（选必2：核心素养）2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动（教案3）

skybamboo · 发表于 10 小时前

2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动
〖教材分析〗
感生电动势和前面的动生电动势相对应。涡流是一种特殊的电磁感应现象，在生产、生活记实验教学等方面有许多应用。教学内容主要学习涡流及其成因，涡流的热效应、磁效应等。电磁阻尼和电磁驱动通过演示实验进行实例分析后得出概念即可。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶通过感生电场及感生电动势的提出，体会物理概念的产生过程。
科学思维∶通过涡流的实例分析，体会物理模型在探索自然规律中的作用。
科学探究：通过演示实验探究，知道什么是电磁阻尼和电磁驱动现象，并能分析二者的不同点和相同点，以及实质。
科学态度与责任∶通过涡流、电磁阻尼和电磁驱动在生产、生活中的应用，体会科学对社会发展的推动作用。
〖教学重难点〗
教学重点：1.涡流的概念及其应和实例分析。
2.电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。
教学难点：电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。
〖教学准备〗
多媒体课件、电磁驱动演示仪、示教电表、示教电动机等。
〖教学过程〗
一、新课引入

（展示动态图片：半边铁锅煮蛋）在电磁炉的炉盘下有一个线圈。电磁炉工作时，它的盘面并不发热，在炉盘上面放置铁锅，铁锅会发热。你知道这是为什么吗?
二、新课教学
（一）电磁感应现象中的感生电场

1.感生电动势
英国物理学家麦克斯韦经过研究后提出：
变化的磁场能够在它的周围产生一种电场线是闭合曲线的电场。叫作感生电场。
这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的。

将闭合导体放入变化的磁场中后，变化的磁场会产生感生电场，导体中的自由电荷受到感生电场的作用力发生定向移动，从而形成感应电流和感应电动势，称为感生电动势。
感生电动势的成因：感生电场的电场力对电荷做功。
在上图中产生的感生生场就会使这个电子加速，刚才说的这个装置，就叫做电子感应加速器。（动图展示：电子感应加速器。）
2.电子感应加速器

①电子感应加速器的结构
如图所示，上、下为电磁体的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁体线圈中电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速，最终获得很大的速度和能量。
②电子感应加速器的原理
如图磁场方向由下向上，如果从上向下看，电子沿逆时针方向运动。电子带负电，它在电场中受力的方向与电场方向相反。所以为使电子加速，产生的电场应沿顺时针方向。根据楞次定律，为使真空室中产生顺时针方向的感生电场，磁场应该由弱变强。也就是说，为使电子加速，电磁体线圈中的电流应该由小变大。

（二）涡流
实验：把绝缘导线缠绕在块状的铁芯上。导线中通有交流电。过一会用手摸一下铁芯会感到什么？
分析：当导线中通有交流电时，铁芯中就会产生一个变化的磁场，由于铁心可以导电，因此他从内向外可以看作是一个个独立的方形回路。那么在这些回路中就会产生感应电流，放出热量。过一会用手摸一下铁芯会感到铁芯明显发热。
涡流的概念：把块状金属置于变化的磁场中时，金属块内将产生感应电流，这些电流在金属块内形成一个个闭合回路，很像水的漩涡，因此他们叫做涡电流，简称涡流。
1.涡流的作用——真空冶炼炉
知道了涡流产生的原因，再来说说他有什么用。
当金属块的电阻比较小时，形成的涡流的电流强度就会很大，进而产生大量的焦耳热。工业上的感应冶炼炉，就是利用涡流的热效应来熔炼金属。

如图，冶炼炉外绕有线圈，冶炼炉内装有待冶炼的金属。将大功率的高频交流电源与线圈连接后，高频交流电在线圈儿内激发出很强的磁场，这时炉内被冶炼的金属中会产生强大的涡流，并释放出大量的焦耳热，从而将待冶炼的金属融化。（动图展示：涡流冶炼金属）
真空冶炼炉的优点：加热速度快，能量损失小，温度容易控制，能避免杂质混入等。
2.实例分析——电磁炉

你要是觉得刚才的例子都不容易见得着，我再给你说个你一定见过的东西，电磁炉。
它的原理图是这样的，把电磁炉接入频率较低的交流电，电流经过内部电路整流变为高频交流电，高频交流电通入线圈后，线圈周围就产生了很强的磁场，当电磁炉上放有专用的锅具时，变化的磁场会在导磁体制成的锅底中产生无数的涡流，使锅体本身高速发热，进而达到加热锅内食物的目的。这个锅是有金属导体制成的才得，所以你知道半边锅煮鸡蛋的原理了吗。
3.涡流的热效应的防止

虽然涡流可以有很多用途但有时候他也会造成麻烦。
比如当变压器工作时，他的铁心中会产生很大的涡流，使铁心放热，从而浪费大量的电能，甚至还可能烧坏仪器。常见的仪器中电动机也存在相同的问题。
方法：一是增大铁芯材料的电阻率，比如用硅钢来制做铁芯，由于硅钢的电阻率比普通钢大得多，使得铁心的电阻也增大了很多，这样涡流的热损耗就大大降低。

另一个方法是相互绝缘的硅钢屁大了很多，这样蜗牛的热损耗就大大降低啦。另一个方法是相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块的硅钢铁芯。这样也可以增大回路电阻，削弱涡流的发热。
4.涡流的磁效应及其应用

应用：机场安检用的安检，军事上用的探雷器，还有寻找地下矿产的探测等。
原理：把金属探测器的结构简化一下是这样。他工作时让变化的电流通过线圈，产生不断变化的磁场。如果探测器靠近金属，就能在金属内部产生涡流，这涡流又会产生磁场，反过来影响探测器的磁场，让探测器发出报警声。
（三）电磁阻尼
思考与讨论
一个单匝线圈落入磁场中，分析它在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向。安培力对线圈的运动有什么影响?
磁电式仪表的线圈常常用铝框骨架、把线圈绕在铝框上，指针也固定在铝框上。假定仪表工作时指针向右转动，铝框中的感应电流沿什么方向?由于铝框转动时其中有感应电流，铝框要受到安培カ。安培力是沿什么方向的?安培力对铝框的转动产生什么影响?

