《涡流、电磁阻尼和电磁驱动》教案

《涡流、电磁阻尼和电磁驱动》教案教材分析涡流、电磁阻尼和电磁驱动是一种特殊的电磁感应现象，在实际中有许多应用。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。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，而旦还掌握了感应电动勢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，线圏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的最大挑战。教学目标与核心素养物理观念：知道涡流对我们有不利和有利两个方面的影响，以及如何利用的防止。科学思维：通过学生的讨论和旧知识分析新问题弄清涡流产生的原因以及涡流的特点。科学探究：通过魔术实验探究，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：通过理论与实际的相结合，提高学习的兴趣，培养其用理论知识解决实际问题的能力。教学重难点1、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际分析2、教学难点：电磁阻尼和电磁驱动的实际分析教学过程引题：展示图片，并提出问题：这两种灶给锅加热的原理是什么？（热传递）再展示电磁炉的图片，提出问题：电磁炉的加热原理是什么？是热传递吗？【探究体验】电磁炉加热原理探究探究活动1：开启电磁炉一会，触摸电磁炉的炉面和锅，有什么感受？用勺子靠近电磁炉中间位置但不要接触，过一会触摸勺子和炉面有什么感受？（不是热传递）探究活动2：开启电磁炉，将带灯泡的线圈放到电磁炉面上（由边上慢慢往中间移动）观察现象，将线圈拿起靠近电磁炉观察现象，转动线圈方位，观察现象问题引导：电灯泡线圈接电源了吗？灯泡为什么能亮，线圈中电流是怎么形成的？（感应电流）产生感应电流的条件是什么？这产生感应电流是感生？还是动生？磁场从哪来？是变化的还是恒定的？磁场的方向如何？为什么？若是这样，想一想电磁炉内部有个什么装置？探究活动3：打开电磁炉看一下它的庐山真面貌，看里面是否有一个线圈【思考】：结合探究活动一，思考电磁炉的加热原理是什么?在哪里产生了感应电流？通过本节课的学习就可以解释以上现象2、新课进行一、电磁感应现象中的感生电场（一）、理论探究感生电动势的产生电流是怎样产生的？→自由电荷为什么会运动？→猜想：使电荷运动的力可能是洛伦兹力、静电力、或者是其它力→使电荷运动的力难道是变化的磁场对其施加的力吗？（二）〔英〕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（inducedelectricfield）。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。应用实例---电子感应加速器电子感应加速器是用感生电场来加速电子的一种设备。它的基本原理如图示，上下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁铁线圈电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速。上图为真空室的俯视图，如果从上向下看，电子沿逆时针方向运动。当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，电流的大小应该怎样变化才能使电子加速？电子感应加速器是用感生电场来加速电子的一种设备。它的基本原理如图示，上下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁铁线圈电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速。上图为真空室的俯视图，如果从上向下看，电子沿逆时针方向运动。当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，电流的大小应该怎样变化才能使电子加速？二、涡流1.定义由于电磁感应，在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流。如图中的虚线所示2.特点若金属电阻率很小，则涡流往往很强，产生的热量很多。3.应用（1）涡流热效应：真空冶炼炉，电磁炉。（2）真空冶炼炉原理：金属块中的涡流会产生热量。用来冶炼合金钢的真空冶炼炉（如图），炉外有线圈，线圈中通入迅速变化的电流，炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化。利用涡流冶炼金属的优点是，整个过程可以在真空中进行，能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。（3）.涡流的磁效应：涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。4、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。