1、1选修 3-2 第四章第 7 节涡流 电磁阻尼和电磁驱动一、教材分析本节是选学内容，它是又一种特殊的电磁感应现象，在实际中有许多应用。可根据各校的实际情况或选讲，或指导学生阅读。涡流和自感现象以及许多现象一样，都有利弊两个方面。教学中应充分应用这些实例，培养学生全面认识和对待事物的科学态度。二、学情分析学生已经学习了电路的基本常识以及电磁感应的相关规律，学会判断回路是否会产生感应电流以及感应电流的方向，而且还掌握了感应电动势的大小与什么因素有关。即已经学会对自感现象的分析，但头脑中没有涡流这个概念而已，也没有意识到涡流现象，线圈本身也会产生电磁感应现象。学习中对涡流现象的解释以及分析是学生遇到
2、的最大挑战。 三、教学目标（一）知识与技能1知道涡流是如何产生的。2知道涡流对我们有不利和有利的两方面，以及如何利用和防止。3知道电磁阻尼和电磁驱动。（二）过程与方法培养学生客观、全面地认识事物的科学态度。（三）情感、态度与价值观培养学生用辩证唯物主义的观点认识问题。四、重点、难点教学重点：1涡流的概念及其应用。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。2五、教学手段与策略通过演示实验，引导学生观察现象、分析实验六、教学用具：电机、变压器铁芯、演示涡流生热装置（可拆变压器） 、电磁阻尼演示装置（示教电流表、微安表、弹簧、条形磁铁） ，电磁驱动演示装置（U 形磁铁、
3、能绕轴转动的铝框） 。七、课时安排 ： 1 课时八、教学过程（一）引入新课教师：出示电动机、变压器铁芯，引导学生仔细观察其铁芯有什么特点？学生：它们的铁芯都不是整块金属，而是由许多薄片叠合而成的。教师：为什么要这样做呢？用一个整块的金属做铁心不是更省事儿？学习了涡流的知识，同学们就会知道其中的奥秘。（二）进行新课1、涡流教师：演示 1涡流生热实验。在可拆变压器的一字铁下面加一块厚约 2 mm 的铁板，铁板垂直于铁芯里磁感线的方向。在原线圈接交流电。几分钟后，让学生摸摸铁芯和铁板，比较它们的温度，报告给全班同学。学生：铁板的温度比铁芯高。教师：为什么铁芯和铁板会发热呢？原来在铁芯和铁板中有涡流产
4、生。安排学生阅读教材，了解什么叫涡流？学生：当线圈中的电流发生变化时，这个线圈附近的导体中就会产生感应电流。这种电流看起来很像水的旋涡，所以叫做涡流。师生共同活动：分析涡流的产生过程。分析：如图所示，线圈接入反复变化的电流，某段时间内，若电流变大，则其磁场变强，根据麦克斯韦理论，变化的磁场3激发出感生电场。导体可以看作是由许多闭合线圈组成的，在感生电场作用下，这些线圈中产生了感生电动势，从而产生涡旋状的感应电流。由于导体存在电阻，当电流在导体中流动时，就会产生电热，这就是涡流的热效应。教师：课件演示，涡流的产生过程，增强学生的感性认识。教师：为什么铁板的温度比铁芯高？学生：因为铁板中的涡流很强
5、，会产生大量的热。而铁芯中的涡流被限制在狭窄的薄片之内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，涡流产生的热量也减少。教师：同学们明白了为什么铁芯用薄片叠合而成了吗？学生：为了减少涡流损失的电能，同时也保护铁芯不被烧坏。教师：下面大家阅读教材，了解一下涡流在生产、生活、科技等方面的应用。2、电磁阻尼教师：下面我们看教材 30 页上的“思考与讨论” ，分组讨论，然后发表自己的见解。学生：阅读教材后，发表自己的看法。师生共同活动，得出电磁阻尼的概念：导体在磁场中运动时，感应电流使导体受到安培力的作用，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。教师：演示 2电磁阻尼。按照教材“做一做”中叙述的内容
6、，演示电表指针在偏转过程中受到的电磁阻尼现象。学生观察现象并解释现象。演示 3如图所示，弹簧下端悬挂一根磁铁，将磁铁托起到某高度后释放，磁铁能振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一固定线圈，磁铁会很快停下来。上述现象说明了什么？学生：观察现象并作出分析。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，安培阻力较相对较大，因而磁铁会很快停下来。43、电磁驱动教师：感应电流不仅会对导体产生阻尼作用，有时还会产生驱动作用。演示 4电磁驱动。演示教材 31 页的演示实验。引导学生观察并解释实验
