教学设计2电磁铁

教学设计2电磁铁（精选8篇）

教学设计2电磁铁 篇1

《玩转电磁铁》教学设计

鸿昌街道七方小学

张荣海

大象版五年级科学下册第三单元第2课

《玩转电磁铁》教学设计

课时：1课时

学习目标

1、了解电磁铁的构成和影响电磁铁磁性大小的因素；

2、知道电能产生磁，探究电磁铁磁性大小的因素，了解电磁铁的应用；

3、能设计并动手进行电磁实验。

情感、态度和价值观：

1、培养学生科学探究兴趣和习惯；

2、培养学生实事求是的科学态度；

3、培养学生小组合作精神。

学习重点：

通过观察与提问、猜想与考证发现通电线圈具有磁性，进而认识电磁铁，研究电磁铁的磁性与电压和线圈的匝数有关。

学习难点：

电磁铁的磁力大小与哪些因素有关，提出问题并设计实验方案加以考证，分析数据得出成绩。

教具准备：

小电机、电池、电池座、导线、铁钉、大头针、小磁针、实验记录表等

教学过程：(出示幻灯片1)师：大家好，今天我讲的是大象版五年级科学下册第三单元第2课《玩转电磁铁》

上课，同学们好，请坐。

一、导入：同学们，上节课我们一起玩了电动玩具，你们喜欢玩吗？ 老师也喜欢玩，可它为什么会动呢？谁能告诉我呢！你说

（马达）马达也叫电机。关于电机，你还知道什么？

生：通电后会转动„„

师：看来，同学们对电机的知识还知道的真不少，对于电机你想知道什么。

生1：为什么会转动？ 生2：电机里面有什么？

二、动手研究小电机里面的构造

师：同学们的问题可真多，可称为小科学家了！要想弄明白这些问题。我们必须先了解小电机的构造，才能解决其他的问题。想知道电机里面是什么吗？我们干脆拆开看看吧！请先看特别提示（出示幻灯片2）

1、拆装电机难度较大，一不小心就会拆坏。最好选用无法修好的玩具中的电机。

2、小电机的后盖和外壳的连接处要用最小的平口螺丝刀撬开，螺丝刀口比较尖锐，要注意安全。

3、拆装前要仔细观察后盖和外壳的安装位置，以便安装时不会装反。

4、小电机里有钢丝卡件，取出时要小心，注意不要让它弹出丢失。

师：好，现在同学们开始分组活动。教师巡视，及时指点，并提醒学生记录电机里的构造，猜想通电后转动的原因。

三、猜想、验证，合作探究

观察后，对小电机里的构造和功能进行猜想，并进行验证。

1、师：通过观察，你发现了什么？谁能说一下小电机的构造？你说

生：线圈、转动轴、外壳、磁铁。

出示幻灯片3，师：什么是线圈呢？现在我们来认识几个名词（出示幻灯片4），大家齐读一遍。

2、师：你知道了小电机的构造后，有什么新的问题吗？你说，(同学们的问题有良多，但基本集中在“小电机的电线为什么要绕成一圈一圈的 ？小电机里面为什么要有磁铁？”)

师：是啊！小电机里的电线为什么要一圈一圈的绕起来呢？绕起来的线圈通电后又会有什么变化呢？，3、猜想

师：同学们分组讨论一下，做出本人的猜想。

4、验证

师：小组设计实验，来验证猜想。（线圈通电后会有什么变化实验）.四、表达与交流自己的探究收获

师：刚才，大家动手研究了通电的线圈，哪个小组能说一说你们的收获？可以上讲台来演示一下你的实验方法。好，你们小组

小组汇报：通过实验我们发现，线圈通电后像磁铁一样有了磁性.如果在线圈中加根铁芯，线圈的磁性就会更强。

教师小结：这个小组通过实验证明了线圈通电后像磁铁一样有了磁性，它的磁性是因为电产生的。所以在科学上我们把这种中间插有铁芯的线圈叫做电磁铁。（幻灯片演示5）学生齐读

进一步探究:

师：关于电磁铁，同学们还有什么的问题吗？你说

生：

1、电磁铁的磁性大小与什么因素有关呢？

2、电磁铁有两极吗？

3、怎样控制磁极？

„„

师：好（由于时间关系），今天我们先来研究电磁铁的磁性大小与什么因素有关好吗？

1、猜想

生：电池节数有关、线圈匝数有关

电磁铁的磁性大小与什么因素有关呢？你说

2、验证

师：我们先把电磁铁做好，幻灯片6 ，师：放幻灯片7，同学们以小组设计实验方案来探究，把实验成绩记在“小科学家记录本”上，并分析数据，得出结论。

3小组汇报展示实验记录表，交流实验成绩：

师：电磁铁的磁性大小与什么有关呢？并板书：磁性大小与什么有关，请你们小组来汇报

4交流实验成绩：

生：我们通过实验发现线圈匝数在相同的情况下，电池的节数越多，吸起大头针数越多，说明电磁铁的磁性越大。

生：我们通过实验发现在电池节数相同的情况下，线圈匝数越多，吸起大头针数越多，说明电磁铁的磁性越大。

教师小结：同意他们的研究结果的举手，看来我们一致通过了他们的结果，也就是说电磁铁的磁性大小与线圈的匝数和电池的节数有关。在相同的情况下电池的节数越多，线圈匝数越多，电磁铁的磁性越大.（幻灯片8）学生齐读

师：同学们真棒！通过我们的研究，我们知道了什么是电磁铁，及磁性大小和哪些因素有关系。下面我们来轻松一下，做个比赛游戏好吗？

五、游戏

师：同学们，我们把大头针放到一个盘子里，作为“小鱼”，每人准备一个杯子，作为自己的“鱼篓”。

请看比赛规则（幻灯片9）“钓鱼”比赛

两人一组，每人做一个电磁铁。比赛开始后，每人用自己的电磁铁从盘子里“钓鱼”，钓到“鱼”后放到自己的“鱼篓”里，在相同的时间里，怎样才能钓的多？

师： 看了规则同学们想一想，在不违反规则的情况下，怎样能取胜？你的理由是什么？

六、拓展活动

搜寻电磁铁

师：哦！同学们学习非常认真，今天我们学习了电磁铁。电磁铁是利用电能的一种重要方式（幻灯片10）。它在工农业生产和日常生活中有着广泛的应用。（幻灯片11.12.13.）

下课后想一想，找一找我们身边还有那些东西用到了电磁铁。把你找到的写在或画到课本33页的花瓣上，看谁的花开得愈加艳丽。

下课，同学们再见 板书 设计

玩转电磁铁

小电机的构造 ：线圈、转动轴、外壳、磁铁

线圈通电后产生磁性

电磁铁: 磁性大小与什么有关？

教学设计2电磁铁 篇2

研究国际医用电气设备电磁兼容标准,是提高我国医疗器械行业管理水平,加强医疗器械的安全性和质量控制,推动医疗器械行业发展的重要途径。国际标准发展迅速,IEC 60601-1-2新版标准已经发布。本文将通过介绍国际标准的发展,对国内外标准的差异进行初步分析和研究。

1 IEC 60601-1-2的发展过程

IEC 60601-1-2是IEC 60601-1的并列标准,各版本发布时间见图1。

国际电工委员会于1993年发布了IEC 60601-1-2第1版。随后在2001年发布了IEC 60601-1-2第2版,是目前国际广泛流行的医用电气设备的电磁兼容标准。第2版与第1版的差异主要在以下几方面:

*包含了有意射频发射器、大型设备的内容;

*增加了IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-3、IEC 61000-4-6、IEC 61000-4-8和IEC 61000-4-11标准的试验要求;

*抗扰度试验要求基于“基本性能”、“基本安全”;

*给出了更加详细的试验方法和要求;

*包括了可能影响“医用电气设备和系统基本性能”的非医用电气设备。

在此基础上,国际电工委员会于2004年发布了IEC 60601-1-2 Edition2.1[3](以下称IEC 60601-1-2第2.1版),包括了IEC 60601-1-2:2001和修改件Amend.1。此版本内容变化较多,是本文探讨的重点。IEC60601-1-2第3版发布于2007年,与IEC 60601-1-2第2.1版相比,最显著的变化为重新制定了条款编号,本文不做讨论。

