4.7 渦 流新課標要求（一）知識與技能1知道渦流是如何產生的。2知道渦流對我們有不利和有利的兩方面，以及如何利用和防止。3知道電磁阻尼和電磁驅動。（二）過程與方法培養學生客觀、全面地認識事物的科學態度。（三）情感、態度與價值觀培養學生用辯證唯物主義的觀點認識問題。教學重點1渦流的概念及其應用。2電磁阻尼和電磁驅動的實例分析。教學難點電磁阻尼和電磁驅動的實例分析。教學方法6通過演示實驗，引導學生觀察現象、分析實驗教學用具：電機、變壓器鐵芯、演示渦流生熱裝置（可拆變壓器）、電磁阻尼演示裝置（示教電流表、微安表、彈簧、條形磁鐵），電磁驅動演示裝置（U形磁鐵、能繞軸轉動的鋁框）。教學過程（一）引入新課教師：出示電動機、變壓器鐵芯，引導學生仔細觀察其鐵芯有什么特點？學生：它們的鐵芯都不是整塊金屬，而是由許多薄片疊合而成的。教師：為什么要這樣做呢？用一個整塊的金屬做鐵心不是更省事兒？學習了渦流的知識，同學們就會知道其中的奧秘。（二）進行新課1、渦流教師：演示1渦流生熱實驗。在可拆變壓器的一字鐵下面加一塊厚約2 mm的鐵板，鐵板垂直于鐵芯里磁感線的方向。在原線圈接交流電。幾分鐘后，讓學生摸摸鐵芯和鐵板，比較它們的溫度，報告給全班同學。學生：鐵板的溫度比鐵芯高。教師：為什么鐵芯和鐵板會發熱呢？原來在鐵芯和鐵板中有渦流產生。安排學生閱讀教材，了解什么叫渦流？學生：當線圈中的電流發生變化時，這個線圈附近的導體中就會產生感應電流。這種電流看起來很像水的旋渦，所以叫做渦流。師生共同活動：分析渦流的產生過程。分析：如圖所示，線圈接入反復變化的電流，某段時間內，若電流變大，則其磁場變強，根據麥克斯韋理論，變化的磁場激發出感生電場。導體可以看作是由許多閉合線圈組成的，在感生電場作用下，這些線圈中產生了感生電動勢，從而產生渦旋狀的感應電流。由于導體存在電阻，當電流在導體中流動時，就會產生電熱，這就是渦流的熱效應。教師：課件演示，渦流的產生過程，增強學生的感性認識。教師：為什么鐵板的溫度比鐵芯高？學生：因為鐵板中的渦流很強，會產生大量的熱。而鐵芯中的渦流被限制在狹窄的薄片之內，回路的電阻很大，渦流大為減弱，渦流產生的熱量也減少。教師：同學們明白了為什么鐵芯用薄片疊合而成了嗎？學生：為了減少渦流損失的電能，同時也保護鐵芯不被燒壞。教師：下面大家閱讀教材，了解一下渦流在生產、生活、科技等方面的應用。2、電磁阻尼教師：下面我們看教材30頁上的“思考與討論”，分組討論，然后發表自己的見解。學生：閱讀教材后，發表自己的看法。師生共同活動，得出電磁阻尼的概念：導體在磁場中運動時，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力的方向總是阻礙導體的運動，這種現象稱為電磁阻尼。教師：演示2電磁阻尼。按照教材“做一做”中敘述的內容，演示電表指針在偏轉過程中受到的電磁阻尼現象。學生觀察現象并解釋現象。演示3如圖所示，彈簧下端懸掛一根磁鐵，將磁鐵托起到某高度后釋放，磁鐵能振動較長時間才停下來。如果在磁鐵下端放一固定線圈，磁鐵會很快停下來。上述現象說明了什么？學生：觀察現象并作出分析。當磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產生感應電流，感應電流的磁場會阻礙磁鐵和線圈靠近或離開，也就是磁鐵振動時除了空氣阻力外，還有線圈的磁場力作為阻力，安培阻力較相對較大，因而磁鐵會很快停下來。3、電磁驅動教師：感應電流不僅會對導體產生阻尼作用，有時還會產生驅動作用。演示4電磁驅動。演示教材31頁的演示實驗。引導學生觀察并解釋實驗現象。