁阻尼
導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁阻尼。
三、電磁驅(qū)動(dòng)
磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)起來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁驅(qū)動(dòng)。
十、資料袋
1．利用渦流加熱和熔煉金屬
交變電流的磁場(chǎng)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(diǎn)，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?yàn)闇u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(chēng)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)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(huà)的是無(wú)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(lái)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(xiàn)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(chǎng)中，或者讓它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jiǎn)稱(chēng)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(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，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(lái)減弱它，其實(shí)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(lái)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(guò)橋式整流裝置改換成直流電，然后通過(guò)逆變器，轉(zhuǎn)換成15 kHz ~50 kHz的高頻電流，此高頻電流通過(guò)扁平螺旋形加熱線(xiàn)圈（螺旋中心有圓環(huán)形磁芯）產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的磁感線(xiàn)穿過(guò)非金屬灶臺(tái)面板進(jìn)入烹飪鐵鍋底內(nèi)，由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)，形成強(qiáng)大的渦流電流，發(fā)出大量的焦耳熱，達(dá)到對(duì)食物加熱的目的。
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