資源簡介

§2.3渦流、電磁阻尼和電磁驅動
1、教材分析
本節課選自2019年人教版《物理》選擇性必修二第二章第3節。本章教材從電磁感應現象、規律、應用這三個階段逐步展開, 2019年人教版《物理》必修三第十三章第3節《電磁感應現象及應用》讓學生認識了電磁感應現象，本章在第1和第2兩節分別介紹電磁感應中的兩個重要規律---楞次定律和法拉第電磁感應定律,而最后兩節則著重介紹特殊的電磁感應現象及其應用。遞進式的結構有助于學生對電磁感應的知識建構。本節在本章中承載著復習和強化前兩節中學到的理論以及拓展學生在利用渦流服務生產生活中的視野,從而培養學生應用舊知識處理新問題的能力以及激發他們對科技應用的激情,進而刺激他們的創新欲望。
2、課程標準要求（2017年版）
通過實驗 ,了解渦流現象。舉例說明渦流現象在生產和生活中的應用。
3、教材內容分析
本節課圍繞渦流、電磁阻尼和電磁驅動三個核心概念展開。渦電流的產生具有多種形式,如利用變化的磁場通過塊狀金屬或讓塊狀金屬相對磁場運動,產生渦電流的機理可利用微積分的思想結合磁生電的條件以及麥克斯韋理論解釋。渦電流具有多種效應,如熱效應、機械效應等。電磁阻尼和電磁驅動是渦電流機械效應的表現形式,當導體與磁場發生相對運動時,在某些情況下只需要判明渦流所引起的機械效果,故可根據楞次定律的另一種表述推知:渦電流的效果總是反抗引起渦電流的原因,該種效果通過安培力的作用來實現。
導體在沒有外接電路的情況下能夠產生呈閉合渦旋狀的渦電流,這與學生的已有認識“感應電流” 不一致,因此,學生對此會產生認識困難,應利用形象直觀的演示實驗及課件來輔助教學,盡量讓學生充分參與和思考。同時,在認知架構過程中強調利用微元法的思想,幫助學生形成對渦電流的正確認識,學生在解釋電磁阻尼和電磁驅動現象時,需要綜合運用電磁感應定律、楞次定律和安培力等知識進行邏輯推理,在教學過程中應基于學生的已有知識設置問題鏈以激發學生的思考,理解電磁阻尼和電磁驅動的本質是渦電流所受到的安培力阻礙導體與磁場的相對運動。本節課的內容與實際生活聯系緊密,在工程技術中有廣泛的應用。在教學過程中應引導學生正確看待科學知識在社會、生活中的應用,形成正確的物理觀和科學技術觀。
4、學情分析
（1）學生已有的知識和經驗以及學習中會遇到的困難
通過以前的學習,學生已經具備了一定的分析和解決高中物理問題的能力。學生已經學習了電路的基本常識以及電磁感應的相關規律,學會判斷回路是否會產生感應電流以及感應電流的方向,而且還掌握了感應電動勢的大小與什么因素有關，但頭腦中沒有渦流這個概念,也沒有意識到渦流現象。學習中對渦流現象的解釋以及對于不同情況下產生渦電流的電動勢類型存在判斷困難,是學生遇到的最大挑戰。其次,感應電流的機械效應——電磁阻尼和電磁驅動是電磁學與動力學相結合的問題,考慮的是感應電流受到的安培力產生的機械效果。涉及的內容較多,存在一定的困難。第三,學生過去學習的都是理想的單匝線圈的問題,而在現實生活中存在的往往是塊狀的金屬導體,所以渦流現象是生活中更加常見的現象,這是從理想到現實的一個飛躍,存在一定的困難。
（2）學生的興趣特點
高二學生具有一定的創新意識,對于自然及社會中各種現象具有濃厚的興趣。他們希望通過觀察實驗現象,經過思考來理解現象產生的原因,并總結出其中的規律。
