2.3涡流电磁阻尼和电磁驱动教学设计高二下学期物理人教版选择性

§2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动1、教材分析本节课选自2019年人教版《物理》选择性必修二第二章第3节。本章教材从电磁感应现象、规律、应用这三个阶段逐步展开,2019年人教版《物理》必修三第十三章第3节《电磁感应现象及应用》让学生认识了电磁感应现象，本章在第1和第2两节分别介绍电磁感应中的两个重要规律楞次定律和法拉第电磁感应定律,而最后两节则着重介绍特殊的电磁感应现象及其应用。递进式的结构有助于学生对电磁感应的知识建构。本节在本章中承载着复习和强化前两节中学到的理论以及拓展学生在利用涡流服务生产生活中的视野,从而培养学生应用旧知识处理新问题的能力以及激发他们对科技应用的激情,进而刺激他们的创新欲望。2、课程标准要求（2017年版）

通过实验​,了解涡流现象。举例说明涡流现象在生产和生活中的应用。3、教材内容分析

本节课围绕涡流、电磁阻尼和电磁驱动三个核心概念展开。涡电流的产生具有多种形式,如利用变化的磁场通过块状金属或让块状金属相对磁场运动,产生涡电流的机理可利用微积分的思想结合磁生电的条件以及麦克斯韦理论解释。涡电流具有多种效应,如热效应、机械效应等。电磁阻尼和电磁驱动是涡电流机械效应的表现形式,当导体与磁场发生相对运动时,在某些情况下只需要判明涡流所引起的机械效果,故可根据楞次定律的另一种表述推知:涡电流的效果总是反抗引起涡电流的原因,该种效果通过安培力的作用来实现。

导体在没有外接电路的情况下能够产生呈闭合涡旋状的涡电流,这与学生的已有认识“感应电流”不一致,因此,学生对此会产生认识困难,应利用形象直观的演示实验及课件来辅助教学,尽量让学生充分参与和思考。同时,在认知架构过程中强调利用微元法的思想,帮助学生形成对涡电流的正确认识,学生在解释电磁阻尼和电磁驱动现象时,需要综合运用电磁感应定律、楞次定律和安培力等知识进行逻辑推理,在教学过程中应基于学生的已有知识设置问题链以激发学生的思考,理解电磁阻尼和电磁驱动的本质是涡电流所受到的安培力阻碍导体与磁场的相对运动。

本节课的内容与实际生活联系紧密,在工程技术中有广泛的应用。在教学过程中应引导学生正确看待科学知识在社会、生活中的应用,形成正确的物理观和科学技术观。4、学情分析（1）学生已有的知识和经验以及学习中会遇到的困难

通过以前的学习,学生已经具备了一定的分析和解决高中物理问题的能力。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，但头脑中没有涡流这个概念,也没有意识到涡流现象。学习中对涡流现象的解释以及对于不同情况下产生涡电流的电动势类型存在判断困难,是学生遇到的最大挑战。其次,感应电流的机械效应——电磁阻尼和电磁驱动是电磁学与动力学相结合的问题,考虑的是感应电流受到的安培力产生的机械效果。涉及的内容较多,存在一定的困难。第三,学生过去学习的都是理想的单匝线圈的问题,而在现实生活中存在的往往是块状的金属导体,所以涡流现象是生活中更加常见的现象,这是从理想到现实的一个飞跃,存在一定的困难。（2）学生的兴趣特点

高二学生具有一定的创新意识,对于自然及社会中各种现象具有浓厚的兴趣。他们希望通过观察实验现象,经过思考来理解现象产生的原因,并总结出其中的规律。

因此在学习涡电流的过程中

,应充分发挥演示实验的作用,通过教师的引导,利用涡流在生活中的实际应用,如电磁炉、金属探测器、真空冶炼炉等激发学生的兴趣,也能让学生体会物理与实际应用的密切联系,领略物理学的魅力。5、教学重难点（1）教学重点：1、涡流的概念建立及其应用。

2、利用涡流、电磁阻尼和电磁驱动的相关知识解释物理现象和生活实例。（2）教学难点1、电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。2、电磁阻尼和电磁驱动的本质是涡流所受到的安培力阻碍导体与磁场的相对运动。6、教学目标（物理核心素养）（一）物理观念1、知道涡流是如何产生的,涡流的本质是感应电流。2、知道涡流对我们有有利和不利的两方面,以及如何利用和防止。3、知道电磁阻尼和电磁驱动,其本质是涡流所受到的安培力阻碍导体与磁场的相对运动。（二）科学思维了解涡流的原理，能在问题情境中应用其性质进行分析，获得结论。（三）科学探究了解电磁阻尼和电磁驱动的原理及其在生活中、生产中的应用。（四）科学态度与责任1、培养学生用辩证唯物主义的观点认识问题。对涡流产生效应的利弊分析,树立正确的价值观。凡事要有辩证的态度即一分为二的态度。2、通过以已掌握知识“感应电流形成原因探究”为基础过渡到涡流成因的探究,使学生养成在科学探究的路上具备质疑的态度。3、体验物理技术与社会的联系。7、教学方法

