渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動創(chuàng)新實驗及教學(xué)設(shè)計

渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動河北衡水中學(xué)吳亞穎使用教材：人民教育出版社、高中、高二年級、物理選擇性必修第二冊、第二章第三節(jié)《渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動》教學(xué)背景分析：教學(xué)分析在本節(jié)之前教材已經(jīng)設(shè)置了感應(yīng)電流、楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律，通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)可以進一步加深對以上知識的理解。本節(jié)主要包括三部分：渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動。本節(jié)主要側(cè)重于知識的實際應(yīng)用。學(xué)情分析學(xué)生雖然已經(jīng)掌握了電磁感應(yīng)的基本知識，但是在分析實際問題時，他們的抽象概括能力還是較弱，在學(xué)習(xí)方式上，也是更傾向于借助實驗提供的感性材料來獲取知識。教學(xué)方式說明本節(jié)課將采用實驗體驗、問題探究式教學(xué)，強調(diào)知識呈現(xiàn)的直觀性和學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，能夠有效的加強課堂上師生之間和生生之間的交流與互動。教學(xué)重難點教學(xué)重點：渦流的產(chǎn)生、應(yīng)用及防止教學(xué)難點：電磁阻尼和電磁驅(qū)動的實例分析實驗教學(xué)目標：物理觀念：理解渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動的概念，并會進行實例分析；掌握感生電場的產(chǎn)生原因，了解渦流現(xiàn)象的應(yīng)用及防治?？茖W(xué)思維：借助魔術(shù)探究揭秘，培養(yǎng)構(gòu)建模型及借助模型分析實際問題的能力；熟練掌握控制變量法進行科學(xué)推理、科學(xué)論證?？茖W(xué)探究：會測量分析實驗數(shù)據(jù)，獲得實驗結(jié)論。利用渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動知識制作金屬探測儀及電磁炮，并能進行器材的迭代更新?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：形成尊重實驗事實的科學(xué)態(tài)度。通過學(xué)習(xí)渦流的應(yīng)用與防治，培養(yǎng)辯證看待問題的科學(xué)態(tài)度。教學(xué)過程及實驗器材：魔術(shù)展示一：《沸水活魚》：實驗器材：電磁爐、分區(qū)魚缸、金屬片、小魚。圖一：沸水活魚實驗過程：將魚缸放置在電磁爐上，魚與金屬片分別放置于魚缸的兩塊區(qū)域，打開電磁爐開關(guān)，一段時間后水沸騰了，而魚卻安然無恙。借助該魔術(shù)引出渦流的概念。魔術(shù)展示二：《空中點穴》：實驗器材：木制支架、細線、磁鐵、圖釘、氣球、厚銅板。圖二：空中點穴實驗過程：將圖釘固定在磁鐵上，將磁鐵拉離平衡位置一定的角度靜止釋放，磁鐵迅速擺下，扎破了前方的氣球。再來一組對照實驗：在磁鐵正下方放置兩塊厚銅板，與磁鐵靠近但不接觸，再次將磁鐵拉離平衡位置同樣的角度靜止釋放，這一次磁鐵運動到銅板上方時運動迅速停止，如同被點穴一般。借助該魔術(shù)引出電磁阻尼的概念。魔術(shù)展示三：《旋轉(zhuǎn)鋁蛋》：實驗器材：轉(zhuǎn)盤、磁鐵、平臺、電機、鋁蛋。圖片三：旋轉(zhuǎn)鋁蛋實驗過程：將鋁蛋放于平臺上，打開電機開關(guān)，電機帶動轉(zhuǎn)盤和磁鐵高速旋轉(zhuǎn)，鋁蛋也跟著高速旋轉(zhuǎn)了起來。借助該魔術(shù)引出電磁驅(qū)動的概念?！陡艨栈F》：實驗器材：電磁熔煉爐、鋁扣、金屬棒。圖片四：隔空化鐵實驗過程：將鋁扣放于通有高頻交流電的線圈頂端靜止釋放，鋁扣懸停一下迅速彈開。這是由于鋁扣內(nèi)產(chǎn)生的渦流受到了安培力阻礙其進入線圈。將金屬棒插入通有高頻交流電的線圈內(nèi)，金屬棒頂端由于渦流加熱迅速達到熔融狀態(tài)。通過該實驗進一步展示渦流的熱效應(yīng)，加深同學(xué)們對于渦流這一概念的理解?！秾W(xué)生探究阻尼效果》：實驗器材：木制支架、細線、磁鐵、不同材質(zhì)不同厚度不同尺寸的紫銅板和鋁板。圖片五：探究阻尼效果實驗過程；學(xué)生們分組探究，利用控制變量的方法，每次將磁鐵拉離平衡位置一樣的角度靜止釋放，記錄放置不同金屬板時磁鐵擺動的次數(shù)，進而分析電磁阻尼的效果與金屬板的材質(zhì)、厚度、尺寸之間的關(guān)系。通過學(xué)生的分組探究，加深對于電磁阻尼這一概念的理解?！稄U舊電度表展示電磁阻尼》：實驗器材：廢舊電度表、磁鐵。圖片六：廢棄電度表展示電磁阻尼實驗過程：將廢舊的電度表拆開，內(nèi)部的鋁盤在外力作用下高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵靠近鋁盤時，鋁盤轉(zhuǎn)速明顯變慢，由此讓學(xué)生親身感受體驗電磁阻尼的效果?！赌M靈敏電流計運輸過程顛簸實驗》：實驗器材：兩個相同的靈敏電流計、木板、膠水、攝像機、導(dǎo)線。圖片七：模擬靈敏電流計運輸過程中顛簸實驗實驗過程：將兩個靈敏電流計與手機固定在同一木板上，來回晃動木板，以此模擬運輸過程中的顛簸情況，將手機錄到的視頻近景慢鏡頭播放，發(fā)現(xiàn)兩個靈敏電流計的指針偏角幅度完全相同，再次重復(fù)實驗，將左側(cè)靈敏電流計的正負接線柱通過導(dǎo)線短接，重復(fù)實驗，這次發(fā)現(xiàn)左側(cè)靈敏電流計的指針偏角幅度明顯小于右側(cè)。由此引導(dǎo)學(xué)生理解，利用電磁阻尼的原理，可以有效的防止運輸過程中靈敏電流計指針偏角幅度過大造成的損害?！独秒姶抛枘釋崿F(xiàn)材質(zhì)分揀》：實驗器材：木制背板支架、鐵質(zhì)支架、塑料軟導(dǎo)軌、多個直徑1cm的塑料球及鋁球。圖片八：利用電磁阻尼實現(xiàn)材質(zhì)分揀實驗過程:將磁鐵固定于傾斜導(dǎo)軌的底端，將相同直徑的塑料球和鋁球于導(dǎo)軌的同一位置靜止釋放，由于電磁阻尼的影響，鋁球在導(dǎo)軌上運動至磁鐵區(qū)域時，運動速度明顯變慢，導(dǎo)致鋁球沖出軌道時速度小于塑料球