更改版电涡流位移传感器设计总结报告

第一篇：更改版电涡流位移传感器设计总结报告

传感器与检测技术课程设计

院 系： 专 业： 成 员： 指导老师：--电涡流位移传感器

计 划 报 告

XXX

XXXX年XX月XX日

传感器课程设计

目录

一、概述 …………………………………………………………2

二、总体设计方案…………………………………………………2

三、电涡流传感器的基本原理……………………………………3 3.1 电涡流传感器工作原理………………………………………3 3.2 电涡流传感器等效电路分析…………………………………3 3.3 电涡流传感器测量电路原理…………………………………4

四、电涡流传感器探头参数设计…………………………………6

五、电涡流传感器新型测量电路的设计…………………………7 5.1 电路实现方案…………………………………………………7 5.2 振荡电路的选择………………………………………………7 5.3 滤波电路的选择………………………………………………8 5.4 增益调节电路的选择…………………………………………9 5.5 移相电路的选择………………………………………………9 5.6 电压-电流转换电路的选择…………………………………11

六、误差分析………………………………………………………12 6.1 非线性补偿 …………………………………………………12 6.2 动态特性……………………………………………………13 6.3 温度补偿……………………………………………………13

七、设计总结.…………………………………………………………13

传感器课程设计

感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。

电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：

三、电涡流传感器等效电路分析

为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2-3所示的等效电路。

图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：

经求解方程组，可得I1和I2表达式：

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由此可得传感器线圈的等效阻抗为:

从而得到探头线圈等效电阻和电感。

通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。

因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系：

其中，x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。

所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量ΔL或ΔZ等来测量x ,ρ,μ,f的变化的电路。

四、电涡流传感器测量电路原理

电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为调频式和调幅式电路。

5ra)h)dx · dy 此电流在轴线任意点P 处所产生的磁感应强度为：

整个载流扁平线圈通以电流I 后，在轴线上任意P 点处产生的磁感应强度为：

式中，x1 就是扁平线圈端面到被测体的距离，可用x表示，所以线圈轴线上某点P 产生的磁感应强度可改写为：

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5.3 滤波电路的选择

通过上节的COMS晶体振荡器，产生出了稳定的方波。方波图形和其分解表达式如图4-6所示。从表达式中可以看出，方波是正弦波的合成波形，其振幅是基波的奇次倍频率波形振幅的合成。若从中抽出高次谐波，即可得到所需正弦波。

由于本次设计需要滤掉方波中高于1M的信号，因此可以选用低通滤波器将方波变成正弦波。滤波电路有多种形式，大致分为有源滤波和无源滤波，二者最大的差别在于滤波电路中是否使用了有源元器件——运算放大器。对于截止频率为MHz数量级的滤波电路，则有源滤波器对运算放大器等的高频特性要求非常严格。因此在本电路中，将采用结构相对简单的无源滤波电路。

在滤波器的近代设计方法中有各种方式，如巴特沃思型、切比雪夫型、贝塞型、高斯型等。本文选用通带内响应最为平坦的巴特沃思型低通滤波器，它对构成滤波器的元件Q值要求较低，因而易于制作和达到设计性能。为了同时满足电路滤波的精确性和结构简单，本次设计预选用巴特沃思型3阶低通滤波器，其基本结构和对数幅频特性如图4-7所示:

5.4 增益调节电路的选择

经过滤波电路后输出的正弦波信号，由于信号幅值的衰减，很难直接满足设计时的要求。因此在电路中，为了便于调节,使输出电压值能满足需要，有必要在滤波电路之后加上一个增益调节环节。常用的增益调节电路，有同相比例放大器和反向比例放大器。具体的电路结构分别如图4-8中（a）、（b）所示：

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上图中两电路的基本特性参数比较如表4-1所示：

从上表中可以看出，两电路都能灵活调节输出电压幅值的大小。但同时考虑到各模块电路之间需要加隔离电路，而同相比例放大的输入电阻趋于无穷大，更适合于做隔离电路。因此兼顾调节幅值和隔离电路的两个功能，本次设计选用同相比例放大电路来做增益调节环节。

5.5 移相电路的选择

本次设计中，要得到两个幅值相等的正交信号，必须采用移相电路。将上节滤波后所得到的交流信号经过90度移相后即可得到两个正交的信号。

本次设计采用如图4-10所示的有源移相电路。

上图中的电路是通过将单节RC移相电路接入到反向放大器的非反向输入端子来实现的。该电路可在保持输入输出电压幅值不变的情况下，进行90度移相，这就有效地解决了采用RC级联所带来的麻烦。根据理想放大器的条件，可得如下方程组：

