涡流、电磁阻尼和电磁驱动
教学设计(一)
 
 
整
体
设
计
教学分析　　　　　
本课时教学内容涉及电磁感应在生产、生活及实验教学方面的应用，前面学生学习的都是闭合导线中的电磁感应现象，本节主要学习金属块状导体中的电磁感应现象——涡流。教学内容主要学习涡流及其成因，涡流的热效应、机械效应等。教学的重点是涡流的概念及其应用。难点是电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。
教学目标　　　　　
1．了解涡流是怎样产生的。
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及实验教学等方面的应用。
4．了解电磁阻尼和电磁驱动。
教学重点难点　　　
教学的重点是涡流的概念及其应用。难点是电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。
教学方法与手段　　
以演示实验为主线，小组合作学习为主导。通过演示实验，让学生观察实验现象，小组合作交流分析现象产生的原因，总结物理概念，了解涡流在生活、生产及实验教学等方面的应用。
 
 
课
前
准
备
教学媒体　　　　　
仪器：可拆变压器、与可拆变压器外形相似的铁块、圆柱形磁铁、细线、铁架台、铜板、微安表、导线、电磁驱动演示装置(U形磁铁、能绕轴转动的铝框)、演示交流感应电动机。
知识准备　　　　　
产生感应电流的条件、楞次定律、左手定则。
 
 
教
学
过
程
导入新课　　　　　
[事件1]
教学任务：创设情景，导入新课。
师生活动：
【演示1】 涡流热效应实验。
将可拆变压器的上边铁芯拆去，在可拆变压器的一侧铁芯上面加一块厚约2 mm的铁
板，让铁板垂直于铁芯里磁感线的方向。给变压器线圈接交流电。几分钟后，让学生摸摸铁芯和铁板，比较现象，报告给全班同学。
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生，引入新课。
推进新课　　　　　
[事件2]
教学任务：涡流
师生活动：
阅读教材：学生阅读教材26页，初步了解涡流及应用。
小组交流：
(1)涡流是怎样产生的？
(2)铁芯温度变化与哪些因素有关？
(3)变压器铁芯与铁板温度升高不同的原因是什么？
(4)涡流的热效应与哪些因素有关？
(5)涡流热效应有哪些应用？
(6)变压器是如何防止涡流热效应的？
成果汇报：
分小组汇报，每小组重点汇报一个问题，小组成员及其他小组可补充回答。
结论：
(1)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。
(2)电流大小、电阻大小、时间长短、铁芯质量、铁芯的比热容等因素。
(3)电流大小、电阻大小、质量等因素。
(4)电流大小、电阻大小、时间长短。
(5)冶炼金属、探测、安检等。
(6)变压器铁芯是相互绝缘的硅钢片叠成的，铁芯中的涡流被限制在狭窄的薄片之内(如图)，回路的电阻很大，涡流大为减弱，涡流产生的热量也减少。
　　　
应用举例：
电涡流缓速器的原理及其应用
汽车缓速器按其工作原理通常分为发动机排气缓速、液力缓速和电涡流缓速等，在这几种缓速器中，电涡流缓速器的市场前景最广阔。
电涡流缓速器是近年才进入国内的一种新型动态安全装置，安装在汽车传动系统中，用来提高车辆的安全性能。它有三种安装方式，可以安装在变速器输出轴端、传动轴之间或者驱动桥输入轴端上。电涡流缓速器是利用发电机反向电流原理，施加反向电压，产生强大的非接触式制动效能。它在汽车行驶过程中需要减速时接通电源，定子与转子之间形成电磁涡流，产生相反的扭矩而达到减速作用。
电涡流缓速器是一种高效汽车制动辅助装置，俗称“电刹”，它是国际流行的第三制动系统。可以通过驾驶员手动或脚动实现制动。该产品既可以使汽车在坡道行驶时，方便地
实现缓速或恒速行驶，也可以在高速公路或路况较差的情况下，轻松地进行缓速，因此可极大提高汽车行驶时的安全性和舒适性。
电涡流缓速器的结构包括电控装置和机械装置两部分。电控装置部分包括：电气盒、控制盒、线圈、车况感应器、气压感应器和状态指示灯等。机械装置部分包括：缓速器的固定盘总成、旋转体总成及支撑架等部件。
电涡流缓速器的工作原理：当气压感应器采集到驾驶员脚踩制动踏板信号时，电气盒根据制动总泵中气压的大小，输出指令让控制盒处于工作状态。电气盒和控制盒根据气压感应器所采集到的不同制动气压，使固定盘总成中的线圈通电，从而产生不同极性的匀强磁场。由于磁盘导电，所以就有电涡流产生；而固定盘总成是固定不动的，就与旋转体总成存在着轴向的磁力和外圈的切向力等的作用，这些力的合成阻碍了旋转体总成的旋转，再通过差速器总成平均分配到两个后轮上，从而达到使车辆减速的目的。
