新教材2021-2022學(xué)年高中物理魯科版必修第三冊(cè)課件：第5章

電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)是一種物理現(xiàn)象,是電磁場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的相互作用。它可以產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),推動(dòng)電流流動(dòng),在電機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器中都有廣泛應(yīng)用。了解這一過(guò)程對(duì)于理解和應(yīng)用電磁現(xiàn)象至關(guān)重要。byJerryTurnersnull5.1電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)法拉第在1831年通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即一個(gè)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流。感生電流的產(chǎn)生當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁通量的變化會(huì)在導(dǎo)體中感生電流。這種感生電流的方向由電磁感應(yīng)定律決定。磁場(chǎng)變化的形式磁場(chǎng)的變化可以是導(dǎo)體本身的運(yùn)動(dòng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變、或者磁場(chǎng)的方向改變。這些變化都會(huì)引起導(dǎo)體中感生電流的產(chǎn)生。5.1.1電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象是由英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第于1831年發(fā)現(xiàn)的。在一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中,他發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí),就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流。這一重要發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著電磁感應(yīng)的誕生,為后來(lái)電力技術(shù)的飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。5.1.2電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵穿過(guò)線圈可以在線圈中感應(yīng)產(chǎn)生電流,這就是電磁感應(yīng)的基本現(xiàn)象。當(dāng)線圈所鏈磁通發(fā)生變化時(shí),就會(huì)在線圈中感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通變化率成正比。電磁感應(yīng)現(xiàn)象還可以通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)形狀、線圈位置等方式來(lái)驗(yàn)證,并且可以觀察到磁通變化率的影響。法拉第電磁感應(yīng)定律1831年,英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,并總結(jié)出了電磁感應(yīng)的基本規(guī)律,即著名的法拉第電磁感應(yīng)定律。該定律描述了變化的磁通量如何能夠產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì),為理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象提供了基本框架。5.2.1感生電流的方向根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)磁通量發(fā)生變化時(shí)會(huì)在導(dǎo)體中感生電流。這個(gè)感生電流的方向可以通過(guò)"洛倫茲定律"來(lái)確定。根據(jù)洛倫茲定律,感生電流的方向總是與引起它的磁通量變化的方向相垂直，并且符合右手定則的方向。通過(guò)這個(gè)規(guī)律，我們可以很容易地預(yù)測(cè)感生電流的方向。無(wú)論是導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)還是磁場(chǎng)發(fā)生變化，只要弄清楚磁通量的變化方向，就能夠確定感生電流的方向。這對(duì)理解和應(yīng)用電磁感應(yīng)現(xiàn)象非常重要。5.2.2感生電動(dòng)勢(shì)的大小根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)磁通量發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體中感生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。感生電動(dòng)勢(shì)的大小正比于磁通量的變化率，即磁通量隨時(shí)間的變化率。感生電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體面積、導(dǎo)體的匝數(shù)以及導(dǎo)體穿過(guò)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素有關(guān)。電磁感應(yīng)的應(yīng)用電磁感應(yīng)的原理和定律在我們的日常生活和科技發(fā)展中都有廣泛的應(yīng)用。從發(fā)電機(jī)到變壓器,從渦流制動(dòng)到電磁加熱,電磁感應(yīng)為人類提供了許多有用的技術(shù)。本節(jié)將詳細(xì)探討幾個(gè)重要的電磁感應(yīng)應(yīng)用。渦流和渦流制動(dòng)渦流是感生電流在導(dǎo)體內(nèi)形成的環(huán)形電流。渦流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),與原磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生渦流制動(dòng)力。渦流制動(dòng)力可用于制動(dòng),如在安培秤和吊秤中,減緩機(jī)械運(yùn)動(dòng)。5.3.2發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是電磁感應(yīng)的重要應(yīng)用之一。它利用電磁感應(yīng)原理,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機(jī)內(nèi)部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的金屬電磁鐵線圈,在外部磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而產(chǎn)生電能輸出。發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、汽車發(fā)電機(jī)等場(chǎng)合,為我們提供豐富的電力資源。5.3.3變壓器變壓器是電磁感應(yīng)的典型應(yīng)用之一。它利用電磁感應(yīng)原理將交流電壓從一個(gè)電路傳遞到另一個(gè)電路。通過(guò)改變電磁感應(yīng)線圈的匝數(shù)比，可以實(shí)現(xiàn)電壓的升壓或降壓，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和電子電路中。變壓器主要由原邊繞組、磁芯和副邊繞組三部分組成。在交流電源作用下，原邊繞組產(chǎn)生交變磁通，通過(guò)磁芯感應(yīng)到副邊繞組，從而實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。變壓器的效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。