高二物理涡流电磁阻尼和电磁驱动1.docx
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高二物理涡流电磁阻尼和电磁驱动1
学校:
临清实验高中学科:
物理编写人:
高全勇审稿人:
侯智斌
选修3-2第四章第7节涡流电磁阻尼和电磁驱动
一、教材分析
本节是选学内容,它是又一种特殊的电磁感应现象,在实际中有许多应用。
可根据各校的实际情况或选讲,或指导学生阅读。
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。
二、学情分析
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,而且还掌握了感应电动势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,线圈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。
三、教学目标
(一)知识与技能
1.知道涡流是如何产生的。
2.知道涡流对我们有不利和有利的两方面,以及如何利用和防止。
3.知道电磁阻尼和电磁驱动。
(二)过程与方法
培养学生客观、全面地认识事物的科学态度。
(三)情感、态度与价值观
培养学生用辩证唯物主义的观点认识问题。
四、重点、难点
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例分析。
教学难点:
电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。
五、教学手段与策略
通过演示实验,引导学生观察现象、分析实验
六、教学用具:
电机、变压器铁芯、演示涡流生热装置(可拆变压器)、电磁阻尼演示装置(示教电流表、微安表、弹簧、条形磁铁),电磁驱动演示装置(U形磁铁、能绕轴转动的铝框)。
七、课时安排:
1课时
八、教学过程
(一)引入新课
教师:
出示电动机、变压器铁芯,引导学生仔细观察其铁芯有什么特点?
学生:
它们的铁芯都不是整块金属,而是由许多薄片叠合而成的。
教师:
为什么要这样做呢?
用一个整块的金属做铁心不是更省事儿?
学习了涡流的知识,同学们就会知道其中的奥秘。
(二)进行新课
1、涡流
教师:
[演示1]涡流生热实验。
在可拆变压器的一字铁下面加一块厚约2mm的铁板,铁板垂直于铁芯里磁感线的方向。
在原线圈接交流电。
几分钟后,让学生摸摸铁芯和铁板,比较它们的温度,报告给全班同学。
学生:
铁板的温度比铁芯高。
教师:
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。
安排学生阅读教材,了解什么叫涡流?
学生:
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。
师生共同活动:
分析涡流的产生过程。
分析:
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。
导体可以看作是由许多闭合线圈组成的,在感生电场作用下,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。
教师:
课件演示,涡流的产生过程,增强学生的感性认识。
教师:
为什么铁板的温度比铁芯高?
学生:
因为铁板中的涡流很强,会产生大量的热。
而铁芯中的涡流被限制在狭窄的薄片之内,回路的电阻很大,涡流大为减弱,涡流产生的热量也减少。
教师:
同学们明白了为什么铁芯用薄片叠合而成了吗?
学生:
为了减少涡流损失的电能,同时也保护铁芯不被烧坏。
教师:
下面大家阅读教材,了解一下涡流在生产、生活、科技等方面的应用。
2、电磁阻尼
教师:
下面我们看教材30页上的“思考与讨论”,分组讨论,然后发表自己的见解。
学生:
阅读教材后,发表自己的看法。
师生共同活动,得出电磁阻尼的概念:
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。
教师:
[演示2]电磁阻尼。
按照教材“做一做”中叙述的内容,演示电表指针在偏转过程中受到的电磁阻尼现象。
学生观察现象并解释现象。
[演示3]如图所示,弹簧下端悬挂一根磁铁,将磁铁托起到某高度后释放,磁铁能振动较长时间才停下来。
如果在磁铁下端放一固定线圈,磁铁会很快停下来。
上述现象说明了什么?
