电磁感应、交流电、电磁波

电磁感应、交流电、电磁波主讲:湖北省黄冈中学特级教师徐辉电磁感应、交流电、电磁波是电磁学中最为重要的内容，也是高考常考内容.感应电流的产生条件，感应电流方向的判断，导体切割磁感线产生感应电动势的计算,法拉第电磁感应定律的应用等更是高考热点。一、重难点分析纵观近五年的高考，分析高考考试大纲，在复习中要掌握以下知识: 1、产生感应电动势、感应电流的条件:导体在磁场中做切割磁感线运动，导体内就产生感应电动势,穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就产生感应电动势；闭合回路的磁通量发生变化，电路中产生感应电流. 2、楞次定律:感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化应用楞次定律解题的步骤：明确原磁场的方向及磁通量的变化情况，根据楞次定律确定感应电流产生的磁场的方向,根据安培定则判断出感应电流的方向。楞次定律也可以理解为：阻碍相对运动(来拒去留)，使线圈面积有扩大或缩小的趋势,阻碍原电流的变化(自感现象).楞次定律适用任何情况下判断感应电流的方向 3、右手定则:让磁感线垂直穿过手心,大拇指指向导体切割磁感线的运动方向,四指的指向就是导体内所产生的感应电流的方向.右手定则仅适用于导体切割磁感线产生感应电动势（电流）的情况4、法拉第电磁感应定律：在电磁感应现象中产生的感应电动势的大小，跟穿过这一回路的磁通量的变化率成正比，公式，E是t时间内的平均电动势磁通量的变化量可有以下求法：回路与磁场垂直的面积不变，磁感应强度发生变化时，,；磁感应强度B不变，回路与磁场垂直的面积发生变化,，线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动产生交变电动势就属于这种情况磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率是不同的物理量，磁通量表示穿过这一平面的磁感线的条数,磁通量的变化量表示磁通量变化的多少,磁通量的变化率表示磁通量变化的快慢，它们之间无必然的大小关系5、法拉第电磁感应定律的特例:回路的一部分导体做切割磁感线运动,产生感应电动势的公式为ELvs,为导体运动方向与磁感线方向的夹角,当v为瞬时速度时，E为瞬时电动势；为平均速度时，E为平均电动势.6、电磁感应现象中电势的确定:电磁感应现象中产生感应电动势的那部分导体相当于电源，它的电阻相当于内电阻,在电源内部电流是从低电势流向高电势,根据这一点可以确定电源的正负极和导体内电势的高低 、自感现象：由于通电导体本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象自感阻碍通过自身的电流的变化，当电流变大则阻碍其变大，使电流慢慢地变大，当电流变小则阻碍其变小，使电流慢慢地变小、日光灯：日光灯主要由灯管、镇流器、启动器组成.启动器是一个自动开关，一通一断，使镇流器中的电流急剧变化,镇流器在日光灯启动时提供瞬时高压,而在日光灯正常工作时起降压限流作用 、交流电的产生（）产生方法：将一个平面线圈置于匀强磁场中，并使它绕垂直于磁感线的轴做匀速运动,线圈中就会产生正弦交流电 (2）中性面：平面线圈在匀强磁场中旋转,当线圈平面垂直于磁感线时,各边都不切割磁感线,线圈中没有感应电动势,这个位置叫做中性面中性面的特点是: 线圈位于中性面时,穿过线圈的磁通量最大,磁通量的变化率为零，感应电动势为零。 线圈经过中性面时，内部的电流方向要发生改变 10、交流电的值（1）瞬时值:交流电的瞬时值反映的是不同时刻交流电的大小和方向,瞬时值是时间的函数，不同时刻，瞬时值不同正弦交流电瞬时值的表达式为: （)最大值：交流电的最大值反映的是交流电大小的变化范围。当线圈平面与磁感线平行时,交流电动势最大，。瞬时值与最大值的关系是: (3)有效值:交流电的有效值是根据电流的热效应规定的,即在同一时间内，跟某一交流电能使同一电阻产生相等热量的直流电的数值,叫做该交流电的有效值.