[事件3]
教学任务：电磁阻尼
师生活动：
问题引导：金属中磁通量变化产生涡流，涡流使金属温度升高，也就是说涡流有热效应。我们还知道，电流在磁场中会受安培力，那么，涡流是否有机械效应呢？
【演示2】 涡流的机械效应——电磁阻尼。
将圆柱形磁铁用细线拴好挂在铁架台上形成一个单摆(如图)。
实验一：将摆球拉离平衡位置一定角度，释放摆球，观察摆动过程中摆动幅度的变化。
实验二：在摆球平衡位置的下方靠近平衡位置处水平放一铜板，再将摆球拉离平衡位置相同的角度，释放摆球，观察摆动过程中摆动幅度的变化。比较两次实验现象。
提出问题：为什么在磁铁下放铜板后，磁铁摆动几次后很快停下来？
引导分析：铜板可看成由很多闭合回路组成的(如下图)，当磁铁靠近或远离铜板时，通过这些回路的磁通量发生变化，在回路中产生涡流。涡流在磁场中受安培力作用，根据楞次定律，涡流所受的安培力总是阻碍磁铁与铜板的相对运动，因此，用磁铁做成的摆球会很快停下来。
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，这种现象叫电磁阻尼。
思考与讨论：分析电表线圈骨架的作用。
为什么用铝框做线圈骨架？
小组交流：
(1)假定仪表工作时指针向右转动，铝框中感应电流沿什么方向？
(2)铝框由于转动产生感应电流，铝框会受安培力，安培力是沿什么方向的？
(3)安培力对铝框的转动产生什么影响？
(4)使用铝框做线圈骨架有什么好处？
成果汇报：(1)假定仪表工作时指针向右转动，铝框中感应电流从上向下看是逆时针方向。
(2)铝框中感应电流从上向下看是逆时针方向。铝框左边受安培力向下，右边受安培力向上。
(3)安培力对铝框的转动起到阻碍作用。
(4)使用铝框做线圈骨架，能使指针随铝框很快稳定地指在读数位置上，达到能够迅速读出数据的功能。
结论：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。
做一做：
目的：演示灵敏电流计的短路保护。
器材：灵敏电流计、导线等。
操作：
(1)将灵敏电流计摇动后，使指针有较大的摆动幅度。停止摇动后，可观察指针要摆动多次，经一定时间才能停止下来。
(2)再次摇动灵敏电流计，使其有较大的摆幅。立即在两个接线柱上接上一根导线(短路线)，可发现指针摆幅迅速减小，比不连短路线时摆动的时间短得多。这是由于与指针相连的线圈在磁场中摆动时产生了感应电流，线圈受安培力形成的阻力矩的作用，使指针摆幅迅速衰减。这样能起到阻尼保护的作用。
(3)再摇动已连上短路线的灵敏电流计，可见指针摆动幅度很小，且迅速停下。理由同操作(2)。
说明：
(1)通常JD409或JD4091型灵敏电流计的阻尼时间小于4 s，因为此种灵敏电流计的动圈铝框是闭合的，已有一定的阻尼作用。所以本演示中最好采用老式的灵敏电流计(内部动圈铝框是不闭合的)，演示短路阻尼效果更好。
(2)本实验说明灵敏电流计不用时，应在两接线柱上加上短路线，以达到阻尼保护的作用。防止在搬动或运输过程中，电流计受到振动，指针振幅过大而被撞弯或轴尖脱落等情况。
实验探究：相同灵敏电流表在不同的连接方式下电流的方向。
问题探究(1)：如图所示，取两个完全相同的磁电式电流表A、B，按图所示方法用导线连接起来，在把电流表A的指针向左边拨动的过程中，电流表B的指针将如何偏转？
问题探究(2)：如果改变连线方式，电流表B的指针又将如何偏转？
学生分组探究汇报探究结果及现象形成的原因。
应用举例：
电动车用电磁阻尼制动装置
电动车用电磁阻尼制动装置，该装置主要包括：设置在刹把中的刹杆、双磁片和线性霍尔元件，其中线性霍尔元件固定在刹把中，刹杆随刹把柄移动，第一个磁片固定在线性霍尔元件的一侧并与线性霍尔元件有一小间隙，第二个磁片固定在靠线性霍尔元件另一侧的刹杆端面上；把第一个磁片的N极和第二个磁片的S极相对放置；把线性霍尔元件的电源线、信号线和地线均连接在电动车的控制器上。本电动车可根据人的感觉和骑行环境的具体情况，更加灵活和人性化地改变车速，具有更安全、更舒适、更节能的特点。
[事件4]
教学任务：电磁驱动
师生活动：
【演示3】 如图一个铝框放在蹄形磁铁的两极间，磁铁可以在手柄带动下转动，转动磁铁，观察铝框的运动情况。
观察与描述：转动手柄时，铝框随磁铁的转动而转动，铝框转动方向与磁铁相同，比磁铁转动慢一些。