5.3.4電磁感應(yīng)在日常生活中的應(yīng)用電磁感應(yīng)應(yīng)用廣泛,從家用電器到工業(yè)設(shè)備都有應(yīng)用。例如電磁爐利用感應(yīng)加熱原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能,快速加熱烹飪食物。電動(dòng)牙刷、剃須刀也使用感應(yīng)技術(shù)為電池充電,無(wú)需直接連接電源。磁懸浮列車?yán)秒姶鸥袘?yīng)懸浮并推進(jìn),實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行,給人帶來(lái)耳目一新的體驗(yàn)。此外還有感應(yīng)式自動(dòng)門、防盜磁性標(biāo)簽等豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。電磁感應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換電磁感應(yīng)是能量轉(zhuǎn)換的重要過(guò)程。感生電流能夠產(chǎn)生電功率,變壓器可以實(shí)現(xiàn)電壓和電流的轉(zhuǎn)換。了解這些能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律對(duì)實(shí)際應(yīng)用非常重要。5.4.1感生電流的功率感生電流在電路中會(huì)產(chǎn)生功率耗散。這種功率損耗主要表現(xiàn)為熱量,可以用功率公式計(jì)算:P=I2R,其中P為功率,I為電流,R為電阻。感生電流的大小與電磁感應(yīng)的強(qiáng)度有關(guān),因此感生電流的功率也取決于電磁感應(yīng)的強(qiáng)弱。理解感生電流功率的計(jì)算對(duì)于分析電磁感應(yīng)系統(tǒng)的效率很重要。5.4.2變壓器的功率變壓器可以將電壓從高壓轉(zhuǎn)換成低壓,或從低壓轉(zhuǎn)換成高壓。這種電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中,變壓器內(nèi)部的電磁感應(yīng)會(huì)導(dǎo)致一定的功率損耗。變壓器的功率等于初級(jí)線圈的電壓與電流乘積,等于二次線圈的電壓與電流乘積。理想狀態(tài)下,初級(jí)功率等于二次功率。但實(shí)際中會(huì)有功率損耗,主要包括鐵損和銅損。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和選用優(yōu)質(zhì)材料,可以最大限度降低變壓器的功率損耗,提高其功率轉(zhuǎn)換效率。這對(duì)于提高電力系統(tǒng)的整體效率非常重要。電磁感應(yīng)的相關(guān)問(wèn)題電磁感應(yīng)是一個(gè)非常重要的物理概念,涉及到許多應(yīng)用和相關(guān)的理論問(wèn)題。這一部分將深入探討電磁感應(yīng)的條件、感生電流的方向判斷、感生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算,以及渦流的應(yīng)用和危害等相關(guān)問(wèn)題。通過(guò)學(xué)習(xí)這些內(nèi)容,可以更全面地理解電磁感應(yīng)的本質(zhì)和應(yīng)用。5.5.1電磁感應(yīng)的條件電磁感應(yīng)需要存在可變磁通。即磁通隨時(shí)間發(fā)生變化。電磁感應(yīng)需要存在導(dǎo)體構(gòu)成的回路。感生電流產(chǎn)生于導(dǎo)體中。電磁感應(yīng)需要滿足法拉第電磁感應(yīng)定律。即磁通的變化會(huì)在導(dǎo)體回路中感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。只有當(dāng)這三個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí),電磁感應(yīng)現(xiàn)象才能發(fā)生。這是電磁感應(yīng)的必要條件。5.5.2感生電流的方向判斷感生電流的方向可以用楞次定律來(lái)判斷:感生電流的方向總是使得由它產(chǎn)生的磁通量變化阻礙引起它的那個(gè)變化。通過(guò)觀察磁通量的變化方向,可以判斷感生電流的流向,有助于理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象。5.5.3感生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,可以計(jì)算感生電動(dòng)勢(shì)的大小。感生電動(dòng)勢(shì)的大小等于磁通量變化率的負(fù)值,即ε=-dΦ/dt。根據(jù)幾何關(guān)系和磁場(chǎng)分布,可以推導(dǎo)出不同情況下感生電動(dòng)勢(shì)的具體計(jì)算公式。5.5.4渦流的應(yīng)用和危害渦流應(yīng)用:渦流可用于金屬探測(cè)器、渦流制動(dòng)、金屬加工等領(lǐng)域。金屬探測(cè)器利用渦流檢測(cè)金屬物體,制動(dòng)器用渦流實(shí)現(xiàn)快速并安全的減速。渦流加工可以提高加工效率和精度。渦流的危害:渦流也會(huì)造成一些問(wèn)題,如渦流損耗會(huì)降低電機(jī)和變壓器的效率,產(chǎn)生不必要的熱量。此外,渦流還可能造成金屬機(jī)構(gòu)的振動(dòng)和損壞。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮渦流的影響并采取相應(yīng)的措施。渦流研究與應(yīng)用:深入了解渦流的性質(zhì)和規(guī)律對(duì)改進(jìn)和優(yōu)化相關(guān)技術(shù)很重要。繼續(xù)探索渦流在更多領(lǐng)域的應(yīng)用前景也值得關(guān)注。5.5.5發(fā)電機(jī)和變壓器的工作原理發(fā)電機(jī)工作原理:磁場(chǎng)和導(dǎo)體相對(duì)運(yùn)動(dòng),在導(dǎo)體中感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),通過(guò)外電路形成電流。能量從機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。變壓器工作原理:在初級(jí)線圈中感應(yīng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng),通過(guò)磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)電壓的升降變換。發(fā)電機(jī)和變壓器都基于電磁感應(yīng)原理,但前者是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,后者是電壓的升降變換。兩者在電力系統(tǒng)中扮演重要角色。5.5.6電磁感應(yīng)在生活中的應(yīng)用電磁感應(yīng)廣泛應(yīng)用于電力傳輸和轉(zhuǎn)換??.變壓器利用電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電壓的升降換算,確保電能安全有效地傳輸.家電如電磁爐和無(wú)線充電器也利用電磁感應(yīng)原理工作??.感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)誘導(dǎo)被加熱物品或充電設(shè)備中的感應(yīng)電流,從而實(shí)現(xiàn)加熱或無(wú)接觸充電.電磁感應(yīng)在交通運(yùn)輸、測(cè)量?jī)x表等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用??.如磁懸浮列車、電磁流速計(jì)等都利用了這一原理.本章小結(jié)通過(guò)學(xué)習(xí)本章內(nèi)容,我們了解了電磁感應(yīng)的基本概念和定律,以及電磁感應(yīng)在生活中的廣泛應(yīng)用。掌握這些核心知識(shí)有助于我們更好地理解和運(yùn)用電磁現(xiàn)象,為后續(xù)電磁理論的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本章復(fù)習(xí)思考題1電磁感應(yīng)的基本現(xiàn)象理解電磁感