7、现象。师生共同活动，得出电磁驱动的概念：磁场相对于导体运动时，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，这种现象称为电磁驱动。教师：交流感应电动机就是应用电磁驱动的原理工作的。简要介绍交流感应电动机的工作过程。（三）课堂总结、点评教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。
8、（四）实例探究涡流的应用【例 1】如图所示是高频焊接原理示意图线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热量，将金属融化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是（ ）A电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高的越快B电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高的越快C工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小D工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大5解析：线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流的大小与感应电动势有关，电流变化的频率越高，电流变化的越快，感应电动势就越大。A 选项正确。工件上焊缝处
9、的电阻大，电流产生的热量就多，D 选项也正确。答案：AD【例 2】用丝线悬挂闭合金属环，悬于 O 点，虚线左边有匀强磁场，右边没有磁场。金属环的摆动会很快停下来。试解释这一现象。若整个空间都有向外的匀强磁场，会有这种现象吗？分析：只有左边有匀强磁场，金属环在穿越磁场边界时，由于磁通量发生变化，有感应电流产生，于是阻碍相对运动，摆动很快停下来，这就是电磁阻尼现象；空间都有匀强磁场，穿过金属环的磁通量反而不变化了，因此不产生感应电流，不会阻碍相对运动。（五）巩固练习1如图所示，一块长方形光滑铝板水平放在桌面上，铝板右端拼接一根与铝板等厚的条形磁铁，一质量分布均匀的闭合铝环以初速度 v 从板的左端沿
10、中线向右端滚动，则（ ）A铝环的滚动速度将越来越小 B铝环将保持匀速滚动C铝环的运动将逐渐偏向条形磁铁的 N 极或 S 极D铝环的运动速率会改变，但运动方向将不会发生改变答案：B2如图所示，闭合金属环从曲面上 h 高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速为零，摩擦不计，曲面处在图示磁场中，则（ ）A若是匀强磁场，环滚上的高度小于 hB若是匀强磁场，环滚上的高度等于 hC若是非匀强磁场，环滚上的高度等于 hD若是非匀强磁场，环滚上的高度小于 h答案：BD3如图所示，在光滑水平面上固定一条形磁铁，有一小球以一定的初速度向磁铁方向运动，如果发现小球做减速运动，则小球的材料可能是（ ）A铁 B木6C
11、铜 D铝答案：CD4如图所示，圆形金属环竖直固定穿套在光滑水平导轨上，条形磁铁沿导轨以初速度 v0 向圆环运动，其轴线在圆环圆心，与环面垂直，则磁铁在穿过环过程中，做_运动 （选填“加速” 、 “匀速”或“减速” ）答案：减速（六）作业1、认真阅读教材。2、思考并完成“问题与练习”中的习题。3、收集“涡流的利用和防止”方面的资料，在课下交流。（七）教学反思思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。九、板书设计一、涡流当线圈中的电流发生变化时，这个线圈
12、附近的导体中就会产生感应电流。这种电流看起来很像水的旋涡，所以叫做涡流。应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门。二、电磁阻尼导体在磁场中运动时，感应电流使导体受到安培力的作用，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。三、电磁驱动磁场相对于导体运动时，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，这种现象称为电磁驱动。7十、资料袋1利用涡流加热和熔炼金属交变电流的磁场在金属内感应的涡流能产生热效应。这种加热方法与用燃料加热相比有很多优点，除课本所述外还有：加热效率高，达到 50%90%；加热速度快；用不同频率的交变电流可得到不同的加热深度，这是因为涡流在金属内不是均匀分布的，越靠
