选择性必修 第二册3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动教案

2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册

2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动 教案

教学目标

一、知识与技能

1、了解感生电场，知道感生电动势产生的原因，会判断感生电动势的方向。

2、知道涡流是如何产生的，知道涡流对我们有不利和有利两方面的影响，以及如何利用和防止涡流。

3、理解电磁阻尼和电磁驱动。

二、过程与方法

1、通过导体与磁场的相对运动情况的不同，理解电磁阻尼和电磁驱动，培养学生用辩证唯物主义的观点去认识问题。

2、通过对涡流的认识，培养学生全面、客观的科学研究方法。

三、情感态度与价值观

1、通过了解电子感应加速器的加速原理，培养学生运用所学知识探究新知的能力。

2、通过电磁炉、金属探测器的工作原理以及电动机、变压器铁芯的发热原因的认识，培养学生客观、全面地认识事物的科学态度。

重点难点

1、感生电场的产生及感生电动势的理解。（重点）

2、涡流的概念及其应用。（重点）

3、电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。（重点）

4、涡流的概念及其应用。（难点）

5、电磁阻尼和电磁驱动的理解和应用。（难点）

教学准备

课件

教学过程

一、导入新课：

【教师引入课程】出示电磁炉炉盘的图片，在电磁炉的炉盘下有一个线圈。电磁炉工作时，它的盘面并不发热，但在炉盘上面放置铁锅，铁锅会发热。你知道这是为什么吗？

这节课我们就来学习涡流、电磁阻尼和电磁驱动的相关知识。

二、讲授新课： 

1、电磁感应现象中的感生电场

【教师提问】穿过闭合回路的磁场增强，在回路中产生感应电流。是什么力充当非静电力使得自由电荷发生定向运动呢？

【学生回答】电荷的定向移动形成电流，电流的产生说明电荷受到了电场力的作用。

【教师引导】麦克斯韦认为，磁场变化时在空间激发出一种电场，这种电场对自由电荷产生了力的作用，使自由电荷运动起来，形成了电流，或者说产生了电动势。

【教师总结】（1）这种由于磁场的变化而激发的电场叫作感生电场。感生电场对自由电荷的作用力充当了非静电力。

（2）由感生电场产生的感应电动势，叫作感生电动势。

【教师提问】感生电场和静电场有什么不同？

【教师提示】感生电场是磁场变化激发产生的，属于电磁感应现象。静电场是静电荷在空间激发产生的。

感生电场的电场线是闭合的，而静电场的电场线是起始于正电荷（或无穷远）终止于负电荷（或无穷远）的，是不闭合的。

【教师提问】感生电场的方向如何判断？

感生电场的方向可以用楞次定律来判定。感应电流的方向可以用楞次定律来判定，而电流的方向与正电荷移动的方向相同，感生电场的方向与正电荷受力的方向相同，因此，感生电场的方向也可以用楞次定律来判定。

【思考】现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。它的基本原理如图甲所示，上、下为电磁体的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁体线圈中电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速。线圈中的电流方向如图乙所示，为使电子沿逆时针方向加速，电磁体线圈中的电流应该如何变化？

根据线圈中的电流方向可以判断线圈电流的磁场方向由下向上，如果从上向下看图乙所示的线圈，电于沿逆时针方向运动。电子带负电，它在电场中受力的方向与电场方向相反。所以为使电子加速，产生的电场应沿顺时针方向。根据楞次定律，为使真空室中产生顺时针方向的感生电场，磁场应该由弱变强。也就是说，为使电子加速，电磁体线圈中的电流应该由小变大。

【教师提示】通过感生电场的产生以及同静电场的比较，理解感生电场的产生机理及特点。

2、涡流

【演示实验】如图线圈接入220V交变电源，块状铁芯插入线圈中，让一名学生感知铁芯的变化。

现象：几分钟后学生感到铁芯变热。

【教师提问】铁板发热的原因是什么？

【教师引导】如图所示，线圈接入反复变化的电流，某段时间内，若电流变大，则其磁场变强，根据麦克斯韦理论，变化的磁场激发出感生电场。导体可以看成是由许多闭合线圈组成的，在感生电场的作用下，这些线圈中产生了感生电动势，从而产生涡旋状的感应电流。由于导体存在电阻，当电流在导体中流动时，就会产生电热，这就是涡流的热效应。

【小结】（1）导体内产生的感应电流看起来像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。

（2）由于导体存在电阻，当电流在导体中流动时，就会产生电热。

【教师总结】1、涡流的优点及利用

用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入高频交变电流，炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度。利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行，这样能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。

2、涡流的危害及减小危害的方法

电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上。线圈中通过交变电流时，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了电能，还可能损坏电器，因此我们要想办法减小涡流。途径之一是增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大；另一个途径就是用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。

