第一篇：更改版電渦流位移傳感器設計總結報告

傳感器與檢測技術課程設計

院 系： 專 業： 成 員： 指導老師：--電渦流位移傳感器

計 劃 報 告

XXX

XXXX年XX月XX日

傳感器課程設計

目錄

一、概述 …………………………………………………………2

二、總體設計方案…………………………………………………2

三、電渦流傳感器的基本原理……………………………………3 3.1 電渦流傳感器工作原理………………………………………3 3.2 電渦流傳感器等效電路分析…………………………………3 3.3 電渦流傳感器測量電路原理…………………………………4

四、電渦流傳感器探頭參數設計…………………………………6

五、電渦流傳感器新型測量電路的設計…………………………7 5.1 電路實現方案…………………………………………………7 5.2 振蕩電路的選擇………………………………………………7 5.3 濾波電路的選擇………………………………………………8 5.4 增益調節電路的選擇…………………………………………9 5.5 移相電路的選擇………………………………………………9 5.6 電壓-電流轉換電路的選擇…………………………………11

六、誤差分析………………………………………………………12 6.1 非線性補償 …………………………………………………12 6.2 動態特性……………………………………………………13 6.3 溫度補償……………………………………………………13

七、設計總結.…………………………………………………………13

傳感器課程設計

感應電流，即電渦流，如圖2-2中所示。與此同時，電渦流i2又產生新的交變磁場H2；H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，從而導致探頭線圈的等效電阻相應地發生變化。其變化程度取決于被測金屬導體的電阻率ρ，磁導率μ，線圈與金屬導體的距離x，以及線圈激勵電流的頻率f等參數。如果只改變上述參數中的一個，而其余參數保持不變，則阻抗Z就成為這個變化參數的單值函數，從而確定該參數的大小。

電渦流傳感器的工作原理，如圖2-2所示：

三、電渦流傳感器等效電路分析

為了便于分析，把被測金屬導體上形成的電渦流等效成一個短路環中的電流，這樣就可以得到如圖2-3所示的等效電路。

圖中R1，L1為傳感器探頭線圈的電阻和電感，短路環可以認為是一匝短路線圈，其中R2，L2為被測導體的電阻和電感。探頭線圈和導體之間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距離的減小而增大。U1為激勵電壓，根據基爾霍夫電壓平衡方程式，上圖等效電路的平衡方程式如下：

經求解方程組，可得I1和I2表達式：

傳感器課程設計

由此可得傳感器線圈的等效阻抗為:

從而得到探頭線圈等效電阻和電感。

通過式（2-4）的方程式可見：渦流的影響使得線圈阻抗的實部等效電阻增加，而虛部等效電感減小，從而使線圈阻抗發生了變化，這種變化稱為反射阻抗作用。所以電渦流傳感器的工作原理，實質上是由于受到交變磁場影響的導體中產生的電渦流起到調節線圈原來阻抗的作用。

因此，通過上述方程組的推導，可將探頭線圈的等效阻抗Z表示成如下一個簡單的函數關系：

其中，x為檢測距離；μ為被測體磁導率；ρ為被測體電阻率；f為線圈中激勵電流頻率。

所以，當改變該函數中某一個量，而固定其他量時，就可以通過測量等效阻抗Z的變化來確定該參數的變化。在目前的測量電路中，有通過測量ΔL或ΔZ等來測量x ,ρ,μ,f的變化的電路。

四、電渦流傳感器測量電路原理

電渦流傳感器常用的測量電路有電橋電路和諧振電路，阻抗Z的測量一般用電橋，電感L的測量電路一般用諧振電路，其中諧振電路又分為調頻式和調幅式電路。

5ra)h)dx · dy 此電流在軸線任意點P 處所產生的磁感應強度為：

整個載流扁平線圈通以電流I 后，在軸線上任意P 點處產生的磁感應強度為：

式中，x1 就是扁平線圈端面到被測體的距離，可用x表示，所以線圈軸線上某點P 產生的磁感應強度可改寫為：

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5.3 濾波電路的選擇

通過上節的COMS晶體振蕩器，產生出了穩定的方波。方波圖形和其分解表達式如圖4-6所示。從表達式中可以看出，方波是正弦波的合成波形，其振幅是基波的奇次倍頻率波形振幅的合成。若從中抽出高次諧波，即可得到所需正弦波。

由于本次設計需要濾掉方波中高于1M的信號，因此可以選用低通濾波器將方波變成正弦波。濾波電路有多種形式，大致分為有源濾波和無源濾波，二者最大的差別在于濾波電路中是否使用了有源元器件——運算放大器。對于截止頻率為MHz數量級的濾波電路，則有源濾波器對運算放大器等的高頻特性要求非常嚴格。因此在本電路中，將采用結構相對簡單的無源濾波電路。

在濾波器的近代設計方法中有各種方式，如巴特沃思型、切比雪夫型、貝塞型、高斯型等。本文選用通帶內響應最為平坦的巴特沃思型低通濾波器，它對構成濾波器的元件Q值要求較低，因而易于制作和達到設計性能。為了同時滿足電路濾波的精確性和結構簡單，本次設計預選用巴特沃思型3階低通濾波器，其基本結構和對數幅頻特性如圖4-7所示:

5.4 增益調節電路的選擇

經過濾波電路后輸出的正弦波信號，由于信號幅值的衰減，很難直接滿足設計時的要求。因此在電路中，為了便于調節,使輸出電壓值能滿足需要，有必要在濾波電路之后加上一個增益調節環節。常用的增益調節電路，有同相比例放大器和反向比例放大器。具體的電路結構分別如圖4-8中（a）、（b）所示：

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上圖中兩電路的基本特性參數比較如表4-1所示：

從上表中可以看出，兩電路都能靈活調節輸出電壓幅值的大小。但同時考慮到各模塊電路之間需要加隔離電路，而同相比例放大的輸入電阻趨于無窮大，更適合于做隔離電路。因此兼顧調節幅值和隔離電路的兩個功能，本次設計選用同相比例放大電路來做增益調節環節。

5.5 移相電路的選擇

本次設計中，要得到兩個幅值相等的正交信號，必須采用移相電路。將上節濾波后所得到的交流信號經過90度移相后即可得到兩個正交的信號。

本次設計采用如圖4-10所示的有源移相電路。

上圖中的電路是通過將單節RC移相電路接入到反向放大器的非反向輸入端子來實現的。該電路可在保持輸入輸出電壓幅值不變的情況下，進行90度移相，這就有效地解決了采用RC級聯所帶來的麻煩。根據理想放大器的條件，可得如下方程組：

傳感器課程設計

從上述方程組可解得該電路輸入——輸出關系：，令，則上式可寫為：

從上式中所列出的該電路傳遞函數表達式，可得到該電路的幅頻特性：

當取R1=R2，即k=1時，上式的值為1，即表明圖4-10中的電路輸入輸出的電壓幅值保持不變，且與輸入信號頻率無關。因此該電路可以實現幅值不變的電路移相。同時，令θ1為上式分子中復數的相角，θ2為分母復數的相角，θ為該電路輸入輸出移相角度。根據上式可得出表達式：

再由上述方程組經過反三角函數變換可得：

上式即為該電路的相頻特性。從該式得到的結果可以看出，該電路電壓信號

0

傳感器課程設計

滿足設計需要。

六、誤差分析

6.1 非線性補償

由于振蕩回路的檢波輸出與測量位移之間為非線性關系, 為了提高渦流傳感器的使用范圍和精度,必須對電渦流傳感器進行非線性補償。補償方法有串聯式補償和并聯式補償,本文采用串聯式補償。

式中: x 為測量位移。補償模塊的表達式為

傳感器的最終輸出與測量位移之間為線性比例關系

式中:k 為比例常數,則要求補償模塊的函數關系為

因為實現串聯式非線性補償的函數為傳感器非線性關系的反函數,所以對電渦流傳感器進行標定,建立測量位移與檢波輸出之間的函數,并進行多項式擬合,建立多項式的反函數。

6.2 動態特性

電渦流傳感器的動態特性主要由振蕩回路和檢波回路的頻率特性決定, 整個傳感器的傳遞函數表示為：

式中: L1為線圈的電感;R1為線圈的串聯電阻;RC2 為檢波電路的時間常數。為了在提高系統的動態特性的同時不降低振蕩回路的品質因數,在傳感器的輸出信號流中串聯超前校正環節以改善傳感器的動態特性。超前校正的傳遞函數為：

6.3 溫度補償

傳統的檢波方式采用二極管、電容、電阻實現。由于二極管的導通特性受溫度影響比較明顯,所以傳統的二極管檢波輸出存在隨溫度變化而發生漂移的現象。感應線圈本身存在電阻隨溫度變化而變化的問題,會使傳感器輸出信號產生較大的誤差。

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第二篇：電渦流傳感器工作原理

電渦流傳感器工作原理

一塊金屬放置在一個扁平線圈附近，相互并不接觸，當線圈中通過以高頻正弦交變電流時，線圈周圍的空間就產生交變磁場，此交變磁場在鄰近的金屬導體中產生電渦流：而此電渦流也產生交變磁場阻礙外磁場的變化，由于磁場的反作用，使線圈中電流和相位都發生變化，也引起線圈中的等效在阻抗發生變化，線圈的電感量也發生變化，因此可用線圈阻抗的變化來反映金屬導體的電渦流效應，

第三篇：傳感器總結報告

傳感器總結報告

機械0806 0401080623 摘要:傳感器是被測量進入測量系統的第一個環節——把被測量轉換成容易檢測、傳輸和處理的電信號。其性能直接影響整個測試裝置和測試結果的準確性、可靠性。其地位在電子技術和測試技術中舉足輕重。

關鍵詞:傳感器、特性、應用

A summing-up on sensors

Abstract: sensors are the first link that measured signals enter into measure system——measured signals be converted into electro-signals that is easily tested,transfered and dealt with.Its function directly influences the accuracy, credibility of the whole test device and test result.Its position is prominent in the electronics technique and the test technique.Keywords：sensors、characteristics、application 傳感器種類繁多、形式多樣：有的是很小的敏感元件，例如應變片、霍爾元件等；有的是一個復雜的系統，如智能型傳感器。傳感器分類依據不同，分得的結果也各種各樣。此報告主要按物理現象分類方式分別介紹常用的結構型傳感器、物性型傳感器的工作原理、性能特點、轉換電路和應用。

