渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動 教案 高中物理新人教版選擇性必修第二冊（2022年）

1、2.3渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動感生電動勢和前面的動生電動勢相對應(yīng)。渦流是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在生產(chǎn)、生活記實驗教學(xué)等方面有許多應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容主要學(xué)習(xí)渦流及其成因，渦流的熱效應(yīng)、磁效應(yīng)等。電磁阻尼和電磁驅(qū)動通過演示實驗進(jìn)行實例分析后得出概念即可。物理觀念通過感生電場及感生電動勢的提出，體會物理概念的產(chǎn)生過程?？茖W(xué)思維通過渦流的實例分析，體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用?？茖W(xué)探究：通過演示實驗探究，知道什么是電磁阻尼和電磁驅(qū)動現(xiàn)象，并能分析二者的不同點和相同點，以及實質(zhì)。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，體會科學(xué)對社會發(fā)展的推動作用。 教學(xué)重點：1.渦流的概念及

2、其應(yīng)和實例分析。 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。多媒體課件、電磁驅(qū)動演示儀、示教電表、示教電動機(jī)等。一、新課引入（展示動態(tài)圖片：半邊鐵鍋煮蛋）在電磁爐的爐盤下有一個線圈。電磁爐工作時，它的盤面并不發(fā)熱，在爐盤上面放置鐵鍋，鐵鍋會發(fā)熱。你知道這是為什么嗎？二、新課教學(xué)（一）電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場1.感生電動勢英國物理學(xué)家麥克斯韋經(jīng)過研究后提出：變化的磁場能夠在它的周圍產(chǎn)生一種電場線是閉合曲線的電場。叫作感生電場。這種電場與靜電場不同，它不是由電荷產(chǎn)生的。將閉合導(dǎo)體放入變化的磁場中后，變化的磁場會產(chǎn)生感生電場，導(dǎo)體中的自由電荷受到感生電場的作用力發(fā)生定

3、向移動，從而形成感應(yīng)電流和感應(yīng)電動勢，稱為感生電動勢。感生電動勢的成因：感生電場的電場力對電荷做功。在上圖中產(chǎn)生的感生生場就會使這個電子加速，剛才說的這個裝置，就叫做電子感應(yīng)加速器。（動圖展示：電子感應(yīng)加速器。）2.電子感應(yīng)加速器電子感應(yīng)加速器的結(jié)構(gòu)如圖所示，上、下為電磁體的兩個磁極，磁極之間有一個環(huán)形真空室，電子在真空室中做圓周運(yùn)動。電磁體線圈中電流的大小、方向可以變化，產(chǎn)生的感生電場使電子加速，最終獲得很大的速度和能量。電子感應(yīng)加速器的原理如圖磁場方向由下向上，如果從上向下看，電子沿逆時針方向運(yùn)動。電子帶負(fù)電，它在電場中受力的方向與電場方向相反。所以為使電子加速，產(chǎn)生的電場應(yīng)沿順時針方向。

4、根據(jù)楞次定律，為使真空室中產(chǎn)生順時針方向的感生電場，磁場應(yīng)該由弱變強(qiáng)。也就是說，為使電子加速，電磁體線圈中的電流應(yīng)該由小變大。（二）渦流實驗：把絕緣導(dǎo)線纏繞在塊狀的鐵芯上。導(dǎo)線中通有交流電。過一會用手摸一下鐵芯會感到什么？分析：當(dāng)導(dǎo)線中通有交流電時，鐵芯中就會產(chǎn)生一個變化的磁場，由于鐵心可以導(dǎo)電，因此他從內(nèi)向外可以看作是一個個獨立的方形回路。那么在這些回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，放出熱量。過一會用手摸一下鐵芯會感到鐵芯明顯發(fā)熱。渦流的概念：把塊狀金屬置于變化的磁場中時，金屬塊內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這些電流在金屬塊內(nèi)形成一個個閉合回路，很像水的漩渦，因此他們叫做渦電流，簡稱渦流。1.渦流的作用真空冶煉爐