師生共同活動，得出電磁驅動的概念：磁場相對于導體運動時，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來，這種現象稱為電磁驅動。教師：交流感應電動機就是應用電磁驅動的原理工作的。簡要介紹交流感應電動機的工作過程。（三）課堂總結、點評教師活動：讓學生概括總結本節的內容。請一個同學到黑板上總結，其他同學在筆記本上總結，然后請同學評價黑板上的小結內容。學生活動：認真總結概括本節內容，并把自己這節課的體會寫下來、比較黑板上的小結和自己的小結，看誰的更好，好在什么地方。點評：總結課堂內容，培養學生概括總結能力。教師要放開，讓學生自己總結所學內容，允許內容的順序不同，從而構建他們自己的知識框架。（四）實例探究渦流的應用【例1】如圖所示是高頻焊接原理示意圖線圈中通以高頻變化的電流時，待焊接的金屬工件中就產生感應電流，感應電流通過焊縫產生大量熱量，將金屬融化，把工件焊接在一起，而工件其他部分發熱很少，以下說法正確的是（ ）A電流變化的頻率越高，焊縫處的溫度升高的越快B電流變化的頻率越低，焊縫處的溫度升高的越快C工件上只有焊縫處溫度升的很高是因為焊縫處的電阻小D工件上只有焊縫處溫度升的很高是因為焊縫處的電阻大解析：線圈中通以高頻變化的電流時，待焊接的金屬工件中就產生感應電流，感應電流的大小與感應電動勢有關，電流變化的頻率越高，電流變化的越快，感應電動勢就越大。A選項正確。工件上焊縫處的電阻大，電流產生的熱量就多，D選項也正確。答案：AD鞏固練習1如圖所示，一塊長方形光滑鋁板水平放在桌面上，鋁板右端拼接一根與鋁板等厚的條形磁鐵，一質量分布均勻的閉合鋁環以初速度v從板的左端沿中線向右端滾動，則（ ）A鋁環的滾動速度將越來越小 B鋁環將保持勻速滾動C鋁環的運動將逐漸偏向條形磁鐵的N極或S極D鋁環的運動速率會改變，但運動方向將不會發生改變答案：B2如圖所示，閉合金屬環從曲面上 h高處滾下，又沿曲面的另一側上升，設環的初速為零，摩擦不計，曲面處在圖示磁場中，則（ ）A若是勻強磁場，環滾上的高度小于 hB若是勻強磁場，環滾上的高度等于hC若是非勻強磁場，環滾上的高度等于hD若是非勻強磁場，環滾上的高度小于h答案：BD3如圖所示，在光滑水平面上固定一條形磁鐵，有一小球以一定的初速度向磁鐵方向運動，如果發現小球做減速運動，則小球的材料可能是（ ）A鐵 B木C銅 D鋁答案：CD4如圖所示，圓形金屬環豎直固定穿套在光滑水平導軌上，條形磁鐵沿導軌以初速度v0向圓環運動，其軸線在圓環圓心，與環面垂直，則磁鐵在穿過環過程中，做_運動（選填“加速”、“勻速”或“減速”）答案：減速5如圖所示，在O點正下方有一個具有理想邊界的磁場，銅環在A點由靜止釋放向右擺至最高點B不考慮空氣阻力，則下列說法正確的是（ ）AA、B兩點在同一水平線BA點高于B點CA點低于B點D銅環將做等幅擺動答案：B課余作業1、認真閱讀教材。2、思考并完成“問題與練習”中的習題。3、收集“渦流的利用和防止”方面的資料，在課下交流。教學體會思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學的根本；親自實踐參與知識的發現過程是培養學生能力的關鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學就成了無源之水、無本之木。學生素質的培養就成了鏡中花，水中月。資料袋1利用渦流加熱和熔煉金屬交變電流的磁場在金屬內感應的渦流能產生熱效應。這種加熱方法與用燃料加熱相比有很多優點，除課本所述外還有：加熱效率高，達到50%90%；加熱速度快；用不同頻率的交變電流可得到不同的加熱深度，這是因為渦流在金屬內不是均勻分布的，越靠近金屬表面層電流越強，頻率越高這種現象越顯著，稱為“趨膚效應”。