1、3含戎虧針隊(duì)社 WUL 1 1 選修 第一章電磁感應(yīng) 1.電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn).2 2.感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件.6 3.法拉第電磁感應(yīng)定律.8 4.楞次定律 5電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒18 L 6.自感. . . . . .22 7.渦流(選學(xué)).25 本章小結(jié). . . . . . . . . .劊 習(xí)題. . . . . . . ,. . . . .29 第二章交變電流 1.交變電流.32 2.描述交流電的物理量.35 3.示波器的使用.39 4.電容器在交流電路中的作用.42 5.電感器在交流電路中的作用.45 6.變壓器.47 7.電能的輸送.52 本章小結(jié).恬 習(xí)題.57 第三章傳感器 1.

2、傳感器. .60 2.溫度傳感器和光傳感器.63 3.生活中的傳感器.68 4.簡(jiǎn)單的光控和溫控電路(選學(xué))72 本章小結(jié).78 習(xí)題.79 附錄中英文索引.80 .二國(guó) 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件 法控第電磁感應(yīng)定律 楞次定律 電磁感應(yīng)申的能量轉(zhuǎn)化與守恒 .自感 .渦流(選學(xué)) 在法拉第多產(chǎn)生涯中這一最重大的偉大發(fā)現(xiàn)不僅改變了人 類對(duì)自然世界的觀點(diǎn)，而且還通過新技術(shù)推進(jìn)了人類的文明. 隨著時(shí)間的推移，電與磁相互滲透在稱之為電磁學(xué)的學(xué)科中. 很快，由在強(qiáng)大的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)巨大的線圈所制成的發(fā)電機(jī)在龐 大蒸汽機(jī)推動(dòng)下，產(chǎn)生的電流給世界帶來了光明、從而引起了 一場(chǎng)新的技術(shù)革命. 一一引自力學(xué)以

3、外的世界 2 有mt1f爹-L 法拉第(M.Faraday , 1791一1867) i牛J.，、資料 科拉頓的遺憾 在磁生電的歷史性探索 中，最遺憾的算是瑞士科學(xué)家 科拉頓(Oaniel Colladon, 1802 一1893)了1825年，他做了 一個(gè)原本是可以發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng) 現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，但遺憾的是他卻 將這個(gè)機(jī)會(huì)錯(cuò)過了他把磁鐵 插入一個(gè)線圈，用放在導(dǎo)線旁 的小磁針的偏轉(zhuǎn)來顯示閉合的 線圈中是否會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流， 但是為了避免磁鐵影響小磁針 的偏轉(zhuǎn)，他卻小心地把小磁針 放在隔壁的房間里了科拉頓 萬萬沒想到，在他將磁鐵插入 線圈中和從線圈中取出的一剎 那，磁生電現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)生了，只 是當(dāng)他跑到隔

4、壁房間時(shí)，看到 的卻是靜止在原來位置上的小 磁針，這就是著名的 遺憾 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 1820年，奧斯特從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，引起 了科學(xué)界廣泛的關(guān)注形成了對(duì)電磁現(xiàn)象研究的熱潮.安 培(Andre Marie Ampere , 1775一1836)、畢奧(Jean-Baptiste Biot, 1774-1862)、薩伐爾(Felix Savart, 1791-1841) 等人相繼在電磁學(xué)研究上取得了卓越成果.不少物理學(xué)家 根據(jù)對(duì)稱性的思考提出，既然電能產(chǎn)生磁，是否也存在逆 效應(yīng)，即磁產(chǎn)生電呢?在這種思想推動(dòng)下，安培等人曾做 過不少實(shí)驗(yàn)，但都沒有取得什么結(jié)果. 1821年，法拉第正在進(jìn)行

5、化學(xué)研究，他的導(dǎo)師要求他 撰寫一篇文章，綜述電磁學(xué)研究進(jìn)展的概況.在收集資料 的過程中，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)領(lǐng)域不僅成果豐碩，而且意義非凡， 這激發(fā)起法拉第對(duì)磁生電這一重大課題研究的巨大熱 情，使他把注意力轉(zhuǎn)移到這方面的研究中. l電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn), 為了實(shí)現(xiàn)磁生電的理想，法拉第經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)10年 的探索，終于獲得了成功.1831年8月29日，法拉第設(shè)計(jì)了 一個(gè)新實(shí)驗(yàn):他在一個(gè)軟鐵環(huán)上繞了兩個(gè)線圈，一個(gè)與電池 相連，另一個(gè)線圈旁邊放置一個(gè)檢測(cè)電流的裝置(圖1-1-1). 他發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池被接通時(shí)，小磁針產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)，但不久又回 復(fù)到零;當(dāng)線圈與電池?cái)嚅_時(shí)，小磁針向反方向偏轉(zhuǎn)，隨即 又回復(fù)到零.他敏銳地抓住這個(gè)

6、短暫的電流，立刻意識(shí)到 過去失敗的原因在于一直在穩(wěn)定的磁場(chǎng)中去尋找電流.法 拉第走出了這個(gè)誤區(qū)，接下來進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了磁 生電現(xiàn)象的存在. 1831年11月24日，他向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交了一篇論 文，報(bào)告了他的重大發(fā)現(xiàn).論文中將磁生電的現(xiàn)象分 為五類:( 1 )變化中的電流;(2)變化中的磁場(chǎng);(3)運(yùn)動(dòng) 中的恒定電流;(4)運(yùn)動(dòng)中的磁鐵;(5 )運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)線.他 把這些現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)(electromagnetic indu- ction ).由電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流(induction cuent ). 叫電嗣應(yīng)加拿發(fā)現(xiàn)及其對(duì)社會(huì)發(fā)展的意義r 法拉第在發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流之后

7、，通過大量的實(shí)驗(yàn)，又歸 納總結(jié)出電磁感應(yīng)的規(guī)律，并發(fā)明了人類歷史上第一臺(tái)感 應(yīng)發(fā)電機(jī). 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使人們發(fā)明了發(fā)電機(jī)，把機(jī)械能轉(zhuǎn) 化成電能，從而大規(guī)模地利用煤和石油內(nèi)部蘊(yùn)藏的化學(xué)能 和風(fēng)力、水力資源中蘊(yùn)藏的機(jī)械能;電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使 人們發(fā)明了變壓器，解決了電能遠(yuǎn)距離傳輸中能量大量損 耗的問題，滿足了實(shí)際生產(chǎn)、生活中的各種需要;電磁感 應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使人們制造出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，反過 來把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能.這樣，電磁感應(yīng)就為發(fā)電、輸電 和用電等技術(shù)創(chuàng)新全面地提供了條件，使人類邁進(jìn)了電 氣化時(shí)代. 電磁感應(yīng)還被廣泛地應(yīng)用于各種電路控制器件制造、 傳感器電子技術(shù)和信息技術(shù)之中，為生產(chǎn)、生活