結構型傳感器

結構型傳感器是依靠其結構參數的變化實現信號轉換。常見的結構型傳感器有：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器。

一、電阻式傳感器

電阻式傳感器是一種把被測量的變化轉換成電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和電阻應變式傳感器兩類。

1、變阻器式傳感器

▲變阻器式傳感器也稱為電位器式傳感器，是三端電阻器件，基本敏感量是位移。作用于動觸頭的位移被轉換成電阻的變化。轉換原理：

R=ρ

lA

式中ρ為電阻率，l為電阻絲長度，A為電阻絲截面積。當電阻絲的材料和直徑一定時電阻R和電阻絲長度成線性關系，即R=Kl。這樣可以通過電阻的變化推倒出相應的長度變化，進而可知被測量的變化。

▲常用的變阻器式傳感器可以測量直線位移、角位移和一些非線性量。其優點是結構簡單、使用方便、測量范圍大。

變阻器式傳感器有兩種形式：（1）電阻絲式變阻器

其電阻值是不連續的，一般分辨率不小于20毫米。另外，由于磨損、塵埃等原因將使接觸電阻發生不規則變化，產生噪聲。動態特性較差，只能測量變化較慢的信號。

（2）導電橡膠變阻器

其優點是阻值連續、精度可達0.1%、動態特性較好，允許測量信號變化較快的信號、結構緊湊、可靠性好、壽命長。

▲應用：適用于自動化設備中的位置、位移的檢測。如下圖是一個電阻式位移傳感器：

2、電阻應變式傳感器（半導體應變片見物性型傳感器）

▲金屬電阻應變片的工作原理

其工作原理基于金屬的電阻—應變效應：金屬絲的電阻值隨著它所受的機械變形而發生相應的變化。

dRR?(1?2???E)?

式中：μ為電阻絲材料的泊桑比：λ為壓阻系數，與材料有關；E為電阻絲材料的彈性模量；ε為應變。

金屬電阻材料的λE很小，因此λEε項的變化所引起的電阻變化可以忽略因此可以簡化為

dRR?(1?2?)?

上式說明電阻的相對變化與應變成正比，比例系數（靈敏度）：

S=1+2μ=常數

用于制作應變片的材料的靈敏度K0在1.7到3.6之間。金屬應變片的靈敏度S≈K0。

▲電阻應變片的應用和特點

電阻應變片應用范圍廣泛，分為直接應用和傳感器應用。直接應用是將應變片直接粘于被測量件上，可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度等參數，測量范圍從10-3到108，精度達到0.05%，且具有相當高的穩定性。

彈性元件是應變式傳感器的感受元件，根據測力的大小、性質及傳感器準確度等不同要求，彈性元件采用不同的結構形式：柱式彈性元件結構緊湊、簡單、承載能力大，主要用于中等載荷的拉壓力測量中；環式彈性元件穩定性好、固有頻率高，主要用于中小載荷的測力中，可測幾十到幾百的拉壓力；梁式彈性元件結構簡單、易于加工、貼片方便、靈敏度較高，主要用于小載荷、高準確度的拉壓傳感器中，測量范圍從0.01到幾千牛頓；輪輻式傳感器元件外形低矮，可承受大載荷，固有頻率很高，常用于重型載荷的電子稱中，其靈敏度不高，但抗偏心載荷和抗側向載荷能力強。

二、電容式傳感器

電容式傳感器是將被測量物理量轉換為電容量變化的裝置，其實質是具有可變參數的電容器。

▲電容式傳感器原理

甴物理定律可知，當忽略邊緣效應時，平行極板組成的電容器的電容量為：

C??0?A?

式中：δ為極板間距離；A為極板介質面積；ε為極板間介質的相對介電常數；ε0為真空中介電常數。上式表明當被測量使ε、A或δ發生變化時，都能引起電容C的變化。

根據可變參數不同，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型。

1、極距變化型電容傳感器

▲極距變化型電容式傳感器原理

使兩極板相互覆蓋面積與極間介質不變（常為空氣），則電容量C與極距δ成非線性關系。其靈敏度為

S?dCd????0?A?2

▲極距變化型電容式傳感器特點與應用

其優點是靈敏度高、動態響應快、可進行非接觸測量；缺點是輸出非線性、電纜電容影響較大、處理電路比較復雜。可以測量位移、壓力等物理量。

2、面積變化型和介質變化型電容傳感器

面積變化型電容傳感器原理是其極距和極間介質固定不變，改變極板相互覆蓋的介電面積以改變電容量。可測量角位移、線位移等物理量。其優點是輸入輸出成線性關系；缺點是靈敏度低。

介質變化型電容傳感器原理是使其他量不變，只改變兩極板間介質，從而改變電容量。這種傳感器可以測量介質的液位或某些材料的厚度、濕度、溫度等。

三、電感式傳感器

電感式傳感器以電磁感應為基礎，把被測量轉換為電感量變化。常分為可變電磁阻式、電渦流式和差動變壓式等類型。

1、可變磁阻式電感傳感器 ▲原理：

L?W?0A02?2 式中：μ0為空氣磁導率；A0為空氣隙導磁截面積；δ為空氣隙長度；W為線圈匝數；L為自感。此式表明，自感L與氣隙長度成反比；與氣隙導磁截面積A0成正比 ●變間隙式：