2 国内外标准的差异

2.1 基本性能

基本性能是医用电气设备一个重要概念。任何设备或系统都有其相应的功能,但并非所有功能都可视为基本性能。YY 0505-2005对“基本性能”有明确定义:保持残留风险在可接受限值内的必需的性能特征。标准规定:设备和系统的基本性能应由风险分析来鉴别。如果没有进行风险分析,设备或系统的所有功能都应考虑作为基本性能进行抗扰度试验。因此,YY 0505-2005标准在实施中应该注意:对设备或系统进行符合性判定的时候,需要检查风险分析文件;如果没有进行风险分析,则通过检查能证实设备或系统的所有功能已按36.202规定进行试验的文件来检验是否符合要求。

IEC 60601-1-2第2.1版删去了“基本性能”的定义。因为IEC 60601-1第二版标准不涉及基本性能。直到IEC 60601-1第3版才提出了“基本安全和基本性能”的概念。为了与IEC 60601-1第2版保持一致,避免与IEC 60601-1第三版的概念冲突,IEC 60601-1-2第2.1版删去了“基本性能”的定义。对于基本性能,第2.1版标准规定:除非判定出设备或系统的基本性能(基本性能判定指南参见附录GGG),否则设备或系统的所有功能都应考虑作为基本性能进行抗扰度试验。基本性能应在随机文件中说明。通过检查随机文件来检验是否符合要求,如果没有进行判定,则通过检查能证实设备或系统所有功能的性能已按36.202规定进行试验的文件来检验是否符合要求。

基本性能是与安全相关的关键准则,缺失和降级都会导致不可接受的风险。IEC 60601-1-2第2.1版在实施中应该注意:附录GGG并没有给出基本性能的具体判定方法,只有简单一句话“基本性能的定义和判定正在考虑中,在此期间,基本性能概念的进一步资料见IEC 60601-1第3版草案”。因此对于医用电气设备和系统的基本性能,在IEC 60601-1-2第2.1版中仅仅规定了要求,并没有提供判定方法。这就把设备和系统基本性能如何来确定交给了生产商,要求生产商在随机文件中包含基本性能,通过验证基本性能以便于决定医用电气设备是否合理通过了电磁兼容抗扰度试验。

2.2 非医用电气设备或系统

根据YY 0505-2005标准:“如果满足可适用的国际电磁兼容标准,并能合理地预见其发射和抗扰度不影响系统的基本性能或不增加设备的发射,就可免予本标准要求的电磁兼容试验。不影响系统的基本性能的合理预见的判断应基于风险分析。”作为系统的一部分提供的非医用电气设备,不一定都得根据标准进行电磁兼容试验,可以节约时间和成本。执行本项要求的关键在于,相关人员对非医用电气设备的发射和抗扰度,需要基于风险分析进行一个合理性预判。因此,风险分析文件内容是否准确,决定了这个“合理性预见”的难度。

IEC 60601-1-2第2.1版的3.201条,对非医用电气设备免于试验有了进一步说明。作为系统的一部分提供的非医用电气设备,可免于本标准要求的电磁兼容试验,如果能证明满足以下所有条件:

(1)非医用电气设备符合适用的国际电磁兼容标准;

(2)证实非医用电气设备的发射和抗扰度不会对系统的基本性能或安全产生不利的影响;

(3)证实非医用电气设备不会导致系统的发射超过适用的限值。

通过检查证实文件和其他适合的文件或证书来检验是否符合要求,如果没有进行证实,则通过检查能证实非医用电气设备已根据本标准规定进行试验的文件来检验是否符合要求。

同时IEC 60601-1-2第2.1版以流程图的形式给出了系统内的非医用电气设备免于电磁兼容试验要求的判定指南。

显而易见,IEC 60601-1-2第2.1版比YY 0505-2005标准要求更加明确,操作性更强。非医用电气设备免于电磁兼容试验需要同时满足上述a)、b)、c)三个条件。IEC 60601-1-2第2.1版标准实施的关键在于:制造商必须提供能证实非医用电气满足三个条件的证实性文件或其他适合的证书,这些证实性的文件或证书不一定是风险分析文件。如果没有证实文件,那么非医用电气需要进行标准规定的EMC试验。

2.3 风险分析

用于预防、诊断和治疗人体疾病的医疗器械,普遍存在着可能造成不同程度的人体伤害的风险。风险管理是使产品的风险—获益平衡达到最优化的过程[5]。我国在2000年等同转化ISO 14971-1:1998,发布了YY/T 0316-2000[6]《医疗器械—风险管理:第一部分—风险分析对医疗器械的应用》。根据YY 0316中的定义,风险管理主要包括风险分析、风险评价、风险控制和生产后信息评估四个过程。YY 0505-2005标准引入了风险分析。纵观YY0505-2005,风险分析主要出现在两部分。其中一部分是伴随基本性能出现的,强调使用风险分析来判定设备抗扰度试验必须检验的基本性能;另一部分是伴随非医用电气设备出现的,强调使用风险分析来判定非医用电气设备是否需要按标准进行试验。

IEC 60601-1-2第2.1版直接要求医用电气设备的基本性能包含在随机文件中,不用通过风险分析来确定基本性能。非医用电气设备免于电磁兼容试验的方法是检查证实文件和其他适合的文件或证书,并不一定是风险分析文件。因此,第2.1版相应的删去了风险分析的内容。

在我国,虽然YY/T 0316标准是推荐性的,但并不意味着风险管理活动在医疗器械中是可以不实施的。在《医疗器械注册管理办法》中,对“境内第二、三类产品首次注册申请”和“未获得境外上市许可的第二、三类境外产品首次注册申请”,均要求必须提交“安全风险分析报告”。IEC 60601-1:2005《医用电气设备第1部分:基本安全性和基本性能的通用要求》开始引入了风险管理。第4.2条款声明:必须履行符合ISO 14971规范的风险管理流程。换句话说,要满足第3版的规定,就必须符合ISO 14971。因此,我国医疗器械生产企业必须具备ISO 14971规定的风险管理手段。

2.4 A型专用设备和系统

“A型专用设备和系统”作为IEC 60601-1-2第2.1版新增的定义,相应增加了试验和随机文件等一系列要求。

在我国,设备或系统对无线电业务的保护,按照GB 4824根据制造商规定的预期用途分成1组或2组和A类或B类。A类和B类是由设备或系统的预期使用环境决定的。A类设备用于与公共电网隔离的工业或轻工环境(比如医院),B类设备用于连接到公共电网中(比如家庭或居民区等其他环境)。B类限值更严酷,对允许的发射有更低的限值要求。

IEC 60601-1-2第2.1版中,“A型专用设备和系统”定义是:“设备或系统符合CISPR 11的2组B类(除基频的第三次谐波),而第三次谐波符合2组A类电磁辐射骚扰限值的专用设备或系统。”准确把握A型专业设备和系统的实施重点,需理解三个方面:

(1)使用者

A型专用设备和系统的使用者是有明确的规定,需要由专业医护人员使用。设备和系统“由专业医护人员使用”与“在医疗监督下”是两个不同的概念。“由专业医护人员使用”比“在医疗监督下”范围窄。第2.1版标准中“专用设备和系统”限制了在36.201.1 a)6)中规定由专业医护人员直接操作的设备和系统许可的适用性。相反,“在医疗监督下”包括由专业医护人员通过处方指定使用设备和系统,甚至当专业医护人员不在场时由患者或其他护理提供者操作的设备和系统。

(2)使用环境

A型专用设备和系统预期在家用设施中使用或连接到公共电网。

用于预防、诊断和治疗人体疾病的某些设备和系统,由于其基频的第三次谐波可能不满足CISPR 11的2组B类电磁辐射骚扰限值,这些设备和系统将不能在家用设施中使用或连接到公共电网上使用。那么这些设备和系统只能限定在与公共电网隔离的场所使用(如医院),而不能在居民区内的诊所或医疗保健提供者的办公室内使用。然而,一些提供理疗服务的诊所通常设在居民区内,没有独立变压器与公共电网隔离。如果没有第2.1版标准的这项许可,这些设备将只能建议用在屏蔽室或医院,其结果是许多患者无法接受治疗,或不得不等待更长的时间来接受治疗。虽然此类设备和系统在家用设施中使用将是合理的,但这种使用可能导致无线电干扰。因此,对这种可能性,有必要向使用者提出警告,并给出降低干扰的建议。