8、和科研等 各個(gè)領(lǐng)域的電氣化、自動(dòng)化、信息化奠定了基礎(chǔ). 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，是繼牛頓發(fā)現(xiàn)天上、地上物體之間 運(yùn)動(dòng)互相聯(lián)系之后的又一偉大發(fā)現(xiàn).這一發(fā)現(xiàn)，對(duì)于人們 認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界及其統(tǒng)一性，在科學(xué)思想和科學(xué)方法的發(fā)展 和創(chuàng)新等方面，有著深刻的意義.同時(shí)，電磁感應(yīng)發(fā)現(xiàn)的 漫長(zhǎng)曲折過程有著寶貴的哲學(xué)意義，它告誡、啟發(fā)人們應(yīng) 該以聯(lián)系和變化的觀點(diǎn)去認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界. 法拉第在研究電磁感應(yīng)等電磁現(xiàn)象中，從磁性存在的 空間分布逐漸凝聚出場(chǎng)的科學(xué)創(chuàng)新思想，而電磁感應(yīng) 暗示著變化的磁場(chǎng)可產(chǎn)生電場(chǎng).在此基礎(chǔ)上，麥克斯韋建 立了電磁場(chǎng)理論，并預(yù)言了電磁波的存在，從而為信息時(shí) 代的到來奠定了基礎(chǔ). 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)物理學(xué)和

9、現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展作 出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)，而且對(duì)整個(gè)現(xiàn)代文明的發(fā)展有著深 刻的影響. 罔1-1-1法拉第做實(shí)驗(yàn)N川過的 線罔 物理學(xué)與其他自然科學(xué)一 樣，必須以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)如 何才能取得精確、真實(shí)的實(shí)驗(yàn) 事實(shí)呢?除了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn) 儀器的制作和選擇外，非常重 要的就是堅(jiān)持不懈地反復(fù)實(shí)驗(yàn) 法拉第之所以能夠發(fā)現(xiàn)電磁感 應(yīng)定律與其堅(jiān)持不懈、鎮(zhèn)而不 舍地反復(fù)實(shí)驗(yàn)密切相關(guān) m11爹- 課外閱覽 G與小資料 法拉第的電流計(jì) 法拉第時(shí)代的電流計(jì)并不像我們現(xiàn)在使用的電流表這樣小巧方便，圖 1-1-2中是一個(gè)例子，用小磁針作為 指針，為了抵消地磁場(chǎng)的影響，在一 根直桿兩端各固定一個(gè)小磁針，讓兩 者磁極方向相反圖(a

10、 )將這個(gè)用 兩個(gè)小磁針制作的裝置懸掛在一條線 上，使得下端的磁針受電流的磁場(chǎng)力 的作用后可以發(fā)生偏轉(zhuǎn)下端的磁針 恰好置于兩只線圈中間圖(b )，將 線圈接入待測(cè)電路，一旦線圈有電流 通過，磁針便受力偏轉(zhuǎn)，同時(shí)懸線產(chǎn) 生扭力矩，最后磁針停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并保 持靜止這時(shí)扭力矩與磁場(chǎng)力的力矩 平衡.由此，根據(jù)磁針轉(zhuǎn)過角度的大 小，可以得出電流的大小 展具J回 杰出的物理學(xué)家法拉第 ( a) ( b ) 圖1-1-2法拉第的電流計(jì) 法拉第出生于倫敦郊區(qū)的一個(gè)貧窮家庭，少年時(shí)失學(xué)，1804年進(jìn)印刷廠當(dāng)童工，利用工 作中裝訂書籍的機(jī)會(huì)學(xué)到不少科學(xué)知識(shí).業(yè)余時(shí)間，他用省吃儉用的錢購(gòu)買器具，動(dòng)手做實(shí) 驗(yàn).1812

11、年，法拉第得到一次機(jī)會(huì)，到當(dāng)時(shí)英國(guó)著名化學(xué)家戴維的實(shí)驗(yàn)室做些洗刷瓶子之類 的工作. 1813年，22歲的法拉第正式當(dāng)上了戴維的助手，進(jìn)入了他夢(mèng)寐以求的科學(xué)殿堂.1816 年到1819年，他進(jìn)行獨(dú)立的化學(xué)研究并取得了一些成果，成為小有名氣的化學(xué)家.在電磁感 應(yīng)定律發(fā)現(xiàn)以前，人們進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以依賴的電源只能是伏打電池，而伏打電池一對(duì) 電極間只能提供不足1V的電壓，這就從根本上限制了電能的實(shí)際應(yīng)用. 1820年，奧斯特關(guān)于電流磁效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，在英國(guó)物理學(xué)界引起強(qiáng)烈的反響.法拉第對(duì)這 一發(fā)現(xiàn)非常重視，并于1822年開始積極投入電磁現(xiàn)象的研究.通過對(duì)電流磁效應(yīng)的仔細(xì)分 析，法拉第提出一個(gè)問題:既然電

12、流能產(chǎn)生磁效應(yīng)，那么，反過來磁能否產(chǎn)生電流?從此， 法拉第開始了磁生電的科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作 法拉第經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)10年的實(shí)驗(yàn)、失敗、再實(shí)驗(yàn)，終于在1831年夏取得了突破性的進(jìn)展. 1831年8月29日到同年10月17日，法拉第進(jìn)行了一系列基于磁場(chǎng)變化或?qū)w相對(duì)于磁場(chǎng) 運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流的實(shí)驗(yàn)，這時(shí)法拉第已經(jīng)十分清楚，他用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了感應(yīng)電流的存在.11月 24日，他向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交了一篇論文，報(bào)告了他的重大發(fā)現(xiàn)，并把這些現(xiàn)象正式定名為 電磁感應(yīng) 麥克斯韋對(duì)法拉第所做工作的一段論述使我們深受啟發(fā): 勇-m哩IJHWs1皿 在他(法拉第)發(fā)表了的研究報(bào)告中，我們發(fā)現(xiàn)這些觀念是以一種更適合于一門正在 形成中的科學(xué)的

13、語言表達(dá)的. 法拉第既告訴我們他成功的經(jīng)驗(yàn)，也告訴我們他不成功的經(jīng)驗(yàn);既告訴我們他正確的 想法，也告訴我們那些不成熟的想法.在歸納能力方面遠(yuǎn)不及他的讀者，感到的共鳴甚至多 于欽佩，并且會(huì)引起這樣一種信念:如果自己有這樣的機(jī)會(huì)，那么也將會(huì)成為一個(gè)發(fā)現(xiàn)者 在長(zhǎng)達(dá)42年(1820 -1862)的科學(xué)生涯中，法拉第堅(jiān)持每天寫科學(xué)日記，對(duì)當(dāng)天的實(shí) 驗(yàn)情況作詳細(xì)記錄，既記錄了成功，也記錄了失敗.他把這些日記遺贈(zèng)給皇家研究院，為紀(jì) 念他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律100周年，后人將他的日記整理后，于1932年出版.全書共七大卷， 3236頁，這是他留給人類的一筆寶貴的思想財(cái)富，其中三大卷電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究成為電磁 學(xué)史上的