正弦交流电的有效值与最大值之间的关系是: 各种使用交流电的电气设备上所标的、交流电表上所测得、以及我们在叙述中没有特别加以说明的交流电的值，都是指有效值。 （4)平均值：交流电的平均值是交流电图象中波形与横轴（t轴）所围的面积跟时间的比值。其数值可以用计算某段时间内的交流电的平均值不等于这段时间始、终时刻瞬时值的算术平均值。对正弦交流电来说，在时间内,(5）在计算交流电通过导体产生的热量和电功率以及确定保险丝的熔断电流时,只能用交流电的有效值.在计算通过导体的电量时,只能用交流电的平均值在考虑电容器的耐压值时,则应根据交流电的最大值.11、电磁振荡 （1)LC回路中的振荡电流是由于电容器通过自感线圈(或产生自感电动势，阻碍通过线圈的电流的变化）不断充、放电产生的，按正弦（或余弦)规律做周期性变化。 (2）在LC回路产生振荡电流的过程中,磁场能(由通过线圈中的电流产生）和电场能(由电容器极扳上的电荷产生）之间不断地相互转化着：电容器放电阶段,电场能转化为磁场能,放电完毕瞬间,电场能为零，振荡电流及磁场能达到最大值;然后电容器被反向充电,在此阶段磁场能转化为电场能，振荡电流为零瞬间,磁场能为零,电容器极板上的电荷及电场能达到最大值。 （3）LC回路的固有周期和固有频率只取决于线圈的自感系数L及电容器的电容C.与电容器带电量、极板间电压及回路中电流都无关周期的决定式：频率的决定式: T、f的单位分别是秒、亨、法、赫 12、麦克斯韦电磁场理论（）变化的磁场能够在周围空间产生电场(这种电场叫感应电场或涡旋电场，与由电荷激发的静电场不同，它的电场线是闭合的，它的存在与空间有无导体或闭合电路无关）,变化的电场能够在周围空间产生磁场 (）均匀变化的磁场产生稳定的电场，均匀变化的电场产生稳定的磁场。这里的“均匀变化指的是：在相等时间内磁感应强度(或电场强度）的变化量相等，或者说磁感应强度（或电场强度)对时间的变化率为一定值 （3）不均匀变化的磁场产生变化的电场，不均匀变化的电场产生变化的磁场。 （)振荡的(即周期性变化的)磁场产生同频率的振荡电场,振荡的电场产生同频率的振荡磁场. （5）变化的电场和变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场. 13、电磁被 （1）16年，麦克斯韦预言电磁波的存在:周期性变化的电场和磁场总是相互转化、互相激励，交替产生，由发生区域向周围空间传播,这就是电磁波88年赫兹用实验成功地证明了电磁波的存在 (2)在电磁波中，每处的电场强度和磁场应强度的方向总是互相垂直的,并且都跟那里的电磁波的传播方向垂直.这就是说，电场和磁场的振荡方向都跟波的传播方向垂直,因此电磁波是横波（3)电磁波的传播速度v等于波长和频率的乘积，即:v=任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于真空中光速c=。0108s二、典型例题例1、(0上海）两圆环A、B置于同一水平面上,其中为均匀带电绝缘环,为导体环，当A以如图所示的方向绕中心转动的角速度发生变化时，B中产生如图所示方向的感应电流，则（)AA可能带正电且转速减小A可能带正电且转速增大C.可能带负电且转速减小D。A可能带负电且转速增大解析：由于A环带电并且转动就产生一个环形电流，使环中的磁通量发生变化,而产生感应电流由安培定则分析可知环中的感应电流在B环中产生的磁通量向外，由楞次定律分析可知A环中可能有逆时针方向逐渐减小的电流或顺时针逐渐增大的电流，正确答案为B、C。本题带电的A环转动将产生电流，因此环就是一个环形电流.答案:C例、 （0上海)粗细均匀的电阻丝围成的正方形线框置于有界匀强磁场中,磁场方向垂直于线框平面,其边界与正方形线框的边平行.现使线框以同样大小的速度沿四个不同方向平移出磁场，如图所示,则在移出过程中线框的一边a、b两点间电势差绝对值最大的是( ）解析:将线框等效成直流电路，设线框每条边的电阻为r，如图（A、D)所示 因线框在四次移动中速度大小相等，其电动势=lv也大小相等 A、C、D选项中，B选项中，正确答案为B。