3. 涡流、电磁阻尼和电磁驱动（教学设计）物理人教版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”核心内容，以电磁炉半边锅煮鸡蛋的生活现象导入，关联电磁感应旧知，搭建“磁场—电场—电流—力”的知识支架，梳理感生电场、涡流及两类电磁现象的脉络。 资料以核心素养为导向，物理观念上建立关联认知，科学思维通过对比电磁阻尼与驱动的异同培养分析能力，科学探究结合铁芯发热实验等提升实践能力。实验与实例结合（如金属探测器应用），逻辑推导与生活应用并重，助力学生深化抽象理解，为教师提供完整教学方案，提升课堂效率。

3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 一、教学目标 物理观念 · 通过学习感生电场与感生电动势的定义及成因，理解变化磁场与电场的相互联系，体会物理概念的推导与形成过程。 · 明确涡流、电磁阻尼和电磁驱动的物理本质，能辨识生活中的相关现象，建立“磁场—电场—电流—力”的关联认知。 · 掌握涡流热效应、磁效应的作用规律，以及电磁阻尼和电磁驱动中能量转化的基本形式。 科学思维 · 借助涡流形成过程的分析，运用电磁感应定律推导其产生条件，培养逻辑推理与抽象建模能力。 · 通过对比电磁阻尼与电磁驱动的现象、成因及效果，归纳二者的异同点，提升分析比较与归纳概括能力。 · 运用楞次定律和左手定则分析感应电流方向与安培力方向，构建“现象—规律—应用”的科学思维链条。 科学探究 · 通过铁芯发热、电磁驱动等演示实验，观察实验现象、记录关键信息，培养观察能力与数据整理能力。 · 针对涡流热效应的影响因素（如铁芯材料、电流频率），设计简单探究方案，体验科学探究的基本流程。 · 结合电磁阻尼和电磁驱动的实例，提出问题、猜想原因、验证结论，提升科学探究的实践与创新能力。 科学态度与责任 · 认识涡流、电磁阻尼和电磁驱动在电磁炉、感应电动机等设备中的应用价值，体会科学技术对社会发展的推动作用。 · 了解涡流的危害及防治措施，树立“趋利避害”的科学思维，培养节约能源、合理利用资源的意识。 · 感受麦克斯韦提出感生电场假说的科学探索精神，激发对物理学科的求知欲望与探索热情。 二、教学重难点 重点 · 涡流的概念、形成原因，以及热效应、磁效应的应用与防治方法。 · 电磁阻尼和电磁驱动的现象分析、本质理解及典型应用场景辨识。 · 运用电磁感应规律和楞次定律解释相关现象的逻辑方法。 难点 · 感生电场的抽象性理解，及其与静电场的本质区别。 · 电磁阻尼和电磁驱动中安培力方向的判断，以及“阻碍相对运动”本质的深层解读。 · 结合实际问题，灵活运用相关知识解决具体场景中的物理问题。 三、教学过程 （一）教学引入 新课引入 提问导入：家中电磁炉工作时，炉盘本身不发热，而放置的铁锅却能快速升温加热食物；用半边铁锅也能煮鸡蛋，这一现象背后隐藏着怎样的物理原理？ 引导学生结合已学的电磁感应知识进行猜想，引出本节课的研究主题——涡流、电磁阻尼和电磁驱动。 （二）新课学习 1. 电磁感应现象中的感生电场 感生电场：英国物理学家麦克斯韦通过深入研究提出重要假说：变化的磁场能够在其周围激发一种特殊电场，其电场线为闭合曲线，这种电场被称为感生电场。 与静电场不同，感生电场并非由电荷产生，其产生的根本原因是磁场的变化。 当闭合导体处于这种变化的磁场中时，导体中的自由电荷会在感生电场力的作用下发生定向移动，进而形成感应电流，同时产生感应电动势，这种由感生电场引起的电动势称为感生电动势。其核心成因是感生电场力对电荷做功。 感生电动势的成因：感生电场的电场力对电荷做功。 电子感应加速器： 1 电子感应加速器的结构 如图是电子感应加速器的结构示意图，其核心组成部分——上、下磁极（电磁体）、环形真空室、电子枪和靶。 2 电子感应加速器的原理 工作原理：假设磁场方向由下向上，从上向下观察，电子沿逆时针方向运动。由于电子带负电，其在电场中受力方向与电场方向相反，若要使电子加速，需在真空室中产生顺时针方向的感生电场。根据楞次定律，要激发顺时针方向的感生电场，磁场需由弱变强，即电磁体线圈中的电流应从小逐渐增大，通过变化的磁场产生持续的感生电场，使电子在真空室中不断加速，最终获得巨大的速度和能量。 2. 涡流 （1）实验探究：将绝缘导线紧密缠绕在块状铁芯上，向导线通入交流电，让学生等待一段时间后触摸铁芯，感受其温度变化。 （2）分析实验现象：当导线通入交流电时，铁芯内部会产生周期性变化的磁场；由于铁芯是导体，可将其等效为从内到外多个独立的闭合方形回路。变化的磁场穿过这些回路，会在回路中产生感应电流，电流通过导体电阻产生焦耳热，导致铁芯发热。 涡流的概念：将块状金属置于变化的磁场中时，金属块内部会产生闭合回路的感应电流，这些电流在金属块内呈漩涡状分布，因此被称为涡电流，简称涡流。 （3）涡流的热效应及应用： ① 真空冶炼炉： 工作原理：冶炼炉外部缠绕着线圈，炉内放置待冶炼的金属。当大功率高频交流电源与线圈连接后，线圈中会产生强变化的磁场，使炉内金属内部产生强大的涡流。由于金属电阻较小，涡流的电流强度极大，进而释放出大量焦耳热，使金属迅速熔化。 优点：加热速度快、能量损失小、温度易于精确控制、能在真空环境下避免杂质混入，适用于冶炼高纯度金属。 ② 电磁炉： 工作原理：电磁炉接入家庭电路中的低频交流电后，内部电路会将其整流、逆变为高频交流电；高频交流电通入炉盘下方的线圈，线圈周围会产生强变化的磁场；当电磁炉上放置导磁体制成的专用锅具时，变化的磁场会在锅底产生无数密集的涡流，涡流的热效应使锅体自身快速发热，进而加热锅内食物。 说明：锅具必须为金属导体（且具有良好导磁性），才能有效产生涡流，这也是半边锅能煮鸡蛋的核心原因。 涡流热效应的防止： 虽然涡流可以有很多用途，但有时候它也会造成麻烦。 以变压器、电动机的铁芯为例，说明涡流的危害：铁芯中产生的强涡流会导致严重的发热现象，不仅浪费大量电能，还可能因温度过高损坏仪器设备。 主要防治方法：一是选用电阻率大的材料制作铁芯，如硅钢（硅钢的电阻率远大于普通钢），通过增大铁芯电阻，显著降低涡流的热损耗； 二是采用相互绝缘的硅钢片叠合而成的铁芯代替整块硅钢铁芯，将金属块分割为多个小单元，增大涡流回路的电阻，从而削弱涡流的产生和发热。 涡流的磁效应及应用： 介绍涡流磁效应的典型应用——金属探测器，如机场安检仪、军事探雷器、地下矿产探测器等。 简化其工作原理：探测器内部的线圈通入变化的电流，产生变化的磁场；当探测器靠近金属物体时，变化的磁场会在金属内部激发涡流；涡流本身会产生新的磁场，这个新磁场会反过来影响探测器原磁场的分布；探测器通过检测磁场的变化，发出报警信号，从而实现对金属的探测。 3. 电磁阻尼 思考与讨论： ① 问题1：一个单匝线圈自由落入磁场中，分析其在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向，安培力对线圈的运动有何影响？ ② 问题2：磁电式仪表（如电压表、电流表）的线圈常绕在铝框骨架上，指针固定在铝框上。若仪表工作时指针向右转动，铝框中感应电流的方向如何？铝框受到的安培力方向如何？安培力对铝框的转动产生什么作用？ 分析推导：问题1，根据楞次定律和右手定则判断感应电流方向，再依据左手定则判断安培力方向，得出安培力方向与线圈运动方向相反，阻碍线圈的下落运动； 问题2，磁感线从右向左穿过铝框，铝框向右转动时，穿过铝框的磁通量增大，根据楞次定律，铝框中产生逆时针方向的感应电流（从左侧看），铝框两侧导线切割磁感线，由左手定则可知安培力方向与转动方向相反，阻碍铝框的转动。 （3）总结：像这样，当导体在磁场中运动时，因电磁感应产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，且安培力的方向始终阻碍导体的相对运动，这种现象称为电磁阻尼。 （4）应用实例： 应用：磁电式仪表、电气机车的电磁制动、阻尼摆。 ① 磁电式仪表：电磁阻尼能使震动和摆动迅速停止的特点，应用在了很多电学仪器中，如电压表和电流表使用时要求指针的外头很快停下来，以便准确读数。在制作电流表时，把电路板的线圈绕在铝框上，当被测电流通过线圈时，线圈带动指针和铝框一起转动，铝框中产生涡流进而出现电磁阻尼的现象，使指针能很快的静止下来。 ② 灵敏电流计的运输保护：灵敏电流计的指针太过灵活，很容易在运输时由于摆动而折断。为了避免这种情况，在运输时常常用导线把正负两个接线柱连在一起，使表内的线圈和接线柱构成一个闭合回路，这样如果它的指针摆动，就会在线圈中产生感应电流，接着出现电磁阻尼的现象，使指针很快地停止运动就不容易折断。 ③ 补充应用：电气机车的电磁制动、阻尼摆等，均利用电磁阻尼实现减速或稳速。 4. 电磁驱动 当磁场静止、导体相对磁场运动时，导体受到阻碍运动的安培力（电磁阻尼）；反之，若导体静止、磁场相对导体转动，导体是否会受到安培力？其运动情况如何？ 演示实验：将铝框置于蹄形磁体的两个磁极之间，使铝框可绕支点自由转动；摇动把手带动磁体旋转，观察铝框的运动状态。 现象分析：磁体旋转时，穿过铝框的磁通量发生周期性变化，铝框中产生感应电流；根据楞次定律，感应电流受到的安培力方向与磁场的转动方向相同，从而驱动铝框跟随磁体一起转动（铝框的转速始终小于磁体转速，即“追而不及”）。 概念总结：当磁场相对于导体转动时，导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，进而带动导体运动，这种现象称为电磁驱动。 应用实例：交流感应电动机。 工作原理：将三相交流电通入电动机定子上三个互成120°的线圈，会在空间中产生一个匀速旋转的磁场（旋转磁场）；旋转磁场穿过转子线圈，使转子线圈中产生感应电流；感应电流在旋转磁场中受到安培力，驱动转子跟随旋转磁场转动，实现电能向机械能的转化。 5. 电磁阻尼与电磁驱动的区别和联系 电磁阻尼 电磁驱动 原因 导体在磁场中运动 磁场相对于导体转动 安培力的作用 总是阻碍导体的运动 使导体运动起来 联系 安培力的作用都是阻碍它们间的相对运动 6.课堂练习 1、(多选)某空间出现了如图所示的磁场，当磁感应强度变化时，在垂直于磁场的方向上会产生感生电场，有关磁感应强度的变化与感生电场方向的关系，下列描述正确的是(　　) A．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 B．