(3)发射要求

除了基频的第三次谐波之外,A型专业设备和系统应符合CISPR 11的2组B类,并且第三次谐波符合2组A类电磁辐射骚扰限值。例如,用于理疗的射频治疗设备工作在短波或超高频工科医频率,连续模式下产生400 W,脉冲模式下产生1000 W的能量来治疗疾病或者缩短康复治疗时间。这些射频能量通过开放的容性或感性“天线”施加给患者。即使目前设备符合在工科医频段对有意射频发生器的要求,如对寄生辐射信号有40dB~60dB的抑制要求,但是设备基频的第三次谐波无法满足CISPR 11的2组B类电磁辐射骚扰限值,然而这些设备和系统有连接到公共电网的使用需求。对于此类设备和系统,根据第2.1版标准36.201.1 a)6)条,允许在家庭设施中使用或连接到公共电网使用,但随机文件应包括设备或系统基频的第三次谐波不满足CISPR 11的2组B类电磁辐射骚扰限值的理由。理由应该基于重要物理方面、技术方面或生理方面的限制。

3 总结

讨论和研究IEC 60601-1-2国际标准的发展,对YY 0505-2005的制修订具有重要的启发作用。发展和完善YY 0505-2005,必将有助于保障我国医疗器械的安全、有效,保持良好的医疗环境,进一步提高我国医疗器械的市场竞争能力。IEC 60601-1-2标准的内容非常丰富,本文只是对标准的初步理解,希望引起大家的关注和研究,有助于我国医疗器械行业转化国际标准的合理性和准确性。

摘要：研究了YY0505-2005标准与IEC60601-1-2第2.1版标准的差异,得出以下结论:两者在试验项目、试验方法等方面相同,在对分类、基本性能、风险分析的要求方面有较大差异,并对IEC60601-1-2第2.1版标准在我国转化实施提出了建议。

关键词：电磁兼容,YY0505-2005,医用电气设备

参考文献

[1]YY0505—2005.医用电气设备第1-2部分:安全通用要求并列标准:电磁兼容要求和试验[S].

[2]刘京林.解读医疗EMC法规——YY0505[J].现代医学仪器与应用.2007,19(2):34-37.

[3]IEC60601-1-2edition2.1.Medical electrical equipment-Part1-2:General requirements for safety-Collateral standard:Electromagnetic compatibility-Requirements and tests[S].

[4]IEC60601-1:2005.Medical electrical equipment-Part1:General requirements for basic safety and essential performance[S].

[5]王兰明.谈我国医疗器械风险管理的法规要求[J].中国医疗器械杂志.2007,33(1):46-50.

9—2 电磁感应综合 篇3

甲 乙

图1

A. [2BS2R] B. [2BSR] C. [BSR] D. 0

[× × × ×][× × × ×][图2]2. 如图2，两水平平行金属导轨间接有电阻[R]，置于匀强磁场中，导轨上垂直搁置两根金属棒[ab、cd]. 当用外力[F]拉动[ab]棒向右运动的过程中，[cd]棒将会（ ）

A. 向右运动 B. 向左运动

C. 保持静止 D. 向上跳起

[× × × × × ][× × × × × ][× × × × × ][图3]3. 如图3，相距为[d]的两水平虚线[L1]和[L2]之间是方向水平向里的匀强磁场，磁感应强度为[B]，正方形线圈[abcd]边长为[L（L

A. 感应电流所做的功为[mgd]

B. 感应电流所做的功为[-2mgd]

C. 线圈的最小速度可能为[mgR/B2L2]

D. 线圈的最小速度一定为[2g（h+L-d）]

4. 如图4，一水平放置的圆形通电线圈1固定，另一较小的圆形线 [2][2][1][图4] 圈2从1的正上方下落，在下落过程中两线圈平面始终保持平行共轴，则线圈2从正上方下落至1的正下方过程中，从上往下看，线圈2的感应电流为（ ）

A. 无感应电流

B. 有顺时针方向的感应电流

C. 先是顺时针方向，后是逆时针方向的感应电流

D. 先是逆时针方向，后是顺时针方向的感应电流

5. 如图5，光滑绝缘水平面上放置一均匀导体制成的正方形线框[abcd]，电阻为[R]，边长为[L]. 有一方向竖直向下的有界磁场，磁场的磁感应强度为[B]，磁场区宽度大于[L]，左边界与[ab]边平行. 线框在水平向右的拉力作用下垂直于边界线穿过磁场区. 若线框以速度（ ）

[× × ×][图5] [× × ×]

A. [v1]刚进入磁场时，[ab]两点间的电势差[14BLv1]

B. [v1]刚进入磁场时，回路的电功率[B2L2v12R]

C. [v2]刚离开磁场时，[ab]两点间的电势差[14BLv2]

D. [v2]刚离开磁场时，回路的电功率[B2L2v22R]

[图6]6. 如图6，光滑导轨倾斜放置，其下端连接一个灯泡，匀强磁场垂直于导轨所在平面，当[ab]棒下滑到稳定状态时，小灯泡获得的功率为[P0]，除灯泡外，其他电阻不计，要使稳定状态灯泡的功率变为[2P0]，可以（ ）

A. 换一个电阻为原来一半的灯泡

B. 把磁感应强度[B]增为原来的2倍

C. 换一根质量为原来[2]倍的金属棒

D. 把导轨间的距离增大为原来的[2]倍

7. 如图7甲，在光滑水平面上用0.5N的水平恒力拉质量为1kg的单匝均匀正方形铜线框，边长为0.2m. 在位置1以3m/s的初速度进入磁感应强度为0.5T的匀强磁场，并开始计时[t=0]，在3s末线框到达2位置开始离开匀强磁场. 此过程中[v-t]图象如图7乙，则（ ）

[2][3][1][3][1 2 3] [甲 乙

图7][× × × ×][× × × ×][× × × ×]

A. 在1s末，线框的速度为2m/s

B. 在3s末，线框右侧边[MN]的两端电压为0.3V

C. 线框完全离开磁场的瞬间位置3速度一定比1s末线框的速度大

D. 线框从位置1进入磁场到完全离开磁场位置3过程中，线框中产生的电热为5.0J

[× × × × ×

× × × ×

× × × ×

× × ×

× ×] [图8]8. 图8中[PQRS]为一正方形导线框，它以恒定速度向右进入以[MN]为边的匀强磁场，磁场方向垂直线框平面，[MN]线与线框的边成[45°]. [E、F]分别为[PS]和[PQ]的中点. 则（ ）

A. 当[E]点经过边界[MN]时，线框中感应电流最大

B. 当[P]点经过边界[MN]时，线框中感应电流最大

C. 当[F]点经过边界[MN]时，线框中感应电流最大

D. 当[Q]点经过边界[MN]时，线框中感应电流最大

[× × × ×] [× × × ×] [图9] 9. 如图9，[abcd]是一个质量为[m]，边长为[L]的正方形金属线框. 如从图示位置自由下落，在下落[h]后进入磁感应强度为[B]的磁场，恰好做匀速直线运动，该磁场的宽度也为[L]. 在这个磁场的正下方[h+L]处还有一个未知磁场，金属线框[abcd]在穿过这个磁场时也恰好做匀速直线运动，则（ ）

A. 未知磁场的磁感应强度是[2B]

B. 未知磁场的磁感应强度是[2B]

C. 线框在穿过这两个磁场的过程中产生的电能为[8mgL]

D. 线框在穿过这两个磁场的过程中产生的电能为[2mgL]

10. 如图10，在距离水平地面[h=]0.8m的虚线上方有一个方向垂直于纸面水平向内的匀强磁场. 正方形线框[abcd]的边长[l=]0.2m，质量[m=]0.1kg，电阻[R=]0.08[Ω]. 某时刻对线框施加竖直向上的 [× × × × × ×][× × × × × ×][× × × × × ×][× × × × × ×] [图10]恒力[F=]1N，且[ab]边进入磁场时线框以[v0=]2m/s的速度恰好做匀速运动. 当线框全部进入磁场后，立即撤去外力[F]，线框继续上升一段时间后开始下落，最后落至地面. 整个过程线框没有转动，线框平面始终处于纸面内，[g]取10m/s2. 求：

（1）匀强磁场的磁感应强度[B]的大小；

（2）线框从开始进入磁场运动到最高点所用的时间；

（3）线框落地时的速度的大小.