13、近金属表面层电流越强，频率越高这种现象越显著，称为“趋肤效应” 。工业上把感应加热依频率分为四种：工频（50 Hz） ；中频（0.58 kHz） ；超音频（2060 Hz） ；高频（60600 kHz） 。工频交变电流直接由配电变压器提供；中频交变电流由三相电动机带动中频发电机或用可控硅逆变器产生；超音频和高频交变电流由大功率电子管振荡器产生。课本图 1641 画的是无心式感应熔炉，用途是熔炼铸铁、钢、合金钢和铜、铝等有色金属.所用交变电流的频率要随坩锅能容纳的金属质量多少来选择，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 kH
14、z 乃至 50 kHz.感应加热法也广泛用于钢件的热处理，如淬火、回火、表面渗碳等.例如齿轮、轴等只需要将表面淬火提高硬度、增加耐磨性，可以把它放入通有高频交流的空心线圈中，表面层在几秒钟内就可上升到淬火需要的高温，颜色通红，而其内部温度升高很少。然后用水或其他淬火剂迅速冷却就可以了.其他的热处理工艺可根据需要的加热深度选用中频或工频等。2涡流与节能炊具电磁灶我们知道，把块状的金属放在变化的磁场中，或者让它在磁场中运动时，块状金属内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的旋涡，叫涡电流，简称涡流.由于金属电阻小，所以涡流很强， （如图 1 所示）当交流电通过导线时，铁芯中就产生
15、很强的涡流，这种强电流使铁芯发热，浪费电能.为了减少损失，电机、变压器等通常用具有绝缘层的薄硅钢片叠压制成铁芯，使回路电阻增大，减少涡流。在各种电机、变压器中，涡流是有害的，我们要采取各种办法来减弱它，其实涡流也是可以利用的，工业上的高频感应炉就是利用涡流来熔化、冶炼金属的.这种冶炼方法速度快，温度容易控制，而且污染少，适应冶炼特种合金和特种钢。涡流也可以应用于生活.本文将要介绍的电磁灶就是涡流在生活中的应用。电磁灶首先把 50 Hz 的交流电通过桥式整流装置改换成直流电，然后通过逆变器，转换成 15 kHz 50 kHz 的高频电流，此高频电流通过扁平螺旋形加热线圈（螺旋中心有圆环8形磁芯）
16、产生高频交变磁场，这个磁场的磁感线穿过非金属灶台面板进入烹饪铁锅底内，由于电磁感应产生电场，形成强大的涡流电流，发出大量的焦耳热，达到对食物加热的目的。图 1 图 2图 2 是电磁灶的内部电路.图中 C1 为滤波电容，L 1 为扼流圈， D1 和 D2 为半导体高速二极管，L 2 和 C2 为高频转换电感和电容，C 2 为调谐电容器， L3 为加热线圈，D 1D2 和 L2C2 组成逆变器，通过计算可知，加在 D1 上的直流电流通过逆变器后在 C2 上产生交流电压，其频率为：f=1/2 ，如果改变 L2 和 C2 的值可获得不同频率的交变电压，一般 f 在 15kHz 2L50kHz 之间。从
17、图 3 可知，C 2 两端的电压加到 L3C3（L 3 有电阻 R3）的串联电路上，改变 C3，使R3L3C3 串联电路振动频率 f 与 C2 的频率 f 相等，这样在 L3 中的电流振幅最大，L 3 中交变电流在铁锅底中的 的振幅也最大，产生的涡流最强，电磁灶的热功率最大。下面谈谈电磁灶给锅加热的情况，如图 4 为放在加热图上的锅底剖面图，B 是加热圈中电流产生的磁场，这个磁场从圆心沿径向分布。其磁感线分布形状如图 5 所示的伞形。B 的变化激起锅底内部产生涡流.根据右手定则可知，涡流方向如图 5 所示，形成一些同心圆。图 3 图 4 图 5通过计算发现，锅底产生的热功率与交流电的频率平方成
18、正比，与励磁线圈（加热线圈）的安匝数的平方成正比，所以电磁灶一般采用高频励磁。用 1620 股直径为 0.5 mm的铜丝绞合制成扁平螺旋线圈，以增加安匝数。铁的磁导率大，电阻也比铜、铝大些，在9相同的频率和匝数下，产生的热功率比铜、铝大，所以一般采用铁锅，不用铜锅、铝锅.从图 4 可以看出涡流主要分布在锅底的表面，故锅底在保持机械强度的条件下可以做得很薄，同时为了减少空隙磁阻，锅底做成平底。电磁灶加热温度在 50200 范围内，功率在 3001200 W 之间，电磁灶是通过锅底涡流发热，不存在热量在传递过程中的损耗，故热效率高达 83%（普通电炉的热效率为52%） ，电磁灶的耗电量只有电炉的 63%。电磁灶是美国西屋电器公司于 1971 年最先研制成功的，以后经过日本厂商的努力，到80 年代初才成为技术成熟的家电产品，我国也开发了这种新产品。它是一种安全、卫生、高效节能的炊具，是“现在厨房的标志”之一。
