2016-2017学年高中物理第4章揭开电磁关系的奥秘第3节电能的生产与利用第4节电和磁的完美统一教师用书鲁科版选修

第3节电能的生产与利用第4节电和磁的完美统一课标解读重点难点1.知道电能的生产方法，了解生产电能的各种方式了解电能输送的过程，知道为什么要高压输电2.了解发电机、电动机对能源利用方式、工业发展所起的作用了解电能的使用对于社会进步、经济发展的贡献3.了解历史上超距作用与近距作用之争，知道场是物质存在的形式之一4.知道什么是电磁波了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，体会其在物理学发展中的意义5.了解赫兹证实电磁波存在的实验，体会实验验证在物理理论发展中的地位和作用.1.电能的产生，电能的输送，电磁波的概念(重点)2.麦克斯韦电磁场理论(难点)电能的生产、输送、利用与社会发展1.基本知识(1)生产电能的常用方法：利用一次能源产生动力驱动涡轮机(如汽轮机、水轮机等)，涡轮机带动发电机转子转动产生电能，再通过电线将电能输送出去(2)产生电能的方式：根据使用的一次能源的不同，电能生产可分为火力发电、水力发电、风力发电，核能发电等另外还有地热能、太阳能、潮汐能等都可以用来发电(3)输电线路上的能量损失输电线路上有电阻，有电流通过时会发热，损失能量损失的电能跟输电线上的电阻成正比，跟电流的二次方成正比(4)降低输电损耗的两个途径减小输电线的电阻减小输电线中的电流，由PUI可知，当输送功率一定时，提高电压可以减小输电电流(5)电能的利用与社会发展蒸汽机的广泛使用使全社会的生产力得以飞跃发展，引发了第一次产业革命电能的使用又一次使得全社会的生产力得到了飞跃发展，引发了第二次产业革命，人类社会跨入了电气时代2探究交流目前我国最大的供电工程三峡工程，已经正常运行了，你知道三峡发出来的电是怎么供到千家万户的吗？【提示】发电机组产生的电压通过升压变器，使电压升高，通过输电线向外输送到用户时使用降压变压器使电压降低.“场”概念的建立过程1.基本知识(1)在牛顿以前，没有接触的物体间发生相互作用有“近距作用”和“超距作用”之争近距作用认为相互作用是通过一种中间媒介“以太”来传递的万有引力定律的成功建立，并未发现“以太”(2)随着电磁学的发展，英国科学家法拉第根据实验事实，提出了电磁作用是“近距作用”的学说，认为在电荷或磁体周围存在着“场”，场是一种物质，又不同于实物，它可以相互渗透现代生活中，人们已经接受了“场”这种物质，它就存在于我们生活的空间，电视、手机、电脑等都在利用着这种物质2思考判断(1)电荷周围存在电场()(2)只有运动的电荷周围才存在磁场()麦克斯韦的预言与赫兹的求证1.基本知识(1)麦克斯韦电磁理论变化的磁场在周围产生电场，磁场变化快，产生的电场强，磁场变化慢，产生的电场弱均匀变化的磁场产生恒定的电场；不均匀变化的磁场产生变化的电场变化的电场在周围产生磁场，均匀变化的电场在周围空间产生稳定的磁场，非均匀变化的电场在周围产生变化的磁场(2)电磁场变化的电场在周围空间产生磁场，变化的磁场在周围空间产生电场于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，构成一个完整的整体，这就是电磁场(3)电磁波变化的电场和变化的磁场交替产生，并由发生区域向周围空间传播，由电磁场的传播形成的波就是电磁波电场具有电场能，磁场具有磁场能，电磁场具有电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程，电磁波在空间传播，电磁能就随之一起传播(4)电、磁、光的统一麦克斯韦通过计算得出电磁波的传播速度等于光速，从而预言光是电磁波的一种(5)赫兹的求证在麦克斯韦建立电磁场理论后20多年，年青的德国物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在他还测定了电磁波的波长、频率，得到电磁波的传播速度，证实了这个速度等于光速，还进一步证明，电磁波和其他的波一样，能产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等，充分证实了麦克斯韦的电磁场理论2思考判断(1)均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场()(2)周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场()3探究交流麦克斯韦在建立电磁场理论的过程中，提出了什么假说？