因此在學習渦電流的過程中 ,應充分發揮演示實驗的作用,通過教師的引導,利用渦流在生活中的實際應用,如電磁爐、金屬探測器、真空冶煉爐等激發學生的興趣,也能讓學生體會物理與實際應用的密切聯系,領略物理學的魅力。
5、教學重難點　
（1）教學重點：
1、渦流的概念建立及其應用。
2、利用渦流、電磁阻尼和電磁驅動的相關知識解釋物理現象和生活實例。
（2）教學難點
1、電磁阻尼和電磁驅動的實例分析。
2、電磁阻尼和電磁驅動的本質是渦流所受到的安培力阻礙導體與磁場的相對運動。
6、教學目標（物理核心素養）
（一）物理觀念
1、知道渦流是如何產生的,渦流的本質是感應電流。
2、知道渦流對我們有有利和不利的兩方面,以及如何利用和防止。
3、知道電磁阻尼和電磁驅動,其本質是渦流所受到的安培力阻礙導體與磁場的相對運動。
（二）科學思維
了解渦流的原理，能在問題情境中應用其性質進行分析，獲得結論。
（三）科學探究
了解電磁阻尼和電磁驅動的原理及其在生活中、生產中的應用。
（四）科學態度與責任
1、培養學生用辯證唯物主義的觀點認識問題。對渦流產生效應的利弊分析,樹立正確的價值觀。凡事要有辯證的態度即一分為二的態度。
2、通過以已掌握知識“感應電流形成原因探究”為基礎過渡到渦流成因的探究,使學生養成在科學探究的路上具備質疑的態度。
3、體驗物理技術與社會的聯系。
7、教學方法
實驗探究法、講授法、教學媒體設計
8、教學過程
師：各位同學大家好，今天我們要學習的內容是第二章第2節《渦流、電磁阻尼和電磁驅動》（板書），在開始我們的新課之前，我想請大家先來，大家相信魔法嗎？今天老師將化身一個魔法師，給大家展示一下我的魔法
(一) 創設情境,導入新課
探究活動1 無源之電
探究活動2 電磁爐燒水、金魚（“魔法小魚不怕熱”）
師：老師對兩條小魚施加了魔法，現在小魚是不怕熱的。我們將小魚放在電磁灶上。等著水開的同時，我向大家展示我的另一項魔法技能，就是可以在沒有連接電源的電路中產生電流，點亮燈泡，現在是展示我的魔法的時刻了。
現象：電磁爐點亮燈泡（演示兩遍）
師：我們在等水開的同時，請同學們結合電磁爐內部結構分析一下為什么在沒有電源的情況下小燈泡會發亮。（3分鐘）
師：這邊是電磁爐的內部結構圖，我們發現它是由加熱線圈（多匝線圈）構成。電磁爐通過內部控制電路產生交變電流，利用高頻的電流，通過環形線圈產生變化磁場，變化的磁場使閉合電路中產生感應電流，所以說小燈泡被點亮。（PPT展示）
師：我們把剛才的實驗簡化成一個模型，當磁場變強時，根據楞次定律，閉合回路中會產生感應電流，感應電流的磁場方向豎直向下，從上往下看，感應電流順時針方向，電流是因為電荷的定向移動所形成的，假設自由電荷是電子，那么電子的定向移動方向是逆時針方向，請問回路中使自由電荷定向移動的力是什么力？（是洛倫茲力、靜電力？）（兩位同學，旁邊受力分析，忽略重力，俯視圖）
生：洛倫茲力和靜電力、安培力。
原因：洛倫茲力與速度方向垂直，只改變速度的大小。靜電力是電荷間的相互作用力，與磁場無關。安培力：電流在磁場中受到的力。
師：根據必修三教材所說，電子在定向移動的過程中會受到一個跟電子運動方向相反的阻力，現在需要一個力克服阻力，促進電子的運動，那么這個力是感應電場對電子的力（非靜電力），電子受到的電場力方向與電場方向相反，所以回路中電場的方向是順時針的。