可知：L 與δ成反比，當A0不變的情況下，變化δ，L與δ呈非線性關系。

① L = f(δ)不是線性關系。② 當δ= 0 時，L →∞

③ 如果考慮到磁導體的磁阻，則；當δ= 0 時，L ≠＞∞。

④ 由于傳感器結構上總漏磁現象產生，故始終都會有L0 的輸出。

⑤ 傳感器靈敏度此時為S??W?0A02?22

為避免非線性誤差，要求工作間隙△ δ/ δ0≤0.1 ▲特性: 該種傳感器只適應與一般約為0.001～1mm 位移量的測量.●變氣隙面積A型自感式傳感器

L?W?0A02?2

S與L成線性關系，兩端彎曲部分是磁漏造成的。▲特性：

這種傳感器，線性較好，測量范圍較寬。甚至可作為非接觸傳感。●螺旋管式自感式傳感器

該傳感器是一種可變磁阻式自感式傳感器。結構： 螺旋線圈、鐵芯、骨架 ▲工作原理

首先它是一種開磁路的，其工作原理是基于線圈磁通泄漏路徑中的磁阻變化。這種傳感器的電感量與鐵芯的位移成一定的關系，但靈敏度較低，對微小位移的測量利用價值不大。

▲特性：

結構簡單、易制作、靈敏度低，但可在測量電路方面加以解決。

2、渦流式電感傳感器

▲其工作原理是基于金屬導體在交流磁場中的渦流效應。其應用是改變參數中某一因素，達到一定的變換目的。例如，當δ改變時，可用于測量位移、振動；當ρ或μ值改變時，可作為材質鑒別和探傷等。▲特性與應用

渦流傳感器結構簡單、使用方便和不受油污等介質影響。可用于回轉軸的振動測量及其誤差運動的測試、轉速測量、金屬材料的厚度測量、零件計數和探傷等。

▲轉換電路有分壓式調幅和調頻電路。下圖為分壓式調幅電路原理：

3、差動變壓器式電感傳感器 ▲原理

它是利用電磁感應中的互感現象來進行信號轉換。實際應用的傳感器多為螺管形差動變壓器，其結構和工作原理如下圖：

當初級線圈W加上交流電壓時，次級感應電動勢e1、e2的大小與鐵芯位置有關。當鐵芯在中間位置時e1=e2，鐵芯向上移動，e1>e2;向下移動,則e1

差動變壓器式電感傳感器穩定性好、使用方便、線性范圍大，有的可達300㎜、小位移測量精度高；缺點是側量個頻率受機械部分固有頻率的限制。該種傳感器可適用于力、壓力、流體參數等測量。

▲轉換電路：

上圖所示電路中相敏檢波器可根據輸出的調幅波相位變化判別位移的方向和大小。可調電阻R與差動直流放大器的作用是消除傳感器零點殘余電壓并放大信號。振蕩器提供初級線圈交流電源和相敏檢波電路的控制電壓。

四、磁電式傳感器

▲原理

一個匝數為W的線圈，當穿過當穿過該線圈的磁通Φ發生變化時線圈內的感應電動勢為：

e??Wd?dt

感應電動勢e與其匝數和磁通變化率有關，改變上述因素之一將使線圈感應電動勢改變。磁電式傳感器可分為動圈式和磁阻式。

1、動圈式傳感器

上圖a為線速度型磁電式傳感器。線圈在磁場中作直線運動所產生的感應電動勢：e?WBlsin?。對于一個特定的傳感器來說，W、B和l均為定值，所以感應電動勢e與速度v成正比。

上圖b為角速度型傳感器工作原理圖。線圈在磁場中轉動時產生的感應電動勢為：e=BWAω。在Ｂ、W、A為常數時，感應電動勢的大小與角速度成正比。

2、磁阻式傳感器

工作原理是傳感器固定不動，被測體的運動使磁路磁阻改變，從而在線圈中產生感應電動勢。其特點是輸出阻抗不高，負載效應對其輸出的影響可以忽略，且性能穩定、工作可靠、使用方便。可以測量旋轉體頻數、轉速和振動等。

物性型傳感器

物性型傳感器不改變其結構參數的變化而是靠其敏感元件物理性能的變化實現信號轉換。

一、半導體應變片

▲原理

對于半導體材料而言，電阻率變化所引起的電阻變化遠遠大于因幾何尺寸變化引起的電阻變化。因此：

dRR??E?

半導體應變片的靈敏度S≈λE。該值一般比金屬應變片的靈敏度大50—70倍

▲特性與應用

半導體應變片的優點：靈敏度高、機械滯后和橫向效應小、測量范圍大、頻響范圍寬；缺點：溫度穩定性差、靈敏度分散性較大以及較大應變作用下，非線性誤差大等。

二、壓電式傳感器

▲原理

壓電式傳感器的工作原理是基于壓電材料的壓電效應。她是以壓電晶片作為傳感元件將力轉換為電荷量的傳感器。其可以看作是一個以壓電材料為介質的平行板電容器，其電容量可按下式計算：

C??0?A?