11. 电磁炉专用平底锅的锅底和锅壁均由耐高温绝缘材料制成，起加热作用的是安在锅底的一系列半径不同的同心导电环. 导电环所用的材料单位长度的电阻[R=0.125π]Ω/m，从中心向外第[n]个同心圆环的半径为[rn=（2n-1）r1]（[n]为正整数且[n≤7]），已知[r1=]1.0cm. 当电磁炉开启后，能产生垂直于锅底方向的变化磁场，已知该磁场的磁感应强度[B]的变化率为[ΔBΔt=1002πsinωt]，忽略同心导电圆环感应电流之间的相互影响. 求：

（1）半径为[rn]的导电圆环中产生的感应电动势的瞬时表达式；

（2）半径为[r1]的导电圆环中感应电流的最大值[I1m]. （计算中可取[π2]=10 ）

教学设计2电磁铁 篇4

我是教高中数学的，对中学物理结构不太熟悉。我查了一下《电磁继电器的应用》是初中二年级（下册）物理的内容，属于“电磁继电器”这节的延伸。

无论是什么课程，不管采用什么教学方式，都要充分体现学生主体地位，发挥老师的主导作用。信息技术与课程整合，强调要利用信息技术来营造一种信息化教学环境，把学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来，使学生的创新精神与实践能力培养的目标得以落实。

关于这节课，现就“教学视频和教学设计方案”分析一下： 我认为这节课整体上看还是比较成功的：

（一）本节课成功地将信息技术与课程整合结合起来，制作了精美的课件，对教学媒体的选择基本是合适的。

（二）本课较好地体现了先进的教学思想，体现了三维教学目标，目标阐述清楚、具体、可评。

（三）对学生的特征分析的也详细、准确。

（四）教学过程设计的思路清晰，有条不紊。课堂上比较能够体现学生自主、合作、探究的学习方式。活动过程设计得有层次分明，体现了学生不同阶段的能力要求。

（五）比较能够调动学生的积极参与精神，培养解决问题的能力，以及协助合作的能力。

我认为这节课有的地方是可以改进的：

（一）我觉得这节课上，课堂气氛较为沉闷，老师的主导作用并没有得到充分体现，从而导致学生的主体作用也不能很好的发挥出来。

（二）在教学实施过程中，对于难点内容（比如让学生设计并做实验），老师要给学生充分的引导，同时应该增加师生共同探讨的时间，和学生之间研讨的时间。

（三）当学生设计好以后，可以增加学生展示自己的方案环节，同时老师给予点评，其他同学讨论并判断可行性。

电磁铁教学设计 篇5

***

组别：青年组

电磁铁

——初三物理《电磁铁》教学设计

一、教学目标

二、教学重点与难点

三、教学准备工作

四、教学过程，板书、示范教学

五、作业练习

六、教学小结及反思

电磁铁教学设计

【教学目标】

知识目标：

1．知道什么是电磁铁；

2．理解电磁铁的特性和工作原理。过程与方法： 1．通过探究电磁铁磁性与什么因素有关的实验，进一步发展学生的空间想象力； 2.通过对实验的分析，提高学生比较、分析、归纳、结论的能力。情感与态度目标：

通过认识电与磁之间的相互联系，使学生乐于探索自然界的奥妙，培养学生的学习热情和求是态度，初步领会探索物理规律的方法。【教材分析】

教学重点：电磁铁的概念及影响电磁铁磁性强弱的因素 教学难点：影响电磁铁磁性强弱的因素 教学方法：实验法、讨论法、启发式。

教具与媒体：投影仪、微机；螺线管，铁棒，几个小磁针，一个线圈匝数可以改变的电磁铁，电源，开关，滑动变阻器，电流表和一小堆大头针。【教学过程】

一、创设情境，引入新课：

师：提出问题1： 如果要使通电螺线管的磁性增强，应该怎么办呢？ 生：思考猜想：增大电流、螺线管绕密些、中间插一个铁芯等方法。

师：演示实验：先将小磁针放在螺线管的两端，通电后观察铁屑的多少，再将铁棒插入螺线管，通电后观察铁屑的多少。生：学生观察实验现象。

师：现象：插入铁芯的通电螺线管的磁性明显增强，引入新课。（板书课题）

二、进入新课，科学探究

（一）电磁铁

1．概念；我们把插有铁芯的螺线管叫做电磁铁。

师：提出问题2：为什么插入铁棒后，通电螺线管的磁性会增强呢？

生：学生讨论，探究其原因：铁心插入通电螺线管，铁心被磁化，也要产生磁场，于是通电螺线管的周围既有电流产生的磁场，又有磁铁产生的磁场，因而磁场大大增强了。

师： 提出问题3：电磁铁与永磁体相比，有些什么特点呢？它的磁性强弱与哪些因素有关呢？ 生：思考讨论。

（二）怎样使电磁铁的磁性强

生：猜想：1．电磁铁的磁性强弱可能与电流的大小有关，因为电流越大，电流产生的磁性可能就越强； 2．电磁铁的磁性强弱可能与线圈的匝数有关，因为一匝线圈要产生一定的磁场，匝数多，则产生的磁性也会增强。3．电磁铁的磁性强弱可能与所插入的铁芯粗细有关，因为越粗，铁的质量越大，磁化的量越大。

4．电磁铁的磁性强弱可能与所插入的材料有关，可能插入另一种材料的物质，其磁性会有所不同。

师：总结：教师经过讨论汇总后，总结为电磁铁的磁性强弱可能与电流的大小、线圈的匝数有关，下面对这两个问题进行实验设计。师生讨论：教师引导，学生思考。师：想研究电磁铁磁性的强弱与电流的大小有关，该如何控制匝数呢？同理要研究磁场与匝数的关系，该如何控制电流呢？

生：思考回答：在研究匝数时控制电流不变，在研究电流时，控制匝数的不变。师：如何改变线圈的匝数？如何改变电流的大小？

生：思考回答：取匝数不同的螺线管以改变匝数的不同；通过滑动变阻器改变电流的大小。

师：如何判断电磁铁磁性的强弱？

师生讨论：教师引导，学生回答：通过采用不同匝数的电磁铁以改变其匝数，通过在电路中串联滑动变阻器以改变电流的大小，通过让电磁铁吸起大头针的个数来判断其磁性的强弱。(三）进行实验

学生操作： 1．组成电路：将电源、开关、滑动变阻器、电流表与电磁铁连成串联电路。

2．将开关合上或打开，观察通电、断电时，电磁铁对大头针的吸引情况，判断电磁铁磁性的有无。3．将开关合上，调节滑动变阻器，使电流增大和减小（观察电流表指针的示数），从电磁铁吸引大头针的情况对比电磁铁磁性强弱的变化。

4．将开关合上，使电路中的电流不变（电流表的示数不变）改变电磁铁的接线，增加通电线圈的匝数，观察电磁铁磁性强弱的变化。

师生讨论： 分析与论证：(1)电磁铁通电时产生磁场，断电时没有磁场。(2)通过电磁铁的电流越大，它的磁性越强。

(3)在电流一定时，外形相同的螺线管，线圈匝数越多，磁性越强。师：在得出结论时，一定有条件的限制，培养学生严谨的科学态度 师：提出问题4：电磁铁有什么优点？

生：(1)电磁铁磁性的有无可以通过电流的有无来控制。(2)电磁铁磁性的强弱可以通过电流的大小来控制。(四）电磁铁的应用 1．电磁起重机

播放视频：电磁铁的应用。师：问题：看了电磁铁的应用，大家猜想一下，电磁起重机内部的构造是怎样的？它的工作过程是怎样的？ 生：思考讨论：构造：电磁铁、起吊臂、开关、电源等。