学生:
观察现象并作出分析。
当磁铁穿过固定的闭合线圈时,在闭合线圈中会产生感应电流,感应电流的磁场会阻碍磁铁和线圈靠近或离开,也就是磁铁振动时除了空气阻力外,还有线圈的磁场力作为阻力,安培阻力较相对较大,因而磁铁会很快停下来。
3、电磁驱动
教师:
感应电流不仅会对导体产生阻尼作用,有时还会产生驱动作用。
[演示4]电磁驱动。
演示教材31页的演示实验。
引导学生观察并解释实验现象。
师生共同活动,得出电磁驱动的概念:
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。
教师:
交流感应电动机就是应用电磁驱动的原理工作的。
简要介绍交流感应电动机的工作过程。
(三)课堂总结、点评
教师活动:
让学生概括总结本节的内容。
请一个同学到黑板上总结,其他同学在笔记本上总结,然后请同学评价黑板上的小结内容。
学生活动:
认真总结概括本节内容,并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结,看谁的更好,好在什么地方。
点评:
总结课堂内容,培养学生概括总结能力。
教师要放开,让学生自己总结所学内容,允许内容的顺序不同,从而构建他们自己的知识框架。
(四)实例探究
涡流的应用
【例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.电流变化的频率越高,焊缝处的温度升高的越快
B.电流变化的频率越低,焊缝处的温度升高的越快
C.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小
D.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大
解析:
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,电流变化的越快,感应电动势就越大。
A选项正确。
工件上焊缝处的电阻大,电流产生的热量就多,D选项也正确。
答案:
AD
【例2】
用丝线悬挂闭合金属环,悬于O点,虚线左边有匀强磁场,右边没有磁场。
金属环的摆动会很快停下来。
试解释这一现象。
若整个空间都有向外的匀强磁场,会有这种现象吗?
分析:
只有左边有匀强磁场,金属环在穿越磁场边界时,由于磁通量发生变化,有感应电流产生,于是阻碍相对运动,摆动很快停下来,这就是电磁阻尼现象;空间都有匀强磁场,穿过金属环的磁通量反而不变化了,因此不产生感应电流,不会阻碍相对运动。
(五)巩固练习
1.如图所示,一块长方形光滑铝板水平放在桌面上,铝板右端拼接一根与铝板等厚的条形磁铁,一质量分布均匀的闭合铝环以初速度v从板的左端沿中线向右端滚动,则()
A.铝环的滚动速度将越来越小
B.铝环将保持匀速滚动
C.铝环的运动将逐渐偏向条形磁铁的N极或S极
D.铝环的运动速率会改变,但运动方向将不会发生改变
答案:
B
2.如图所示,闭合金属环从曲面上h高处滚下,又沿曲面的另一侧上升,设环的初速为零,摩擦不计,曲面处在图示磁场中,则()
A.若是匀强磁场,环滚上的高度小于h
B.若是匀强磁场,环滚上的高度等于h
C.若是非匀强磁场,环滚上的高度等于h
D.若是非匀强磁场,环滚上的高度小于h
答案:
BD
3.如图所示,在光滑水平面上固定一条形磁铁,有一小球以一定的初速度向磁铁方向运动,如果发现小球做减速运动,则小球的材料可能是()
A.铁B.木
C.铜D.铝
答案:
CD
4.如图所示,圆形金属环竖直固定穿套在光滑水平导轨上,条形磁铁沿导轨以初速度v0向圆环运动,其轴线在圆环圆心,与环面垂直,则磁铁在穿过环过程中,做______运动.(选填“加速”、“匀速”或“减速”)
答案:
减速
(六)作业
1、认真阅读教材。
2、思考并完成“问题与练习”中的习题。
3、收集“涡流的利用和防止”方面的资料,在课下交流。
(七)教学反思
思维方法是解决问题的灵魂,是物理教学的根本;亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键,离开了思维方法和实践活动,物理教学就成了无源之水、无本之木。
学生素质的培养就成了镜中花,水中月。
九、板书设计
一、涡流
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。
应用:
真空冶炼炉、探雷器、安检门。
二、电磁阻尼
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。
三、电磁驱动
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。
十、资料袋
1.利用涡流加热和熔炼金属
交变电流的磁场在金属内感应的涡流能产生热效应。
这种加热方法与用燃料加热相比有很多优点,除课本所述外还有:
加热效率高,达到50%~90%;加热速度快;用不同频率的交变电流可得到不同的加热深度,这是因为涡流在金属内不是均匀分布的,越靠近金属表面层电流越强,频率越高这种现象越显著,称为“趋肤效应”。
工业上把感应加热依频率分为四种:
工频(50Hz);中频(0.5~8kHz);超音频(20~60Hz);高频(60~600kHz)。
工频交变电流直接由配电变压器提供;中频交变电流由三相电动机带动中频发电机或用可控硅逆变器产生;超音频和高频交变电流由大功率电子管振荡器产生。
课本图16—41画的是无心式感应熔炉,用途是熔炼铸铁、钢、合金钢和铜、铝等有色金属.所用交变电流的频率要随坩锅能容纳的金属质量多少来选择,以取得最好的效果。
例如:
5kg的用20kHz,100kg的用2.5kHz,5t的用1kHz乃至50kHz.