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从上述方程组可解得该电路输入——输出关系：，令，则上式可写为：

从上式中所列出的该电路传递函数表达式，可得到该电路的幅频特性：

当取R1=R2，即k=1时，上式的值为1，即表明图4-10中的电路输入输出的电压幅值保持不变，且与输入信号频率无关。因此该电路可以实现幅值不变的电路移相。同时，令θ1为上式分子中复数的相角，θ2为分母复数的相角，θ为该电路输入输出移相角度。根据上式可得出表达式：

再由上述方程组经过反三角函数变换可得：

上式即为该电路的相频特性。从该式得到的结果可以看出，该电路电压信号

0

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满足设计需要。

六、误差分析

6.1 非线性补偿

由于振荡回路的检波输出与测量位移之间为非线性关系, 为了提高涡流传感器的使用范围和精度,必须对电涡流传感器进行非线性补偿。补偿方法有串联式补偿和并联式补偿,本文采用串联式补偿。

式中: x 为测量位移。补偿模块的表达式为

传感器的最终输出与测量位移之间为线性比例关系

式中:k 为比例常数,则要求补偿模块的函数关系为

因为实现串联式非线性补偿的函数为传感器非线性关系的反函数,所以对电涡流传感器进行标定,建立测量位移与检波输出之间的函数,并进行多项式拟合,建立多项式的反函数。

6.2 动态特性

电涡流传感器的动态特性主要由振荡回路和检波回路的频率特性决定, 整个传感器的传递函数表示为：

式中: L1为线圈的电感;R1为线圈的串联电阻;RC2 为检波电路的时间常数。为了在提高系统的动态特性的同时不降低振荡回路的品质因数,在传感器的输出信号流中串联超前校正环节以改善传感器的动态特性。超前校正的传递函数为：

6.3 温度补偿

传统的检波方式采用二极管、电容、电阻实现。由于二极管的导通特性受温度影响比较明显,所以传统的二极管检波输出存在随温度变化而发生漂移的现象。感应线圈本身存在电阻随温度变化而变化的问题,会使传感器输出信号产生较大的误差。

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第二篇：电涡流传感器工作原理

电涡流传感器工作原理

一块金属放置在一个扁平线圈附近，相互并不接触，当线圈中通过以高频正弦交变电流时，线圈周围的空间就产生交变磁场，此交变磁场在邻近的金属导体中产生电涡流：而此电涡流也产生交变磁场阻碍外磁场的变化，由于磁场的反作用，使线圈中电流和相位都发生变化，也引起线圈中的等效在阻抗发生变化，线圈的电感量也发生变化，因此可用线圈阻抗的变化来反映金属导体的电涡流效应，

第三篇：传感器总结报告

传感器总结报告

机械0806 0401080623 摘要:传感器是被测量进入测量系统的第一个环节——把被测量转换成容易检测、传输和处理的电信号。其性能直接影响整个测试装置和测试结果的准确性、可靠性。其地位在电子技术和测试技术中举足轻重。

关键词:传感器、特性、应用

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 传感器种类繁多、形式多样：有的是很小的敏感元件，例如应变片、霍尔元件等；有的是一个复杂的系统，如智能型传感器。传感器分类依据不同，分得的结果也各种各样。此报告主要按物理现象分类方式分别介绍常用的结构型传感器、物性型传感器的工作原理、性能特点、转换电路和应用。

结构型传感器

结构型传感器是依靠其结构参数的变化实现信号转换。常见的结构型传感器有：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器。

一、电阻式传感器

电阻式传感器是一种把被测量的变化转换成电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式传感器两类。

1、变阻器式传感器

▲变阻器式传感器也称为电位器式传感器，是三端电阻器件，基本敏感量是位移。作用于动触头的位移被转换成电阻的变化。转换原理：

R=ρ

lA

式中ρ为电阻率，l为电阻丝长度，A为电阻丝截面积。当电阻丝的材料和直径一定时电阻R和电阻丝长度成线性关系，即R=Kl。这样可以通过电阻的变化推倒出相应的长度变化，进而可知被测量的变化。