14、鴻篇巨著. 除電磁感應(yīng)之外，法拉第的學(xué)術(shù)成就還包括在電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電的同一性、電荷守恒、 電介質(zhì)、順磁性和抗磁性、磁光效應(yīng)以及電解定律等許多方面他是19世紀(jì)偉大的物理學(xué)家 和哲學(xué)家.之所以如此，除了個(gè)人的非凡才能和執(zhí)著精神外，造就他深邃洞察力、豐富直覺 和巧妙物理構(gòu)思的是一種基本的科學(xué)信念，這就是關(guān)于自然力統(tǒng)一的思想和近距作用觀點(diǎn)的 場(chǎng)論思想.他的實(shí)驗(yàn)研究都是在尋找聯(lián)系，尋求統(tǒng)一解釋.他努力尋找電與磁、電磁場(chǎng)與物 質(zhì)、電磁能與機(jī)械能之間可能的相互影響，并試圖提供統(tǒng)一的解釋.他還曾經(jīng)尋找電與光、 磁與光之間的種種聯(lián)系，有一些雖沒有重要結(jié)果，但后來卻被證實(shí)是正確的.法拉第的一生 是在自然力統(tǒng)一的

15、思想指引下探索自然奧秘的一生. 法拉第在物理和化學(xué)領(lǐng)域取得的具有重大影響的成果有十多項(xiàng).其中關(guān)于場(chǎng)的概念的 提出，可以說是他最杰出、最重要的貢獻(xiàn).而且，他還利用鐵屑巧妙地描繪出了磁場(chǎng)的形象. 1831年，發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)后，法拉第的聲名享譽(yù)國(guó)內(nèi)外，數(shù)不清的花環(huán)與榮譽(yù)撲面而來. 但所有這些，一點(diǎn)也沒有改變法拉第的生活方式與思想習(xí)慣.他依然像當(dāng)年那個(gè)學(xué)徒工那樣 為人質(zhì)樸，待人誠(chéng)懇，過著儉樸的生活，全心全意地把畢生精力和聰明才智奉獻(xiàn)給社會(huì).成 名之后，他熱心主辦通俗的科學(xué)講座，希望科學(xué)能像當(dāng)年在他心中激起崇高的理想那樣，被 一代代傳承下去. 法拉第在一生的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，始終表現(xiàn)出堅(jiān)忍不拔的精神和嚴(yán)謹(jǐn)求

16、實(shí)的科學(xué)態(tài)度， 他認(rèn)為做實(shí)驗(yàn)就好像是與自然的直接對(duì)話，因此，做起實(shí)驗(yàn)來總是以特有的執(zhí)著和忘我精神， 廢寢忘食，百折不撓.有一次在實(shí)驗(yàn)中試管爆炸，傷到了眼睛，他纏上紗布仍舊繼續(xù)做實(shí)驗(yàn). 1867年8月25日，法拉第在倫敦與世長(zhǎng)辭.1)各終前，他囑咐喪事從簡(jiǎn)，不立紀(jì)念碑，表 現(xiàn)了一個(gè)科學(xué)家的崇高精神. 法拉第是不朽的! m罵:扮理在錢 通過上網(wǎng)查詢等方式收集資料. 1.了解1822年到1831年，還有哪些科學(xué)家在尋找感應(yīng)電流的活動(dòng)中進(jìn)行了比較有成效 的工作.了解機(jī)遇是怎樣來到了他們身邊，卻又擦肩而過的. 2.了解法拉第是怎樣走進(jìn)科學(xué)世界的.作為一個(gè)科學(xué)家，他的性格和科學(xué)思想有什么 特點(diǎn)? I) (

17、 a)閉合電路的部分導(dǎo)體在磁飯問左 右運(yùn)動(dòng) (b)閉合電路的部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中k 下運(yùn)動(dòng) 圖1-2-1導(dǎo)體在磁場(chǎng)巾運(yùn)動(dòng) 圖1-2-2 感應(yīng)電流產(chǎn)件 學(xué)了上一節(jié)內(nèi)容后，你是否想過:感應(yīng)電流的產(chǎn)生需 要什么條件?感應(yīng)電流和哪些因素有關(guān)?現(xiàn)在就讓我們跟 隨法拉第的足跡探討產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件. li便蓋率寶座場(chǎng)明白雪憤感線的運(yùn)動(dòng), p咐實(shí)驗(yàn)探究 如圖1-2-1所示，導(dǎo)體礎(chǔ)和電流計(jì)連接成閉合回路.如 圖(a)、(b )所示，當(dāng)導(dǎo)體b在磁場(chǎng)中分別垂直于磁感線 與沿著磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察電流計(jì)指針的擺動(dòng)情況，說明什 么情況下能產(chǎn)生感應(yīng)電流. 實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割 磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，電路中有

18、感應(yīng)電流產(chǎn)生 ;望通過閉臺(tái)回路的磁場(chǎng)發(fā)生變化, 在法拉第的有些實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)體并沒有做切割磁感線的 運(yùn)動(dòng)，但閉合電路中出現(xiàn)了感應(yīng)電流.讓我們模仿法拉第 的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行探究. J咐實(shí)驗(yàn)探究 如圖1-2-2所示，螺線管B套在螺線管A外邊，塔、線 管A經(jīng)過滑動(dòng)變阻器和開關(guān)與電池相連構(gòu)成直流電路;螺 線管B接電流計(jì)構(gòu)成閉合電路.進(jìn)行以下操作并觀察電流 計(jì)指針擺動(dòng)的情況. 1.接通開關(guān). 2.開關(guān)閉合后，電流穩(wěn)定. 3.斷開開關(guān). 4.在開關(guān)閉合的情況下，分別以不同的速度推動(dòng)滑動(dòng) 變阻器的滑動(dòng)片- 5.改變螺線管B的臣數(shù)，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn). 6.將螺線管A放在螺線管B的正上方，并使兩者的軸 線互相垂直.重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)

19、. 將觀察結(jié)果填入下表 觀察 操作 開關(guān)接通瞬間 也流穩(wěn)定 開關(guān)斷開瞬間 滑動(dòng)片快速推動(dòng) 滑動(dòng)片緩慢推動(dòng) 螺線管BII.數(shù)少 |c產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件, 鏟討論交流 1.上述實(shí)驗(yàn)中并沒有導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線 的運(yùn)動(dòng)，但在接通或斷開電源的瞬間，B線圈卻出現(xiàn)感 應(yīng)電流，這說明了什么? 2.當(dāng)開關(guān)閉合后，A線圈電流穩(wěn)定時(shí)，B線圈中也 存在磁場(chǎng)，但不出現(xiàn)感應(yīng)電流，這說明了什么? 3.同樣的磁場(chǎng)變化，線圈的臣數(shù)多、就能產(chǎn)生明 顯的電流，而兩個(gè)線圈相互垂直放置時(shí)不能產(chǎn)生感應(yīng)電 流，這又說明了什么? 概括以上三種情況，可以看出:感應(yīng)電流的產(chǎn)生，不 在于閉合回路所在處的磁場(chǎng)，而在于穿過閉合回路磁感線 條數(shù)的

20、變化，即磁通量的變化. 當(dāng)磁場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)，通過線圈B的磁通量不發(fā)生變化，那 么在此回路中就不會(huì)有感應(yīng)電流.在圖1-2-l(a)的實(shí)驗(yàn)中， 磁場(chǎng)是穩(wěn)定的，但在導(dǎo)線切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過回路bcd 的磁通量發(fā)生變化(圖1-2-3)，回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流. 看來磁通量的變化才是產(chǎn)生感應(yīng)電流的關(guān)鍵. 大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)， 這個(gè)閉合電路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生. 劇團(tuán)，一 圖1-2-3 G 遠(yuǎn)修3-2 練習(xí)與評(píng)價(jià) 1.在圖1-2-4所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一個(gè)線國(guó)保持線圄平面垂直于磁感線，當(dāng)線圈在磁 場(chǎng)中上下運(yùn)動(dòng)時(shí)圖(a )，是否會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流?當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中左右運(yùn)動(dòng)時(shí)圖 ( b )