工作过程：把电磁铁安装到吊车上，通电后它就具有了磁性，能吸引大量的铁制品，然后将其移动到另外一个地方，断电，电磁铁失去磁性，铁制品就卸了下来。

(五)思考与练习

师：如果想探究电磁铁的磁性与铁芯的粗细是否有关，该怎样设计实验？

【小结】这节课我们学习了电磁铁的有关知识，了解到影响电磁铁磁性大小的因素，知道插有铁芯的螺线管就是电磁铁，它的磁性强弱与电流大小、线圈匝数有关，电流越大，线圈匝数越多，则电磁铁的磁场就越强。所以电磁铁比永久性磁铁有无可比拟的优势，一是它的磁性有无可以由通电的有无来控制，它的磁性强弱可以由电流的大小来控制，这大大地方便了人们对不同磁性的需求。【作业】动手动脑学物理 ①②③④ 【板书设计】

第1节：电磁铁

一、电磁铁：插入铁心的通电螺线管。

二、探究：怎样使电磁铁的磁性强 1．猜想；

2．设计实验；

3．结论：电磁铁通电时产生磁场，断电时没有磁场；通过电磁铁的电流越大，它的磁性越强；在电流一定时，外形相同的螺线管，线圈匝数越多，磁性越强。

三、电磁铁的优点

(1)电磁铁磁性的有无可以通过电流的有无来控制。(2)电磁铁磁性的强弱可以通过电流的大小来控制。

三、电磁铁的应用： 电磁起重机、电磁阀等。【课后反思】

这是该章重要的一个探究实验，在中考中具有重要的位置，有以前几个实验作基础，所以在此更应该在猜想、设计实验上进一步发动学生，让他们谈想法、谈设计，如果学生的猜想、设计过多，教师要在这众多杂乱的猜想中想办法化归到统一的步调上，这就叫既放得开，又收得拢。

《电磁铁》教学设计 篇6

本课是教科版小学科学六年级上册第三单元《能量》第二课。学生已经在上一课通过实验认识了电可以产生磁，经历了用通电线圈做电生磁实验，这为理解电磁铁的原理打下基础;本课将引导学生对电磁铁这一电生磁的最直接应用装置，开展两个方面的研究——制作电磁铁与研究铁钉电磁铁的南北极。

设计说明

本设计主要有两大特色：一是从能量单元整体出发，从了解学生前概念作为起点，以建构新的科学概念为导向，引领学生展开探究活动，强化了逻辑思维训练，注重了实证意识培养，充分体现了小学科学课的特点，促进课堂实效的提升。二是教师的预设充分、灵活多样，不少活动准备了两套教学预案，便于根据学情选择最佳的教学策略;同时在设计、制作、测试、记录、交流、分析等一系列探究环节，突显了追求细节却又引而不发的教学指导，给学生留下独立思考、质疑的空间;巧妙借助一些关键词、问题、记录表、板书等，诱发学生产生新思想，发现新问题，生成新探究，有效突破了教学难点。

教学目标

科学概念：

1.电磁铁具有接通电流产生磁性、断开电流磁性消失的基本性质;

2.改变电池的正负极接法或改变线圈绕线方向，会改变电磁铁的南北极。

过程与方法：

1.制作铁钉电磁铁。

2.做研究电磁铁的南北极的实验。

情感、态度、价值观：

养成认真细致、合作进行研究的品质。

教学重、难点

重点：制作电磁铁与研究铁钉电磁铁的南北极

难点：电磁铁南北极与哪些因素有关猜想的建立与研究方法设计

课前准备

1.分组器材：回形针2~3个、1m长细绝缘导线1根、指南针1只、大铁钉1只、电池(电池盒)1只、开关1只、连接用导线1根、砂纸1、实验记录单3

2.教师准备：学生实验器材1套、电磁铁贴画1、视频展示仪、多媒体课件(两种线圈的绕法示意图、检测题、活动背景音乐等)

过程预设

一、师生会话，导入新课

1.师生会话：通过上一课的研究，我们发现了电与磁之间有怎样的联系?你可知道，根据这个发现，科学家发明了什么东西吗?——根据回答板书课题： 2.电磁铁

2.讲述：同学们，愿意和老师一起来围绕电磁铁展开一系列的研究吗?

[设计意图：从科学发现到科学发明，让学生体会到科学探究结果与科学知识的价值，发展学生开展科学探究的兴趣。同时，了解学生的前概念，便于调整教学预设。]

二、先制后试，探究本性

(一)指导绕线圈

1.引发独立探究制作方法：

预设方案一：

师生会话：那么电磁铁是怎么制作的呢?请知道的同学来介绍一下!

预设方案二：我们准备怎么来制作电磁铁呢，先请大家研究一下课本P50页上的图文资料。

2.汇报制作方法：着重解决(1)需要哪些材料? (2)制作方法、步骤是怎样的?

3.进行细节指导，完善制作方案：为了让我们制作出高品质的电磁铁，我们在制作过程中，还要注意些哪些细节呢?

引导问题预设：绕导线时要注意什么(如绕线的两种方向、准备绕多少圈等)?

怎样处理导线两头等(如何固定?)

解决策略预设：通过师生会话、教师或个别学生的示范，掌握制作技巧

4.小组合作制作铁钉电磁铁

(1)师生会话：指导实验记录(课件展示记录表)，明确实验要求、纪律等。

(2)学生取出器材，分组制作;教师巡视个别辅导

(3)展评与小结：在检查、评价制作质量后指出“像这样由线圈和铁芯组成的装置叫电磁铁”。

(二)测试铁钉电磁铁

1.师生会话：如何怎么知道自己制作的电磁铁是否具有磁性?

2.指导测试操作要领：如，明确分工、仔细观察、记录实验现象，以及实验成功后及时断开电流等注意事项。

3.小组合作，完成测试后展示交流：重点引导学生借助实验记录表，描述实验过程，试分析观察到的现象：

(在组织交流时，若有个别组发现磁化现象，教师则可先追问学生是否是多次实验后结果?或者重新再试一次;在此基础上教师应作适当补充解释。此外本实验用回形针尽量是新购的，同轨班较多时，教师的课前准备尤要留意这一点)

4.综合各组实验现象，由学生归纳出结论(师课件揭示)：

电磁铁具有接通电流产生磁性、断开电流磁性消失的基本性质。

[设计意图：从了解学生的前概念出发，导入电磁铁的设计与制作活动，以及本环节中多种引导问题与对策的预设，均有助于正确定位学习起点，提升活动实效性;从本课开始学生将连着3课围绕着电磁铁展开研究，制作一个高品质的电磁铁有其现实意义，因此，教师在引导学生明确制作具体注意事项等环节，凸显了细节指导，突出了本课教学重点;而引导学生在动手前关注到绕线的两种方向、准备绕多少圈等制作事项，又为引发后继阶段的探究作了铺垫。此外，本环节所设计的思考、交流、质疑、分析与解释、评价等系列活动中，均重视了对学生科学思维的启导,力求让学生形成自己的思想。而对有可能出现的磁化现象也作出了预案，意在引导学生尊重实验数据，培养求实精神，以及学会分析实验结果，反思实验失败原因。]

三、探究铁钉电磁铁的南北极

(一)探究电磁铁是否有南北极

1.师生会话：刚才通过研究知道了电磁铁具有接通电流产生磁性、断开电流磁性消失这一基本性质，那么电磁铁还会有哪些性质呢?先请大家推测一下，并说说你的理由。

2.学生思考、猜测。(预设：铁钉电磁铁也有南北极)

3.引导设计验证方案：下面我们就来研究电磁铁是否也有两个磁极，那怎样检测电磁铁有没有南北极呢?先请大家根据提示语设计一个方案。(课件出示设计提示语)

——方法：

器材：

操作步骤：

4.学生先独立思考后交流

5.优选实验方案，指导操作要领：同学们想到了多种方法，其中用指南针测试确实是最简便的一种——利用多媒体提示：

⑴ 分别用电磁铁的钉尖和钉尾靠近指南针;

⑵ 仔细观察出现的实验现象;

⑶ 根据实验现象判断钉尖和钉尾分别是什么极;

⑷ 各组派代表将实验结论填写在黑板上的贴画两边。

( )极 ( )极

( )极 ( )极

……

6.学生分组实验，教师巡视指导。

7.汇报整理实验现象：

从小组实验结果中，大家发现了什么?(电磁铁是否有磁极?各小组电磁铁的磁极位置一样吗?)