▲常用的变阻器式传感器可以测量直线位移、角位移和一些非线性量。其优点是结构简单、使用方便、测量范围大。

变阻器式传感器有两种形式：（1）电阻丝式变阻器

其电阻值是不连续的，一般分辨率不小于20毫米。另外，由于磨损、尘埃等原因将使接触电阻发生不规则变化，产生噪声。动态特性较差，只能测量变化较慢的信号。

（2）导电橡胶变阻器

其优点是阻值连续、精度可达0.1%、动态特性较好，允许测量信号变化较快的信号、结构紧凑、可靠性好、寿命长。

▲应用：适用于自动化设备中的位置、位移的检测。如下图是一个电阻式位移传感器：

2、电阻应变式传感器（半导体应变片见物性型传感器）

▲金属电阻应变片的工作原理

其工作原理基于金属的电阻—应变效应：金属丝的电阻值随着它所受的机械变形而发生相应的变化。

dRR(12E)

式中：μ为电阻丝材料的泊桑比：λ为压阻系数，与材料有关；E为电阻丝材料的弹性模量；ε为应变。

金属电阻材料的λE很小，因此λEε项的变化所引起的电阻变化可以忽略因此可以简化为

dRR(12)

上式说明电阻的相对变化与应变成正比，比例系数（灵敏度）：

S=1+2μ=常数

用于制作应变片的材料的灵敏度K0在1.7到3.6之间。金属应变片的灵敏度S≈K0。

▲电阻应变片的应用和特点

电阻应变片应用范围广泛，分为直接应用和传感器应用。直接应用是将应变片直接粘于被测量件上，可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度等参数，测量范围从10-3到108，精度达到0.05%，且具有相当高的稳定性。

弹性元件是应变式传感器的感受元件，根据测力的大小、性质及传感器准确度等不同要求，弹性元件采用不同的结构形式：柱式弹性元件结构紧凑、简单、承载能力大，主要用于中等载荷的拉压力测量中；环式弹性元件稳定性好、固有频率高，主要用于中小载荷的测力中，可测几十到几百的拉压力；梁式弹性元件结构简单、易于加工、贴片方便、灵敏度较高，主要用于小载荷、高准确度的拉压传感器中，测量范围从0.01到几千牛顿；轮辐式传感器元件外形低矮，可承受大载荷，固有频率很高，常用于重型载荷的电子称中，其灵敏度不高，但抗偏心载荷和抗侧向载荷能力强。

二、电容式传感器

电容式传感器是将被测量物理量转换为电容量变化的装置，其实质是具有可变参数的电容器。

▲电容式传感器原理

甴物理定律可知，当忽略边缘效应时，平行极板组成的电容器的电容量为：

C0A

式中：δ为极板间距离；A为极板介质面积；ε为极板间介质的相对介电常数；ε0为真空中介电常数。上式表明当被测量使ε、A或δ发生变化时，都能引起电容C的变化。

根据可变参数不同，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型。

1、极距变化型电容传感器

▲极距变化型电容式传感器原理

使两极板相互覆盖面积与极间介质不变（常为空气），则电容量C与极距δ成非线性关系。其灵敏度为

SdCd0A2

▲极距变化型电容式传感器特点与应用

其优点是灵敏度高、动态响应快、可进行非接触测量；缺点是输出非线性、电缆电容影响较大、处理电路比较复杂。可以测量位移、压力等物理量。

2、面积变化型和介质变化型电容传感器

面积变化型电容传感器原理是其极距和极间介质固定不变，改变极板相互覆盖的介电面积以改变电容量。可测量角位移、线位移等物理量。其优点是输入输出成线性关系；缺点是灵敏度低。

介质变化型电容传感器原理是使其他量不变，只改变两极板间介质，从而改变电容量。这种传感器可以测量介质的液位或某些材料的厚度、湿度、温度等。

三、电感式传感器

电感式传感器以电磁感应为基础，把被测量转换为电感量变化。常分为可变电磁阻式、电涡流式和差动变压式等类型。

1、可变磁阻式电感传感器 ▲原理：

LW0A022 式中：μ0为空气磁导率；A0为空气隙导磁截面积；δ为空气隙长度；W为线圈匝数；L为自感。此式表明，自感L与气隙长度成反比；与气隙导磁截面积A0成正比 ●变间隙式：