施加于晶片的外力不變時，且積聚在極板上的電荷若無泄露，那么在外力繼續作用時，電荷量保持不變，而在離終止時，電荷隨之消失。

實踐證明：壓電晶片上所受的作用力與由此產生的電荷量成正比，即：q=dF,式中d為壓電常數。

靜態測量時，必須采取措施，使電荷漏失減小到足夠的程度；動態測量時，由于電荷可以不斷補充，對此要求不高。

▲特性與應用

它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。配套儀表和低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現，使壓電傳感器的使用更為方便。它廣泛應用于工程力學、生物醫學、電聲學等技術領域。

三、光電式傳感器

光電傳感器是將光能轉換為電能的一種器件，它的物理基礎是光電效應。光電式傳感器是以光電效應為基礎，將光信號轉換成電信號的傳感器。光電式傳感器由于反應速度快，能實現非接觸測量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成等優點，因而廣泛應用于軍事、宇航、通信、檢測與工業自動控制等各個領域中。業生產和現實生活中光電傳感器的應用非常廣泛。

照相機自動測光 工業測光

四、霍爾傳感器

霍爾傳感器以霍爾效應為其工作基礎，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。霍爾傳感器在工業生產、交通運輸和日常生活中有著非常廣泛的應用。

▲原理 如下圖所示，將霍爾元件至于磁感應強度為B的磁場中，a、b兩端通以電流i，在c、d兩端將產生霍爾電勢VH=KHiBsinα,式中KH為霍爾系數，α為電流與磁場方向夾角。

▲特性與應用

霍爾元件可以檢測電流、磁場以及它們的成績，因此廣泛的應用于壓力、振動等參數的測量。其有精度高、線性度好、動態性能好、工作頻帶寬、測量范圍廣、可靠性高、抗外磁場干擾能力強等優點。多應用于測力、壓力、應變、機械振動等。

總結：傳感器種類繁多，這里并沒有一一列舉，僅列舉了生產生活中常見常用的幾種。許多傳感器的應用范圍又很寬，本次總結所列舉的應用僅供參考，具體應用應根據傳感器靜態、動態特性以及抗干擾能力、滯后等特性，還要考慮使用的技術領域、環境、精度等要求選用何種類型。總之，此份報告尚有許多不足之處，還請老師諒解。

通過本次總結，再一次比較全面的的了解、認識了不同類型傳感器的原理、特性、應用和轉換電路，從中受益匪淺，相信一定會對我們今后的學習生活帶來很大幫助。最后，衷心感謝尤麗華、周德輝老師對我們的悉心指導！

第四篇：渦流 教學設計

《渦流 電磁阻尼和電磁驅動》教學設計

【教學目標】

1、知識目標

（1）、知道渦流是怎么產生的；（2）、了解渦流現象的利用和危害；

（3）、通過對渦流的實例分析，了解渦流現象的生產和生活中的應用；（4）、了解電磁阻尼和電磁驅動，能分析實例。

2、過程與方法

（1）、用實驗的方法引入新課，激發學生的求知欲；（2）、用舊知識分析新問題，分析請渦流產生的原因；

（3）、利用理論聯系實際的方法，加深理解渦流、電磁阻尼和電磁驅動。

3、情感態度價值觀

（1）、通過演示實驗和對實驗的分析，培養學生的觀察和推理能力；（2）、通過實踐活動培養學生的團隊精神，體驗物理世界的神奇；

（3）、從觀察現象分析原因并加以運用，讓學生體驗成功的喜悅，樹立學好物理的信心。

【教學重點】

知道渦流產生原理及其應用。

【教學難點】

分析電磁阻尼和電磁驅動現象。

【教學用具】

自制跳環實驗教具（可拆卸變壓器、鋁環、無極調速器、木箱）、電磁爐、玻璃碗、鐵腕、蠟燭、食用油、泡沫板、二極管、自制電磁阻尼、驅動演示儀。

【教學過程】

一、創設情景——引入新課

教師演示實驗：利用自制的跳環魔術演示渦流的機械效應。提出問題：鋁環為什么會受控制？激發學生的好奇心。讓學生帶著問題來學習今天的內容。

二、實驗演示——引出渦流

老師提問：家里平時怎么用電磁爐做飯呢？ 學生回答：把鍋放在電磁爐上通電就可以了。老師提問：做完飯后電磁爐的面板燙嗎？能用手摸嗎？ 學生回答：面板很燙，不能用手摸。

演示實驗：將泡沫板粘在紙板上，泡沫板的四角再粘四小塊泡沫板，放在電磁爐上。先將玻璃碗放在紙板上，側面抹上食用油，底部撒上事先削好的蠟燭片，接通電源看是否會有現象發生，觀察后無現象。再將鐵碗放在電磁爐上，同樣側面抹上食用油底部撒上蠟燭片，接通電源。學生很快會觀察到鐵碗中冒出白煙，傾斜鐵碗，可以看到蠟燭融化，鐵碗很燙。