21、，是否會(huì)在線圈中引起感應(yīng)電流?如果線圈繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)圖(c汀，是否會(huì)在線圈中產(chǎn) 生感應(yīng)電流?為什么? 口2 x x xxx xxxx xx x xx xxx xx (a) ( b ) ( c ) 圖1-2-4線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的幾種運(yùn)動(dòng) 圖1-2-5線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中通過 匹 法拉第電磁感應(yīng)定律 D 圖1-2-6 1 2至 2.如圖1-2-5所示，讓閉合線圈由位直l勻速通過一個(gè)勻強(qiáng)磁 場(chǎng)運(yùn)動(dòng)到位直2.線圈在運(yùn)動(dòng)過程中，什么時(shí)候有感應(yīng)電流，什么 時(shí)候沒有感應(yīng)電流?為什么? 3.圖1-2-6為生產(chǎn)中常用的一種延時(shí)繼電器的示意圖.鐵芯上 有兩個(gè)線圈A和B.線圈A跟電源連接，線圈B的兩端接在一起， 構(gòu)成一個(gè)

22、閉合電路.在斷開開關(guān)S的時(shí)候，彈簧K并不能立即將銜 鐵D拉起，使觸頭C立即離開，而是過一小段時(shí)間后觸頭C才能離 開.延時(shí)繼電器就是這樣得名的.試說明這種繼電器的原理. ll1感應(yīng)電動(dòng)窮二 討論交流 吃? 我們知道，在閉合電路中要形成電流，必須有電源 電動(dòng)勢(shì)存在.在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中出現(xiàn)了感應(yīng)電流，是否 也該有相應(yīng)的電源電動(dòng)勢(shì)呢? 王 穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化，閉合電路中就會(huì) 產(chǎn)生感應(yīng)電流，這說明電路中一定存在一種電動(dòng)勢(shì).由電磁 感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(induction electromotive force ). 閉合電路中電流的大小由電源電動(dòng)勢(shì)和電路的電阻決 定.當(dāng)閉合電路中的電阻

23、一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大感應(yīng)電流 也越大.所以感應(yīng)電流的強(qiáng)弱，可以反映感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小. 在上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)中，我們用不同的速度移動(dòng)滑動(dòng)變阻 器的滑動(dòng)片，讓線圈A中的電流分別快速和緩慢地改變，可 以觀察到當(dāng)線圈A中的電流變化快，即穿過線圈B的磁通量 變化快時(shí)，線圈B中的感應(yīng)電流就大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也越大. 因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化快慢有關(guān). lO法控第電磁感應(yīng)定律 鏟討論交流 怎樣定量地表示穿過電路的磁通量變化的快慢呢? 回憶怎樣描述運(yùn)動(dòng)的快慢以及速度變化的快慢，說 說你的見解，你有什么新的發(fā)現(xiàn)? 設(shè)在一定的時(shí)間.t之內(nèi)穿過電路磁通量的變化為 A，則比值A(chǔ)/.t就能說明磁通量的變化快慢，這個(gè)比

24、 值叫做磁通量的變化率，數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)磁通量的 變化量. 精確的實(shí)驗(yàn)表明:電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過 這個(gè)電路的磁通量的變化率成正比，這就是法拉第電磁感 應(yīng)定律(Faraday law of electromagnetic induction ). 設(shè)t，時(shí)刻穿過閉合電路的磁通量為餌，t2時(shí)刻穿過閉 合電路的磁通量為吧，則在時(shí)間At=t2-tl內(nèi)磁通量的變化 A 量為A=2一l磁通量的變化率為 XJ 設(shè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 為E，則有 A E=k一 .t 其中k為比例常數(shù).在國(guó)際單位制(sI)中，E的單位是伏 費(fèi)宰白白白Z 噸王田Z白ill! 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象里，不管 電路是否閉合，只要穿過電路

25、 的磁通量發(fā)生變化，電路中就 有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如果電路是閉 合的，就有感應(yīng)電流如果電路 是斷開的，則不會(huì)形成感應(yīng)電 流，但感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)仍然存在 1、實(shí)驗(yàn)定性說明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 大小因素 2 、磁通變化率 3、法拉第電磁感應(yīng)定律 4、切割感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 5、磁場(chǎng)變化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 6 、電磁感應(yīng)中安培力大小 7 、電磁感應(yīng)中安培力功率 1 0 ) H主在ll.一 閣1-3-1導(dǎo)線切割磁感線 1 - - 1 - -_ J14 B 圖1-3-2導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度不垂直 于磁場(chǎng)方向 特(V)，的單位是韋伯(Wb)，t的單位是秒(s )，比例 常數(shù)k=1，則上式可寫成 E一生些 - !.t 在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較大的感應(yīng)電動(dòng)

26、勢(shì)，常常采 用多臣線圈. 設(shè)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的線圈有n臣，且穿過每臣線圈的磁 通量變化率都相同，由于nffi線圈可以看成是n個(gè)單臣線圈串 聯(lián)而成，因此整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是單匣線圈的n倍，即 E=n!. =n-一- !.t 導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ?；顒?dòng) 如圖1-3-1所示，矩形金屬線框bcd處于磁感應(yīng)強(qiáng)度 為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線框平面跟磁感線垂直，ab邊以速度 U在線框平面上向右運(yùn)動(dòng).設(shè)cd的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，在M時(shí)間內(nèi)b 邊由原來位置移到ab ，試根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律求出 導(dǎo)線切割磁感線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). A 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E=一一，我們可以得到閉合 !.t 電路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E

27、=BLv 當(dāng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度的方向與磁場(chǎng)方向有一夾角(圖1-3- 2 )時(shí)，我們可以將速度分解為垂直和平行于磁場(chǎng)方向的兩 個(gè)分量，平行的分量不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，垂直分量為ui= vsm，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 E=BLvsin 在國(guó)際單位制(SI)中，以上兩式中E、B、L、U的單 位分別是伏特(V)、特斯拉(T)、米(m)和米/秒(m/s). I一-Ei2-Emi田理 例題在圖1-3-1中，設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B= O.2T, 光滑導(dǎo)軌的寬度L= 0.30m，電阻R= 0.50 n (線框電阻 不計(jì))，向右勻速運(yùn)動(dòng)的速度v= 5.0 m/s，求: ( 1 )感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小;(2)感應(yīng)電流的大小;(3

28、 )為 使導(dǎo)體棒b保持向右勻速運(yùn)動(dòng)的外力大小;(4)外力做功 的功率;(5)感應(yīng)電流的功率. 解( 1 )感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E= BLv = 0.20 x 0.30 x 5.0 V = 0.30 V: E 0.30 ( 2 )感應(yīng)電流1=一=一=-:_A = 0.60A; R 0.50 ( 3 )因?yàn)閷?dǎo)體棒勻速運(yùn)動(dòng)，故外力與安培力平衡，所 以外力大小為F= ILB = 0.60 x 0.30 x 0.20N = 0.036N ; ( 4 )外力做功的功率P外 =Fv = 0.036 x 5.0W = 0.18W; ( 5 )感應(yīng)電流的功率P咆=J2R = 0.602 X 0.50W = 0.18W.