分析：根据楞次定律的右手定则，可知线框的感应电流方向如图所示，再根据左手定则可知安培力方向如图所示，正好与运动的方向相反，起到阻碍导体的运动的作用。
铝框转动分析：磁感线从右向左，当铝框在向右转动过程中，磁通量在增加，根据楞次定律可知，产生的感应电流的方向是逆时针，即左边电流出来，右边进去。切割磁感线的只有两边的这两根，根据左手定则安培力方向如图所示，阻碍铝框的转动。
像刚才这两个个例子中，由于导体在磁场中运动，发生了电磁感应现象，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。
应用：磁电式仪表、电气机车的电磁制动、阻尼摆。
实例分析1：电磁阻尼能使震动和摆动迅速停止的特点，应用在了很多电学仪器中，如电压表和电流表使用时要求指针的外头很快停下来，以便准确读数。在制作电流表时，把电路板的线圈绕在铝框上，当被测电流通过线圈时，线圈带动指针和铝框一起转动，铝框中产生涡流进而出现电磁阻尼的现象，使指针能很快的静止下来。
实例分析2：

（动图展示）灵敏电流计的指针太过灵活，很容易在运输时由于摆动而折断。为了避免这种情况，在运输时常常用导线把正负两个接线柱连在一起，使表内的线圈和接线柱构成一个闭合回路，这样如果它的指针摆动，就会在线圈中产生感应电流，接着出现电磁阻尼的现象，使指针很快的停止运动就不容易折断。
（四）电磁驱动
当磁场静止，金属块或线圈相对磁场运动时会受到与运动方向相反的安培力，使金属块或线圈儿很快停止运动。反过来，如果线圈不动，让磁场运动，那么线圈儿也会受到安培力。咱们来看一个利用电磁驱动的演示模型。

演示实验：如图所示，一个铝框放在蹄形磁体的两个磁极间，可以绕支点自由转动。转动磁体，观察铝框的运动。怎样解释铝框的运动?（动图展示）
分析：当摇动把手，旋转U型磁铁时穿过铝框的磁通量发生变化，铝框中产生感应电流，使铝框受到安培力的作用，最终驱动铝框随磁场一起运动。根据楞次定律，此时安培力的方向跟磁场运动方向是相同的，因此线圈儿会追磁铁运动。物理上把这种现象称为电磁驱动。即
如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动。
应用：交流感应电动机

如图，把三相交流电通入三个互成120度的线框，这样在空间中会产生一个类似磁铁转动的旋转磁场，从而带动中间的线圈儿转动。就这样，电动机把电能转化成机械能。
小结：电磁阻尼与电磁驱动的区别和联系

	电磁阻尼	电磁驱动
原因	导体在磁场中运动	磁场相对于导体转动
安培力的作用	总是阻碍导体的运动	使导体运动起来
联系	安培力的作用都是阻碍它们间的相对运动

课堂练习
例1：如图所示，使一个铜盘绕其竖直的轴OO' 转动，且假设摩擦等阻力不计，转动是匀速的。现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则(　 )

　A．铜盘转动将变慢
　B．铜盘转动将变快
　C．铜盘仍以原来的转速转动
　D．铜盘转动速度是否变化，要根据磁铁的上、下两端的极性来决定
解析∶ 当一个蹄形磁铁移近铜盘时，铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，由楞次定律可知感应电流所受的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘转动将变慢。本题也可以从能量守恒的角度去分析，因为铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，铜盘的机械能不断转化成电能，铜盘转动会逐渐变慢。选项A正确。
例2：弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁。将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，使磁极上下振动时穿过它，磁铁就会很快地停下来。分析这个现象的产生原因，并

说明此现象中能量转化的情况。
解析：当磁铁穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁铁和线圈靠近或离开，也就是磁铁振动时除了空气阻力外，还有线圈的磁场力作为阻力，安培阻力相对较大，因而磁铁会很快停下来。线圈中有电阻，有电流时就会产生热量。使系统的机械能转化为内能。
〖板书设计〗
2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动

感生电场∶

涡流：

①涡流的热效应及其应用∶真空冶炼炉
②涡流的热效应的防止∶ 增大铁芯材料的电阻率，用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
③涡流的磁效应及其应用∶探测器
3.电磁阻尼：
4.电磁驱动：
联系∶安培力的作用都是阻碍它们间的相对运动。
〖教学反思〗
①本教案的内容完善，思路清晰，讲解到位，能够抓住知识点之间的联系。课堂中的抽象部分能够运用信息技术手段进行形象化处理，是比较好的。
②本课内容与社会现实生活联系比较紧密，在教学中，力求把复杂的社会技术简单化，能够清楚详细的讲解给学生，加强了物理与现实生活的联系。

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[人教版] （选必2：核心素养）2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动（教案3）