三、理論分析——探究渦流現象的存在 老師提問：實驗中泡沫板與面板接觸了嗎？ 學生回答：沒有。

老師拿起泡沫板讓學生觀察，可以看到泡沫板完好無損。

讓學生上來摸一下面板，（學生不敢摸，用手指挨一下迅速離開，發現不燙后，將手放心的放在面板上，一臉不相信。）老師提問：面板燙嗎？ 學生回答：不燙。

其他同學不相信，再讓一個同學上來體驗。

老師提問：鐵碗溫度升高了，內能增加了，是熱傳遞嗎？ 由于面板是涼的，泡沫板是完好的。學生回答：不是熱傳遞。老師提問：焦耳定律的內容。

學生回答：焦耳定律的內容是：電流通過導體產生的熱量跟電流的平方成正比跟導體的電阻及通電時間成正比。

引導學生大膽的猜想：鐵碗的內能增加，是因為鐵碗中有電流。演示實驗，驗證猜想

將連有燈泡的線圈放在面板的上方，讓學生觀察現象。實驗現象：燈泡發光了。（學生感到很神奇）

揭秘電磁爐，電磁爐通的是220V，50Hz的交流電，線圈內通有變化的電流，變化的電流周圍有變化的磁場，根據麥克斯韋的電磁波理論可知，變化的磁場會在其周圍空間激發感生電場，鐵碗是閉合導體，鐵碗中的自由電荷在感生電場的作用下定向移動形成電流，鐵碗中產生的感應電流我們把它叫渦流。

1、定義：在變化的磁場中任何導體都會產生像水中漩渦一樣的感應電流，我們把它叫渦電流，簡稱渦流。

總結實驗----分析渦流熱效應。

分析上面實驗可知：渦流和其他電流一樣要產生熱量，渦流也有熱效應。

2、渦流熱效應的應用：真空冶煉爐、高頻焊接機、電磁爐等。

分析真空冶煉爐原理：線圈中通反復變化的電流，爐內的金屬產生渦流，渦流產生的熱量使金屬熔化，該裝置可以在真空中進行，能冶煉出高質量的合金。3.渦流的危害：

老師展示變壓器鐵芯。

變壓器或電機機芯并不是有整塊金屬，而是有彼此絕緣的薄硅鋼片疊合而成。老師提問：這樣的目的是什么？ 學生回答：是為了增大電阻。

總結：目的是為了增大電阻，減小渦流，減少鐵芯內產生的熱量，避免熱量過多損壞用電器。學生活動：使用金屬探測器，探測同學身上的金屬。

學生分析：金屬探測器的工作原理。

四、實驗演示----引出電磁阻尼

我們學習了渦流的熱效應，渦流還有其它效應么？ 讓學生觀察演示儀器。

老師提問：儀器兩側的區別是什么？ 學生回答：一側粘有磁鐵，另一側沒有。老師簡單的介紹儀器。

老師提問：用相同的力度同時撥動兩個鋁罐，哪個鋁罐會先停下來？ 學生猜想：同時停下來，或其中某一個先停下來。

學生觀察現象：緊挨磁鐵的鋁罐很快停下來，沒磁鐵的一側要很長時間才能停下來。老師提問：為什么緊挨磁鐵的鋁罐很快停下來，是這一側摩擦力大么？

將兩個鋁罐撥到無磁鐵的一側，再用相同的力度撥動，學生會看到，兩個鋁罐幾乎同時停下來，說明不是摩擦力的原因。

老師引導學生分析現象： 鋁罐在磁場中運動，鋁罐中產生感應電流，感應電流是鋁罐收到安培力，安培力阻礙鋁罐轉動，是鋁罐快速停下來——引出電磁阻尼。

1、電磁阻尼：導體在磁場中運動時，導體中產生的感應電流使導體受到安培力,而安培力總是阻礙導體的運動的現象。

2、電磁阻尼的應用：磁電式電表中纏繞線圈的鋁框；電磁制動器等。學生活動：分析微安表運輸時用導體將正負接線柱連在一起的作用。不連接時晃動指針使其偏轉，連上線后再次晃動，比較兩種情況的偏轉角度。老師引導學生分析現象：連上線后線圈與導體形成閉合回路，線圈運動切割磁感線，回路中產生感應電流，感應電流使線圈受安培力，安培力阻礙線圈運動。

五、實驗演示——引出電磁驅動

提出問題：轉動木盤，上面的鋁棒會隨之快速轉動，兩個木塊是固定在鋁棒上的，也會隨之快速轉動，鋁罐會出現什么現象？

學生猜想：都會靜止或都會轉動，或一靜一動。

演示實驗，學生觀察現象：有磁鐵的一側，鋁罐隨之轉動，但沒有磁鐵轉動快；無磁鐵一側，鋁罐始終處于靜止狀態。

提出問題：是什么力驅使有磁鐵一側的鋁罐轉動呢？是風么？ 學生回答：不是風力，因為另一側鋁罐始終靜止。

老師引導學生分析現象：磁場相對鋁罐轉動，鋁罐中產生感應電流，感應電流使鋁罐受到安培力，安培力驅使鋁罐轉動起來。

1、電磁驅動：磁場相對于導體轉動，在導體中產生感應電流，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體跟著磁場運動起來，這種作用稱為電磁驅動。

2、電磁驅動的應用：交流感應電動機,車內的速度計等。

六、揭秘跳環魔術

盒內安裝的是變壓器，變壓器通220V，50Hz的交流電，鋁環套在鐵芯上，穿過鋁環的磁場是變化的，鋁環中產生感應電流，感應電流使鋁環受到安培力，安培力促使鋁環向上運動，又安裝了無極變速開關，可以控制電流的大小，從而可以控制鋁環受到的安培力，所以出現了鋁環可以向上、向下運動。