运用了哪些物理思想？【提示】麦克斯韦提出了“变化的磁场产生电场”、“变化的电场产生磁场”两个假说，研究中麦克斯韦采用了联想、推理、类比、对称等物理学的思想方法.电磁场理论的意义1.基本知识(1)电磁波是一种物质，这种物质和它具有的能量一起传播，电磁波是变化的电磁场，所以我们说场是一种物质(2)电磁波理论的研究，开创了“弱电”利用的新领域，推动了无线电技术的发展电报、广播、电视、电脑的发明和应用，使人们在瞬息间就能知道世界各地发生的任何事情人类文明得到广泛传播，知识迅速普及2思考判断(1)电磁波是变化的电磁场()(2)赫兹的电磁场理论是物理学发展史上一个重要的里程碑()远距离输电问题【问题导思】1为什么要采用高压输电？【提示】为了减少输电线路的功率损失2输送功率一定时，输送电压越大，输送电流越大，这样说对吗？【提示】不对1采用高压输电的原因线路中的电阻是要消耗电能的，电阻越大，流过的电流越大，线路中的损耗就越多，根据功率公式P损I2R可知，减小线路上功率损失的方法有两个途径：第一，减小输电导线上的电阻R.据R知，在实际输电线路中，输电导线的长度不能减小，可以用电阻率小的导体材料，像铜和铝等金、银属贵重金属，做输电导线不现实，但在大规模集成电路里是要用这种金属导体的，最后一点是增大导体的横截面积，这又给架线工作带来困难，同时也会耗费大量的金属材料第二，减小输电电流I，根据公式I知，要减小电流，不能以减小输送功率为代价，在输送功率一定、输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，根据公式P损()2R可以推算，输电线上的功率损失将降为原来的.根据以上分析，采用高电压输电是减小输电线上功率损耗最有效、最经济的措施2远距离输电过程的示意图(如图431所示)图431理想变压器P1P2，P3P4，P2P3P耗1在求解远距离输电的有关问题时，常会涉及较多的物理量，应特别注意各物理量的对应关系2输电过程中，求解损耗功率时一般用P损I2R，当输电电压为U，输电线电阻为R，P损.某电站向远处输送一定功率的电能，则下列说法中正确的是()A输电线不变，将送电电压升高到原来的10倍时，输电线损耗的功率减为原来的B输电线不变，将送电电压升高到原来的10倍时，输电线损耗的功率减为原来的C送电电压不变，将输电线的电阻减半时，输电线损耗的功率减为原来的一半D送电电压不变，将输电线的电阻减半时，输电线损耗的功率增为原来的4倍【审题指导】根据输电线上损耗功率的公式PI2R去分析【解析】输电线上功率损失P损I2R线()2R线，则R线、P一定时，U升高到原来的10倍，P损减为原来的，A项错，B项对P、U一定时，P损与R线成正比，R线减半，P损也减半，故C对，D错故选B、C.【答案】BC在分析这类问题时，要注意输送功率一定时，电压、电流、电阻和功率的关系1远距离输送交流电都采用高压输电，我国正在研究用比330 kV高得多的电压进行输电，采用高压输电的优点是()A可节省输电线的铜材料B可根据需要调节交流电的频率C可减少输电线上的能量损失D可加快输电的速度【解析】由PIU得I，当输送功率P一定，采用高压输电，U变大时I减小，输电线中的电流就减小，由P损I2R得，在距离一定时，输电线电阻越小，损耗越少，但铜价高，且密度大，架线成本太高，一般不用，减小电流可以减少输电线上的能量损失，故选项C正确，交流电的频率是固定的，不需调节，输电的速度不会由于电压升高而变快，故选项B、D不正确【答案】C对麦克斯韦电磁场理论的理解【问题导思】1变化的磁场周围产生电场是否跟闭合电路的存在有关？【提示】无关2静止的电荷产生磁场吗？【提示】不产生1.变化的磁场产生电场如图432所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关导体环的作用只是用来显示电流的存在图4322变化的电场产生磁场(1)运动的电荷产生变化的电场：一个静止的电荷，它产生的是静电场，即空间各点的电场强度不随时间而变化这个电荷一旦运动起来，电场就发生变化，即空间各点的电场强度将随着时间而变化图433(2)变化的电场产生磁场：运动的电荷在周围空间要产生磁场这个磁场是由变化的电场产生的例如：在电容器充、放电的时候，不仅导体中的电流产生磁场，而且在电容器两极板间周期性变化的电场也产生磁场(如图433所示)关于电磁场理论，下列说法正