[设计意图：当推测电磁铁还会有哪些性质时，学生肯定会有多种想法，为此通过说出其理由，力图使学生在头脑中将电磁铁与磁铁性质之间建立对接;在设计验证方案环节，只用了三句话，巧妙将学生思维引向研究目标上;采用板贴画与各组实验小组代表上来填写实验结果的形式，既符合各小组实验用时有先有后的实际，又完成了对各组实验所获资料的整理。分析结果时，学生就非常清楚地发现其中存在的问题，从而顺利推进了科学探究进程，有效训练了学生的逻辑思维能力。]

(二)探究电磁铁南北极与哪些因素有关

1.引导学生提出假设——

预设方案一：

(1)对比观察：比较钉尖磁极不一样的两个小组的电磁铁装置(可利用视频展示仪)，找出两者之间的差异。

(2)交流观察到的差异处，然后作出推测：电磁铁南北极与哪些因素有关。

预设方案二：

(1)回忆一下电磁铁制作过程，你觉得如果改变哪些地方做法，就有可能改变电磁铁的南北极?

(2)先组内讨论后集体交流

[设计意图：预设两种引导现象分析方案，让教师能更灵活地视班级实际、学生能力状况来选用最贴近学生最近发展区的引导方法。]

2.根据学生意见，教师随机板书：

电池正负极接法?

线圈缠绕方向 ?

3.师生会话：那么如何来验证你们的猜想呢?

4.学生交流、教师结合课件逐步展示实验记录单，进一步引导学生完善方案，明确实验操作注意事项(需强调只能改变一个因素，其它条件不能改变)：

[实验1]改变电池正负极接法，会改变电磁铁的磁极吗?

[实验2]改变电磁铁线圈绕线的方向，会改变电磁铁的磁极吗?

5.根据课堂教学实际情况，灵活采取两个实验全做，或选其中之一进行分组实验，并记录下实验现象与结论，教师巡视、个别指导。

6.整理实验器材，作好交流准备：在实验即将结束时播放一小段轻松音乐，组织学生整理好实验器材，并推派代表到讲台前准备汇报。

7.利用视频展示仪汇报各组实验结果

8.学生归纳出实验结论，教师完成如下板书，明晰科学概念：

电池正负极接法

改变 会改变电磁铁的南北极

线圈绕线方向

[设计意图：在本环节中，多媒体课件与实验记录表等手段，突显了实验操作要领; 2张实验记录表的运用，既引导学生完善方案，又便于借视频展示仪来汇报、分析与归纳实验结果;而让学生在轻松的音乐声中整理实验器材，实现注意力的转换，提升探究后继阶段交流环节的有效性，也有利于培养小学生养成良好的整理实验器材习惯。]

四、总结评价、反馈检测

1.成果发布会：邀请学生上台介绍本节课的研究成果——今天这节课上，我们获得了哪些研究成果?

2.反馈检测：(多媒体课件出示)

(1)线圈和铁芯组成的装置叫 ，它具有接同电流后产生 ，断开电流后 消失的基本性质。

(2)改变 或改变 都会改变电磁铁的南北极。

燃料电池汽车用电磁铁的优化设计 篇7

在氢燃料电池汽车系统中,储氢瓶口的电磁阀是燃料的流量控制不可缺少的控制元件之一。它可以直接控制35MPa高压氢气的通断,目前只有少数国家能够生产[1,2,3]。作为操动机构的电磁铁要求在小功率、小体积的条件下具有很大的推力,是设计难点之一。电磁铁吸合面的形状和上下位置对电磁力影响很大,在不改变功率和体积的条件下,可以增加电磁力,因此吸合面的优化对于氢燃料电池汽车用电磁铁的设计具有重要意义。

对于电磁铁的优化设计可以分为解析法和有限元法两类。其中,Patrick N提出了一种设计最小能量电磁铁的解析方法[4]。毛万镈等针对圆柱形单稳态永磁接触器操动机构的多目标动态优化设计问题进行了研究[5]。侯永涛等采用基于集成设计平台的方法,对电磁体的设计过程、方法和数据进行集成,实现了电磁体的优化和稳健设计[6]。张志洲等以降低悬浮能耗为目标,提出了一种适合工程应用要求的全尺寸永磁电磁混合磁铁的结构优化设计方法[7]。Sang-Baeck Yoon等使用3DFEM方法对移动铁心的形状进行了优化[8]。JeolMaridor等采用FEM模型和遗传算法优化线性执行器的形状结构[9]。陈棣湘等以有限元分析为基础,采用程序优化设计方法对悬浮电磁铁的几何参数进行优化设计[10]。杨泽斌等利用Maxwell 3D有限元仿真软件,得到了最佳的电磁体非对称结构参数[11]。

综合分析前述电磁铁优化方法,解析法耗费的计算资源和时间少,但由于采用简化公式,计算精度较低,而且对于电磁铁吸合面的计算没有相应的公式。采用有限元方法优化设计,可以提高计算精度,但是用有限元法进行定性分析往往无法取得全局优化的结果。而采用有限元和优化算法定量分析,需要对设计空间中的每个点都要进行有限元计算,计算资源和时间耗费非常多,因此难于有效地应用于电磁铁吸合面的优化设计。本文基于均匀设计和有限元方法计算样本数据,利用支持向量机建模的方法建立了电磁力与吸合面形状和上下位置的非线性模型,作为优化计算时有限元模型的替代快速模型。然后用遗传算法对吸合面形状和位置进行优化。最后进行了实验验证。

2 电磁铁吸合面参数和电磁力

电磁铁结构如图1所示,它由静铁心、外壳、环形铁心、动铁心、线圈和弹簧组成。吸合面的形状和位置由三个参数描述,其中吸合面到环形铁心的距离用h表示,变化范围: 0 ~ 38mm; 吸合面上表面圆环宽度用u表示,变化范围: 0. 5 ~ 4. 5mm; 吸合面下表面圆环宽度用v表示,变化范围: 0. 5 ~ 4. 5mm。

不同吸合面参数值下的电磁力可通过有限元软件Ansoft计算。由于电磁铁轴对称,所以使用轴对称场模型,如图2所示。其中,静铁心、外壳、环形铁心、动铁心的材料为普通钢,线圈安匝数为500A。

3 建模样本

3. 1 吸合面参数构成的混合因素水平表

根据上述吸合面参数变化范围,考虑到模型的强非线性和加工精度要求,u、v、h分别取9、9、20个水平,组成如表1所示的混合因素水平表。

由于吸合面上表面圆环宽度u和吸合面下表面圆环宽度v受到铁心半径的限制,因此u和v还要满足下面的约束条件:

3. 2 建模样本点的选择

根据表1,如果采用全面试验设计的方法选择建模样本,则至少需要9×9×20 = 1620次有限元计算,由于计算资源和时间耗费太多,这种方法在工程上无法实现。因此,需要在设计空间中选择有代表性的点。为了建模准确,应该使用填满空间试验方法选择样本[12,13],使建模样本能够反映出设计空间各处的情况。此外,还必须考虑工程问题对计算数量的要求。

正交设计和均匀设计是常用的部分因子试验设计方法。正交设计既有“均匀分散”特点,使试验点有代表性; 又有“整齐可比”特点,便于试验数据的分析。但是为了保证“整齐可比”的特点,正交设计至少需要9×20 /2 = 90次试验。本文为了建模准确,只需样本点均匀填满设计空间,所以本文选择试验次数较少的均匀设计方法选择建模样本。

均匀设计试验方法是我国数学家方开泰和王元针对多因素控制且精度要求较高的试验问题提出的一种试验设计方法[14]。该方法使少量的试验点在试验范围内最大限度地均匀分布。实践表明,使用这种方法安排试验点只需很少次数的试验就可以接近全面试验的效果。

本文采用数值优化方法构造均匀设计表[15,16]。给定试验次数80,取中心化L2偏差( Centered L2discrepancy) CD2作为均匀性度量,从所有U型设计中选择均匀性度量CD2最小的U型设计作为均匀设计。所以取其中一半作为样本。样本点在设计空间中的分布情况如图3所示。