七、課堂練習

1、如圖所示，水平方向的磁場垂直于光滑曲面，閉合小金屬環從高h的曲面上端無初速滑下，又沿曲面的另一側上升，則()A．若是勻強磁場，環在左側上升的高度小于h B．若是勻強磁場，環在左側上升的高度大于h C．若是非勻強磁場，環在左側上升高度等于h D．若是非勻強磁場，環在左側上升的高度小于h

2、如圖所示，A、B為大小、形狀均相同且內壁光滑，但用不同材料制成的圓管，豎直固定在相同高度。兩個相同的磁性小球，同時從A、B管上端的管口無初速釋放，穿過A管比穿過B管的小球先落到地面。下面對于兩管的描述這可能正確的是：（）

A、A管是用塑料制成的，B管是用銅制成的； B、A管是用鋁制成的，B管是用膠木制成的； C、A管是用膠木制成的，B管是用塑料制成的； D、A管是用膠木制成的，B管是用鋁制成的。

3、如圖所示是高頻焊接原理示意圖．線圈中通以高頻變化的電流時，待焊接的金屬工件中就產生感應電流，感應電流通過焊縫產生大量熱量，將金屬融化，把工件焊接在一起，而工件其他部分發熱很少，以下說法正確的是（）A．電流變化的頻率越高，焊縫處的溫度升高的越快 B．電流變化的頻率越低，焊縫處的溫度升高的越快 C．工件上只有焊縫處溫度升的很高是因為焊縫處的電阻小

D．工件上只有焊縫處溫度升的很高是因為焊縫處的電阻大

4、如圖所示，在O點正下方有一個具有理想邊界的磁場，銅環在A點由靜止釋放向右擺至最高點B．不考慮空氣阻力，則下列說法正確的是（）A．A、B兩點在同一水平線 B．A點高于B點 C．A點低于B點 D．銅環將做等幅擺動

5、如圖所示，在光滑水平面上固定一條形磁鐵，有一小球以一定的初速度向磁鐵方向運動，如果發現小球做減速運動，則小球的材料可能是（）A．鐵 B．木

C．銅

D．鋁

八、課堂小結

1、渦流的產生、熱效應的應用及危害。

2、電磁阻尼及其應用

3、電磁驅動及其應用

九、課后作業

1、整理本節課筆記。

2、完成課后3、4、5題。

【教學反思】

1、要重視科學探究、突出實驗：

在本節課中，創設了跳環魔術引課，激發學生探究欲望。同時根據學生已有的知識特點，引入鋁罐實驗分析電磁阻尼和電磁驅動現象，巧妙的把實驗貫穿整個教學過程，激發學生學習積極性。

2、重視新舊知識的聯系，啟發思考

在本節課中，所有的新知識均建設在學生已有的知識基礎上，降低學習的難度。讓學生在輕松愉快的學習氛圍中，對物理事實與物理過程充分地進行分析，綜合比較，判斷推理，完成對知識的自我建構，實現知識的有效積累。

3、要提倡自制教具，配合教學

根據學校條件，教師水平，從教學實際出發，積極主動地自制較具，創造條件，完善了電磁阻尼和電磁驅動的教學體系，讓實現現象更加直觀、明顯。

第五篇：《質點和位移》教學設計

質點和位移 一、三維目標 知識與技能

1.通過大量實例，每一個學生都能體會到抓住主要矛盾分析和解決問題的思想，并能說出質點的概念，會確定怎樣運動的物體可以當作質點來處理.2.通過大量實例和問題，每一個學生都會確定位移并會計算位移.3.通過對位移的學習，明確“像位移一樣的有大小，又有方向的物理量”叫矢量，對矢量的更重要的性質將隨著后面的學習而深入理解.過程與方法

通過老師或學生做演示實驗，學生分組討論，自行解釋現象并從中提煉出知識，形成概念；會計算位移并能體會到位移的矢量性.情感態度與價值觀

小組合作學習能讓每個同學體會到責任和義務以及尊重，學會從別人那里學到長處并體會欣賞別人和幫助別人的樂趣，學會傾聽，為學生逐漸形成嚴謹的科學態度進行點滴積累.二、教學重點 1.理想化的模型——質點.2.位移.三、教學難點 位移和路程的區別.四、教學過程

導入新課

［教師活動］ 1.演示彈簧振子

2.老師從某位置走到另一位置

提示同學們注意觀察并分析彈簧振子及老師的運動性質，怎樣描述和確定研究對象的位置.［學生活動］

同學們討論兩分鐘，找兩個小組的兩三位同學描述研究對象的運動性質并確定出他的位置，讓其他同學補充完整.讓學生的描述在多方努力的情況下盡量嚴謹，會用確定坐標系的方法表示出研究對象的位置.推進新課