确的是()A在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场B在变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围一定产生变化的电场C均匀变化的电场周围一定产生变化的磁场D周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场【审题指导】麦克斯韦电磁场理论的核心是变化的电场(磁场)产生磁场(电场)，稳定的电场(磁场)不产生磁场(电场)【解析】根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场周围才产生磁场，所以A错；而非均匀变化的电场产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，所以B、C错故选D.【答案】D本题考查对麦克斯韦电磁场理论的理解，特别注意电场的变化是均匀的还是不均匀的是解决此题的关键，只有交替变化的电场或磁场才能产生电磁波2按照麦克斯韦电磁理论，以下说法中正确的是() 【导学号：31870034】A恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场B变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场C均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场D均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场【解析】对此理论全面正确的理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场周围可以产生变化的磁场，也可以产生不变化的磁场；均匀变化的电场周围产生稳定的磁场；周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场变化的磁场产生电场的规律与以上类似，故正确答案为B、D.【答案】BD电磁波的理解【问题导思】1变化的磁场可以产生电场，一定能产生电磁波吗？【提示】不一定2电磁波能在真空中传播吗？【提示】能1电磁波的产生如果空间某区域有不均匀变化的电场，那么这个变化的电场就在空间引起变化的磁场，这个变化的磁场又会引起新的变化的电场于是变化的电场和磁场就会交替产生，由近及远地传播，就形成电磁波2电磁波的特点(1)在真空中电磁波的传播速度等于光速，光是一种电磁波(2)电磁场中以电场和磁场的形式贮存着能量电磁能，电磁波的传播过程是能量传播的过程(3)麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，测出了波长、频率，证实了真空中电磁波的传播速度等于光速，验证了电磁波的反射、折射、衍射和干涉等现象(4)电磁波可以在介质中传播，也可以在真空中传播，且任何频率的电磁波在真空中的传播速度都是3108 m/s.下列关于电磁波的说法中正确的是()A只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波B电磁波传播需要介质C停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在D电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的【审题指导】变化的电磁场由近及远向外传播就是电磁波【解析】对电磁波的产生机制及传播途径要搞清，如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是恒定的，就不能产生新的电场(或磁场)，也就不能产生电磁波电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质，故应选C、D.