5、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。例.如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水。给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是(C)A．恒定直流、小铁锅B．恒定直流、玻璃杯C．变化的电流、小铁锅 D．变化的电流、玻璃杯三、电磁阻尼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——电磁阻尼。2.应用:磁电式仪表、电气机车的电磁制动、阻尼摆等.(1)为什么用铝框做线圈骨架？(2)、微安表的表头在运输时为何应该把两个接线柱连在一起？(3)、金属管演示涡流的电磁阻尼现象（播放视频，让学生思考，分组讨论）(4)、弹簧振子演示电磁阻尼现象（播放视频，让学生思考，分组讨论）例.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)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四、电磁驱动1、电磁驱动：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、应用：感应电动机、电能表、汽车上用的电磁式速度表等。交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的。配置的三个线圈连接到三相电源上，就能产生类似上面演示实验中的旋转磁场，磁场中的导线框也就随着转动（图2.3-11）。就这样，电动机（图2.3-12）把电能转化成机械能3、电磁阻尼与电磁驱动的区别和联系区别：①电磁阻尼是导体相对于磁场运动;②电磁驱动是磁场相对于导体运动。联系：安培力的作用都是阻碍它们间的相对运动。课堂练习：1、下列哪些措施是为了防止涡流的危害（）A、电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅B、磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上C、变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成D、变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层2．高频焊接原理示意图如图所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝融化焊接，要使焊接处产生的热量较大，下列措施不可采用是（A）A．减小焊接缝的接触电阻B．增大焊接缝的接触电阻C．增大交变电流的电压D．增大交变电流的频率3．下列关于教材中四幅插图的说法正确的是（C）A．图甲中，当手摇动柄使得蹄形磁铁转动，则铝框会反向转动，且跟磁体转动的一样快B．图乙是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，线圈中产生大量热量，从而冶炼金属C．丙是回旋加速器的示意图，当增大交流电压时，粒子获得的最大动能不变，所需时间变短D．图丁是微安表的表头，在运输时要把两个正、负接线柱用导线连在一起，这是为了保护电表指针，利用了电磁驱动原理【作业】：课后思考研究题目：请同学以小组为单位，通过查阅资料，小组讨论研究完成下面的题目：1.为什么电磁炉一定要用铁磁质的平底锅，能用其它锅吗？（比如铝锅、铜锅）2.既然锅底涡流很大，做饭时会触电吗？为什么？3.新型武器电磁炮的原理、发展形式是什么？教学反思涡流、电磁阻尼和电磁驱动虽然是本章的重点，但并不是难点，如果依照教材顺序按部就班地由教师演示、归纳、概括，尽管学生也能接受，但他们就有可能处于被动学习的局面，达不到应有的教学效果。本节课应试图改变这种弊端，在教学过程的总体设计上以学生为探素者，教师做引路人，按照“教师为主导，学生为主体，实验作手段，问题为线索”的构想，采用情景引导教法来进行教学。教师在教学过程的各个环节中不断地为学生创设问题情境，设置悬念，适时点按。当探索多次失败时，启迪学生要持之以恒；当探索成功时，则应简明扼要地概括研究问题的思路，把学生从纯知识的学习导向知识、能力、思想的全面发展对学生发表的各种意见要给予充分的肯定，以便进一步激励学生学习的积极性和主动性。课后篇素养形成必备知识基础练1.下列说法中正确的是()A.感生电场由变化的磁场产生B.恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场C.感生电场的方向也同样可以用楞次定律和右手定则来判定D.感生电场的电场线是闭合曲线,其方向一定是沿逆时针方向解析磁场变化时在空间激发感生电场,其方向与所产生的感应电流方向相同,只能由楞次定律判断,A项正确。答案A2.(多选)在空间某处存在一变化的磁场,则下列说法中正确的是()A.在磁场中放一闭合线圈,线圈中一定会产生感应电流B.在磁场中放一闭合线圈,线圈中不一定产生感应电流C.