有关涡流现象及相关应用

《涡流现象及其应用》教学设计

广州市花都区实验中学物理科陈丽华

★新课标要求

（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。

★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。

★教学方法

通过演示实验，引导学生观察现象、分析实验

★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）。

★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2 mm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

★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

5．如图所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜

环在A点由静止释放向右摆至最高点B．不考虑空气阻力，则下列说法正确的是（）A．A、B两点在同一水平线

B．A点高于B点

C．A点低于B点

D．铜环将做等幅摆动

答案：B

★课余作业

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。

★教学体会

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。

★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（50 Hz）；中频（0.5~8 kHz）；超音频（20~60 Hz）；高频（60~600 kHz）。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：5 kg的用20 kHz，100 kg的用2.5 kHz，5 t的用1 kHz乃至50 kHz.

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50 Hz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15 kHz ~50 kHz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C 1为滤波电容，L 1为扼流圈，D 1和D 2为半导体高速二极管，L 2和C 2为高频转换电感和电容，C 2为调谐电容器，L 3为加热线圈，D 1D 2和L 2C 2组成逆变器，通过计算可知，加在D 1上的直流电流通过逆变器后在C 2上产生交流电压，其频率为：

f =1/2π22C L ，如果改变L 2和C 2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，C 2两端的电压加到L 3C 3（L 3有电阻R 3）的串联电路上，改变C 3，使R 3L 3C 3串联电路振动频率f 与C 2的频率f 相等，这样在L 3中的电流振幅最大，L 3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0.5 mm 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300~1200 W 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。