工業上把感應加熱依頻率分為四種：工頻（50 Hz）；中頻（0.58 kHz）；超音頻（2060 Hz）；高頻（60600 kHz）。工頻交變電流直接由配電變壓器提供；中頻交變電流由三相電動機帶動中頻發電機或用可控硅逆變器產生；超音頻和高頻交變電流由大功率電子管振蕩器產生。課本圖1641畫的是無心式感應熔爐，用途是熔煉鑄鐵、鋼、合金鋼和銅、鋁等有色金屬.所用交變電流的頻率要隨坩鍋能容納的金屬質量多少來選擇，以取得最好的效果。例如： 5 kg的用20 kHz，100 kg的用2.5 kHz，5 t的用1 kHz乃至50 kHz.感應加熱法也廣泛用于鋼件的熱處理，如淬火、回火、表面滲碳等.例如齒輪、軸等只需要將表面淬火提高硬度、增加耐磨性，可以把它放入通有高頻交流的空心線圈中，表面層在幾秒鐘內就可上升到淬火需要的高溫，顏色通紅，而其內部溫度升高很少。然后用水或其他淬火劑迅速冷卻就可以了.其他的熱處理工藝可根據需要的加熱深度選用中頻或工頻等。2渦流與節能炊具電磁灶我們知道，把塊狀的金屬放在變化的磁場中，或者讓它在磁場中運動時，塊狀金屬內將產生感應電流，這種電流在金屬塊內自成閉合回路，很像水的旋渦，叫渦電流，簡稱渦流.由于金屬電阻小，所以渦流很強，（如圖1所示）當交流電通過導線時，鐵芯中就產生很強的渦流，這種強電流使鐵芯發熱，浪費電能.為了減少損失，電機、變壓器等通常用具有絕緣層的薄硅鋼片疊壓制成鐵芯，使回路電阻增大，減少渦流。在各種電機、變壓器中，渦流是有害的，我們要采取各種辦法來減弱它，其實渦流也是可以利用的，工業上的高頻感應爐就是利用渦流來熔化、冶煉金屬的.這種冶煉方法速度快，溫度容易控制，而且污染少，適應冶煉特種合金和特種鋼。渦流也可以應用于生活.本文將要介紹的電磁灶就是渦流在生活中的應用。電磁灶首先把50 Hz的交流電通過橋式整流裝置改換成直流電，然后通過逆變器，轉換成15 kHz 50 kHz的高頻電流，此高頻電流通過扁平螺旋形加熱線圈（螺旋中心有圓環形磁芯）產生高頻交變磁場，這個磁場的磁感線穿過非金屬灶臺面板進入烹飪鐵鍋底內，由于電磁感應產生電場，形成強大的渦流電流，發出大量的焦耳熱，達到對食物加熱的目的。 圖1 圖2圖2是電磁灶的內部電路.圖中C1為濾波電容，L1為扼流圈，D1和D2為半導體高速二極管，L2和C2為高頻轉換電感和電容，C2為調諧電容器，L3為加熱線圈，D1D2和L2C2組成逆變器，通過計算可知，加在D1上的直流電流通過逆變器后在C2上產生交流電壓，其頻率為：f=1/2，如果改變L2和C2的值可獲得不同頻率的交變電壓，一般f在15kHz 50kHz之間。從圖3可知，C2兩端的電壓加到L3C3（L3有電阻R3）的串聯電路上，改變C3，使R3L3C3串聯電路振動頻率f與C2的頻率f相等，這樣在L3中的電流振幅最大，L3中交變電流在鐵鍋底中的的振幅也最大，產生的渦流最強，電磁灶的熱功率最大。下面談談電磁灶給鍋加熱的情況，如圖4為放在加熱圖上的鍋底剖面圖，B是加熱圈中電流產生的磁場，這個磁場從圓心沿徑向分布。其磁感線分布形狀如圖5所示的傘形。B的變化激起鍋底內部產生渦流.根據右手定則可知，渦流方向如圖5所示，形成一些同心圓。 圖3 圖4 圖5通過計算發現，鍋底產生的熱功率與交流電的頻率平方成正比，與勵磁線圈（加熱線圈）的安匝數的平方成正比，所以電磁灶一般采用高頻勵磁。用1620股直徑為0.5 mm的銅絲絞合制成扁平螺旋線圈，以增加安匝數。鐵的磁導率大，電阻也比銅、鋁大些，在相同的頻率和匝數下，產生的熱功率比銅、鋁大，所以一般采用鐵鍋，不用銅鍋、鋁鍋.從圖4可以看出渦流主要分布在鍋底的表面，故鍋底在