实验探究法、讲授法、教学媒体设计8、教学过程师：各位同学大家好，今天我们要学习的内容是第二章第2节《涡流、电磁阻尼和电磁驱动》（板书），在开始我们的新课之前，我想请大家先来，大家相信魔法吗？今天老师将化身一个魔法师，给大家展示一下我的魔法(一)创设情境,导入新课探究活动1无源之电探究活动2电磁炉烧水、金鱼（“魔法小鱼不怕热”）师：老师对两条小鱼施加了魔法，现在小鱼是不怕热的。我们将小鱼放在电磁灶上。等着水开的同时，我向大家展示我的另一项魔法技能，就是可以在没有连接电源的电路中产生电流，点亮灯泡，现在是展示我的魔法的时刻了。现象：电磁炉点亮灯泡（演示两遍）师：我们在等水开的同时，请同学们结合电磁炉内部结构分析一下为什么在没有电源的情况下小灯泡会发亮。（3分钟）师：这边是电磁炉的内部结构图，我们发现它是由加热线圈（多匝线圈）构成。电磁炉通过内部控制电路产生交变电流，利用高频的电流，通过环形线圈产生变化磁场，变化的磁场使闭合电路中产生感应电流，所以说小灯泡被点亮。（PPT展示）师：我们把刚才的实验简化成一个模型，当磁场变强时，根据楞次定律，闭合回路中会产生感应电流，感应电流的磁场方向竖直向下，从上往下看，感应电流顺时针方向，电流是因为电荷的定向移动所形成的，假设自由电荷是电子，那么电子的定向移动方向是逆时针方向，请问回路中使自由电荷定向移动的力是什么力？（是洛伦兹力、静电力？）（两位同学，旁边受力分析，忽略重力，俯视图）生：洛伦兹力和静电力、安培力。原因：洛伦兹力与速度方向垂直，只改变速度的大小。静电力是电荷间的相互作用力，与磁场无关。安培力：电流在磁场中受到的力。师：根据必修三教材所说，电子在定向移动的过程中会受到一个跟电子运动方向相反的阻力，现在需要一个力克服阻力，促进电子的运动，那么这个力是感应电场对电子的力（非静电力），电子受到的电场力方向与电场方向相反，所以回路中电场的方向是顺时针的。师：早在1856年，麦克斯韦就在前人工作的基础上，提出了完整的电磁场理论，根据麦克斯韦的解释，当磁场变化时会激发电场（感生），电场会对导体中的自由电荷产生力的作用，从而形成感应电动势，在导体闭合的情况下，电荷在定向移动的过程中会形成感应电流。师：通过我们刚才的分析，感生电场的电场线有什么特点？闭合曲线，这一点要跟我们前面所学的静电场的电场线特点进行区别。师：麦克斯韦认为，变化的磁场会产生旋涡状的感生电场，如果电场处存在单匝圆线圈，那么就会在线圈中产生感应电流（环形电流），那么如果是很多个单匝圆线圈，那么情况又会是怎样呢？师：在这呢，就要用到我们数学中的微积分思想，我们设想将块状金属（比如铁盘、不锈钢碗的底部）进行无限分割，可以看成一系列不同半径的单匝圆线圈紧密叠加而成，最小单位（微元）为单匝圆线圈。无数个环形电流叠加起来，就像水的漩涡。我们把这个电流称为涡电流（涡轮流），简称涡流。（PPT展示）探究活动2电磁炉烧水师：大家看到水开了吗？我们找一位同学来看下，水开了吗?那你再看看装小鱼的容器。（看温度和材质）师：那你觉得为什么一边水是冷的，一边水是热的。生：小鱼的容器是塑料的，烧水的是金属。师：刚才同学已经破解了我关于小灯泡发亮的魔法，那现在谁能给我破解一下为什么我的小鱼放到电磁炉上没有变成鱼汤呢？大家按照学习小组分组进行讨论。学生：变化的磁场会产生感生电场，金属中的自由电子会在感生电场力的作用下发生定向移动，电荷的定向移动会产生电流（涡流），涡流是电流，电流有热效应，所以电磁灶会加热金属容器。非金属容器内部没有可以自由移动的电荷，不能产生感应电流，所以不能被加热。师：结合感应电流产生的条件想一想，涡流的产生条件是什么？学生：（1）穿过导体（金属块）的磁通量发生变化；（2）导体（金属块）本身可自行构成闭合回路。师：结合涡流的定义及产生条件说说涡流的实质又是什么？学生：电磁感应（感应电流）师：涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流。即导体内部产生了涡流。师：由于块状金属存在电阻，当涡流在块状金属中流动时，就会释放出大量的焦耳热，这就是涡流的热效应。涡流在我们生产生活中的很多地方都有应用，电磁炉就是利用涡流的热效应来加热食物的，因为要利用电磁感应，所以在选材上，电磁炉的锅应该用铁磁性金属制造（比如铁、不锈钢和搪瓷等），这样磁感线在锅体内更为集中。在工业生产中，涡流加热也可用于真空冶炼和高频焊接。师：接下来，我们来一起看下真空冶炼的过程。真空冶炼是一种新型的金属冶炼方式，最高温度可以达到2000摄氏度，工作原理就是在线圈中接入高频电流，在炉内金属中产生涡电流，使炉内金属发热融化；其优点是可以在真空中进行，避免杂质进入。播放视频（教师描述，重点强调涡流是在金属物品里面产生的）师：电动机和变压器的工作原理都跟电磁感应现象有关，内部都有铁芯结构，线圈中流过变化的电流,在铁芯中产生的涡流使铁芯发热,浪费了能量,还可能损坏电器。因此，我们要想减小涡流，我们主要从两方面入手，1、使用电阻率大的铁芯材料2、问：用一层层硅钢片叠成叠成的铁心代替整块硅钢铁芯。（电流被局限在小回路内，磁感应强度变化率不变，面积减小，磁通量变化率减小，感应电动势减小，感应电流减小，对涡流有防止的作用。略）师：涡流是电流，通过导体能够产生热效应、磁效应。生活中常见的金属探测器、地雷探测器、安检门都是涡流磁效应的应用。请大家阅读第3637页最后两段文字，请同学说一下金属探测器的工作过程。探究活动3电磁阻尼管（“时光隧道”）引导问题：老师费了很大劲找到了一个可以让时间变慢的管道（铝管）。两个圆柱体（同学们观察）实验演示：一长铝管，中间空心，竖直放置。大小相同的塑料圆柱体和永磁圆柱体，两圆柱体块在相同的高度，同时释放，学生观察比较圆柱体块的下落。