5、知道了渦流產(chǎn)生的原因，再來說說他有什么用。當(dāng)金屬塊的電阻比較小時，形成的渦流的電流強(qiáng)度就會很大，進(jìn)而產(chǎn)生大量的焦耳熱。工業(yè)上的感應(yīng)冶煉爐，就是利用渦流的熱效應(yīng)來熔煉金屬。如圖，冶煉爐外繞有線圈，冶煉爐內(nèi)裝有待冶煉的金屬。將大功率的高頻交流電源與線圈連接后，高頻交流電在線圈兒內(nèi)激發(fā)出很強(qiáng)的磁場，這時爐內(nèi)被冶煉的金屬中會產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，并釋放出大量的焦耳熱，從而將待冶煉的金屬融化。（動圖展示：渦流冶煉金屬）真空冶煉爐的優(yōu)點：加熱速度快，能量損失小，溫度容易控制，能避免雜質(zhì)混入等。2.實例分析電磁爐你要是覺得剛才的例子都不容易見得著，我再給你說個你一定見過的東西，電磁爐。它的原理圖是這樣的，把電磁爐

6、接入頻率較低的交流電，電流經(jīng)過內(nèi)部電路整流變?yōu)楦哳l交流電，高頻交流電通入線圈后，線圈周圍就產(chǎn)生了很強(qiáng)的磁場，當(dāng)電磁爐上放有專用的鍋具時，變化的磁場會在導(dǎo)磁體制成的鍋底中產(chǎn)生無數(shù)的渦流，使鍋體本身高速發(fā)熱，進(jìn)而達(dá)到加熱鍋內(nèi)食物的目的。這個鍋是有金屬導(dǎo)體制成的才得，所以你知道半邊鍋煮雞蛋的原理了嗎。3.渦流的熱效應(yīng)的防止雖然渦流可以有很多用途 但有時候他也會造成麻煩。比如當(dāng)變壓器工作時，他的鐵心中會產(chǎn)生很大的渦流，使鐵心放熱，從而浪費大量的電能，甚至還可能燒壞儀器。常見的儀器中電動機(jī)也存在相同的問題。方法：一是增大鐵芯材料的電阻率，比如用硅鋼來制做鐵芯，由于硅鋼的電阻率比普通鋼大得多，使得鐵心的電

7、阻也增大了很多，這樣渦流的熱損耗就大大降低。另一個方法是相互絕緣的硅鋼屁大了很多，這樣蝸牛的熱損耗就大大降低啦。另一個方法是相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯代替整塊的硅鋼鐵芯。這樣也可以增大回路電阻，削弱渦流的發(fā)熱。4.渦流的磁效應(yīng)及其應(yīng)用應(yīng)用：機(jī)場安檢用的安檢，軍事上用的探雷器，還有尋找地下礦產(chǎn)的探測等。原理：把金屬探測器的結(jié)構(gòu)簡化一下是這樣。他工作時讓變化的電流通過線圈，產(chǎn)生不斷變化的磁場。如果探測器靠近金屬，就能在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流，這渦流又會產(chǎn)生磁場，反過來影響探測器的磁場，讓探測器發(fā)出報警聲。（三）電磁阻尼思考與討論一個單匝線圈落入磁場中，分析它在圖示位置時感應(yīng)電流的方向和所受安培力的方向。

8、安培力對線圈的運(yùn)動有什么影響？磁電式儀表的線圈常常用鋁框骨架、把線圈繞在鋁框上，指針也固定在鋁框上。假定儀表工作時指針向右轉(zhuǎn)動，鋁框中的感應(yīng)電流沿什么方向？由于鋁框轉(zhuǎn)動時其中有感應(yīng)電流，鋁框要受到安培。安培力是沿什么方向的？安培力對鋁框的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生什么影響？分析：根據(jù)楞次定律的右手定則，可知線框的感應(yīng)電流方向如圖所示，再根據(jù)左手定則可知安培力方向如圖所示，正好與運(yùn)動的方向相反，起到阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動的作用。鋁框轉(zhuǎn)動分析：磁感線從右向左，當(dāng)鋁框在向右轉(zhuǎn)動過程中，磁通量在增加，根據(jù)楞次定律可知，產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向是逆時針，即左邊電流出來，右邊進(jìn)去。切割磁感線的只有兩邊的這兩根，根據(jù)左手定則安培力方向如

