高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动教学设计

涡流、电磁阻尼和电磁驱动

【教学目标】

1．了解涡流的产生过程。

2．了解涡流现象的利用和危害。

3．通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用。

4．了解电磁阻尼、电磁驱动。

【教学重点】

通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用。

【教学难点】

了解电磁阻尼、电磁驱动。

【教学过程】

一、新课导入

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？

它们的铁芯都不是整块金属，而是由许多薄片叠合而成的。

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？

[演示1]用线圈给水加热，思考：为什么水会沸腾起来呢？

二、新课教学

（一）电磁感应现象中的感生电场

结合之前的知识，讲解一下几个概念：

1．感生电场：

麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发一种电场。这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把它叫作感生电场。

2．感应电动势：

如果此刻空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，也就是说导体中产生了感应电动势。

3．感生电动势：

如果感应电动势是由感生电场产生的，它也叫作感生电动势。

（二）涡流

1．涡流：根据麦克斯韦电磁场理论，当磁场变化时，导体中的自由电子就会在感生电场的作用下定向移动从而产生感应电流，这种感应电流是像旋涡一样的闭合的曲线，我们把它叫涡电流，简称涡流。

引导学生思考：

（1）如果环不断增粗直到变成一圆盘，又会发生什么现象？

（2）变成方盘呢？

（3）如果导体用整块铁代替，电流变化时，铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状如何？

总结：一般来说，只要空间有变化的磁通量，其中的导体就会产生感应电流，我们把这种感应电流叫做涡流。

涡流是在整块金属内产生的感应电流。涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵守电磁感应定律。

现在知道水为什么会沸腾吗？

金属块中的涡流也要产生热量，如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。

2．涡流的应用：

（1）涡流的热效应：①真空冶炼炉

冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。

②电磁炉

电磁炉的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量，将饭菜煮熟。

（2）涡流的磁效应：①探雷器

探测地雷的探雷器是利用涡流工作的，士兵手持一个长柄线圈在地面上扫过，线圈中有变化的电流。如果地下埋着金属物品，金属中感应涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。

②金属探测器、安检门

涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。

3．涡流的危害与防止

危害：线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器。

防止（减少涡流的途径）：

①增大铁芯材料的电阻率，常用的材料是硅钢。

②用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。

（三）电磁阻尼

[演示2]小魔术：时光隧道（金属管实验）

合作探究：神秘下落物到底是什么呢？为什么它能打开尘封的时光隧道？

（提示：从时光隧道与神秘下落物体的材质、特性进行研究，运用楞次定律、安培力的知识进行解释。）

分析验证：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？

结论：当导体在磁场中运动时，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。

1．电磁阻尼：当导体在磁场中运动时，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。

[演示3]取一只微安表，用手晃动表壳，观察表针相对表盘摆动的情况。用导线把微安表的两个接线柱连在一起，再次晃动表壳，表针相对表盘的摆动情况与刚才有什么不同？

思考：微安表的表头在运输时为何把两个接线柱连在一起？

内部有磁体，有线圈。

把接线柱连在一起，线圈在摆动的时候就产生感应电流，这个感应电流可以阻碍线圈的摆动，使指针迅速停止摆动，保护游丝，指针。

2．电磁阻尼的应用

（1）磁电式仪表的运输

（2）电气机车的电磁制动

（3）阻尼摆

（四）电磁驱动

[演示4]观察铝框的运动。引导学生观察并解释实验现象。

1．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。

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。

当磁场相对于导体转动时，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而运动起来的现象。线圈转动与磁铁同向，但转速小于磁铁，即同向异步。

2．电磁阻尼与电磁驱动的区别和联系

联系：

电磁阻尼和电磁驱动，都是由于导体相对于磁场运动引起磁通量的变化，产生感应电流，安培力的方向与导体的相对运动方向相反，阻碍导体的相对运动。

区别：

电磁阻尼是导体运动（或者速度较大）时，安培力的方向与导体的运动方向相反，阻碍导体的运动。

电磁驱动是磁场运动，导体静止（或者速度较小）时，安培力对导体提供动力，使导体随磁场运动。

三、巩固练习

1．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

C．铜

D．铝

2．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，则磁铁在穿过环的过程中，做______运动。（选填“加速”、“匀速”或“减速”）

3．高频感应炉是用于冶炼高质量的特殊金属的，如图所示，在冶炼炉外绕有线圈，锅内放入待冶炼的金属，线圈内通入高频交变电流，冶炼锅体是绝缘材料制作的，锅内金属能被加热熔化并达到很高的温度。以下说法正确的是（    ）

A．金属利用线圈中的电流产生的焦耳热来加热

B．金属利用交变磁场产生的涡流来加热

C．高频交变电流能发射红外线来加热金属

D．增加高频交变电流能提高冶炼金属的温度

4．如图所示，挂在弹簧下端的条形磁铁在闭合线圈内振动，如果空气阻力不计，则（    ）

A．磁铁的振幅不变

B．磁铁做阻尼振动

C．线圈中有逐渐变弱的直流电

D．线圈中逐渐变弱的交流电

5．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h

B．若是匀强磁场，环滚上的高度等于h

C．若是非匀强磁场，环滚上的高度等于h

D．若是非匀强磁场，环滚上的高度小于h

6．异步电动机模型如图所示，蹄形轻磁铁和矩形线框abcd均可绕竖直轴无摩擦地转动。现使线框沿逆时针方向保持匀速转动（从上往下看），则磁铁的运动情况是（     ）

A．磁铁沿逆时针方向（从上往下看）转动

B．磁铁沿顺时针方向（从上往下看）转动

C．磁铁由静止开始一直加速转动

D．磁铁先由静止开始加速转动，后匀速转动

7．桌面上放一铜片，一条形磁铁的N极自上而下接近铜片的过程中，铜片对桌面的压力（      ）

A．增大    B．减小

C．不变    D．无法判断是否变化

8．1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”。实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图所示。实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后。下列说法正确的是（     ）

A．圆盘上产生了感应电动势

B．圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动

C．在圆盘转动过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化

D．圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动

9．如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有（     ）

A．增加线圈的匝数

B．提高交流电源的频率

C．将金属杯换为瓷杯

D．取走线圈中的铁芯

10．如图所示，在平行于地面的匀强磁场上方，有两个用相同金属材料制成的边长相同的正方形线圈a、b，其中a的导线比b粗，它们从同一高度自由落下，则（     ）

A．它们同时落地

B．a先落地

C．b先落地

D．无法判断

答案：

1．CD

2．减速

3．BD

4．BD

5．BD

6．AD

7．A

8．AB

9．AB

10．A