可知：L 与δ成反比，当A0不变的情况下，变化δ，L与δ呈非线性关系。

① L = f(δ)不是线性关系。② 当δ= 0 时，L →∞

③ 如果考虑到磁导体的磁阻，则；当δ= 0 时，L ≠＞∞。

④ 由于传感器结构上总漏磁现象产生，故始终都会有L0 的输出。

⑤ 传感器灵敏度此时为SW0A0222

为避免非线性误差，要求工作间隙△ δ/ δ0≤0.1 ▲特性: 该种传感器只适应与一般约为0.001～1mm 位移量的测量.●变气隙面积A型自感式传感器

LW0A022

S与L成线性关系，两端弯曲部分是磁漏造成的。▲特性：

这种传感器，线性较好，测量范围较宽。甚至可作为非接触传感。●螺旋管式自感式传感器

该传感器是一种可变磁阻式自感式传感器。结构： 螺旋线圈、铁芯、骨架 ▲工作原理

首先它是一种开磁路的，其工作原理是基于线圈磁通泄漏路径中的磁阻变化。这种传感器的电感量与铁芯的位移成一定的关系，但灵敏度较低，对微小位移的测量利用价值不大。

▲特性：

结构简单、易制作、灵敏度低，但可在测量电路方面加以解决。

2、涡流式电感传感器

▲其工作原理是基于金属导体在交流磁场中的涡流效应。其应用是改变参数中某一因素，达到一定的变换目的。例如，当δ改变时，可用于测量位移、振动；当ρ或μ值改变时，可作为材质鉴别和探伤等。▲特性与应用

涡流传感器结构简单、使用方便和不受油污等介质影响。可用于回转轴的振动测量及其误差运动的测试、转速测量、金属材料的厚度测量、零件计数和探伤等。

▲转换电路有分压式调幅和调频电路。下图为分压式调幅电路原理：

3、差动变压器式电感传感器 ▲原理

它是利用电磁感应中的互感现象来进行信号转换。实际应用的传感器多为螺管形差动变压器，其结构和工作原理如下图：

当初级线圈W加上交流电压时，次级感应电动势e1、e2的大小与铁芯位置有关。当铁芯在中间位置时e1=e2，铁芯向上移动，e1>e2;向下移动,则e1

差动变压器式电感传感器稳定性好、使用方便、线性范围大，有的可达300㎜、小位移测量精度高；缺点是侧量个频率受机械部分固有频率的限制。该种传感器可适用于力、压力、流体参数等测量。

▲转换电路：

上图所示电路中相敏检波器可根据输出的调幅波相位变化判别位移的方向和大小。可调电阻R与差动直流放大器的作用是消除传感器零点残余电压并放大信号。振荡器提供初级线圈交流电源和相敏检波电路的控制电压。

四、磁电式传感器

▲原理

一个匝数为W的线圈，当穿过当穿过该线圈的磁通Φ发生变化时线圈内的感应电动势为：

eWddt

感应电动势e与其匝数和磁通变化率有关，改变上述因素之一将使线圈感应电动势改变。磁电式传感器可分为动圈式和磁阻式。

1、动圈式传感器

上图a为线速度型磁电式传感器。线圈在磁场中作直线运动所产生的感应电动势：eWBlsin。对于一个特定的传感器来说，W、B和l均为定值，所以感应电动势e与速度v成正比。

上图b为角速度型传感器工作原理图。线圈在磁场中转动时产生的感应电动势为：e=BWAω。在Ｂ、W、A为常数时，感应电动势的大小与角速度成正比。

2、磁阻式传感器

工作原理是传感器固定不动，被测体的运动使磁路磁阻改变，从而在线圈中产生感应电动势。其特点是输出阻抗不高，负载效应对其输出的影响可以忽略，且性能稳定、工作可靠、使用方便。可以测量旋转体频数、转速和振动等。

物性型传感器

物性型传感器不改变其结构参数的变化而是靠其敏感元件物理性能的变化实现信号转换。

一、半导体应变片

▲原理

对于半导体材料而言，电阻率变化所引起的电阻变化远远大于因几何尺寸变化引起的电阻变化。因此：

dRRE

半导体应变片的灵敏度S≈λE。该值一般比金属应变片的灵敏度大50—70倍

▲特性与应用

半导体应变片的优点：灵敏度高、机械滞后和横向效应小、测量范围大、频响范围宽；缺点：温度稳定性差、灵敏度分散性较大以及较大应变作用下，非线性误差大等。

二、压电式传感器

▲原理

压电式传感器的工作原理是基于压电材料的压电效应。她是以压电晶片作为传感元件将力转换为电荷量的传感器。其可以看作是一个以压电材料为介质的平行板电容器，其电容量可按下式计算：

C0A

施加于晶片的外力不变时，且积聚在极板上的电荷若无泄露，那么在外力继续作用时，电荷量保持不变，而在离终止时，电荷随之消失。

实践证明：压电晶片上所受的作用力与由此产生的电荷量成正比，即：q=dF,式中d为压电常数。

静态测量时，必须采取措施，使电荷漏失减小到足够的程度；动态测量时，由于电荷可以不断补充，对此要求不高。

▲特性与应用

它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。

三、光电式传感器

光电传感器是将光能转换为电能的一种器件，它的物理基础是光电效应。光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。业生产和现实生活中光电传感器的应用非常广泛。