在磁场中不放闭合线圈,在变化的磁场周围一定不会产生电场D.在磁场中不放闭合线圈,在变化的磁场周围一定会产生电场解析根据感应电流的产生条件,只有穿过闭合线圈的磁通量发生变化,线圈中才产生感应电流,A错误,B正确;变化的磁场产生感生电场,与是否存在闭合线圈无关,C错误,D正确。答案BD3.(多选)如图所示,闭合金属导线框放置在竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度的大小随时间变化而变化。下列说法中正确的是()A.当磁感应强度增大时,线框中的感应电流可能减小B.当磁感应强度增大时,线框中的感应电流一定增大C.当磁感应强度减小时,线框中的感应电流一定增大D.当磁感应强度减小时,线框中的感应电流可能不变解析线框中的感应电动势为E=ΔBΔtS,设线框的电阻为R,则线框中的电流I=ER=ΔBSΔtR,因为B增大或减小时,Δ答案AD4.(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠加而成的,而不是采用一整块硅钢,这是为了()A.增大涡流B.减小涡流C.产生更多的热量D.减小发热量解析涡流能使导体发热。变压器的铁芯是相互绝缘的硅钢片叠加而成的,从而降低涡流强度,减少能量损耗,提高变压器的效率。答案BD5.(2020全国Ⅱ卷)管道高频焊机可以对由钢板卷成的圆管的接缝实施焊接。焊机的原理如图所示,圆管通过一个接有高频交流电源的线圈,线圈所产生的交变磁场使圆管中产生交变电流,电流产生的热量使接缝处的材料熔化将其焊接。焊接过程中所利用的电磁学规律的发现者为()A.库仑 B.霍尔C.洛伦兹 D.法拉第解析线圈中的高频交变电流产生交变磁场,钢管处于交变磁场中,由于电磁感应产生交变电流,交变电流通过接缝处,接缝处电阻很大,根据焦耳定律Q=I2Rt知,接缝处会产生大量的热量,熔化材料。此焊接过程利用的电磁学规律是电磁感应,电磁感应的发现者是法拉第,A、B、C错误,D正确。答案D6.(多选)如图所示,磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架,把线圈绕在铝框上,这样做的目的是()A.使线圈偏转角度更大B.使线圈偏转后尽快停下来C.起电磁阻尼的作用D.起电磁驱动的作用解析线圈通电后,在安培力作用下发生转动,铝框随之转动,并切割磁感线产生感应电流,阻碍线圈的转动,使线圈偏转后尽快停下来,这样做是起电磁阻尼的作用。答案BC7.(多选)位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管,一个比螺线管长但比螺线管细的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v水平穿过,如图所示,在此过程中()A.磁铁做匀速直线运动 B.磁铁做减速运动C.小车向右做加速运动 D.小车先加速后减速解析磁铁水平穿入螺线管时,管中将产生感应电流,由楞次定律知该电流产生的磁场的作用力阻碍磁铁的运动。同理,磁铁穿出时该电流产生的磁场的作用力也阻碍磁铁的运动,故整个过程中,磁铁做减速运动,B项正确。而对于小车上的螺线管来说,在此过程中螺线管受到的安培力都是水平向右,这个安培力使小车向右运动,且一直做加速运动,C项正确。答案BC8.磁电式电流表在运输时往往把正负接线柱短接,想一想,这样做有什么道理?解析电流表正负接线柱短接后与线圈组成闭合电路,由于指针和线圈是固定在一起的,所以指针摆动时会带动线圈在磁场中做切割磁感线运动,从而产生感应电流,而感应电流会产生阻碍线圈转动的效果,从而有效减轻了指针的摆动。答案见解析关键能力提升练9.英国物理学家麦克斯韦认为,磁场变化时会在空间激发感生电场。如图所示,一个半径为r的绝缘细圆环水平放置,环内存在竖直向上的匀强磁场B,环上套一电荷量为+q的小球。已知磁感应强度B随时间均匀增加,其变化率为k,若小球在环上运动一周,则感生电场对小球的作用力所做功的大小是()A.0 B.12r2qkC.2πr2qk D.πr2qk解析变化的磁场产生的感生电动势为E=ΔBΔtπr2=kπr2,小球在环上运动一周感生电场对其所做的功W=qE=πr2qk,D项正确,A、B答案D10.如图所示,条形磁铁从高h处自由下落,中途穿过一个固定的空心线圈。开关S断开,条形磁铁从开始下落至落地用时t1,落地时速度为v1;S闭合,条形磁铁从开始下落至落地用时t2,落地时速度为v2,则它们的大小关系正确的是()A.t1>t2,v1>v2 B.t1=t2,v1=v2C.t1<t2,v1<v2 D.t1<t2,v1>v2解析开关S断开时,线圈中无感应电流,对条形磁铁无阻碍作用,条形磁铁自由下落,故a=g;当开关S闭合时,线圈中有感应电流,对条形磁铁有阻碍作用,故a<g,所以t1<t2,v1>v2,选项D正确。答案D11.如图所示,矩形线圈放置在水平薄木板上,有两块相同的蹄形磁铁,四个磁极之间的距离两两相等,当两块蹄形磁铁匀速向右运动时,线圈仍静止不动,那么线圈受到木板的摩擦力方向是()A.先向左,后向右B.先向左,后向右,再向左C.一直向右D.一直向左解析当两蹄形磁铁靠近线圈时,线圈要阻碍其靠近,线圈