3. 3 建模样本的建立

根据均匀试验设计表的安排,按照相应的吸合面参数值在Ansoft中计算电磁力F,构成建模样本。如表2所示,由于篇幅所限只列出一部分数据。

4 支持向量机回归建模

由建模样本表可以看出,电磁力与吸合面参数u、v、h之间的关系是非线性的。对于非线性系统而言,系统模型的建立并没有统一的方法,用得较多的方法为神经网络方法。但神经网络的局部极小点、过学习以及结构和类型的选择过分依赖于经验等固有的缺陷,严重降低了其应用和发展的效果。支持向量机回归成功地克服了神经网络的这些缺陷[17]。

4. 1 非线性支持向量机回归

非线性支持向量机回归[18]的基本思想是通过一个非线性映射Φ(·) ,将非线性训练集x映射到高维特征空间,并在这个空间进行线性回归,从而取得原空间非线性回归的效果。假设给定训练样本集{ ( x1,y1) ,…,( xl,yl) } ,l为样本数。考虑用非线性回归函数来估计,见式( 2) 。

为了保证回归函数最平坦,必须寻找一个最小的w,为此,采取最小化欧几里德空间的范数。假设所有训练数据( xi,yi) 都可以在精度ε下拟合,那么寻找最小w的问题就可以表示成凸优化问题:

考虑到允许拟合误差的情况,引入松弛因子,回归估计问题转换为最优化问题:

式中,C > 0为惩罚系数,C越大表示对超出ε管道数据点的惩罚越大。

式( 4) 是基于以下的ε不敏感损失函数得出的。该函数表示如下:

求解上述优化问题一般采用对偶理论,可以得到对偶优化问题:

式中

拉格朗日乘子

核函数

回归函数为:

式中,SV表示支持向量( Support Vector) 集合,b依的计算如下:

式中,NSV为标准支持向量( Normal Support Vector)集合,是落在ε管道上的数据。在计算回归函数时并不需要显式计算该非线性函数,而只需计算核函数,从而避免高维特征空间引起的维数灾难问题。核函数的选择必需满足Mercer条件,核函数的种类较多,本文核函数选择RBF函数:

4. 2 电磁铁吸合面支持向量机建模

本文选择u、v、h三个吸合面变量作为支持向量机模型的输入,模型输出为电磁力F。支持向量机采用RBF核函数。σ取0. 9,惩罚系数C取27. 8。全面试验中随机选取200个样本作为测试集。程序在CPU主频为2. 4GHz,内存为1G的计算机上运行了5. 3s。图4为支持向量机模型估计值与实际值比较曲线。图4中实线为实际值,虚线为估计值,训练集均方误差为0. 0019,测试集均方误差为0. 0021。可以看出模型泛化能力好,精度较高,可以满足工程需要。

5 基于遗传算法的吸合面优化设计

遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化算法[19]。

5. 1 优化设计数学模型

( 1) 目标函数

遗传算法优化的目标函数是前文建立的基于支持向量机的吸合面电磁力模型,记为F = svm( u,v,h) 。其中,F为电磁力,svm( ) 表示此模型基于支持向量机,u,v,h为吸合面参数。设计要求是使电磁力最大。

( 2) 约束条件

设计变量约束为:

另外,受到铁心半径限制,u和v还要满足式( 1) 。

5. 2 遗传算法计算步骤

( 1) 编码。本文采用标准二进制编码,根据问题要求精度串的长度取12。

( 2) 生成初始种群和种群尺寸。本文在设计变量的定义域内随机产生,经过试验本文中种群尺寸为40。

( 3) 适应度函数。本文采用基于排序的适应度函数。

( 4) 选择。本文使用随机遍历抽样选择算法。

( 5) 交叉和变异。本文采用两点交叉方法,交叉概率取0. 7,变异概率取0. 2。

( 6) 终止条件判断。假设t为进化代数计数器,T为最大进化代数。若t≤T,,则t←t + 1,转到步骤( 2) ; 若t > T,则以进化过程中所得到的具有最大适应度的个体作为最优解输出,终止运算。文中最大进化代数T取100。

( 7) 约束条件处理。本文选择罚函数法处理约束条件。

5. 3 优化计算和结果

按照遗传算法的计算步骤,对吸合面电磁力模型进行优化设计,优化结果为u = 3. 61mm,v =1. 39mm,h = 31. 9mm,max F = 14. 421N。遗传算法经过100次迭代种群目标值如图5所示,可见种群中大部分个体目标值趋向最优解。最优解和种群均值如图6所示,由于罚函数为 - 500,远大于正常解,所以种群均值上下波动,但最优解收敛。

6 验证

6. 1 仿真验证

将优化吸合面参数u = 3. 61mm,v = 1. 39mm,h = 31. 9mm代入Ansoft的轴对称场模型中,如图7所示,计算电磁力F = 14. 492N,大于原仿真模型的计算电磁力F = 11. 9N。

6. 2 样机验证

按照优化计算结果,对电磁阀进行了二次试制,如图8所示。并在电磁力测试仪上对电磁铁进行了对比测试。

( 1) 电磁力曲线测试仪介绍

电磁力测试仪如图9所示,包括控制箱和主机两部分。其中主机由伺服电机、压力传感器、连杆、底板等设备组成。操作时,先将移动铁心通过连接件与压力传感器连接,电磁铁其他部分固定在底板上,伺服电机带动连杆向上运动,就可以测试出不同行程下的电磁力,并且存储到测试的存储器中。然后,可以在显示屏中读出不同行程下的电磁力。

( 2) 对比测试

采用上述测试仪,按照上述方法对原样品和二次试制样品进行了电磁力测试,在最大行程下的电磁力分别为13. 5N和17. 2N。

( 3) 误差分析

仿真结果和实验结果的误差来自仿真误差和实验误差两方面。实验误差主要由于测试仪主机很难真正调节水平,动铁心实际在电磁铁中不是垂直运动,因此影响了测量结果。仿真误差主要原因为:为了建模和计算方便,仿真模型是对实际原型的简化,并不完全一致; 仿真模型中使用的材料的磁化特性与材料的实际特性不完全相同; 网格划分的质量和大小会影响计算精度,本文采用Ansoft的自适应网格划分。

对比原样品和二次试制样品的仿真和实验结果可以发现,仿真和实验结果存在误差但趋势一致。而且仿真误差分别为13% 和18% ,可以作为工程设计的参考。

7 结论

本文对燃料电池汽车用电磁铁的吸合面进行了优化设计。首先,利用均匀设计的方法在设计空间中选择设计样本,并用有限元方法计算样本数据。然后,利用此样本数据建立了电磁力与吸合面参数的支持向量机模型。最后,采用遗传算法对吸合面的形状和位置进行了优化。通过仿真和样机验证了方法的有效性。

教学设计2电磁铁 篇8

关键词 电磁场与电磁波 教学方法 教学质量

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2014）14-0001-02

《电磁场与电磁波》是高等学校电子信息类及电气信息类专业本科生必修的一门专业基础课，是在大学物理的电磁学部分的基础上，应用高等数学作为工具，进一步研究宏观电磁场的基本规律及分析计算方法，使学生熟悉重要电磁场问题的数学模型的分析计算方法，掌握“场”与“路”这两种既相区别又相联系的思想，具备对简单电磁现象和电磁过程用“场”的观点进行定性分析和判断的能力。本课程的学习，为学生以后从事微波技术、天线、无线通信、电磁兼容等领域的研究打下了必要的基础。

但是该课程是公认的难教难学的课程之一，其理由是：公式繁多、内容抽象。如何激发学生的学习热情，提高学生的学习兴趣，改进教学方法显得尤为重要。

一、课程教学现状及存在的问题

我校电子科学与技术、通信工程、自动化等专业开设了《电磁场与电磁波》这门专业基础课，理论学时为56学时。而本课程理论性比较强，学时略显紧张。

在教学中，存在着以下问题：（1）在教学过程中，教师对某些公式过多地推导，占用大量授课时间，提供给学生的信息量大为减少，引起教学效率低下。（2）本课程理论性强，概念高度抽象且繁多，公式推导多、计算过程复杂，使得教师难以生动形象地讲解，课堂相对枯燥单调，学生难于深入理解课程内容，普遍缺乏学习兴趣。（3）本课程对学生空间想象及数学知识等方面能力有较高的要求，坐标变换、微积分等数学知识的应用更是贯穿整门课程。数学功底不好的学生，尤其容易产生畏惧心理。（4）本课程理论及各种公式的记忆、理解、掌握和具体运用，都有一定的难度，影响了学生学习的积极性。