照相机自动测光 工业测光

四、霍尔传感器

霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

▲原理 如下图所示，将霍尔元件至于磁感应强度为B的磁场中，a、b两端通以电流i，在c、d两端将产生霍尔电势VH=KHiBsinα,式中KH为霍尔系数，α为电流与磁场方向夹角。

▲特性与应用

霍尔元件可以检测电流、磁场以及它们的成绩，因此广泛的应用于压力、振动等参数的测量。其有精度高、线性度好、动态性能好、工作频带宽、测量范围广、可靠性高、抗外磁场干扰能力强等优点。多应用于测力、压力、应变、机械振动等。

总结：传感器种类繁多，这里并没有一一列举，仅列举了生产生活中常见常用的几种。许多传感器的应用范围又很宽，本次总结所列举的应用仅供参考，具体应用应根据传感器静态、动态特性以及抗干扰能力、滞后等特性，还要考虑使用的技术领域、环境、精度等要求选用何种类型。总之，此份报告尚有许多不足之处，还请老师谅解。

通过本次总结，再一次比较全面的的了解、认识了不同类型传感器的原理、特性、应用和转换电路，从中受益匪浅，相信一定会对我们今后的学习生活带来很大帮助。最后，衷心感谢尤丽华、周德辉老师对我们的悉心指导！

第四篇：涡流 教学设计

《涡流 电磁阻尼和电磁驱动》教学设计

【教学目标】

1、知识目标

（1）、知道涡流是怎么产生的；（2）、了解涡流现象的利用和危害；

（3）、通过对涡流的实例分析，了解涡流现象的生产和生活中的应用；（4）、了解电磁阻尼和电磁驱动，能分析实例。

2、过程与方法

（1）、用实验的方法引入新课，激发学生的求知欲；（2）、用旧知识分析新问题，分析请涡流产生的原因；

（3）、利用理论联系实际的方法，加深理解涡流、电磁阻尼和电磁驱动。

3、情感态度价值观

（1）、通过演示实验和对实验的分析，培养学生的观察和推理能力；（2）、通过实践活动培养学生的团队精神，体验物理世界的神奇；

（3）、从观察现象分析原因并加以运用，让学生体验成功的喜悦，树立学好物理的信心。

【教学重点】

知道涡流产生原理及其应用。

【教学难点】

分析电磁阻尼和电磁驱动现象。

【教学用具】

自制跳环实验教具（可拆卸变压器、铝环、无极调速器、木箱）、电磁炉、玻璃碗、铁腕、蜡烛、食用油、泡沫板、二极管、自制电磁阻尼、驱动演示仪。

【教学过程】

一、创设情景——引入新课

教师演示实验：利用自制的跳环魔术演示涡流的机械效应。提出问题：铝环为什么会受控制？激发学生的好奇心。让学生带着问题来学习今天的内容。

二、实验演示——引出涡流

老师提问：家里平时怎么用电磁炉做饭呢？ 学生回答：把锅放在电磁炉上通电就可以了。老师提问：做完饭后电磁炉的面板烫吗？能用手摸吗？ 学生回答：面板很烫，不能用手摸。

演示实验：将泡沫板粘在纸板上，泡沫板的四角再粘四小块泡沫板，放在电磁炉上。先将玻璃碗放在纸板上，侧面抹上食用油，底部撒上事先削好的蜡烛片，接通电源看是否会有现象发生，观察后无现象。再将铁碗放在电磁炉上，同样侧面抹上食用油底部撒上蜡烛片，接通电源。学生很快会观察到铁碗中冒出白烟，倾斜铁碗，可以看到蜡烛融化，铁碗很烫。