【答案】CD3电磁波与机械波相比较有()A电磁波、机械波传播都需要介质B电磁波在任何介质中的传播速率都相同，机械波在同一介质中的传播速率都相同C电磁波与机械波都不能产生干涉现象D电磁波与机械波都能产生衍射现象【解析】电磁波传播不需要介质，A错误电磁波在不同介质中的传播速度不同，B错误电磁波和机械波都能产生干涉、衍射现象，故D正确，C错误【答案】D【备课资源】(教师用书独具)电磁炉工作原理电磁炉作为厨具市场的一种新型灶具它打破了传统的明火烹调方式采用磁场感应电流(又称为涡流)的加热原理，电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流(即涡流)，涡流使锅具铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能(故：电磁炉煮食的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具，所以热效率要比所有炊具的效率均高出近1倍)使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务因此，在电磁炉较普及的一些国家里，人们誉之为“烹饪之神”和“绿色炉具”. 工作过程当一个回路线圈通以电流时，其效果相当于磁铁棒因此线圈面有磁场NS极的产生，亦即有磁通量穿越若所使用的电源为交流电，线圈的磁极和穿越回路面的磁通量都会产生变化当有一导磁性金属面放置于回路线圈上方时，此时金属面就会感应出电流(即涡流)，涡流使锅具铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能感应的电流越大则所产生的热量就越高，煮熟食物所需的时间就越短要使感应电流越大，则穿越金属面的磁通变化量也就要越大，当然磁场强度也就要越强这样一来，原先通以交流电的线圈就需要越多匝数缠绕在一起因为使用高强度的磁场感应，所以炉面没有电流产生，因此在烹煮食物时炉面不会产生高温，现在非山寨版的电磁炉炉面都是使用了能耐高温的黑晶板，是一种相对安全的烹煮器具在使用过程中，因为黑晶板会与锅具接触，会局部产生高温，所以在加热后的一段时间里，不要触摸炉面，以防烫伤.1关于电磁场的理论，下列说法正确的是()A变化的电场周围产生的磁场一定是变化的B变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的C均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的D振荡电场周围产生的磁场也是振荡的【解析】根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场的变化是均匀的，产生的磁场就是稳定的；如果电场的变化是不均匀的，产生的磁场就是变化的，故A选项错，B选项正确均匀变化的磁场产生稳定的电场，C选项错振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场，故D选项正确【答案】BD2某电路的电场随时间变化的图象如图所示，能发射电磁波的电场是() 【导学号：31870035】【解析】图A中的电场不随时间变化，不产生磁场图B和图C中的电场都随时间均匀变化，只能产生稳定的磁场，不会产生和发射电磁波，图D中的电场随时间做周期性的不均匀的变化，能在周围产生同频率周期性变化的磁场变化的磁场又会产生变化的电场，电磁场由近及远传播，形成电磁波，故D选项正确【答案】D3关于电磁波，下列说法正确的是 ()A所有电磁波的频率相同B电磁波只能在真空中传播C电磁波在任何介质中的传播速度相同 D电磁波在真空中的传播速度是3108 m/s【解析】电磁波的频率不一定相同，就是无线电电磁波也有很多频道和频率，A错；电磁波既能在真空中传播，也能在介质中传播，B错；不同频率的电磁波在不同的介质中的传播速度都不相同，C错；电磁波在真空中的传播速度是3108 m/s，D正确【答案】D学业达标测评(十三)(建议用时：45分钟)1火星探测器从火星向地球发回成功着陆的信号，发回的信号属于()A电磁波B声波C超声波 D次声波【解析】从火星到地球之间绝大部分空间是真空，没有传播声波的介质，而电磁波的传播不需要介质，所以选项A正确【答案】A2发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至学校的输电导线的总电阻为R，通过导线的电流为I，学校得到的电压为U2，则输电线上损耗的电压可表示为()AU1 BU1IRCIR DU1U2【解析】U1为输出电压、U2为用户得到的电压，输电线上损耗的电压UU1U2IR，故选项C、D正确【答案】CD3远距离输电时，为了减少输电线上电能损失，应()A提高输送电压，增大输送电流B提高输送电压，减小输送电流C减小输送电压，增大输送电流D减小输送电压，减小输送电流【解析】输电线上损失的功率PI2r，故为了减少输电线上电能损失应减小输送电流，在输送功率不变的条件下，由PUI得应提高输送电压【答案】B4在远距离输电，输送的电功率一定时，当输电电压升高为原来的10倍时，输电线上() 