B选项中、b两点间的电势差应该是、b两点间的路端电压，而不是感应电动势答案：B例3、 (0天津)图中M和PQ为竖直方向的两平行长直金属导轨，间距l为0。m，电阻不计，导轨所在平面与磁感应强度B为。5T的匀强磁场垂直。质量m为。01- kg、电阻为.0的金属杆ab始终垂直于导轨，并与其保持光滑接触。导轨两端分别接有滑动变阻器和阻值为30的电阻R1当杆a达到稳定状态时以速率v匀速下滑,整个电路消耗的电功率为0.27W,重力加速度取1/s2,试求速率v和滑动变阻器接入电路部分的阻值R.解析： 由能量守恒,有mgv=P 代入数据解得v=45m 又=BLv 设电阻R1与R2的并联电阻为外,b棒的电阻为,有 =I 代入数据解得R2=。0 点评: 本题中重力势能转化为电能，并且相等，从而可知重力做功的功率等于感应电流做功的功率例4、(03全国）如图所示，两根平行的金属导轨，固定在同一水平面上,磁感应强度B=0.50T的匀强磁场与导轨所在平面垂直，导轨的电阻很小，可忽略不计导轨间的距离l=.2m两根质量均为m=0的平行金属杆甲、乙可在导轨上无摩擦地滑动，滑动过程中与导轨保持垂直，每根金属杆的电阻为R=0.0在t=0时刻,两杆都处于静止状态现有一与导轨平行、大小为0.20N的恒力F作用于金属杆甲上，使金属杆在导轨上滑动经过5。0s，金属杆甲的加速度为a=137m/s2,问此时两金属杆的速度各为多少?解析：当甲杆在力的作用下运动了5.0s,设此时甲、乙杆的速度分别是1、V2，它们做切割磁感线运动产生的感应电动势是:EBl（V1V)，感应电流：IBl（VV2)/2 此时它们所受的安培力大小是F1,方向相反如图所示. 对甲杆:ma=F1 F1B2l(V1-V)/2 R在t=s到t=5s这个过程中，甲、乙杆组成的系统受到力F和两个安培力作用，两个安培力的大小始终相等方向始终相反，对系统的冲量为零，故系统动量的变化与F的冲量相等Ft（V1+V2） 由可得sm/s点评：金属杆甲、乙的运动都切割磁感线，都要产生感应电动势，由于运动方向相同，产生的感应电动势的方向也相同（但在回路中方向相反），故整个回路产生的感应电动势为E=Bl（V-V)。例5、如图所示,足够长的光滑金属框竖直放置，框宽。5m,框电阻不计，匀强磁场磁感应强度为1T,方向与框面垂直，金属杆N电阻为1、质量0.kg，无初速度地释放并与框保持接触良好地竖直下落,从释放到最大速度的过程中通过棒某一截面的电量为C求：此过程中回路产生的电能(空气阻力不计，g=10m/s2）解析：通过导体横截面电荷量， 又速度达最大时a=0，mg=BI，。而m/s，下落过程中重力势能向热能和动能转化。答案：3.2J例6、图所示为一理想变压器，为单刀双掷开关,是滑动变阻器的滑动触头,U为加在原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流，则（ ）A保持U1及P的位置不变，K由合到时,I1将增大B。保持U1及P的位置不变，由b合到a时，R消耗的功率减小C保持U不变，K合在处，当P上滑时,I1将增大D保持P的位置不变，K合在a处，当U1增大时,I1将增大解析:为直观,以下用“箭头升降”来表示有关量的变化。AK由a合到B。K由b合到C.P上滑D综上所述，本题的正确答案是:A、B、D。例、发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到用户，如果升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器 画出上述输电全过程的线路图。 若发电机的输出功率是10kW,输出电压是5V,升压变压器的原、副线圈的匝数比为125,求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流若输电导线中的电功率损失为输入功率的4%，求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压 计算降压变压器的输出功率.解析:见图。对升压变压器,据公式有：因为所以因为所以 文中如有不足，请您指教！10 / 10