29、想一想，為什么外力做功的功率P外會(huì)等于感應(yīng)電流的 功率P?改變題中條件，能使這兩個(gè)功率不相等嗎? 練習(xí)與評(píng)價(jià) 1.在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.4T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，長(zhǎng)度為25cm的導(dǎo)線以6m/s的速度做切割磁 感線的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向跟導(dǎo)線本身垂直，也跟磁感線垂直.求導(dǎo)線上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 2.有一個(gè)1000臣的線圈，在0.4s內(nèi)穿過它的磁通量從0.02wb增加到0.09Wb，求 線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).如果線圈的電阻是10n，把它跟一個(gè)電阻值為990n的電阻串聯(lián)組成 閉合電路時(shí)，通過該電阻的電流是多大? 3.下面幾個(gè)計(jì)算磁通量變化的公式，分別對(duì)應(yīng)什么情形，請(qǐng)加以說明. ( 1 ) Ll= L 2 LlB或A=L,L

30、2LlB (2)Ll=r 2LlB (3)Ll=BLILl t (4 )皿卡r 2M 4.設(shè)人造地球衛(wèi)星在赤道平面上繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，它的金屬表面是否會(huì)由于地 磁場(chǎng)的感應(yīng)而產(chǎn)生電流?如果它是繞通過南北極的平面運(yùn)轉(zhuǎn)，情況又怎樣?如果有感應(yīng)電流， 又會(huì)對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)行發(fā)生什么影響?(忽略磁偏角的影響) 5.磁通量變化率的單位為Wb/s，電動(dòng)勢(shì)的單位為V試證明:1Wb/s = 1V 4 AE , ， E飛、 面-LP研J:I蓮范1(爹-之 12 式展j閉 課外閱覽 法拉第圓盤發(fā)電機(jī) 獲得感應(yīng)電流之后，法拉第進(jìn)一步思考的問題是:如何 用持續(xù)旋轉(zhuǎn)的方法產(chǎn)生穩(wěn)定電流.1831年10月28日，他做 了一個(gè)旋

31、轉(zhuǎn)銅盤實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)原理如圖1-3-3所示.圖中N、 S表示大磁鐵的兩極，D為法拉第制備的銅圓盤，它可以繞軸 在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn).實(shí)驗(yàn)時(shí)，他在一個(gè)電流計(jì)的兩 個(gè)接線柱上接上兩個(gè)電刷，當(dāng)銅盤旋轉(zhuǎn)起來后，將兩個(gè)電刷 分別放在銅盤的各個(gè)部位，以測(cè)定產(chǎn)生感應(yīng)電流的最佳位置. 經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，法拉第發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生的最佳位直在由圓盤心 到邊緣的半徑上，只要圓盤保持恒速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電流就一 直是穩(wěn)定不變的. 法拉第所利用的正是直流發(fā)電機(jī)的原理，他的實(shí)驗(yàn)裝直 也就是人類的第一臺(tái)直流發(fā)電機(jī). 磁帶錄音機(jī) 磁帶錄音機(jī)是電磁感應(yīng)應(yīng)用的一個(gè)例子，它主要由磁帶、 話筒、錄放磁頭、放大電路、揚(yáng)聲器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成.

32、普通的磁帶是由氧化鐵粉嶄合在塑料薄膜帶上制成的. 錄音機(jī)的錄、放原理如圖1-3-4所示.錄音和放音磁頭都是一 個(gè)開有微小縫隙的電磁鐵.錄音時(shí)，話筒把聲音的振動(dòng)轉(zhuǎn)換 成音頻電流.音頻電流經(jīng)放大電路放大，進(jìn)入錄音磁頭的線 圈中，在磁頭的縫隙處產(chǎn)生隨音頻電流變化的磁場(chǎng).磁帶緊 圖1-3-3法拉第圓盤實(shí)驗(yàn) 了工b (a)錄音原理 貼著磁頭縫隙移動(dòng)，磁帶上的磁粉層被磁化，在磁帶上就記磁帶 錄下聲音的磁信號(hào). 放音是錄音的逆過程.放音時(shí)，磁帶緊貼著放音磁頭的 縫隙通過，磁帶上變化的磁場(chǎng)使放音磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電 (b)放音原理 圖1-3-4 流，感應(yīng)電流的變化踉記錄下來的磁信號(hào)相同.這個(gè)電流經(jīng)放大電路放大

33、后，送到揚(yáng)聲器， 揚(yáng)聲器把音頻電流還原成聲音. 在錄音機(jī)里，錄、放兩種功能是合用一個(gè)磁頭完成的.錄音時(shí)磁頭與話筒電路相 連，放音時(shí)磁頭與揚(yáng)聲器電路相連.錄音過程利用了電流的磁效應(yīng)，放音過程利用了 電磁感應(yīng). 楞次走在 在前面的實(shí)驗(yàn)中，大家是否注意到在不同的情況下感 應(yīng)電流的方向是不同的感應(yīng)電流的方向取決于哪些因 素?究竟怎樣判斷感應(yīng)電流的方向呢? lc右手定則氣, 。 d觀察思考 觀察導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)的情況下感應(yīng)電流的方向. 1.如圖1-4-1所示，把電源、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)和一 個(gè)零點(diǎn)在刻度盤中央的電流計(jì)串聯(lián)成實(shí)驗(yàn)電路.實(shí)驗(yàn)中改 變電源正、負(fù)極與電流計(jì)接線柱的連接，由此識(shí)別電流計(jì) 的指針偏轉(zhuǎn)

34、方向與輸入電流方向之間的關(guān)系 電琉球入電就計(jì)情況 電流從電流計(jì)左接線柱流入 電流從電流計(jì)右接線柱流入 電E缸辭轄椅幡樣方南 2按圖1-4-2所示連成電路，圖中G為電流計(jì)，b為 一段直導(dǎo)線，觀察導(dǎo)體b在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中向左手口向右運(yùn)動(dòng)時(shí) 電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的方向然后再將勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向反過來， 重復(fù)上述過程.分析磁場(chǎng)方向、導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)方向 和感應(yīng)電流方向之間的關(guān)系. 在圖1-4-2的情形中，導(dǎo)體b向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，回路中的 電流沿順時(shí)針方向，在b段電流從b流向;導(dǎo)線b向左 運(yùn)動(dòng)時(shí)，回路中的電流沿逆時(shí)針方向，在b段電流從流 向b. 用右手定則(right-hand ru1e )可以判斷導(dǎo)線切割磁感 線產(chǎn)生感應(yīng)

35、電流的方向. 右手定則:將右手手掌伸平，使大拇指與其余并攏的 四指垂直，并與手掌在同一平面內(nèi)，讓磁感線從手心穿入， 圖1-4-1 圖1-4-2閉合電路的部分導(dǎo)體在 磁極|同左右運(yùn)動(dòng) 圖1-4-3右子走則 ( 13 固1-4-4通過實(shí)驗(yàn)探究楞次定律 房、磁場(chǎng)Bo方向 大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，這時(shí)四指的指向就是感應(yīng)電流 的方向，也就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，如圖1-4-3所示. 那么，在導(dǎo)體沒有運(yùn)動(dòng)而是由于磁場(chǎng)變化發(fā)生電磁感 應(yīng)的情況中，又該如何確定感應(yīng)電流的方向呢? .楞次定律, 實(shí)驗(yàn)探究 如圖1-4-4所示，將條形磁鐵插入、拔出螺線管時(shí)，觀 察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的方向，由此確定螺線管線圈中感應(yīng)電 流的方