9、圖所示，阻礙鋁框的轉(zhuǎn)動。像剛才這兩個個例子中，由于導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動，發(fā)生了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，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。應(yīng)用：磁電式儀表、電氣機(jī)車的電磁制動、阻尼擺。實例分析1：電磁阻尼能使震動和擺動迅速停止的特點，應(yīng)用在了很多電學(xué)儀器中，如電壓表和電流表使用時要求指針的外頭很快停下來，以便準(zhǔn)確讀數(shù)。在制作電流表時，把電路板的線圈繞在鋁框上，當(dāng)被測電流通過線圈時，線圈帶動指針和鋁框一起轉(zhuǎn)動，鋁框中產(chǎn)生渦流進(jìn)而出現(xiàn)電磁阻尼的現(xiàn)象，使指針能很快的靜止下來。實例分析2：（動圖展示）靈敏電流計的指針太過靈活，很容易在運(yùn)輸時由于擺動而折斷。為了避免這種情

10、況，在運(yùn)輸時常常用導(dǎo)線把正負(fù)兩個接線柱連在一起，使表內(nèi)的線圈和接線柱構(gòu)成一個閉合回路，這樣如果它的指針擺動，就會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，接著出現(xiàn)電磁阻尼的現(xiàn)象，使指針很快的停止運(yùn)動就不容易折斷。 （四）電磁驅(qū)動當(dāng)磁場靜止，金屬塊或線圈相對磁場運(yùn)動時會受到與運(yùn)動方向相反的安培力 ，使金屬塊或線圈兒很快停止運(yùn)動。反過來，如果線圈不動，讓磁場運(yùn)動，那么線圈兒也會受到安培力。咱們來看一個利用電磁驅(qū)動的演示模型。演示實驗：如圖所示，一個鋁框放在蹄形磁體的兩個磁極間，可以繞支點自由轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動磁體，觀察鋁框的運(yùn)動。怎樣解釋鋁框的運(yùn)動？（動圖展示）分析：當(dāng)搖動把手，旋轉(zhuǎn)U型磁鐵時穿過鋁框的磁通量發(fā)生變化，鋁框中

11、產(chǎn)生感應(yīng)電流，使鋁框受到安培力的作用，最終驅(qū)動鋁框隨磁場一起運(yùn)動。根據(jù)楞次定律，此時安培力的方向跟磁場運(yùn)動方向是相同的，因此線圈兒會追磁鐵運(yùn)動。物理上把這種現(xiàn)象稱為電磁驅(qū)動。即如果磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，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，這種作用常常稱為電磁驅(qū)動。應(yīng)用：交流感應(yīng)電動機(jī)如圖，把三相交流電通入三個互成120度的線框，這樣在空間中會產(chǎn)生一個類似磁鐵轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場，從而帶動中間的線圈兒轉(zhuǎn)動。就這樣，電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。小結(jié)：電磁阻尼與電磁驅(qū)動的區(qū)別和聯(lián)系電磁阻尼電磁驅(qū)動原因?qū)w在磁場中運(yùn)動磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動安培力的作用總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動使導(dǎo)

12、體運(yùn)動起來聯(lián)系安培力的作用都是阻礙它們間的相對運(yùn)動例1：如圖所示，使一個銅盤繞其豎直的軸OO 轉(zhuǎn)動，且假設(shè)摩擦等阻力不計，轉(zhuǎn)動是勻速的?，F(xiàn)把一個蹄形磁鐵移近銅盤，則( )A銅盤轉(zhuǎn)動將變慢B銅盤轉(zhuǎn)動將變快C銅盤仍以原來的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動D銅盤轉(zhuǎn)動速度是否變化，要根據(jù)磁鐵的上、下兩端的極性來決定解析 當(dāng)一個蹄形磁鐵移近銅盤時，銅盤轉(zhuǎn)動切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知感應(yīng)電流所受的安培力阻礙其相對運(yùn)動，所以銅盤轉(zhuǎn)動將變慢。本題也可以從能量守恒的角度去分析，因為銅盤轉(zhuǎn)動切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，銅盤的機(jī)械能不斷轉(zhuǎn)化成電能，銅盤轉(zhuǎn)動會逐漸變慢。選項A正確。例2：彈簧上端固定，下端懸掛一個磁鐵。將磁鐵托起到某一高度后放開，磁鐵能上下振動較長時間才停下來。如果在磁鐵下端放一個固定的閉合線圈，使磁極上下振動時穿過它，磁鐵就會很快地停下來。分析這個現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，并說明此現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化的情況。解析：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，安培阻力相對較大，因而磁鐵會很快停下來。線圈中有電阻，有電流時就會產(chǎn)生熱量。使系統(tǒng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2.3渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動感生電場 渦流：渦流的熱效應(yīng)及其應(yīng)用真空冶煉爐渦流的熱效應(yīng)的防止 增大鐵芯材料的