“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

柯智文

摘 要：在中學(xué)物理教育中，為了讓學(xué)生更好地掌握物理規(guī)律，了解物理的研究方法，在教學(xué)過(guò)程中就不能脫離生活實(shí)際，要讓物理課堂與日常生活聯(lián)系起來(lái)。本文以高中《物理》人教版選修3-2第四章第七節(jié)《渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)》的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明了在物理教學(xué)中應(yīng)尊重物理的學(xué)科特點(diǎn)和中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)把日常生活現(xiàn)象引入課堂。

關(guān)鍵詞：高中物理；渦流；教學(xué)設(shè)計(jì)；日常生活現(xiàn)象

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）6-0072-4

物理是一門與實(shí)際生活聯(lián)系非常緊密的學(xué)科，諸多物理規(guī)律的得出都源于對(duì)生活中一些現(xiàn)象的研究。在中學(xué)物理教育中，為了讓學(xué)生更好地掌握物理規(guī)律以及物理研究方法，在物理教學(xué)中就不能脫離生活，要將日常生活中學(xué)生能接觸到的一些物理現(xiàn)象進(jìn)入課堂。例如：在對(duì)高中物理人教版選修3-2第四章第七節(jié)《渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)》進(jìn)行教學(xué)時(shí)，我們就把“廚房”搬到了教室，用電磁爐“煮魚”來(lái)講解電磁爐的工作原理以及渦流的成因、產(chǎn)生條件和熱效應(yīng)。2015年11月，以這節(jié)課為藍(lán)本筆者參加了第三屆“華夏杯”全國(guó)物理教學(xué)技能大賽，獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)，賽后得到與會(huì)專家的一致好評(píng)。現(xiàn)將這節(jié)課的相關(guān)設(shè)計(jì)和課堂教學(xué)情況與大家共同探討，旨在拋磚引玉，以尋求更高效的課堂。

1 三維目標(biāo)

1.1 知識(shí)與技能

（1）了解渦流是怎樣產(chǎn)生的。

（2）了解渦流現(xiàn)象的利用和危害。

（3）通過(guò)對(duì)渦流實(shí)例的分析，了解渦流現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。

（4）了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)。

1.2 過(guò)程與方法

培養(yǎng)學(xué)生客觀、全面地認(rèn)識(shí)事物的科學(xué)態(tài)度。

1.3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀

培養(yǎng)學(xué)生用辯證唯物主義的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)問(wèn)題。

2 學(xué)法指導(dǎo)

以演示、探究、討論、分析、講解為主，結(jié)合多媒體輔助法等教學(xué)方法。

3 重難點(diǎn)及課時(shí)安排

重點(diǎn)：

（1）渦流的概念及其應(yīng)用。

（2）電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析。

難點(diǎn)：電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)例分析。

課時(shí)安排：1課時(shí)。

4 教學(xué)方法

演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、探究分析實(shí)驗(yàn)。

5 教 具

電磁爐（打開(kāi)電磁爐蓋板，取掉檢測(cè)報(bào)警裝置后，不回裝螺絲，以便上課時(shí)隨時(shí)能打開(kāi)蓋板）、自制教具 （用亞克力板粘制一個(gè)長(zhǎng)為45 cm、寬30 cm、高20 cm的魚缸，再用亞克力把魚缸隔成長(zhǎng)45 cm、寬14 cm左右的兩部分；用白鐵皮剪制一個(gè)長(zhǎng)43 cm、寬13 cm左右的鐵塊保證鐵塊要能放進(jìn)魚缸，兩條紅色的金魚，如圖1所示，圖2為俯視圖）、溫度計(jì)、鐵架臺(tái)、電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)演示儀、微安表等。

6 課前準(zhǔn)備

課前將鐵塊放進(jìn)魚缸中，在魚缸中加入水（為了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯和節(jié)約時(shí)間可以在有鐵塊的部分加上開(kāi)水，另一部分加入常溫的水。由于魚缸被亞克力分成了兩部分，所以常溫的水不會(huì)被開(kāi)水加熱，當(dāng)然最好用隔熱性能較好的材料或者用兩塊板來(lái)隔熱，而且中間可以留一部分空隙以增加隔熱性能，空隙中最好也要加入常溫的水以便觀察，各液面要等高），在魚缸中加了有常溫水的部分放入兩條紅色的金魚。將魚缸放到事先準(zhǔn)備好的電磁爐上加熱，為了現(xiàn)象明顯，利用鐵架臺(tái)來(lái)固定一個(gè)教學(xué)演示用的溫度計(jì)，將溫度計(jì)的液泡浸入溫水中，可看到溫度接近90 ℃。然后將整個(gè)裝置用不透明的幕布蓋住，只讓溫度計(jì)的示數(shù)露在外面，找助手抬上講臺(tái)。課前準(zhǔn)備過(guò)程不能讓學(xué)生知道，以免影響教學(xué)效果。