三、理论分析——探究涡流现象的存在 老师提问：实验中泡沫板与面板接触了吗？ 学生回答：没有。

老师拿起泡沫板让学生观察，可以看到泡沫板完好无损。

让学生上来摸一下面板，（学生不敢摸，用手指挨一下迅速离开，发现不烫后，将手放心的放在面板上，一脸不相信。）老师提问：面板烫吗？ 学生回答：不烫。

其他同学不相信，再让一个同学上来体验。

老师提问：铁碗温度升高了，内能增加了，是热传递吗？ 由于面板是凉的，泡沫板是完好的。学生回答：不是热传递。老师提问：焦耳定律的内容。

学生回答：焦耳定律的内容是：电流通过导体产生的热量跟电流的平方成正比跟导体的电阻及通电时间成正比。

引导学生大胆的猜想：铁碗的内能增加，是因为铁碗中有电流。演示实验，验证猜想

将连有灯泡的线圈放在面板的上方，让学生观察现象。实验现象：灯泡发光了。（学生感到很神奇）

揭秘电磁炉，电磁炉通的是220V，50Hz的交流电，线圈内通有变化的电流，变化的电流周围有变化的磁场，根据麦克斯韦的电磁波理论可知，变化的磁场会在其周围空间激发感生电场，铁碗是闭合导体，铁碗中的自由电荷在感生电场的作用下定向移动形成电流，铁碗中产生的感应电流我们把它叫涡流。

1、定义：在变化的磁场中任何导体都会产生像水中漩涡一样的感应电流，我们把它叫涡电流，简称涡流。

总结实验----分析涡流热效应。

分析上面实验可知：涡流和其他电流一样要产生热量，涡流也有热效应。

2、涡流热效应的应用：真空冶炼炉、高频焊接机、电磁炉等。

分析真空冶炼炉原理：线圈中通反复变化的电流，炉内的金属产生涡流，涡流产生的热量使金属熔化，该装置可以在真空中进行，能冶炼出高质量的合金。3.涡流的危害：

老师展示变压器铁芯。

变压器或电机机芯并不是有整块金属，而是有彼此绝缘的薄硅钢片叠合而成。老师提问：这样的目的是什么？ 学生回答：是为了增大电阻。

总结：目的是为了增大电阻，减小涡流，减少铁芯内产生的热量，避免热量过多损坏用电器。学生活动：使用金属探测器，探测同学身上的金属。

学生分析：金属探测器的工作原理。

四、实验演示----引出电磁阻尼

我们学习了涡流的热效应，涡流还有其它效应么？ 让学生观察演示仪器。

老师提问：仪器两侧的区别是什么？ 学生回答：一侧粘有磁铁，另一侧没有。老师简单的介绍仪器。

老师提问：用相同的力度同时拨动两个铝罐，哪个铝罐会先停下来？ 学生猜想：同时停下来，或其中某一个先停下来。

学生观察现象：紧挨磁铁的铝罐很快停下来，没磁铁的一侧要很长时间才能停下来。老师提问：为什么紧挨磁铁的铝罐很快停下来，是这一侧摩擦力大么？

将两个铝罐拨到无磁铁的一侧，再用相同的力度拨动，学生会看到，两个铝罐几乎同时停下来，说明不是摩擦力的原因。

老师引导学生分析现象： 铝罐在磁场中运动，铝罐中产生感应电流，感应电流是铝罐收到安培力，安培力阻碍铝罐转动，是铝罐快速停下来——引出电磁阻尼。

1、电磁阻尼：导体在磁场中运动时，导体中产生的感应电流使导体受到安培力,而安培力总是阻碍导体的运动的现象。

2、电磁阻尼的应用：磁电式电表中缠绕线圈的铝框；电磁制动器等。学生活动：分析微安表运输时用导体将正负接线柱连在一起的作用。不连接时晃动指针使其偏转，连上线后再次晃动，比较两种情况的偏转角度。老师引导学生分析现象：连上线后线圈与导体形成闭合回路，线圈运动切割磁感线，回路中产生感应电流，感应电流使线圈受安培力，安培力阻碍线圈运动。

五、实验演示——引出电磁驱动

提出问题：转动木盘，上面的铝棒会随之快速转动，两个木块是固定在铝棒上的，也会随之快速转动，铝罐会出现什么现象？

学生猜想：都会静止或都会转动，或一静一动。

演示实验，学生观察现象：有磁铁的一侧，铝罐随之转动，但没有磁铁转动快；无磁铁一侧，铝罐始终处于静止状态。

提出问题：是什么力驱使有磁铁一侧的铝罐转动呢？是风么？ 学生回答：不是风力，因为另一侧铝罐始终静止。

老师引导学生分析现象：磁场相对铝罐转动，铝罐中产生感应电流，感应电流使铝罐受到安培力，安培力驱使铝罐转动起来。

1、电磁驱动：磁场相对于导体转动，在导体中产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体跟着磁场运动起来，这种作用称为电磁驱动。

2、电磁驱动的应用：交流感应电动机,车内的速度计等。

六、揭秘跳环魔术

盒内安装的是变压器，变压器通220V，50Hz的交流电，铝环套在铁芯上，穿过铝环的磁场是变化的，铝环中产生感应电流，感应电流使铝环受到安培力，安培力促使铝环向上运动，又安装了无极变速开关，可以控制电流的大小，从而可以控制铝环受到的安培力，所以出现了铝环可以向上、向下运动。