36、向.并把結(jié)果與分析填入下表中. 原磁場(chǎng)通過螺線管磁通量的增減 電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向 螺線管線圈繞向，感應(yīng)電流方向圖示 口口凹凹 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)B的方向 結(jié)果表明:感應(yīng)電流的方向與原磁場(chǎng)的方向及原磁場(chǎng) 通過線圈的磁通量增減有關(guān).當(dāng)引起感應(yīng)電流的原磁場(chǎng)Bo 穿過螺線管的磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)B方向與原 磁場(chǎng)B。的方向相反;當(dāng)B。穿過螺線管的磁通量減小時(shí)，感 應(yīng)電流的磁場(chǎng)B方向與原磁場(chǎng)B。的方向相同. 物理學(xué)家楞次(H.F .E.Lenz , 1804 -1865 )概括各種 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在1834年提出如下的結(jié)論: 感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要 阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化

37、.這就是楞次定律 ( Lenz law ). 鏟討論交流 怎樣理解楞次定律中阻礙兩個(gè)字的含義?談 談你的看法. 費(fèi)菩-阜!E幽2撞撞阻且 我們可以把利用楞次定律判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流 方向的方法歸納為4個(gè)步驟: 1.分辨引起電磁感應(yīng)的原磁場(chǎng)B。的方向. 2.確定B。通過閉合回路磁通量的增減. 3.根據(jù)楞次定律，確定感應(yīng)電流的磁場(chǎng)B方向. 4.用安培定則(圖1-4-5)判斷能夠形成上述磁場(chǎng)B 的感應(yīng)電流的方向. 活動(dòng) 導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，可用右手定則判 斷感應(yīng)電流的方向，這是否符合楞次定律呢? 在圖1-4-6中，導(dǎo)體沿圖示速度方向運(yùn)動(dòng). 1.根據(jù)楞次定律判定導(dǎo)體b中感應(yīng)電流的方向.

38、 2用右手定則判定導(dǎo)體b中感應(yīng)電流的方向.與楞次 定律是否相一致? Bo1ms雖 圖1-4-5感應(yīng)電流方向的判定 應(yīng)用右手定則只能判斷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的一段導(dǎo)體中產(chǎn)圖l釗右手定則和楞次定律一致 生的感應(yīng)電流的方向，但不能判斷因磁場(chǎng)變化在閉合電路 中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向.應(yīng)用楞次定律可判斷上述兩種 不同情況下產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向，因此楞次定律是普遍 適用的. |楞次定律的應(yīng)用4 利用楞次定律可以判斷感應(yīng)電流的方向. 【例題11在圖1-4-7中，線圈M和線圈N繞在同一鐵 芯上，線圈M的電路中串聯(lián)著電池、開關(guān)與滑動(dòng)變阻器，線 圈N的電路中串聯(lián)著電流計(jì).若電流從左(右)側(cè)流入電 流計(jì)則電流計(jì)指針向左(右)

39、側(cè)偏轉(zhuǎn)，試用楞次定律判定以 下幾個(gè)過程中電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況. ( 1 )開關(guān)S閉合. (2 )開關(guān)S閉合后，滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)片P向左滑動(dòng). 解1( 1 )當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，線圈M中從右向左看為逆 時(shí)針方向的電流從元到有，故其在鐵芯中有水平向右的磁 場(chǎng)逐漸增大，通過線圈N的磁通量增大，由楞次定律知線 圈N中產(chǎn)生水平向左的磁場(chǎng)以阻礙磁通量的增大，再由安 M N 圖1-4-7 15 X d X X X X X X a n c X I X X X II( X X Bo X I X X X II( X X X I X X X II( X X X e X X X b uJ( X f x 圖1-4-8 16

40、培定則可得電流計(jì)指針向左偏轉(zhuǎn). ( 2 )開關(guān)S閉合后，滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)片P向左滑動(dòng)時(shí)， 其電阻變大，電流減小，故其在鐵芯中有水平向右的磁場(chǎng) 的減小，通過線圈N的磁通量減小，由楞次定律知線圈N 中產(chǎn)生水平向右的磁場(chǎng)以阻礙磁通量變小，再由安培定則 可得電流計(jì)指針向右偏轉(zhuǎn). 例題2】如圖1-4-8所示，固定于水平桌面上的金屬 框架cdeJ，處在方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，金屬棒b擱 在框架上，可無摩擦滑動(dòng)，此時(shí)abed構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的 正方形.棒的電阻為r，其余部分電阻不計(jì).開始時(shí)勻強(qiáng) 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bo若從t= 0時(shí)刻起，磁感應(yīng)強(qiáng)度 J3 均勻增加，且磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率一一=k，設(shè)法保持棒靜

41、I!.t 止，求: ( 1 )通過棒中的感應(yīng)電流的大小，并在圖上標(biāo)出感應(yīng) 電流的方向. ( 2 )當(dāng)t= t時(shí)，需加在棒上的垂直于棒的水平拉力為 多大? J3 解】(1 )根據(jù)題意，一=k，而E=一=kf， I!.t 所以根據(jù)已知條件k、L和r可得出I=EE 在圖1-4-8中，引發(fā)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)垂直紙面向內(nèi)，由 于磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，因此穿過abed的磁通量增加.根據(jù)楞次 定律，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)與原磁場(chǎng)的方向相反，為 垂直紙面向外，再根據(jù)安培定則，abed的電流方向應(yīng)是逆 時(shí)針方向，因此通過棒b的電流是從b到. ( 2 )利用題目條件可知當(dāng)t= t時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加以， 所以這時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度為

42、 B = Bo+kt 在這個(gè)磁場(chǎng)中棒ab會(huì)受到磁場(chǎng)的安培力 (Bo +kt,)ki f己=1LB= ,-u i r 為保持棒靜止，應(yīng)施加的外力 L _ L一(Bo+kt)ki u外A安 !:i2 utl r.:旨主量! 練習(xí)與評(píng)價(jià) 1 如圖1-4-9所示，兩個(gè)相同的鋁制圓環(huán)中，一個(gè)有切口，固定在一根可以在水平面內(nèi) 自由轉(zhuǎn)動(dòng)的直桿上.當(dāng)磁鐵磁極移近(不要碰到)完整的圓環(huán)時(shí)，因環(huán)會(huì)隨磁鐵運(yùn)動(dòng)，好像 被推動(dòng)了;拉出磁極，圓環(huán)也跟過來.同樣操作對(duì)于另一個(gè)有切口的圓環(huán)，則沒有反應(yīng).試 解釋道理何在? 2如圖1-4-10所示，將條形磁鐵插入螺線管中，回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，使電流表指 針偏轉(zhuǎn).這時(shí)螺線管中的