3、电磁阻尼与电磁驱动

【教师引导】当导体在磁场中运动时，导体中产生的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】把铜板做成的摆放到电磁铁的磁场中，当电磁铁未通电时，摆要往复多次，摆才能停止下来。如果电磁铁通电，磁场在摆动的铜板中产生涡流。涡流受磁场作用力的方向与摆动方向相反，因而增大了摆的阻尼，摆很快就能停止下来。电磁仪表中的电磁阻尼器就是根据涡流磁效应制作的，在磁电式测量仪表中，常把使指针偏转的线圈绕在闭合铝框上，当测量电流流过线圈时，铝框随线圈指针一起在磁场中转动，这时铝框内产生的涡流将受到磁场作用力，抑制指针的摆动，使指针较快地稳定在指示位置上。

此外，电气机车的电磁制动器也是根据这一效应制作的。

【教师引导】若磁场相对导体转动，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，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动。

【教师提示】（1）在电磁驱动中，主动部分与被动部分的运动（或转动）方向一致，被动部分的速度（或角速度）比主动部分的小。

（2）电磁阻尼、电磁驱动都是有感应电流产生的电磁感应现象，在这两种现象中可以运用楞次定律分析导体的受力情况，运用力学知识和能量守恒定律分析导体的运动情况和能量转化情况。

【教师总结】电磁阻尼和电磁驱动的区别与联系

课堂练习

1、关于涡流，下列说法中错误的是(   )

A.真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置

B.家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的

C.阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动

D.变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流

答案：B

2、扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌.为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示.无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是(   )

A. B. C. D.

答案：A

3、如图所示，位于同一绝缘水平面内的两根固定金属导轨电阻不计，两导轨之间存在竖直向下的匀强磁场.现将两根粗细均匀、电阻分布均匀的相同铜棒放在两导轨上，若两棒从图示位置以相同的速度沿方向做匀速直线运动，运动过程中始终与两导轨接触良好，且始终与导轨垂直，不计一切摩擦，则下列说法正确的是(   )

A.回路中有顺时针方向的感应电流 B.回路中的感应电流不断增大

C.回路中的热功率不断增大 D.两棒所受安培力的合力不断减小

答案：D

4、电子感应加速器的基本原理如图所示.在上、下两个电磁铁形成的异名磁极之间有一个环形真空室.图甲为侧视图，图乙为真空室的俯视图.电磁铁中通以变化的电流，使两磁极间的磁场周期性变化，从而在真空室内产生感生电场，将电子从电子枪右端注入真空室，电子在感生电场的作用下被加速，同时在洛伦兹力的作用下，在真空室中沿逆时针方向(图乙中箭头方向)做圆周运动.由于感生电场的周期性变化使电子只能在某段时间内被加速，但由于电子的质量很小，故在极短时间内被加速的电子可在真空室内回旋数十万以至数百万次，并获得很大的能量.若磁场的磁感应强度B(图乙中垂直于纸面向外为正)随时间变化的关系如图丙所示，不考虑电子质量的变化，电子在时，注入真空室后由静止开始被加速，则下列说法中正确的是(   )

A.电子在真空室中做匀速圆周运动

B.电子在运动时的加速度始终指向圆心

C.在丙图所示的第一个周期中，电子只能在内按图乙中逆时针方向做圆周运动且被加速

D.在丙图所示的第一个周期中，电子在和内均能按图乙中逆时针方向做圆周运动且被加速

答案：C

5、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，感应电流通过焊缝处产生大量热量，将金属融化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是(   )

A.电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高得越快
B.电流变化的频率越高，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较小
D.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻较大

答案：BD

6、如图所示，一闭合的小金属环用一根绝缘细杆挂在固定点O处，使金属圆环在竖直线的两侧来回摆动的过程中穿过水平方向的匀强磁场区域，磁感线的方向垂直纸面向里，若悬点摩擦和空气阻力均不计，则(   )

A.金属环进入磁场区域后越靠近线时速度越大

B.金属环每次进入和离开磁场区域都有感应电流

C.金属环在从摆动到停止过程中，机械能将全部转化为环中的电能

D.金属环开始摆动后，摆角会越来越小，摆角小到某一值后不再减小

答案： ABD

板书设计

2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动

一、电磁感应现象中的感生电场

1、麦克斯韦在他的电磁理论中指出：变化的磁场能在周围空间激发电场，这种电场叫感生电场。

2、由感生电场产生的电动势叫感生电动势。

二、涡流

1、涡流：当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，电流在导体中组成闭合回路，很像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流。

2、涡流大小的决定因素：磁场变化越快（越大），导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大。

三、电磁阻尼

当导体在磁场中运动时，导体中产生的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。

四、电磁驱动

若磁场相对导体转动，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，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动。

教学后记

引导学生对本节多学知识进行自主交流探究，根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。