7 教學(xué)過(guò)程與設(shè)計(jì)

7.1 新課導(dǎo)入：創(chuàng)設(shè)情境、設(shè)疑引入

（1）設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)奈锢憝h(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。心理學(xué)研究表明，興趣是人要求獲得新知識(shí)的一種積極的心理表現(xiàn)。因此，教學(xué)中注意利用實(shí)驗(yàn)、多媒體課件、板畫、教師生動(dòng)的語(yǔ)言等精心設(shè)計(jì)趣味橫溢的教學(xué)環(huán)節(jié)，刺激學(xué)生的感官，牽動(dòng)學(xué)生的情感，促使學(xué)生進(jìn)入最佳的學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而達(dá)到好的教學(xué)效果。在分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察現(xiàn)象，從上到下、由表及里一步步分析現(xiàn)象發(fā)生的原因，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析問(wèn)題的能力和邏輯推理能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)客觀、全面地認(rèn)識(shí)事物的科學(xué)態(tài)度和用辯證唯物主義的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)問(wèn)題，為學(xué)生的終身發(fā)展奠基。

（2）師生互動(dòng)

老師：引導(dǎo)學(xué)生讀溫度計(jì)的示數(shù)（學(xué)生回顧讀數(shù)的方法）。

學(xué)生：讀得溫度計(jì)的示數(shù)為90 ℃左右，而且還在不斷升高。

老師：這里面這么高的溫度，到底是什么呢？讓學(xué)生猜想片刻然后揭開(kāi)幕布，原來(lái)我們是在用電磁爐“煮魚”！可溫度這么高為什么魚會(huì)沒(méi)事呢？

學(xué)生：在老師揭開(kāi)幕布的時(shí)候，觀察到是在用電磁爐“煮魚”，可以觀察到魚缸里面的水冒著熱氣而且?guī)缀跻呀?jīng)沸騰了，但兩條紅色的金魚卻在水里若無(wú)其事的游來(lái)游去，怎么回事？在心里產(chǎn)生了沖突，都想一探究竟。

老師：請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)觀察探究（如圖3所示）。

學(xué)生：上臺(tái)后發(fā)現(xiàn)魚缸被分成了兩部分，魚在常溫的水中當(dāng)然就沒(méi)事了。

老師：為什么同樣在電磁爐上加熱，一部分水沸騰了，而另一部分水保持常溫了呢？水的熱量從何而來(lái)？要知道原因我們進(jìn)一步探究。讓學(xué)生把魚缸的金魚舀出來(lái)，將水倒掉，在倒水的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在沸騰的水中有鐵塊，常溫的水中沒(méi)有。并展示魚缸的結(jié)構(gòu)和鐵塊，引導(dǎo)學(xué)生分析。

學(xué)生討論分析得出：水被加熱是因?yàn)殍F塊，鐵塊被加熱又是因?yàn)槭裁茨?？電磁爐不可能通過(guò)熱傳遞給鐵塊加熱，因?yàn)槿绻姶艩t通過(guò)熱傳遞給鐵塊加熱必然會(huì)加熱魚缸里面常溫的水，而事實(shí)并沒(méi)有。

老師：那么，鐵塊的熱量又從何而來(lái)呢？我們?cè)倮^續(xù)探究。老師打開(kāi)電磁爐蓋板，引導(dǎo)學(xué)生觀察到電磁爐內(nèi)部的線圈（如圖4所示），提醒學(xué)生注意安全用電。

圖4 電磁爐內(nèi)部線圈示意圖

學(xué)生觀察分析：交流電通過(guò)線圈除了發(fā)熱之外還會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，根據(jù)麥克斯韋電磁理論，變化的磁場(chǎng)周圍又會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，電場(chǎng)就會(huì)驅(qū)動(dòng)鐵塊中的自由電荷定向移動(dòng)形成電流，鐵塊里有了電流流動(dòng)，根據(jù)電流的熱效應(yīng)鐵塊就被加熱了，被加熱的鐵塊再通過(guò)熱傳導(dǎo)將加熱周圍的水；而沒(méi)有鐵塊的那部分水就不會(huì)被加熱。

老師：通過(guò)電磁爐“煮魚”我們“煮”出了哪些結(jié)論呢？

7.2 渦流的成因及熱效應(yīng)