二、教学方法的探索

1.科学划分教学内容

在课程安排上，从矢量分析入手，使学生掌握矢量代数和矢量微积分，运用矢量分析方法使得公式简明确切，然后采用公理法逐步建立电磁模型，介绍静电场、静磁场，再由时变场得出麦克斯韦方程。在授课中，以大学物理相关理论为基础引出本课程中的知识点。除了电磁场的基本性质和基本规律，授课内容还包括传输线理论及其应用、波导和谐振腔、天线和辐射系统，使学生能应用背景知识理解基本的电磁模型。另外，在课堂上适当地讨论相关的技术应用，如喷墨打印机、极化滤波器、静电屏蔽、多普勒雷达等内容，加深学生对电磁场理论的理解，培养学生解决实际问题的能力。

根据教学计划中的教学内容，将教学知识点进行梳理划分，对于重、难点部分，由教师课堂授课完成；对于拓展型知识点，如相关的技术应用，由教师在课堂上引出，与学生进行少量讨论，主要由学生在课外查找相关资料自主学习完成。例如，静电场中电位函数的边值问题的求解，将知识点划分成不同的层次，分离变量法、直角坐标系中边值问题为讲授型知识点，由教师课堂授课完成，而对于圆柱坐标系中边值问题的求解、球坐标系中的边值问题以及等电位线的描绘为拓展型知识点，由学生课后自主学习完成。

2.多媒体教学与板书相结合

对于这类难教难学的课程，单一的板书教学方法已不能适应教学需求。对于抽象、深奥的问题与概念，采用图文并茂的多媒体课件代替板书，以形象、生动、直观的方式展现，并且用字体、颜色的变化突出教学重、难点，使学生能很快抓住学习的重、难点，从而保证听课效果。对于一些抽象图形，比如行波和驻波的实时变化波形、平面电磁波的传输过程、波导中电磁波的场结构等，很难用语言来准确描述，但结合多媒体手段，如采用Flash动画来进行演示，可以直观而生动地表现出来，激发学生兴趣，提高学习效率。且使用多媒体教学，减少了教师板书的时间，增加了教学信息量，保证了教学进度，提高了教学效率。另外利用多媒体课件可提供一定的课外材料供学生分析，让学生了解理论知识以外的应用知识。

但是，仅仅运用多媒体课件进行全部教学也是不恰当的，多媒体教学加快了教学速度，留给学生消化理解的时间减少，导致学生不能很好地进行理解。且较多知识点涉及复杂数学推导及计算，如果只在课件上播放，学生很难跟上教师思路，影响教学效果。而板书教学使学生容易跟上教师思路，更好地参与课堂学习。所以，单纯的板书或多媒体教学都不是理想的教学手段，只有适当的板书教学配合形象生动的多媒体展示，才能达到最佳的教学效果。

3.理论与应用实例相结合

《电磁场与电磁波》是一门专业基础课程，内容抽象、理论性强。学生在学习过程中，会觉得理论与应用脱节，没有学习兴趣。事实上电磁场理论有广泛的应用背景，尤其是通信、军事等领域。因此，在课堂授课中教师可以增加与理论密切相关的应用背景知识，列举一些工程实践和日常生活中电磁理论应用的实例，激发学生的学习兴趣，培养逻辑思维与创新思维。如磁悬浮列车为什么会悬浮，微波炉中为什么不能用金属碗，隐形飞机为什么会隐身，以及静电复印工作原理、医学中的微波治疗、磁共振成像技术等，使学生充分认识到本课程的重要性，提高学习的主动性。但课堂上教师提出的实例，要与课堂所学理论内容有所关联，且应用实例的讨论不可过多，以免压缩正常授课内容。通过学生自由讨论之后，教师适时进行点拨，再进一步结合课堂教学知识点进行归纳讲解，强化所学内容，使学生更好地理解和记忆所学内容。

4.采用多种教学方式

教师应该采用多种教学方式吸引学生注意力，如使用启发式教学，适时地向学生提出一些问题，引起学生的思考。在设计问题时，应该设计能够使学生思考的问题，而不是简单的是非判断题。例如，在提到旧知识点时，可以向学生提出问题，使学生回忆学习过的内容，查漏补缺。教学时可以设置探究式问题，引导学生分析和解决问题，培养学生的自主思考及创新能力。提及拓展型的应用实例时，教师先启发学生进行思考，激发学生的求知欲，让学生自由讨论，然后加以提示进一步启发。同时，教师提问的过程，也是师生交流互动的过程，通过观察学生的回答，把握学生的学习掌握情况，及时调整教学进度，从而提高教学质量。endprint

传统的教学为填鸭式教学，偏重教师讲授，课堂气氛单调。我们可以尝试开展互动式教学，以教师讲授为主，穿插学生讲课及自由讨论等形式，更多的让学生参与到教学中。课堂上鼓励学生勇于提问，对课本上的例题可采用学生先进行讨论，再让学生讲解，最后教师进行点评的方法。或者对于小部分课程内容，由部分学生主讲，再由教师点评及总结归纳。每一章学习结束后，可让学生分组讨论，总结归纳所学重难点，写出自己的学习笔记。这些措施充分地培养了学生的独立思考能力以及分析、解决问题的能力，激发了学生学习热情。

在课堂教学中，我们还要注意讲授的形象生动以及类比法的应用。例如讲解方向导数和梯度的概念时，教材中定义梯度幅度为标量的空间最大变化率，方向为标量增加率最大的方向。如果直接按照书上讲解，学生会觉得概念抽象。但如果换种方式，将生活中常见现象联系起来，学生就比较容易理解，如可以使用山这个例子来讲梯度的概念，最陡的方向就类似于梯度。教学时，抓住新旧知识的连接点，巧妙运用类比，使学生更好地理解所学知识，避免概念上的混淆。比如静电场与恒定电场、静电场与恒定磁场、麦克斯韦方程组中的时变电场和时变磁场，都存在可类比的地方。而对于小的知识点，比如矢量的点积和叉积，散度和旋度，也都有类比的地方。通过类比，可加强学生对课程内容的掌握。

5.运用网络做好课后辅导工作

在高校教堂教学以外，教师很难见到学生，难以确切掌握学生的学习状态。为了让学生更好地掌握所学知识，除了固定时间地点面对面答疑，还可利用网络进行即时的课后辅导工作，将网络教育与课堂教育有机地融合起来。当学生在学习中有疑问时，可采用电子邮件或QQ等交流方式，即时与教师进行沟通，寻求帮助。教师还可以建立QQ群，与学生进行课后的互动交流，学生也可将问题在QQ群中提出来大家一起讨论。教师可以建立与课程相关的网站或博客，将授课的课件、动画演示、拓展资料等挂在网上，激发学生的学习热情，方便学生课前预习和课后复习。同时积极引导学生利用网络资源了解学科发展的最新动态以及热点问题，进行自主的探究式学习。借助于网络，将师生之间、学生之间的互动从课堂上拓展到课堂下。

6.建立多元评价机制

在学生的成绩考核中，可以将平时成绩按一定比例纳入总的成绩计算中。在平时成绩中，除了学生的考勤分、课后作业分以外，还要将课堂成绩作为额外的分数进行考核。比如在课堂上积极回答问题，讲解例题的同学可以适当加分作为奖励，这样可以提高学生学习的积极性。

参考文献：

[1]周希朗，何广强，王君艳，李旭光.浅谈“电磁场”平台课的教学改革与实践[J].电气电子教学学报，2012，（3）.

[2]吕芳.启发式教学在电磁场与微波技术中的应用[J].长春理工大学学报（高教版），2009，（1）.

[3]吕文俊，徐立勤.“电磁场数学方法”课程中的类比教学法[J].电气电子教学学报，2010，（5）.

[4]代秋芳，刘洪山，代芬，谢家兴，罗霞，赵懿琨.情感教育在《电磁场与电磁波》课程教学中的应用[J].武汉大学学报（理学版），2012，（10）.