師：早在1856年，麥克斯韋就在前人工作的基礎上，提出了完整的電磁場理論，根據麥克斯韋的解釋，當磁場變化時會激發電場（感生），電場會對導體中的自由電荷產生力的作用，從而形成感應電動勢，在導體閉合的情況下，電荷在定向移動的過程中會形成感應電流。
師：通過我們剛才的分析，感生電場的電場線有什么特點？閉合曲線，這一點要跟我們前面所學的靜電場的電場線特點進行區別。
師：麥克斯韋認為，變化的磁場會產生旋渦狀的感生電場，如果電場處存在單匝圓線圈，那么就會在線圈中產生感應電流（環形電流），那么如果是很多個單匝圓線圈，那么情況又會是怎樣呢？
師：在這呢，就要用到我們數學中的微積分思想，我們設想將塊狀金屬（比如鐵盤、不銹鋼碗的底部）進行無限分割，可以看成一系列不同半徑的單匝圓線圈緊密疊加而成，最小單位（微元）為單匝圓線圈。無數個環形電流疊加起來，就像水的漩渦。我們把這個電流稱為渦電流（渦輪流），簡稱渦流。（PPT展示）
探究活動2 電磁爐燒水
師：大家看到水開了嗎？我們找一位同學來看下，水開了嗎 那你再看看裝小魚的容器。（看溫度和材質）
師：那你覺得為什么一邊水是冷的，一邊水是熱的。
生：小魚的容器是塑料的，燒水的是金屬。
師：剛才同學已經破解了我關于小燈泡發亮的魔法，那現在誰能給我破解一下為什么我的小魚放到電磁爐上沒有變成魚湯呢？大家按照學習小組分組進行討論。
學生：變化的磁場會產生感生電場，金屬中的自由電子會在感生電場力的作用下發生定向移動，電荷的定向移動會產生電流（渦流），渦流是電流，電流有熱效應，所以電磁灶會加熱金屬容器。非金屬容器內部沒有可以自由移動的電荷，不能產生感應電流，所以不能被加熱。
師：結合感應電流產生的條件想一想，渦流的產生條件是什么？
學生：（1）穿過導體（金屬塊）的磁通量發生變化；（2）導體（金屬塊）本身可自行構成閉合回路。
師：結合渦流的定義及產生條件說說渦流的實質又是什么？
學生：電磁感應（感應電流）
師：渦流實際上是一種特殊的電磁感應現象，當導體處在變化的磁場中，或者導體在非勻強磁場中運動時，導體內部可以等效成許許多多的閉合電路，當穿過這些閉合電路的磁通量變化時，在導體內部的這些閉合電路中將產生感應電流。即導體內部產生了渦流。師：由于塊狀金屬存在電阻，當渦流在塊狀金屬中流動時，就會釋放出大量的焦耳熱，這就是渦流的熱效應。渦流在我們生產生活中的很多地方都有應用，電磁爐就是利用渦流的熱效應來加熱食物的，因為要利用電磁感應，所以在選材上，電磁爐的鍋應該用鐵磁性金屬制造（比如鐵、不銹鋼和搪瓷等），這樣磁感線在鍋體內更為集中。在工業生產中，渦流加熱也可用于真空冶煉和高頻焊接。
師：接下來，我們來一起看下真空冶煉的過程。真空冶煉是一種新型的金屬冶煉方式，最高溫度可以達到2000攝氏度，工作原理就是在線圈中接入高頻電流，在爐內金屬中產生渦電流，使爐內金屬發熱融化；其優點是可以在真空中進行，避免雜質進入。
播放視頻（教師描述，重點強調渦流是在金屬物品里面產生的）
師：電動機和變壓器的工作原理都跟電磁感應現象有關，內部都有鐵芯結構，線圈中流過變化的電流,在鐵芯中產生的渦流使鐵芯發熱,浪費了能量,還可能損壞電器。因此，我們要想減小渦流，我們主要從兩方面入手，1、使用電阻率大的鐵芯材料 2、問：用一層層硅鋼片疊成疊成的鐵心代替整塊硅鋼鐵芯。 （電流被局限在小回路內，磁感應強度變化率不變，面積減小，磁通量變化率減小，感應電動勢減小，感應電流減小，對渦流有防止的作用。略）