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出：渦流的成因、產(chǎn)生條件和渦流的熱效應(yīng)。

老師師點(diǎn)評(píng)：（1）成因：麥克斯韋電磁理論指出，變化的磁場(chǎng)在空間激發(fā)感生電場(chǎng)，這個(gè)感生電場(chǎng)為渦旋電場(chǎng)，渦旋電場(chǎng)的電場(chǎng)力作為一種非靜電力在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。一旦在此空間存在閉合導(dǎo)體，該電場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷就在電場(chǎng)力的作用下定向移動(dòng)，從而形成渦流。

（2）渦流產(chǎn)生條件：渦旋電場(chǎng)和導(dǎo)體。

7.3 電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)

設(shè)計(jì)意圖：理論結(jié)合實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，運(yùn)用知識(shí)，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。

老師：小魔術(shù)“讓時(shí)間變慢”引入電磁阻尼（圖5所示）。點(diǎn)評(píng)磁電式儀表時(shí)結(jié)合圖片分析講解（圖6所示）。使用鋁框做線圈骨架的目的是利用感應(yīng)電流來(lái)起電磁阻尼作用，使線圈偏轉(zhuǎn)后盡快停下來(lái)。磁電式儀表的指針能夠很快停下，就是利用了電磁阻尼。

（1）學(xué)生：閱讀教材，回答下列問(wèn)題。

①如圖7所示：一個(gè)單匝線圈下落進(jìn)入磁場(chǎng)，感應(yīng)電流的方向和所受安培力方向如何？安培力對(duì)線圈的運(yùn)動(dòng)有什么影響？

②磁電式儀表的線圈常常用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框上。假定儀表工作時(shí)指針向右轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁框中的感應(yīng)電流沿什么方向？由于鋁框轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其中有感應(yīng)電流，鋁框要受到安培力，安培力沿什么方向？

（2）閱讀教材中“演示”的相關(guān)內(nèi)容，回答下面的問(wèn)題。

一個(gè)閉合線圈放在蹄形磁鐵的兩磁極之間，蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖8所示）。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)蹄形磁鐵時(shí)，觀察線圈的運(yùn)動(dòng)。怎樣解釋線圈的運(yùn)動(dòng)？

電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的區(qū)別：電磁阻尼是由于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流；電磁驅(qū)動(dòng)則是由于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流。

從其他方面引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析對(duì)比：電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)中感應(yīng)電流的成因有何區(qū)別？電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)中安培力的效果有何不同？電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)中能量轉(zhuǎn)化情況有何不同？

7.4 渦流的利用和防止

設(shè)計(jì)意圖：理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用，驗(yàn)證效果，雙優(yōu)培養(yǎng)。

老師：通過(guò)PPT展示渦流在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用（圖9）和防止（圖10）。

學(xué)生：利用渦流的成因和三個(gè)效應(yīng)解釋現(xiàn)象和工作原理。

總結(jié)提高：根據(jù)實(shí)際情況總結(jié)和點(diǎn)評(píng)。學(xué)生就本節(jié)所學(xué)做一個(gè)自我總結(jié)，之后可小組交流討論。

課外拓展：利用網(wǎng)絡(luò)了解電磁爐與微波爐的不同。

8 板書設(shè)計(jì)（如圖11所示）

9 教學(xué)反思

在本節(jié)課中把“廚房”搬到了課堂，通過(guò)用電磁爐“煮魚”讓學(xué)生了解到電磁爐的工作原理以及渦流的成因和產(chǎn)生條件，了解了渦流的熱效應(yīng)。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示讓學(xué)生了解到電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)的原理，并引導(dǎo)學(xué)生思考能否將渦流的這些特性應(yīng)用于日常生活中？之后，通過(guò)PPT展示了渦流在現(xiàn)代生產(chǎn)生活的應(yīng)用和防止。課堂中滲透了STSE教育思想，充分體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課程理念。讓學(xué)生了解到物理學(xué)科對(duì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的影響，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)。通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，并將日常生活中的一些物理現(xiàn)象引入課堂，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；讓學(xué)生了解到在物理學(xué)研究中的一般過(guò)程與科學(xué)方法，即觀察現(xiàn)象、分析原因、總結(jié)歸納到應(yīng)用和防止等；培養(yǎng)了學(xué)生客觀、全面地認(rèn)識(shí)事物的科學(xué)態(tài)度；讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)物理知識(shí)和研究方法的價(jià)值和意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]廖伯琴.物理教學(xué)研究與案例[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]向娟.翻轉(zhuǎn)課堂理念及渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2015，33（4）：28-30.

（欄目編輯 鄧 磊）