［教師活動］在研究老師的運動的時候，通常說的老師的位置在哪，同學們是以老師的哪個部位來衡量的呢？（腳還是頭？）

［學生活動］學生討論得出，以老師的整體或任何一個部分為研究對象都可以，因為老師的各個部分的運動情況完全一樣.對質點概念的形成，提出最初步的印象.［教師活動］

1.接著研究紙飛機的運動.2.觀察陀螺的運動.提示學生分析紙飛機、陀螺的運動情況，會確定它們的位置，討論紙飛機的各個部分運動是否相同.［學生活動］學生討論得出：如果研究紙飛機飛行的路徑很長的時候可以忽略各部分的差異，如果路線較短，則不可忽略各部分的差異；陀螺運動分析.得出一般平動或可以忽略自轉影響的情況下，物體可以看成質點.一、質點：物理學中把用來代替物體的有質量的點叫做質點.把物體看作質點的條件:

物體之間的距離比物體大得多時

如研究地球繞太陽公轉時，由于地球和太陽之間的距離比地球直徑大得多,因自轉引起地球各部分運動的差異對我們研究的問題不起主要作用,因而可以忽略地球的大小和形狀，把它當作質點.然而研究地球上晝夜交替時要考慮地球自轉,不能把地球看成質點，所以所謂的“大小”是相對要研究對象之間的距離而言的.物體的運動為平動時

此時物體各部分的運動情況都相同，它的任何一點的運動都可以代表整個物體的運動.［教師活動］ 1.任意拋出乒乓球.2.再拋紙飛機.3.以學生自己從起床開始一天的運動為例表示物體的位置.方法引導

提示：已經可以確定出研究對象的位置，怎樣表示出來呢？是用路徑好還是用直線好？最好把方向、遠近都表示出來.［學生活動］

學生討論，得出比較全面的概念，老師明確：位移、矢量.二、位移：在物理學中采用位移來描述運動物體空間位置的變化.位移通常用符號s來表示.注意:先得出位移的概念，然后再給它加個“矢量”帽子，明確矢量和標量的區別和聯系.教師精講

關于位移要弄清以下幾點：“位置”在幾何圖上對應的是點，位移就是針對始末這兩個位置而言的，它與路徑無關.位移具有大小和方向，是矢量.直線長度表示物體位置變化的大小,直線的方向表示位移的方向.路程:物體（質點）運動過程中所通過的實際軌跡的長度叫路程.很明顯:路程是標量，只有大小沒有方向.路程是沿質點運動軌跡計算的實際長度，與路徑有關.由此可見位移與路程是兩個完全不同的物理量.教師精講

［位移和路程的關系］（1）位移和路程的區別

位移是矢量,有大小和方向;路程是標量,總是正值.（2）位移和路程的聯系

一般情況下，路程大于位移的大小，只有做直線直進運動,物體的位移的大小才等于路程.位移是一個很重要的概念，有了位移就可以確定運動物體的位置，今后要講的速度、加速度、功等都是建立在位移的基礎上的.路程是建立在路徑的基礎上的.路徑就是物體運動的軌跡，我們通常將物體運動分類就是以運動軌跡為依據的.矢量和標量

標量是指只有大小，沒有方向的物理量.如：質量、時間以及我們學過的功等.與它相對應的是矢量，矢量是指既有大小又有方向的物理量，如力、位移、速度、沖量、動量等等.［例題剖析1］下列說法正確的是（）A.凡是輕小的物體都可看作質點

B.物體的運動規律是確定的，與參考系的選取無關 C.物體的位置確定，則位置坐標是確定的 D.如果物體的形狀和大小在所研究的問題中屬于無關或次要因素，就可以把物體看作質點 教師精講

物體能否看成質點是由問題的性質決定的，與物體的大小無關，A不正確.物體的運動規律是相對參考系而言的，同一個物體的運動，如果選擇不同的參考系，描述的運動規律是不同的，B不正確.只有先確定坐標原點，才能確定某點的位置坐標，C不正確.由以上分析得D正確.答案：D ［例題剖析2］下列情況的物體，哪些情況可將物體當作質點來處理（）A.放在地面上的木箱，在上面的箱角處用水平推力推它，木箱可繞下面的箱角轉動 B.放在地面上的木箱，在木箱高的中點處用水平推力推它,木箱在地面上滑動 C.做花樣滑冰的運動員 D.研究鐘表的時針轉動的情況 教師精講

如果物體的大小、形狀在所研究的問題中屬于次要因素，可忽略不計，該物體就可看作質點.A項中箱子的轉動，B項中花樣滑冰運動員，有著不可忽略的旋轉等動作，身體各部分運動情況完全不同，所以不能看作質點.同理，鐘表的時針轉動也不能當作質點.B項中箱子平動，可視作質點，故B項正確.點評：質點作為學生在高中接觸到的第一個物理模型，讓學生仔細體會，只要把握問題的實質，一般不會很難.課堂小結

一、質點：物理學中把用來代替物體的有質量的點叫做質點.二、位移：在物理學中采用位移來描述運動物體空間位置的變化.位移通常用符號s來表示.三、位移和路程的關系（1）位移和路程的區別

位移是矢量,有大小和方向;路程是標量,總是正值.（2）位移和路程的聯系

一般情況下，路程大于位移的大小，只有做直線直進運動物體的位移的大小才等于路程..板書設計

一、質點：物理學中把用來代替物體的有質量的點叫做質點.二、位移：在物理學中采用位移來描述運動物體空間位置的變化.位移通常用符號s來表示.三、位移和路程的關系（1）位移和路程的區別

位移是矢量,有大小和方向;路程是標量,總是正值.（2）位移和路程的聯系