感应加热法也广泛用于钢件的热处理,如淬火、回火、表面渗碳等.例如齿轮、轴等只需要将表面淬火提高硬度、增加耐磨性,可以把它放入通有高频交流的空心线圈中,表面层在几秒钟内就可上升到淬火需要的高温,颜色通红,而其内部温度升高很少。
然后用水或其他淬火剂迅速冷却就可以了.其他的热处理工艺可根据需要的加热深度选用中频或工频等。
2.涡流与节能炊具电磁灶
我们知道,把块状的金属放在变化的磁场中,或者让它在磁场中运动时,块状金属内将产生感应电流,这种电流在金属块内自成闭合回路,很像水的旋涡,叫涡电流,简称涡流.由于金属电阻小,所以涡流很强,(如图1所示)当交流电通过导线时,铁芯中就产生很强的涡流,这种强电流使铁芯发热,浪费电能.为了减少损失,电机、变压器等通常用具有绝缘层的薄硅钢片叠压制成铁芯,使回路电阻增大,减少涡流。
在各种电机、变压器中,涡流是有害的,我们要采取各种办法来减弱它,其实涡流也是可以利用的,工业上的高频感应炉就是利用涡流来熔化、冶炼金属的.这种冶炼方法速度快,温度容易控制,而且污染少,适应冶炼特种合金和特种钢。
涡流也可以应用于生活.本文将要介绍的电磁灶就是涡流在生活中的应用。
电磁灶首先把50Hz的交流电通过桥式整流装置改换成直流电,然后通过逆变器,转换成15kHz~50kHz的高频电流,此高频电流通过扁平螺旋形加热线圈(螺旋中心有圆环形磁芯)产生高频交变磁场,这个磁场的磁感线穿过非金属灶台面板进入烹饪铁锅底内,由于电磁感应产生电场,形成强大的涡流电流,发出大量的焦耳热,达到对食物加热的目的。
图1图2
图2是电磁灶的内部电路.图中C1为滤波电容,L1为扼流圈,D1和D2为半导体高速二极管,L2和C2为高频转换电感和电容,C2为调谐电容器,L3为加热线圈,D1D2和L2C2组成逆变器,通过计算可知,加在D1上的直流电流通过逆变器后在C2上产生交流电压,其频率为:
f=1/2π
,如果改变L2和C2的值可获得不同频率的交变电压,一般f在15kHz~50kHz之间。
从图3可知,C2两端的电压加到L3C3(L3有电阻R3)的串联电路上,改变C3,使R3L3C3串联电路振动频率f与C2的频率f相等,这样在L3中的电流振幅最大,L3中交变电流在铁锅底中的
的振幅也最大,产生的涡流最强,电磁灶的热功率最大。
下面谈谈电磁灶给锅加热的情况,如图4为放在加热图上的锅底剖面图,B是加热圈中电流产生的磁场,这个磁场从圆心沿径向分布。
其磁感线分布形状如图5所示的伞形。
B的变化激起锅底内部产生涡流.根据右手定则可知,涡流方向如图5所示,形成一些同心圆。
图3图4图5
通过计算发现,锅底产生的热功率与交流电的频率平方成正比,与励磁线圈(加热线圈)的安匝数的平方成正比,所以电磁灶一般采用高频励磁。
用16~20股直径为0.5mm的铜丝绞合制成扁平螺旋线圈,以增加安匝数。
铁的磁导率大,电阻也比铜、铝大些,在相同的频率和匝数下,产生的热功率比铜、铝大,所以一般采用铁锅,不用铜锅、铝锅.从图4可以看出涡流主要分布在锅底的表面,故锅底在保持机械强度的条件下可以做得很薄,同时为了减少空隙磁阻,锅底做成平底。
电磁灶加热温度在50~200℃范围内,功率在300~1200W之间,电磁灶是通过锅底涡流发热,不存在热量在传递过程中的损耗,故热效率高达83%(普通电炉的热效率为52%),电磁灶的耗电量只有电炉的63%。
电磁灶是美国西屋电器公司于1971年最先研制成功的,以后经过日本厂商的努力,到80年代初才成为技术成熟的家电产品,我国也开发了这种新产品。
它是一种安全、卫生、高效节能的炊具,是“现在厨房的标志”之一。