探究活动4电磁炉+铝箔（“会飞”的铝箔）引导：感应电流受安培力作用阻碍相对运动，能否将这阻碍转变成一种驱动？

师：我有一张家用铝箔，现在我对它施以“魔法”，让它飞起来，同样请出我的电磁炉（把铝箔纸放在碗的边上，不能直接放铝箔，因为电磁炉有一个感应装置），“起”“下去”，再来一次。师：要想解释以上两个实验现象，我们就要先从理论的角度出发，请同学们分析以下四种情况的线框所受安培力方向。同时请同学们分析安培力的作用效果安培力总是阻碍导体与磁场之间的相对运动，它跟我们前面所学的摩檫力很相似，摩檫力既可以充当动力，也可以充当阻力，或者我们换句话说，安培力就是导体与磁场之间的摩檫力。现象：铝管中永磁圆柱体下落的时间更长。（请学生合作）

问：经过刚才的理论学习，有没有同学可以破解我“时光隧道”的魔法？给大家展示管道是铝管，磁铁圆柱体。（演示磁铁跟铝管不会吸引）引导：铝管可以看到一个个铝环并排放置，磁铁经过铝管的过程中，铝环中会有感应电流。

学生回答，教师总结：磁铁下落过程中，铝管中产生感应电流，铝管受到磁场的安培力作用，反过来铝管对磁铁有向上的力的作用。这个力阻碍磁铁相对铝管的运动。那么，我们这种现象称之为电磁阻尼现象。

教师介绍：电磁阻尼的定义，磁电式电流表就是电磁阻尼现象的体现

。线圈绕在铝框上，线圈转动，带动铝框转动，当线圈在磁场转动时，导致铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动。（阅读教材37思考与讨论部分）问：那么铝箔为什么能悬浮？是因为我的魔法吗？生：电磁炉工作中，铝箔纸中会产生涡流，涡流在磁场中会受到安培力的作用，安培力驱动铝箔运动起来。师：非常好，我们把这样的现象称为电磁驱动现象。它主要应用在例如交流感应电动机、家用电度表、汽车速度计等磁悬浮的基本原理很简单，就是利用“同性相斥、异性相吸”的电磁原理，让磁铁对抗地心引力，让车辆悬浮起来（一般情况下不超过1厘米），然后利用安培力引导，推动列车前行。作为一种新兴高速交通模式，高速磁浮列车具有速度快、启动加速度大、爬坡能力强等优点，既可以在长大干线交通中发挥出速度优势，也适用于中短途快