七、课堂练习

1、如图所示，水平方向的磁场垂直于光滑曲面，闭合小金属环从高h的曲面上端无初速滑下，又沿曲面的另一侧上升，则()A．若是匀强磁场，环在左侧上升的高度小于h B．若是匀强磁场，环在左侧上升的高度大于h C．若是非匀强磁场，环在左侧上升高度等于h D．若是非匀强磁场，环在左侧上升的高度小于h

2、如图所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑，但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度。两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速释放，穿过A管比穿过B管的小球先落到地面。下面对于两管的描述这可能正确的是：（）

A、A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的； B、A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的； C、A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的； D、A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的。

3、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

4、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

5、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

八、课堂小结

1、涡流的产生、热效应的应用及危害。

2、电磁阻尼及其应用

3、电磁驱动及其应用

九、课后作业

1、整理本节课笔记。

2、完成课后3、4、5题。

【教学反思】

1、要重视科学探究、突出实验：

在本节课中，创设了跳环魔术引课，激发学生探究欲望。同时根据学生已有的知识特点，引入铝罐实验分析电磁阻尼和电磁驱动现象，巧妙的把实验贯穿整个教学过程，激发学生学习积极性。

2、重视新旧知识的联系，启发思考

在本节课中，所有的新知识均建设在学生已有的知识基础上，降低学习的难度。让学生在轻松愉快的学习氛围中，对物理事实与物理过程充分地进行分析，综合比较，判断推理，完成对知识的自我建构，实现知识的有效积累。

3、要提倡自制教具，配合教学

根据学校条件，教师水平，从教学实际出发，积极主动地自制较具，创造条件，完善了电磁阻尼和电磁驱动的教学体系，让实现现象更加直观、明显。

第五篇：《质点和位移》教学设计

质点和位移 一、三维目标 知识与技能

1.通过大量实例，每一个学生都能体会到抓住主要矛盾分析和解决问题的思想，并能说出质点的概念，会确定怎样运动的物体可以当作质点来处理.2.通过大量实例和问题，每一个学生都会确定位移并会计算位移.3.通过对位移的学习，明确“像位移一样的有大小，又有方向的物理量”叫矢量，对矢量的更重要的性质将随着后面的学习而深入理解.过程与方法

通过老师或学生做演示实验，学生分组讨论，自行解释现象并从中提炼出知识，形成概念；会计算位移并能体会到位移的矢量性.情感态度与价值观

小组合作学习能让每个同学体会到责任和义务以及尊重，学会从别人那里学到长处并体会欣赏别人和帮助别人的乐趣，学会倾听，为学生逐渐形成严谨的科学态度进行点滴积累.二、教学重点 1.理想化的模型——质点.2.位移.三、教学难点 位移和路程的区别.四、教学过程

导入新课

［教师活动］ 1.演示弹簧振子

2.老师从某位置走到另一位置

提示同学们注意观察并分析弹簧振子及老师的运动性质，怎样描述和确定研究对象的位置.［学生活动］

同学们讨论两分钟，找两个小组的两三位同学描述研究对象的运动性质并确定出他的位置，让其他同学补充完整.让学生的描述在多方努力的情况下尽量严谨，会用确定坐标系的方法表示出研究对象的位置.推进新课

［教师活动］在研究老师的运动的时候，通常说的老师的位置在哪，同学们是以老师的哪个部位来衡量的呢？（脚还是头？）

［学生活动］学生讨论得出，以老师的整体或任何一个部分为研究对象都可以，因为老师的各个部分的运动情况完全一样.对质点概念的形成，提出最初步的印象.［教师活动］

1.接着研究纸飞机的运动.2.观察陀螺的运动.提示学生分析纸飞机、陀螺的运动情况，会确定它们的位置，讨论纸飞机的各个部分运动是否相同.［学生活动］学生讨论得出：如果研究纸飞机飞行的路径很长的时候可以忽略各部分的差异，如果路线较短，则不可忽略各部分的差异；陀螺运动分析.得出一般平动或可以忽略自转影响的情况下，物体可以看成质点.一、质点：物理学中把用来代替物体的有质量的点叫做质点.把物体看作质点的条件:

