渦流、電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)教案

第7節(jié)渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)一、教學(xué)目標(biāo)（一）知識(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、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)值觀培養(yǎng)學(xué)生用辯證唯物主義的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)問(wèn)題。二、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。三、教學(xué)手段與策略通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)四、課時(shí)安排：1課時(shí)五、教學(xué)過(guò)程（一）引入新課教師：出示電動(dòng)機(jī)、變壓器鐵芯，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀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。（二）進(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2mm的鐵板，鐵板垂直于鐵芯里磁感線的方向。在原線圈接交流電。幾分鐘后，讓學(xué)生摸摸鐵芯和鐵板，比較它們的溫度，報(bào)告給全班同學(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)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)線圈附近的導(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圈組成的，在感生電場(chǎng)作用下，這些線圈中產(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。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：B2．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hB．若是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度等于hC．若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度等于hD．若是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)滾上的高度小于h答案：BD3．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)，則小球的材料可能是（）A．鐵B．木C．銅D．鋁答案：CD4．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（六）作業(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。（七）教學(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。六、板書(shū)設(shè)計(jì)一、渦流當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)線圈附近的導(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。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)象稱為電磁驅(qū)動(dòng)。七、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（50Hz）；中頻（0.5~8kHz）；超音頻（20~60Hz）；高頻（60~600kHz）。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：5kg的用20kHz，100kg的用2.5kHz，5t的用1kHz乃至50kHz.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50Hz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15kHz~50kHz的高頻電流，此高頻電流通過(guò)扁平螺旋形加熱線圈（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。圖1圖2圖2是電磁灶的內(nèi)部電路.圖中C1為濾波電容，L1為扼流圈，D1和D2為半導(dǎo)體高速二極管，L2和C2為高頻轉(zhuǎn)換電感和電容，C2為調(diào)諧電容器，L3為加熱線圈，D1D2和L2C2組成逆變器，通過(guò)計(jì)算可知，加在D1上的直流電流通過(guò)逆變器后在C2上產(chǎn)生交流電壓，其頻率為：f=1/2π，如果改變L2和C2的值可獲得不同頻率的交變電壓，一般f在15kHz~50kHz之間。從圖3可知，C2兩端的電壓加到L3C3（L3有電阻R3）的串聯(lián)電路上，改變C3，使R3L3C3串聯(lián)電路振動(dòng)頻率f與C2的頻率f相等，這樣在L3中的電流振幅最大，L3中交變電流在鐵鍋底中的的振幅也最大，產(chǎn)生的渦流最強(qiáng)，電磁灶的熱功率最大。下面談?wù)勲姶旁罱o鍋加熱的情況，如圖4為放在加熱圖上的鍋底剖面圖，B是加熱圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)從圓心沿徑向分布。其磁感線分布形狀如圖5所示的傘形。B的變化激起鍋底內(nèi)部產(chǎn)生渦流.根據(jù)右手定則可知，渦流方向如圖5所示，形成一些同心圓。圖3圖4圖5通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鍋底產(chǎn)生的熱功率與交流電的頻率平方成正比，與勵(lì)磁線圈（加熱線圈）的安匝數(shù)的平方成正比，所以電磁灶一般采用高頻勵(lì)磁。用16~20股直徑為0.5mm的銅絲絞合制成扁平螺旋線圈，以增加安匝數(shù)。鐵的磁導(dǎo)率大，電阻也比銅、鋁大些，在相同的頻率和匝數(shù)下，產(chǎn)生的熱功率比銅、鋁大，所以一般采用鐵鍋，不用銅鍋、鋁鍋.從圖4可以看出渦流主要分布在鍋底的表面，故鍋底在保持機(jī)械強(qiáng)度的條件下可以做得很薄，同時(shí)為了減少空隙磁阻，鍋底做成平底。電磁灶加熱溫度在50~20