43、電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，試判斷電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向 3.如圖1-4-11所示，當(dāng)S接通或斷開時(shí)，線圈A、B中分別產(chǎn)生了什么方向的感應(yīng)電 流?為什么說各臣內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是同方向的，總電動(dòng)勢(shì)是每一臣內(nèi)的電動(dòng)勢(shì)之和? 4.判斷圖1-4-12所示的各種情況下線圈內(nèi)感應(yīng)電流的方向. 國(guó)1-4-9 a昏-v ( a ) |J LJ| 罔1-4-10 門U .斗xo/ ( b ) ( c ) (d) 圖1-4-12 5.圖1-4-13表示一對(duì)同軸螺線管，圖中線圈A中的電流 方向用和x表示，請(qǐng)畫出線圈A的磁感線，再分析 如果線圈A中的電流增大或減小，則線圈B中的感應(yīng)電流分別 為什么方向. 圖1-4-13一對(duì)同軸螺線管

44、L17 黯到 衛(wèi)E節(jié)3.-2 問.，.， X X xb x X X X X I X X X I X X I X X X X B X U X X a XXX XXXX X X X 閣1-5-1磁場(chǎng)對(duì)感應(yīng)電流的安m 力 18 感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒 能量守恒是自然界的一條普遍規(guī)律，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象 中也不例外. 如圖1-5-1所示，處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的水平導(dǎo)軌上有一根 與導(dǎo)軌接觸良好的可自由滑動(dòng)的直導(dǎo)線ab，當(dāng)導(dǎo)線b向右 運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)右手定則可確定，在b內(nèi)將產(chǎn)生由向b的 感應(yīng)電流，有電流就會(huì)有焦耳熱產(chǎn)生，這個(gè)能量是怎么來 的呢? 我們知道，這個(gè)處在磁場(chǎng)中的帶電導(dǎo)線必然受到安培 力，根據(jù)左手定則可知，磁場(chǎng)

45、對(duì)導(dǎo)線ab的安培力是向左的， 它將阻礙導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng).為了維持導(dǎo)線的勻速運(yùn)動(dòng)，必須有外 力克服安培力做功提供維持感應(yīng)電流所需的能量. 如果沒有外力使導(dǎo)線保持一定的運(yùn)動(dòng)速度，則在安培 力作用下導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)減小，動(dòng)能將減小.由此可 見，在導(dǎo)線切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，電路中的 電能來源于機(jī)械能.是機(jī)械能借助于電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了向電 能的轉(zhuǎn)化. 以下例題有助于我們定量地研究電磁感應(yīng)中的能量 轉(zhuǎn)化. 例題1】在圖1-5-1中，設(shè)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線b長(zhǎng)為L(zhǎng)，速度為 ，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，閉合電路總電阻為R.探 究為了保持導(dǎo)線做勻速運(yùn)動(dòng)，外力所做的功W外和感應(yīng)電流 的電功W電的關(guān)系. 解】運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生的電動(dòng)

46、勢(shì) E=BLv 電路中感應(yīng)電流 I一主-ZY一- R R 磁場(chǎng)對(duì)這個(gè)電流的作用力 中 = B IU , I = 安 F 保持勻速運(yùn)動(dòng)所需外力 U- hL-R B 一功 一一的 馬做 =所 Fq協(xié) b / 內(nèi) 目 4 4葉d nnH A 在 B2L2v2 W二=FvM =一一一-.t 盯叮R 而此時(shí)間內(nèi)，感應(yīng)電流的電功是 0_. B 2L2 V2 W: = FR /).t =一一一:_/).t 吧R 可見 W外=w電 由此，我們可以得到結(jié)論:在電磁感應(yīng)中，產(chǎn)生的電 能是通過外力克服安培力做功轉(zhuǎn)化而來的，外力做了多少 功，就有多少電能產(chǎn)生，而這些電能又通過感應(yīng)電流做 功，轉(zhuǎn)化為其他形式的能量. 例

47、題2在傾角。=30。的斜面上，沿下滑方向鋪兩 條平行的光滑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌足夠長(zhǎng)，導(dǎo)軌的間距為1= 0.1 m, 兩者的底端和b用R= 0.04 n的電阻相連，如圖1-5-2所 示.在導(dǎo)軌上垂直于導(dǎo)軌放有一根金屬桿cd，其質(zhì)量m= 0.005kg.今垂直于斜面加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)B，當(dāng)金屬桿以v= 10m/s的速率勻速下滑時(shí)，R中感應(yīng)電流的方向?yàn)閺牡絙， 設(shè)導(dǎo)軌和金屬桿cd的電阻都忽略不計(jì)，g取10m/s 2 ，求:圖1-5-2 ( 1 )勻強(qiáng)磁場(chǎng)B的大小和方向. ( 2 )電流的功率P也 解(1 )當(dāng)金屬桿勻速下滑時(shí)，重力所做的功完全用 來克服安培力做功并進(jìn)而轉(zhuǎn)化為閉合電路的電能.在/).t時(shí) 間內(nèi) -R

48、 N= UB Q -mL Qd ob mE-nk 一一 LI - W i B Il BI - 安 F B 2 L2v2 W.= F.舍. v/).t = - -M 仄仄R 根據(jù)W重=W安解得磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為 mgRsin8 10.005 x 10 x 0.04 x 0.5 B=.I._ =.I-. . -T=O.lT L2v V 0.1 2 x10 又因?yàn)榘才嗔Ψ较蜓匦泵嫦蛏?，根?jù)左手定則可知磁 !l丁jZ 感應(yīng)強(qiáng)度B方向垂直于斜面向上. ( 2 )根據(jù)能量守恒，電流的功率PIJ.與機(jī)械功率相等，故 P，包=mgsm. v = 0.005 x 10 x 0.5 x 10W = 0.25W. 緝

49、二習(xí)主否VI-四 l如圖1-5-3所示，把一個(gè)閉合線圈放在蹄形磁體的兩極之間，蹄形IP 磁體和閉合線圖都可以繞PQ軸轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)蹄形磁體時(shí)，線圈也跟著轉(zhuǎn) 動(dòng)起來，解釋這種現(xiàn)象，并說明線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的能量從何而來. 2.如圖1-5-4所示，電阻為R的矩形導(dǎo)線框。bcd，邊長(zhǎng)。b=h，d= L，質(zhì)量為m.此線框從某一高度處自由落下，通過一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方 向垂直紙面向內(nèi)，磁場(chǎng)區(qū)域的寬度為h.若線框恰好以恒定速度通過磁場(chǎng)， 線框中產(chǎn)生的焦耳熱等于多少?(不計(jì)空氣阻力)Q 3如圖1-5-5所示，一水平放直的矩形線圈abcd在磁體N極附近豎直罔1-5-3旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 下落，保持bc邊在紙外，d邊在紙內(nèi)，由圖中的位

50、直I經(jīng)過位直II.fIJ位 直皿，這三個(gè)位直靠得很近.在這個(gè)過程中，線圈中感應(yīng)電流的方向( A.沿bcd流動(dòng) B.沿dcba流動(dòng) c.由1到H是沿abcd流動(dòng)，從E到田是沿dcba流動(dòng) D.由I到E是沿dcba流動(dòng)，由E到田是沿abcd流動(dòng) -L一+Id i| 二7 -L歹-II 1 二7m 一- B 二 -x 二 - - 二二 二 TT|hll+- |劊1-5-4罔1-5-5 4.為什么說楞次定律是能量守恒定律在電磁感應(yīng)中的表現(xiàn)? 豆制閱覽 反電動(dòng)勢(shì) 如圖1-5-6所示，水平金屬導(dǎo)軌AB和CD通過開關(guān)S和電池相連.勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 二20) !ii:! i.t:! I路titaU!旦 垂