【导学号：31870036】A电流增大为原来的10倍B输电线上的电压变为原来的10倍C输电线上的电压损失变为原来的D功率损失变为原来的【解析】因为输送的电功率不变，输电电压升高为原来的10倍(U送10U送)时，由I线U送I线U送可得，输电线通过的电流I线I线I线，所以输电线上的电流减为原来的；输电线上的电压损失变为U线I线R线I线R线U线，所以输电线上的电压损失变为原来的；输电线上的功率损失P线(I线)2R线IR线P线，所以输电线上的功率损失变为原来的，由此可知选项C正确【答案】C5关于输电技术，下列说法中正确的是()A减小输电导线的电阻可以减小损失的功率B提高输送电压从而减小输送电流，可以减小损失的功率C提高输送电压可减小损失的功率，因此可以无限提高输电电压D采用电网供电可减小损失的功率【解析】减小损失的功率可以通过减小输电线的电阻和输电电流来实现减小输电电流即提高输电电压，但不能无限提高采用电网供电可以减少重复建设，保障供电质量，合理调度电力【答案】AB6下列关于电磁场的说法中不正确的是()A只要空间某处有变化的电场或磁场，就会在其周围产生电磁场，从而形成电磁波B任何变化的电场周围一定有磁场C振荡电场和振荡磁场交替产生，相互依存，形成不可分离的统一体，即电磁场D电磁波的理论在先，实践证明在后【解析】根据麦克斯韦的电磁场理论可知，若电场或磁场的变化是均匀的，则不能形成电磁场，只能形成稳定的磁场或电场，选项A错误，B正确；若电场的变化是非均匀的，则可形成电磁场，由电磁场的定义可知C正确；麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，并指出电磁波的特点，后来赫兹用实验验证了电磁波的存在，所以D正确【答案】A7关于机械波和电磁波，下列说法中错误的是()A机械波和电磁波都能在真空中传播B机械波和电磁波都可以传递能量C机械波在真空中无法传播D机械波和电磁波都能发生衍射和干涉现象【解析】机械波与电磁波都是波，都能传递能量，满足波的性质，具备波的一切特征，但机械波的传播需要介质，电磁波的传播不需要介质【答案】A8根据麦克斯韦电磁理论，如下说法正确的是()A变化的电场一定产生变化的磁场B均匀变化的电场一定产生均匀变化的磁场C稳定的电场一定产生稳定的磁场D振荡交变的电场一定产生同频率的振荡交变磁场【解析】均匀变化的电场产生恒定的磁场，不均匀变化的电场，会产生变化的磁场，振荡交变的电场一定产生同频率的振荡交变磁场，故选D.【答案】D9关于电磁场和电磁波，下列说法中正确的是()A电场和磁场总是相互联系的，它们统称为电磁波B电磁场由发生的区域向远处的传播就是电磁波C电磁波传播的速度总是3108 m/sD电磁波是一种物质，因而只可以在物质中传播【解析】电场和磁场相互激发并向远处传播，形成电磁波，故A错，B对；电磁波是一种物质，因而也可在真空中传播，且在真空中传播的速度最大，为3108 m/s，故C错，D错【答案】B10以下关于输电及发电的说法中正确的是()A火力发电站应建在水力资源丰富的地方，但为了减少远距离输电过程中的电能损耗，应尽量将火力发电站建在用电区附近B远距离输电时，为了增加抗拉强度，应选用机械强度较大的钢线做导线C为了减小远距离输电过程中在输电线上的电能损失，应尽量提高输电电压，输电电压越高越好D电网送电可以保证发电和供电系统的安全与可靠，保障供电的质量【解析】火力发电站应建在煤炭资源丰富的地方，A错；远距离输电时应选用电阻率相对较小的铝线做导线，B错；提高输电电压可减小电能损失，但并不是越高越好，C错误；只有D正确【答案】D11远距离输送一定功率的交变电流，若输电电压提高到原来的n倍，则输电导线的电功率损失是原来的_，输电导线的电压损失是原来的_【解析】设输送功率为P，输电线电阻为RP损I2R()2R，P损I2R()2R，U损IRRU损IRR，.【答案】12某变电站用220 V的电压送电，导线损失功率为输送功率的20%，若要使导线损失的电功率降为输送功率的5%，则输送电压应为多少？【解析】设输送功率为P，输电线路电阻为R.导线损失功率P损I2RR，可知在输送功率为P及输电线路一定的情况下，有P损则有2.所以输送电压U22U1440 V.【答案】440 V14