師：渦流是電流，通過導體能夠產生熱效應、磁效應。生活中常見的金屬探測器、地雷探測器、安檢門都是渦流磁效應的應用。
請大家閱讀第36-37頁最后兩段文字，請同學說一下金屬探測器的工作過程。
探究活動3 電磁阻尼管（“時光隧道” ）
引導問題：老師費了很大勁找到了一個可以讓時間變慢的管道（鋁管）。兩個圓柱體（同學們觀察）
實驗演示：一長鋁管，中間空心，豎直放置。大小相同的塑料圓柱體和永磁圓柱體，兩圓柱體塊在相同的高度，同時釋放，學生觀察比較圓柱體塊的下落。
探究活動4 電磁爐+鋁箔（“會飛”的鋁箔 ）
引導：感應電流受安培力作用阻礙相對運動，能否將這阻礙轉變成一種驅動？師：我有一張家用鋁箔，現在我對它施以“魔法”，讓它飛起來，同樣請出我的電磁爐（把鋁箔紙放在碗的邊上，不能直接放鋁箔，因為電磁爐有一個感應裝置），“起” “下去”，再來一次。
師：要想解釋以上兩個實驗現象，我們就要先從理論的角度出發，請同學們分析以下四種情況的線框所受安培力方向。同時請同學們分析安培力的作用效果-----安培力總是阻礙導體與磁場之間的相對運動，它跟我們前面所學的摩檫力很相似，摩檫力既可以充當動力，也可以充當阻力，或者我們換句話說，安培力就是導體與磁場之間的摩檫力。
現象：鋁管中永磁圓柱體下落的時間更長。（請學生合作）
問：經過剛才的理論學習，有沒有同學可以破解我“時光隧道”的魔法？給大家展示管道是鋁管，磁鐵圓柱體。（演示磁鐵跟鋁管不會吸引）
引導：鋁管可以看到一個個鋁環并排放置，磁鐵經過鋁管的過程中，鋁環中會有感應電流。
學生回答，教師總結：磁鐵下落過程中，鋁管中產生感應電流，鋁管受到磁場的安培力作用，反過來鋁管對磁鐵有向上的力的作用。這個力阻礙磁鐵相對鋁管的運動。那么，我們這種現象稱之為電磁阻尼現象。
教師介紹：電磁阻尼的定義，磁電式電流表就是電磁阻尼現象的體現 。線圈繞在鋁框上，線圈轉動，帶動鋁框轉動，當線圈在磁場轉動時，導致鋁框的磁通量變化，從而產生感應電流，出現安培阻力，使其很快停止擺動。（閱讀教材37思考與討論部分）
問：那么鋁箔為什么能懸浮？是因為我的魔法嗎？
生：電磁爐工作中，鋁箔紙中會產生渦流，渦流在磁場中會受到安培力的作用，安培力驅動鋁箔運動起來。
師：非常好，我們把這樣的現象稱為電磁驅動現象。它主要應用在例如交流感應電動機、家用電度表、汽車速度計等
磁懸浮的基本原理很簡單，就是利用“同性相斥、異性相吸”的電磁原理，讓磁鐵對抗地心引力，讓車輛懸浮起來（一般情況下不超過1厘米），然后利用安培力引導，推動列車前行。作為一種新興高速交通模式，高速磁浮列車具有速度快、啟動加速度大、爬坡能力強等優點，既可以在長大干線交通中發揮出速度優勢，也適用于中短途快啟快停應用，大幅提升城市通勤效率。
剛才介紹的電磁阻尼和電磁驅動都屬于渦流的機械效應，接下來，請同學們比較一下兩者的相同點和不同點（兩位同學），類比摩擦力。
課堂小結，根據板書的框架引導學生會議這節課學習的內容。
9、板書設計 應用
熱效應
防止
渦流 磁效應：
電磁阻尼
機械效應
電磁驅動

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