51、直紙面向內(nèi)，光滑導(dǎo)體桿b同導(dǎo)軌AB及CD接觸良好.當(dāng)開關(guān)閉合后，電流從a.fIJ b流過 導(dǎo)體，由左手定則可以判斷，桿ab受到向右的安培力，在此力的作用下桿b向右做加速運(yùn)動(dòng). 由于桿ab切割磁感線運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，根 x x X x a X X X 據(jù)右手定則，在桿b上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的方向是從b到，同A B 電路中的電流方向相反.在電路中與電流方向相反的電動(dòng)勢(shì) 叫做反電動(dòng)勢(shì)(back electromotive force )，桿ab中的感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)E就是反電動(dòng)勢(shì).這時(shí)總電動(dòng)勢(shì)等于電池電動(dòng)勢(shì)和反電 動(dòng)勢(shì)之差. 設(shè)桿b長(zhǎng)為L(zhǎng)，電路總電阻為R，電池電動(dòng)勢(shì)為E，磁感 x C x x xb x

52、 x DX 應(yīng)強(qiáng)度為B，桿b運(yùn)動(dòng)速度為u，反電動(dòng)勢(shì)E=BLu，電路中圖1-5-6運(yùn)動(dòng)的通電導(dǎo)體 E-E 的電流1=一一一.可見反電動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)要抵消電源電動(dòng)勢(shì)的一部分作用，使電路中的電流減 R 小，桿。b繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力減小. 與上面的例子一樣，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通電源后，電動(dòng)機(jī)中的通電線圈受磁場(chǎng)施加的安培力的力 矩，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)，線圈也會(huì)因?yàn)榍懈畲鸥芯€而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).由楞次定律可知，感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)的方向與令電動(dòng)機(jī)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的電流方向相反，因此它是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的反電動(dòng)勢(shì).在電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)子加速運(yùn)動(dòng)的過程中，反電動(dòng)勢(shì)E逐漸增大，電流逐漸減小，動(dòng)力矩也逐漸減小.而電 動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載工作，就承受著一個(gè)阻力矩，一旦動(dòng)力矩

53、減小到等于阻力矩時(shí)，E和電流均達(dá)到 穩(wěn)定，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn).如果電動(dòng)機(jī)工作中負(fù)載發(fā)生變化，比如負(fù)載增加，相當(dāng)于阻 力矩變得大于動(dòng)力矩，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)減小，轉(zhuǎn)速小了，切割磁感線的速度減小，反電動(dòng)勢(shì) E也就變小了，反電動(dòng)勢(shì)減小會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的電流變大，電流的增加又使動(dòng)力矩加大，直到與 阻力矩相等，在新的條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作. 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的速度還比較小，反電動(dòng)勢(shì)就很小，此時(shí)電路中電流是很大的. 電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下正常工作時(shí)，電流不大.當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子因某種原因被卡住時(shí)，也就對(duì) 應(yīng)著圖1-5-6中桿。b的速度u= 0, E=。這種情況，由于電動(dòng)機(jī)電路的直流電阻R很小，此 時(shí)電路中電流最大，就相

54、當(dāng)于短路.若不立即切斷電源，就會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子卡住時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致電 動(dòng)機(jī)被燒壞. 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中負(fù)載的增加也是有限度的，過大的負(fù)載等于將轉(zhuǎn)子卡住，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不但不 能工作，而且有被燒毀的危險(xiǎn). 含反電動(dòng)勢(shì)電路中的能量轉(zhuǎn)化 在上述過程中，能量是如何轉(zhuǎn)化的呢? 每當(dāng)負(fù)載增加，也源要提供較大的電流，也就是需要提供較大的能量供電動(dòng)機(jī)做功我們 將前面出現(xiàn)的電流公式改寫為 IR=E-E 兩邊同來以!，得到 J2R=E!-E ! 此式表明，電源提供電能(功率為E1)克服反電動(dòng)勢(shì)做功(功率為E1)并產(chǎn)生焦耳熱(熱 功率為J2R)，而其中克服反電動(dòng)勢(shì)的能量又通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線或線圈的機(jī)械能 ( 21 圖1-6-

55、1通電時(shí)的自感 D 圖1-6-2斷電時(shí)的自感 22 自感 ?自感現(xiàn)象. ? 如果一個(gè)線圈中電流發(fā)生變化，則線圈中電流產(chǎn)生的 磁場(chǎng)也發(fā)生相應(yīng)變化，那么這個(gè)磁場(chǎng)通過線圈自身的磁通 量也就發(fā)生了改變.是不是在線圈自身回路中也要產(chǎn)生感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流呢? 主觀察思考 1.如圖1-6-1電路所示，先合上開關(guān)S，調(diào)節(jié)變阻 器R)的電阻，使同樣規(guī)格的兩個(gè)燈泡D)和D 2 的明暗程 度相同，再調(diào)節(jié)變阻器R使兩個(gè)燈泡正常發(fā)光.然后斷 開開關(guān)S. 再合上開關(guān)S，重新接通電路.觀察兩個(gè)燈泡亮度 的變化.用電磁感應(yīng)的知識(shí)分析一下，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了 什么? 2.如圖1-6-2電路所示，把燈泡D和帶鐵芯的線圈L 并聯(lián)在

56、直流電路中，接通電路.待燈泡D正常發(fā)光后，斷 開電路，觀察燈泡D亮度的變化. 讓我們對(duì)以上現(xiàn)象進(jìn)行分析.在圖1-6-1中重新接通電 路以后，與電阻R)串聯(lián)的燈泡D)立刻正常發(fā)光，而與線圈 L串聯(lián)的燈泡D2不能馬上亮起來，這是因?yàn)榻油娫此查g 此支路的電流突然增大時(shí)，根據(jù)楞次定律，穿過線圈自身 磁通量的變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電流的增加，所以 通過燈泡D2的電流逐漸增加，D2慢慢亮起來. 在圖1-6-2中電路斷開的瞬間，通過線圈的電流突然減 弱，穿過線圈的磁通量迅速減少，因而在線圈中產(chǎn)生較大 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).盡管這時(shí)電路已經(jīng)斷開，但線圈L和燈泡D 組成閉合電路，在這個(gè)電路中仍有電流存在，所以燈泡在 短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)發(fā)光，延遲熄滅. 圖1-6-1斷電時(shí)，燈泡也會(huì)延遲熄滅，只是因?yàn)殡娫磾?開后，電路中有兩個(gè)燈泡和一個(gè)電阻，所以電流迅速變小， 燈泡延遲熄滅的現(xiàn)象不明顯. 從以上實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)導(dǎo)體線圈中電流發(fā)生變化時(shí)， 導(dǎo)體線圈本身也產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 這種由于導(dǎo)體線圈本身的電流發(fā)生變化而引起的電磁感 應(yīng)現(xiàn)