涡流热效应演示实验报告.docx
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涡流热效应演示实验报告
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涡流热效应演示实验报告
篇一:
25.涡电流演示
实验二十五涡电流演示
【仪器介绍】
如图25-1所示,由底座、磁铁和三个相同高度
的中空铝管(A、b、c)组成。
其中A是管壁完好
的铝管,b是管壁上开有狭缝的铝管,c则为管壁
上具有许多圆孔的铝管。
Abc【操作与现象】
让一块磁铁分别从三个一定高度的中空铝管
(A、b、c)顶端落下,其中A是管壁完好的铝管,
b是管壁上开有狭缝的铝管,c是管壁上加工出许
多圆孔的铝管。
观察并比较在三种情况下磁铁下落
的快慢情况。
图25-11.涡电流演示仪图涡电流演示仪实验现象:
磁铁在A管中下落得最慢,c管中则稍快些,而在b管中下落速度是最快的。
【原理解析】
当大块导体放在变化着的磁场中或相对于磁场运动时,在这块导体中也会出现感应电流。
由于导体内部处处可以构成回路,任意回路所包围面积的磁通量都在变化,因此,这种电流在导体内自行闭合,形成涡旋状,故称为涡电流。
涡电流的热效应:
在金属圆柱体上绕一线圈,当线圈中通入交变电流时,金属圆柱体便处在交变磁场中。
我们把铁芯看作由一层一层的圆筒状薄壳所组成,每层薄壳都相当于一个回路。
由于穿过每层薄壳横截面的磁通量都在变化着,根据法拉第电磁感应定律,在相应于每层薄壳的这些回路中都将激起感应电动势并形成环形的感应电流,即涡电流。
由于金属导体的电阻很小,涡电流很大,金属内将产生大量的热。
涡电流的机械效应:
(1)电磁阻尼涡电流还可以起到阻尼作用。
利用磁场对金属板的这种阻尼作用,可制成各种电动阻尼器,例如磁电式电表中或电气机车的电磁制动器中的阻尼装置,就是应用涡电流实现其阻尼作用的。
(2)电磁驱动这是对"电磁阻尼作用起着阻碍相对运动"的另一种形式的应用。
感应式异步电动机就利用了这一基本原理。
现象解释:
当磁铁下落时,铝管管壁的各环形壳层磁通量发生变化,铝管内就会形成涡电流。
由于涡电流产生的电磁阻尼会阻碍磁铁和金属之间的相对运动。
涡电流越大,这种阻碍作用就会越强,在材料相同(都为铝)的情况下,涡电流的强弱与管壁的形状、大小密切相关。
管壁完整的铝管有助于形成涡电流,磁铁受到的阻碍作用强,故磁铁在其中下落时,运动得最慢;对于管壁上有一条缝的铝管,由于缝的阻断作用,不易形成涡电流,磁铁受到的阻碍作用弱,故磁铁在其中下落就快;而在管壁上开许多孔的铝管,虽有阻断涡电流的作
用,但没有开缝的阻断作用强,故磁铁在其中落下时,运动的快慢就介于A、b之间,较管壁完整的快,比管壁上开缝的要慢。
【应用实例】
金属导体内涡电流产生的热效应可以用于金属材料的加热和冶炼。
理论分析表明,涡电流强度与交变电流的频率成正比,涡电流产生的焦耳热则与交变电流的平方成正比,因此,采用高频交流电就可以在金属圆柱体内汇集成强大的涡流,释放出大量的焦耳热,最后使金属自身熔化。
这就是高频感应炉的原理。
电磁炉的工作原理也是如此,采用变化磁场感应涡流加热。
如图25-2所示,当交变电流通过炉内的扁平励磁线圈进,产生变化的磁场。
该变化磁场使穿过含铁质的锅具底部的磁通量发生周期性变化,在锅底产生无数强烈的小涡流,涡流使锅具里的铁分子高速无规则运动,分子间互相碰撞,摩擦而产生热能,使锅体本身快速发热,然后再加热锅内的食物。
由于电磁炉线圈和锅体没有直接接触,而是靠电磁感应加热,所以没有漏电危险。
电磁炉发热线圈本身有磁条陈列和锅体对磁力线的汇聚吸收作用,并且经过金属外壳屏蔽,所以不会对人体造成伤害。
另一方面,导体中发生涡电流,也有有害的方面。
在许多电磁设备中常有大块的金属部件——铁芯,涡电流可使铁芯发热,浪费电能,这就是涡流耗损。
图25-2电磁炉励磁线圈灶体铁锅小涡流
篇二:
涡流现象
《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
★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
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