引导分析：转动磁铁时，通过铝框的磁通量发生变化，铝框中产生感应电流，铝框在安培力的作用下运动起来，利用楞次定律可以判断铝框受安培力使之转动的方向与磁铁转动方向相同。从能量角度，转动磁铁消耗其他形式的能转变为铝框的动能。
结论：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。
【演示4】 交流感应电动机电磁驱动原理(如图)。简要介绍交流感应电动机的工作过程。
　　　　　　　　
　　　　　这样配置的线圈，连接到三
　　　　　相电源时能产生旋转的磁场。　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一种交流感应电动机的结构
应用举例：
感应电动机
1．电磁驱动现象：在U形磁铁中间放一个铝框，如果转动磁铁，造成一个旋转磁场，
铝框就随着转动。
2．旋转磁场的产生方法
旋转磁铁可以得到旋转磁场；
在线圈中通入三相交流电也可以得到旋转磁场。通过励磁机或可控硅励磁系统给转子线圈直流电而产生磁场，转子由电动机带动旋转产生旋转磁场，假定转子不动，定子相对转子而言它是旋转的，切割磁感线。
3．感应电动机的结构介绍
定子：固定的电枢称为定子。
转子：中间转动的铁芯以及铁芯上镶嵌的铜条叫转子。
4．鼠笼式电动机模型介绍
感应电动机的转子是由铁芯和嵌在铁芯上的闭合导体构成的。闭合导体是由嵌在铁芯凹槽中的铜条(或铝条)和两个铜环(或铝环)连在一起制成的，形状像个鼠笼，所以这种电动机也叫鼠笼式感应电动机。
5．感应电动机的转动方向控制
由于感应电动机的构造简单，因此如果要改变转子的转动方向，只需要把定子上的任意两组线圈的电流互换一下就可以通过改变旋转磁场的旋转方向来改变转子的转动方向。
这种电动机在制造、使用和保养上都比较简单，被广泛应用在工农业生产上。
[事件5]
教学任务：例题分析
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，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法中正确的是(　　) 
A．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高得越快
B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高得越快
C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小
D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大
分析：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，电流变化得越快，感应电动势就越大。A选项正确。工件上焊缝处相对于其他位置而言电阻大，电流产生的热量就多，D选项也正确。
答案：AD
2弹簧上端固定，下端挂一只条形磁铁，使磁铁上下振动，在不考虑空气阻力的情况下，磁铁的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图所示，观察磁铁的振幅将会发现(　　) 
A．S闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变
B．S闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变
C．S闭合或断开，振幅变化相同
D．S闭合或断开，振幅都不发生变化
分析：S断开时，磁铁振动穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中无感应电流，振幅不变；S闭合时有感应电流，有电能产生；磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减少，A正确。
答案：A
课堂巩固与反馈　　　　　
[事件6]
教学任务：形成性测试，学生独立完成。时间：4分钟。
1．在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图所示。现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以某一初速向磁铁滑去。各物块在向磁铁运动的过程中(　　) 
A．都做匀速运动　　　 　　　　　　　B．甲、乙做加速运动
C．甲、乙做减速运动                 D．乙、丙做匀速运动
2．磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上；而不用塑料做骨架是因为(　　)
A．塑料材料的坚硬程度达不到要求
B．塑料是绝缘的，对线圈的绝缘产生不良影响
C．铝框是导体，在铝框和指针一块摆动过程中会产生涡流，使指针很快停止摆动
D．铝框的质量比塑料框的质量大
3．如图所示，在水平通电直导线的正下方，有一半圆形光滑弧形轨道，一导体圆环自轨道右侧的P点无初速度滑下，下列判断正确的是(　　) 
A．圆环中将有感应电流产生  B．圆环能滑到轨道左侧与P点等高处
C．圆环最终停到轨道最低点  D．圆环将会在轨道上永远滑动下去
4．变压器、电动机的线圈都是绕在铁芯上的，当线圈中通过变化的电流时，在铁芯中会产生________使铁芯发热，造成能量的浪费。
5．用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外绕有线圈，线圈中通有高频电流，产生的变化磁场使炉内的金属中产生________，从而使金属的温度升高来冶炼高质量的合金。
6．对于金属壳地雷或有较大金属零件的地雷，可以使用一种探雷器来探测，这种探雷器有一个线圈，线圈中通过变化的电流会产生变化的磁场，使埋在地下的金属壳地雷或金属零件产生________。
7．电动机的线圈中通有电流时，磁场对线圈有安培力的作用，线圈就会转动起来，即电动机就会转动，这种作用叫做________。
组内交流：
(1)小组内合作交流制定小组标准答案。
(2)在制定答案的同时，组内交流互助。
(3)小组选出一人为小组首席发言人。
组间交流：
(1)各小组首席发言人公布小组答案。
(2)各组对其他组有争议的答案进行辩论。
(3)通过辩论形成测试题正确答案。
参考答案：1.C　2.C　3.AC　4.涡流　5.涡流　6.涡流　7.电磁驱动
课堂小结　　　　　
[事件7]
教学任务：引导学生从知识、方法、情感三个侧面小结本节课的学习活动。
引导总结本节知识内容，形成知识体系。通过对学习过程的总结，了解从现象观察到理性分析的学习方法。通过对合作交流的总结，回味交流过程中的情感体验，激发学习物理的热情。通过了解涡流现象及应用，感悟人类的伟大，树立学习科学知识，改造自然服务人类的勇气和决心。
 
 
板
书
设
计
流、电磁阻尼和电磁驱动
涡流Error!
 
 
活
动
与
探
究
课题：自制简易电磁阻尼摆。
原理：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。
处在交变电磁场中的金属块，由于受变化电磁场产生的感生电动势作用，将在金属块内引起涡旋状的感生电流，把这种电流称为涡电流。
在下图所示的实验装置中，当金属摆在两磁极间摆动时，由于切割磁感线运动产生动生电动势，在金属摆内也会出现涡流。
　　　
根据安培定律，当金属摆进入磁场时，磁场对环状电流的上、下两段的作用力之和为零；对环状电流的左、右两段的作用力的合力起阻碍金属摆块摆进的作用。当金属块摆出磁场时，磁场对环状电流的左、右两段的作用力的合力则起阻碍金属摆块摆出的作用。因此，金属摆总是受到一个阻尼力的作用，就像在某种粘滞介质中摆动一样，很快地停止下来，这种阻尼起源于电磁感应，故称电磁阻尼。
若将图中的金属摆制成有许多隔槽的，使得涡流大为减小，从而对金属摆的阻尼作用变得不明显，金属摆在两磁极间要摆动较长时间才会停止下来。
电磁阻尼摆在各种仪表中被广泛应用，电气机车和电车中的电磁制动器就是根据此原
理而制造的。
注意：
1．操作前应把矩形磁轭和支撑架调整到位，确保摆动顺畅。
2．注意不要长时间通电，以免烧坏线圈。
思考：能否让磁场运动，自制电磁阻尼摆呢？
 
 
设
计
说
明
本节课作为电磁感应的最后一节，学习涡流的产生及应用。通过涡流在生活、生产及实验中的应用，激发学生学习物理的热情，同时增强学生的科学意识和利用物理知识改造自然、服务人类的思想意识。因此，本节学习以演示实验和视频为主线，以小组合作学习为主要学习方式。从学生个体对现象的感性认识入手，通过小组合作上升到对现象的理性分析。因此，每一问题的学习都是从现象→分析→应用(或防止)的过程。课堂巩固与反馈，采用小测试的形式，分三步进行：首先，学生独立完成，目的是检测学生对本节内容的掌握情况，发现不足；第二步，小组答案交流，目的是通过交流实现学生之间的互助，基本解决问题；第三步，不同组选代表进行答案交流，目的是不同组对有争议的问题进行探讨，期望在辩论中生成意料之外的问题，使课堂教学在辩论的高潮中结束，让课堂给学生留下思索与回味的空间。