物体之间的距离比物体大得多时

如研究地球绕太阳公转时，由于地球和太阳之间的距离比地球直径大得多,因自转引起地球各部分运动的差异对我们研究的问题不起主要作用,因而可以忽略地球的大小和形状，把它当作质点.然而研究地球上昼夜交替时要考虑地球自转,不能把地球看成质点，所以所谓的“大小”是相对要研究对象之间的距离而言的.物体的运动为平动时

此时物体各部分的运动情况都相同，它的任何一点的运动都可以代表整个物体的运动.［教师活动］ 1.任意抛出乒乓球.2.再抛纸飞机.3.以学生自己从起床开始一天的运动为例表示物体的位置.方法引导

提示：已经可以确定出研究对象的位置，怎样表示出来呢？是用路径好还是用直线好？最好把方向、远近都表示出来.［学生活动］

学生讨论，得出比较全面的概念，老师明确：位移、矢量.二、位移：在物理学中采用位移来描述运动物体空间位置的变化.位移通常用符号s来表示.注意:先得出位移的概念，然后再给它加个“矢量”帽子，明确矢量和标量的区别和联系.教师精讲

关于位移要弄清以下几点：“位置”在几何图上对应的是点，位移就是针对始末这两个位置而言的，它与路径无关.位移具有大小和方向，是矢量.直线长度表示物体位置变化的大小,直线的方向表示位移的方向.路程:物体（质点）运动过程中所通过的实际轨迹的长度叫路程.很明显:路程是标量，只有大小没有方向.路程是沿质点运动轨迹计算的实际长度，与路径有关.由此可见位移与路程是两个完全不同的物理量.教师精讲

［位移和路程的关系］（1）位移和路程的区别

位移是矢量,有大小和方向;路程是标量,总是正值.（2）位移和路程的联系

一般情况下，路程大于位移的大小，只有做直线直进运动,物体的位移的大小才等于路程.位移是一个很重要的概念，有了位移就可以确定运动物体的位置，今后要讲的速度、加速度、功等都是建立在位移的基础上的.路程是建立在路径的基础上的.路径就是物体运动的轨迹，我们通常将物体运动分类就是以运动轨迹为依据的.矢量和标量

标量是指只有大小，没有方向的物理量.如：质量、时间以及我们学过的功等.与它相对应的是矢量，矢量是指既有大小又有方向的物理量，如力、位移、速度、冲量、动量等等.［例题剖析1］下列说法正确的是（）A.凡是轻小的物体都可看作质点

B.物体的运动规律是确定的，与参考系的选取无关 C.物体的位置确定，则位置坐标是确定的 D.如果物体的形状和大小在所研究的问题中属于无关或次要因素，就可以把物体看作质点 教师精讲

物体能否看成质点是由问题的性质决定的，与物体的大小无关，A不正确.物体的运动规律是相对参考系而言的，同一个物体的运动，如果选择不同的参考系，描述的运动规律是不同的，B不正确.只有先确定坐标原点，才能确定某点的位置坐标，C不正确.由以上分析得D正确.答案：D ［例题剖析2］下列情况的物体，哪些情况可将物体当作质点来处理（）A.放在地面上的木箱，在上面的箱角处用水平推力推它，木箱可绕下面的箱角转动 B.放在地面上的木箱，在木箱高的中点处用水平推力推它,木箱在地面上滑动 C.做花样滑冰的运动员 D.研究钟表的时针转动的情况 教师精讲

如果物体的大小、形状在所研究的问题中属于次要因素，可忽略不计，该物体就可看作质点.A项中箱子的转动，B项中花样滑冰运动员，有着不可忽略的旋转等动作，身体各部分运动情况完全不同，所以不能看作质点.同理，钟表的时针转动也不能当作质点.B项中箱子平动，可视作质点，故B项正确.点评：质点作为学生在高中接触到的第一个物理模型，让学生仔细体会，只要把握问题的实质，一般不会很难.课堂小结

一、质点：物理学中把用来代替物体的有质量的点叫做质点.二、位移：在物理学中采用位移来描述运动物体空间位置的变化.位移通常用符号s来表示.三、位移和路程的关系（1）位移和路程的区别

位移是矢量,有大小和方向;路程是标量,总是正值.（2）位移和路程的联系

一般情况下，路程大于位移的大小，只有做直线直进运动物体的位移的大小才等于路程..板书设计

一、质点：物理学中把用来代替物体的有质量的点叫做质点.二、位移：在物理学中采用位移来描述运动物体空间位置的变化.位移通常用符号s来表示.三、位移和路程的关系（1）位移和路程的区别

位移是矢量,有大小和方向;路程是标量,总是正值.（2）位移和路程的联系