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 C．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 D．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 答案　AD 解析　感生电场中磁场的方向用楞次定律来判定，原磁场方向向上且磁感应强度增大时，在周围有闭合导线的情况下，感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反，即感应电流的磁场方向向下，再由右手螺旋定则知感应电流的方向即感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向；同理可知，原磁场方向向上且磁感应强度减小时，感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向，所以A、D正确。 2、(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，它的工作原理是：在封口机工作时，套在瓶口上的封口头内的线圈有电流通过，致使靠近线圈(但与线圈绝缘)的铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在被封容器的瓶口处，达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是(　　) A．封口材料可用普通塑料来代替铝箔 B．该封口机可用干电池作为电源以方便携带 C．封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决 D．该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器 答案　CD 解析　由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电源，A、B错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，可解决温度过高的问题，C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样会被加热，只能是玻璃、塑料等材质，D正确。 3、某同学搬运如图所示的磁电式电流表时，发现表针晃动剧烈且不易停止。按照老师建议，该同学在两接线柱间接一根导线后再次搬运，发现表针晃动明显减弱且能很快停止。下列说法正确的是(　　) A．未接导线时，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势 B．未接导线时，表针晃动剧烈是因为表内线圈受到安培力的作用 C．接上导线后，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势 D．接上导线后，表针晃动减弱是因为表内线圈受到安培力的作用 答案　D 解析　未接导线时，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势，但不构成闭合回路，故不产生感应电流，不受安培力作用，A、B错误；接上导线后，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势，在闭合回路中产生感应电流，受到安培力的作用，是电磁阻尼的表现，C错误，D正确。 四、课题小结 五、板书设计 3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 1. 感生电场 定义：变化磁场激发的闭合曲线电场（非电荷产生） 感生电动势：感生电场力做功产生 应用：电子感应加速器 2. 涡流 定义：块状金属在变化磁场中产生的闭合感应电流 热效应：应用（真空冶炼炉、电磁炉）；防治（硅钢材料、硅钢片叠铁芯） 磁效应：应用（金属探测器） 3. 电磁阻尼 定义：导体相对磁场运动，安培力阻碍其运动 应用：磁电式仪表、灵敏电流计运输保护、电磁制动 4. 电磁驱动 定义：磁场相对导体转动，安培力驱动导体运动 应用：交流感应电动机 5. 核心联系：安培力阻碍导体与磁场间的相对运动 六、作业布置 1. 完成课本 “练习与应用” 相关习题； 2. 完成分层作业。 七、教学反思 本节课通过实验探究、实例分析与逻辑推导相结合的方式，构建了完整的知识体系，有效落实了核心素养目标。教学中注重联系生活实际，通过电磁炉、金属探测器等熟悉的实例降低抽象概念的理解难度，演示实验的运用也提升了课堂的趣味性和直观性。但在感生电场的讲解中，由于概念抽象，部分学生仍存在理解障碍，后续可增加动态动画演示，直观呈现磁场变化与感生电场的关系。此外，电磁阻尼和电磁驱动的本质区别与联系，学生在应用中易混淆，需通过更多针对性习题和对比分析强化理解。同时，应给予学生更多自主探究和讨论的时间，鼓励学生提出个性化问题，进一步提升其科学探究能力和逻辑思维水平。 学科网（北京）股份有限公司 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $