恒定電流與電磁感應(yīng)

恒定電流與電磁感應(yīng)第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一一、高考命題趨勢：電磁感應(yīng)是電磁學(xué)的核心內(nèi)容，也是高中物理綜合性最強(qiáng)的內(nèi)容之一，高考每年必考。電磁感應(yīng)問題，大多數(shù)會涉及力學(xué)知識（如牛頓運(yùn)動定律、功、動能定理、動量和能量守恒定律等）、電學(xué)知識（如電磁感應(yīng)定律、楞次定律、直流電路知識、磁場知識等）以及熱學(xué)知識等多個(gè)知識點(diǎn)，突出考查理解能力、分析綜合能力，尤其從實(shí)際問題中抽象概括構(gòu)建物理模型的創(chuàng)新能力。因此，本專題涉及的內(nèi)容多為計(jì)算題，分值高，難度大，具有較高的區(qū)分度。第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一二、主要題型和解決思路：電磁感應(yīng)的題目往往綜合性較強(qiáng)，與前面的知識聯(lián)系較多，解題時(shí)，在弄清題意后重要的是分析題目由哪些基本物理現(xiàn)象組成，再選用相應(yīng)的規(guī)律，分析物理過程，建立解題方程求解。其具體應(yīng)用可分為以下幾個(gè)方面：第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一1、受力情況、運(yùn)動情況的動態(tài)分析。導(dǎo)體受力運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢→感應(yīng)電流→通電導(dǎo)體受安培力→合外力變化→加速度變化→速度變化→感應(yīng)電動勢變化→……，周而復(fù)始，循環(huán)結(jié)束時(shí)，加速度等于零，導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動狀態(tài)。要畫好受力圖，抓住a=0時(shí)，速度v達(dá)最大值的特點(diǎn)。第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

首先明確研究對象，搞清物理過程。其次由法拉第電磁感應(yīng)定律求感應(yīng)電動勢，然后利用歐姆定律求感應(yīng)電流。再次正確地進(jìn)行受力分析，求出安培力.要注意在勻強(qiáng)磁場中勻速運(yùn)動的導(dǎo)體受的安培力恒定，變速運(yùn)動的導(dǎo)體受的安培力也隨速度（電流）變化．最后用力學(xué)規(guī)律求解，勻速運(yùn)動可用平衡條件求解．變速運(yùn)動的瞬時(shí)速度可用牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式求解，變速運(yùn)動的熱量問題一般用能量觀點(diǎn)分析，應(yīng)盡量應(yīng)用能的轉(zhuǎn)化和守恒定律解決問題．具體來講，有以下幾個(gè)要求：第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2、功和能量的分析.電磁感應(yīng)過程往往伴隨著多種能量形態(tài)的轉(zhuǎn)化。從功和能的觀點(diǎn)入手，分析清楚電磁感應(yīng)過程中能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，是解決電磁感應(yīng)問題的重要途徑。例如：如圖所示的金屬棒ab沿導(dǎo)軌由靜止下滑時(shí)，重力勢能減小，一部分用來克服安培力做功轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流的電能，最終在R上轉(zhuǎn)化為焦耳熱，另一部分轉(zhuǎn)化為金屬棒的動能。若導(dǎo)軌足夠長，棒最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為勻速運(yùn)動時(shí)，重力勢能用來克服安培力做功轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流的電能。第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

應(yīng)明確產(chǎn)生電動勢的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源，該部分電路的電阻是電源的內(nèi)阻，而其余部分電路則是用電器,是外電路．一般先畫等效電路圖,然后綜合電磁規(guī)律和電路規(guī)律求解。應(yīng)用全電路歐姆定律分析問題時(shí)，要注意能量轉(zhuǎn)化問題。

電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，產(chǎn)生的電能是其他形式的能轉(zhuǎn)化來的，外力克服安培力做多少功，就有多少電能產(chǎn)生．從能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)看，楞次定律描述了其他形式的能通過磁場轉(zhuǎn)化為電能的規(guī)律，是能量守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的具體表現(xiàn)，也是解決電磁感應(yīng)問題的重要方法．3、電磁感應(yīng)的電路問題：第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一解決此類問題首先要建立一個(gè)“動→電→動”的思維順序。此類問題中力現(xiàn)象、電磁現(xiàn)象相互聯(lián)系、相互制約和影響，其基本形式如下：分析方法和步聚可概括為：（1）找準(zhǔn)主動運(yùn)動（即切割磁感線）者，用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求解電動勢大小和方向.（2）根據(jù)等效電路圖，求解回路電流大小及方向（3）分析導(dǎo)體棒的受力情況及導(dǎo)體棒運(yùn)動后對電路中電學(xué)參量的“反作用”.（4）從宏觀上推斷終極狀態(tài)（5）列出動力學(xué)方程或平衡方程進(jìn)行求解.第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)

是不同形式能量轉(zhuǎn)化的過程。產(chǎn)生和維持感應(yīng)電流的存在的過程就是其它形式的能量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流電能的過程。安培力做正功的過程是電能轉(zhuǎn)化為其它形式能量的過程,安培力做多少正功,就有多少電能轉(zhuǎn)化為其它形式能量安培力做負(fù)功的過程是其它形式能量轉(zhuǎn)化為電能的過程,克服安培力做多少功,就有多少其它形式能量轉(zhuǎn)化為電能第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一1.確定電源.產(chǎn)生感應(yīng)電流或感應(yīng)電動勢的那部分電路就相當(dāng)于電源，利用法拉第電磁感應(yīng)定律確定其電動勢的大小，利用楞次定律確定其正負(fù)極。如無感應(yīng)電流則可以假設(shè)電流存在時(shí)的方向。2.分析電路結(jié)構(gòu)，畫出等效電路圖.這一步的實(shí)施的本質(zhì)是確定“分析”的到位與準(zhǔn)確.承上啟下，為下一步的處理做好準(zhǔn)備.3.利用電路規(guī)律求解.主要還是歐姆定律、串并聯(lián)電路、電功、電熱.解決電源與電路連接問題的主要步驟：第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

4、若電表是理想化的，則在電流表接入處可認(rèn)為該處短路；在電壓表接入處可認(rèn)為該處斷路。若電表不是理想化的，可把電流表和電壓表看作是能顯示電流值和電壓值的電阻。

5、在含有電容器的電路中，當(dāng)電容器充電時(shí)，可以認(rèn)為是通路；當(dāng)電容器放電時(shí)，可以認(rèn)為是電源；當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可以認(rèn)為是斷路，電容器兩極間的電壓等于與之并聯(lián)的電阻兩端的電壓。第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一4、電磁感應(yīng)的圖像問題:（1）圖像的主要作用圖像是描述物理過程和交待物理量的重要方法之一，要學(xué)會從圖像上獲取已知條件、分析物理過程；要學(xué)會從抽象的圖像出發(fā)，建立實(shí)際的物理模型；要知道圖像就是題干，解題所需要的條件均在圖像上有充分的交待.

磁通量是否變化以及變化是否均勻、感應(yīng)電動勢(感應(yīng)電流)的大小以及是否恒定、感應(yīng)電動勢(感應(yīng)電流)的方向、電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的過程以及時(shí)間段都可以通過圖象反映。（2）圖像的主要類型一類是根據(jù)導(dǎo)體切割磁感線情況畫出E－t圖象和i－t圖象.

另一類是根據(jù)φ－t圖象或B－t圖象畫出E－t圖象和I－t圖象,或反之。第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一二、主要知識再現(xiàn)第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

用牛頓定律、動量觀點(diǎn)、全電路歐姆定律解電學(xué)綜合問題和力、電綜合問題；用能量觀點(diǎn)解電磁感應(yīng)問題電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件感應(yīng)電動勢的大小感應(yīng)電流的方向:楞次定律右手定則1、電磁感應(yīng)知識結(jié)構(gòu)第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2.電磁感應(yīng)現(xiàn)象(1)產(chǎn)生條件：回路中的磁通量發(fā)生變化.(2)感應(yīng)電流與感應(yīng)電動勢：在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的是感應(yīng)電動勢，若回路是閉合的，則有感應(yīng)電流產(chǎn)生；若回路不閉合，則只有電動勢，而無電流。(3)在閉合回路中，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分導(dǎo)體是電源，其余部分則為外電路。第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

回路中磁通量發(fā)生變化的幾種情況

①回路面積不變，而磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化；②磁場不變，而回路面積發(fā)生變化；③磁場和回路面積均不變，但回路平面與磁場的方向發(fā)生了變化；④閉合電路的一部分做切割磁感線的運(yùn)動.第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

3.磁通量Φ、磁通量的變化量△Φ、磁通量的變化率△Φ/△t的區(qū)別.磁通量是指穿過某一回路的磁感線的條數(shù)；磁通量的變化量是說明磁通量改變了多少，但不能說明磁通量改變的快慢，值得注意的是當(dāng)一個(gè)回路平面翻轉(zhuǎn)180°時(shí)，磁通量的大小變不變暫且不論，但方向由正變負(fù)或由負(fù)變正，而磁通量的變化量為△Φ=|△Φ1|+|△Φ2|；磁通量變化率△Φ/△t是指磁通量變化快慢的物理量，決定了該回路的感應(yīng)電動勢的大小，再結(jié)合該回路電阻可決定該電路的感應(yīng)電流的大小。第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一4、法拉第電磁感應(yīng)定律（1）內(nèi)容：電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感應(yīng)電動勢的大小跟穿過這一回路的磁通量的變化率成正比，即E=n△Φ/△t.（2）當(dāng)導(dǎo)體在勻強(qiáng)磁場中切割磁感線時(shí)，切割法表達(dá)式E=BLvsina，而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源，該電源的正負(fù)極由楞次定律來確定，注意電源內(nèi)部電流是由負(fù)極流向正極.第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

5、法拉第電磁感應(yīng)定律的第一種表述的運(yùn)用及注意事項(xiàng)（1）E=n△Φ/△t是定量描述電磁感應(yīng)現(xiàn)象的普適規(guī)律.不管是因?yàn)槭裁丛?、什么方式所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，其感應(yīng)電動勢的大小均可由它來計(jì)算。（2）E=n△Φ/△t在中學(xué)階段通常是計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的感應(yīng)電動勢的平均值，對于瞬時(shí)值，其作用不大，只有當(dāng)磁通量的變化率恒定時(shí)，才等于瞬時(shí)值。第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一6、公式E=BLvsina的運(yùn)用及注意事項(xiàng)1.此公式中a為速度與磁場平面間的夾角.在v垂直于B，也垂直于L，且L也垂直于B時(shí)，可簡化為E=BLv，否則可以用v⊥=vsina可得E=BLv⊥2.此公式一般用于勻強(qiáng)磁場(或?qū)w所在位置的各點(diǎn)B均相同)，且導(dǎo)體各部分的速度均相同的情況.若切割速度v不變，則E為恒定值；若切割速度為瞬時(shí)值，則E為瞬時(shí)電動勢.該公式即可求平均電動勢，也可求瞬時(shí)電動勢.第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一7、轉(zhuǎn)動切割問題（1）若導(dǎo)體棒繞某一固定轉(zhuǎn)軸切割磁感線時(shí)，雖然棒上各點(diǎn)的切割速度并不相同，但可用棒中點(diǎn)的速度等效替代切割速度，常用公式E=BLv中＝（）。（2）公式中的L為有效切割長度，即垂直于B、垂直于v且處于磁場中的直線部分長度；此公式是法拉第電磁感應(yīng)定律在導(dǎo)體切割磁感線時(shí)的具體表達(dá)式。第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

(1)感應(yīng)電流的磁場總是阻礙磁通量的變化(涉及到：原磁場方向、磁通量增減、感應(yīng)電流的磁場方向和感應(yīng)電流方向等四方面).右手定則是其中一種特例。

(2)感應(yīng)電流引起的運(yùn)動總是阻礙相對運(yùn)動。

(3)自感電動勢的方向總是阻礙原電流變化。8.楞次定律三種表述：第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一9.電源和電路

(1)電源電動勢是反映電源把其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)的物理量，只由電源本身結(jié)構(gòu)特性決定，與電路無關(guān)。電源提供的電能W=qE=IEt，總功率P總=IE.(2)內(nèi)電路：內(nèi)電阻消耗電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(發(fā)熱)P內(nèi)=IU內(nèi)=I2r.(3)外電路：外電路中消耗的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，輸出功率即外電路消耗的電功率，P外=IU外供電效率:=P出/P總＝U外/E

（4）內(nèi)電路與外電路中消耗的電能之和等于電源把其它形式能轉(zhuǎn)化過來的電能，IU內(nèi)+IU外=IE.第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一10.閉合電路歐姆定律

(1)內(nèi)容：閉合電路的電流與電源電動勢成正比，與內(nèi)、外電路的電阻之和成反比。

(2)公式：I＝E/(R+r)。

(3)適用條件：純電阻電路。（4）功率表達(dá)式和電壓表達(dá)式分別為（）（）。第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一11.純電阻閉合電路中變量分析(1)保持不變的量只有電源的電動勢和內(nèi)電阻，電流、電壓、電功率等都隨外電阻的改變而改變

(2)主要關(guān)系：電流I=E/(R+r).內(nèi)電壓U內(nèi)＝Ir=Er/(R+r).

外電壓U外＝E-Ir.總功率P總＝IE.

（3）輸出功率及供電效率:P出=I2R=（）=R/(R+r).

由以上各式可看出當(dāng)外電阻R增大時(shí)，電流減小，內(nèi)電壓U內(nèi)減小，外電壓U外增大，總功率P總減小，效率η變大。輸出功率卻不是單調(diào)變化，當(dāng)外電阻R=r時(shí)P出有最大值E2/4r。第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一（4）引起電路動態(tài)變化的原因

Ⅰ.滑動變阻器滑動片位置的改變；

Ⅱ.開關(guān)的閉合、斷開或換向（雙擲開關(guān)）

Ⅲ.非理想電表的接入。

思路：由部分電阻的變化推斷外電路總電阻的變化，由全電路歐姆定律討論總電流強(qiáng)度的變化，由串并聯(lián)電路特點(diǎn)根據(jù)具體情況確定各元件上其它量的變化情況.第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一12、路端電壓隨電流變化的U-I圖像①圖線與縱坐標(biāo)交點(diǎn)表示電路斷開情況，交點(diǎn)的縱坐標(biāo)為電源電動勢E.②圖線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)表示外電路短路情況，交點(diǎn)橫坐標(biāo)為短路電流I短=E/r.③圖線斜率值(tan)表示電源的內(nèi)電阻r=△U/△I.【注意】若縱軸的原點(diǎn)不在兩軸交點(diǎn)時(shí)，此結(jié)論不成立第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一13、電功和電功率1.導(dǎo)體中的自由電荷在電場力作用下定向移動，電場力所做的功稱為電功.電功公式W=qU=IUt，適用于一切電路.2.“度”是日常生活中使用的電功單位，1度=3.6×106J.電流通過用電器做功的過程，實(shí)際上是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程.3.電功率等于單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功，計(jì)算公式P=W/t=UI也適用于一切電路.要注意與某部分電路中各量的對應(yīng)關(guān)系.4.用電器的額定功率是指用電器在額定電壓下工作時(shí)消耗的功率；而用電器的實(shí)際功率是指用電器在實(shí)際電壓下工作時(shí)消耗的功率.第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一14、焦耳定律、電功和電熱的關(guān)系1.焦耳定律：電流流過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體上產(chǎn)生的熱量Q=I2Rt，此式也適用于任何電路，包括電動機(jī)等非純電阻發(fā)熱的計(jì)算.產(chǎn)生電熱的過程，是電流做功，把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程.2.在純電阻電路中，電流做功，電能完全轉(zhuǎn)化為電路的內(nèi)能.因而電功等于電熱，有：

W=UIt=I２Rt=(U2/R)t.P=UI=I2R=U２/R.

3.在非純電阻電路中，電流做功，電能除了一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還要轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能等其他形式的能.因而電功大于電熱，電功率大于電路的熱功率.即有：W=UIt=E其他+I2Rt或UI=I２R+P其他(P其他指除熱功率之外的其他形式能的功率)第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一15、串并聯(lián)電路的性質(zhì)和特點(diǎn)第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一16、主要的電學(xué)實(shí)驗(yàn)第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一測量電路及基本工具滑動變阻器的連接.滑動變阻器在電路中也有如圖兩種常用的接法：a叫限流接法，b叫分壓接法.分壓接法中被測電阻上電壓的調(diào)節(jié)范圍大.當(dāng)要求電壓從0開始調(diào)節(jié)，或要求電壓調(diào)節(jié)范圍盡量大時(shí)應(yīng)該用分壓接法.用分壓接法時(shí)，滑動變阻器應(yīng)該選用阻值小的；用限流接法時(shí)，滑動變阻器應(yīng)該選用阻值和被測電阻接近的.第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一伏安法測電阻伏安法測電阻有如下圖兩種接法，a叫外接法，b叫內(nèi)接法.外接法的系統(tǒng)誤差是由電壓表的分流引起的，測量值總小于真實(shí)值，測較小阻值應(yīng)采用外接法；內(nèi)接法的系統(tǒng)誤差是由電流表的分壓引起的，測量值總大于真實(shí)值，測較大阻值應(yīng)采用內(nèi)接法.第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一如果無法估計(jì)被測電阻的阻值大小，可以利用試觸法：如圖10－4－3將電壓表的左端接a點(diǎn)，而將右端第一次接b點(diǎn)，第二次接c點(diǎn)，觀察電流表和電壓表的變化，若電流表讀數(shù)變化大，說明被測電阻是大電阻，應(yīng)該用內(nèi)接法測量；若電壓表讀數(shù)變化大，說明被測電阻是小電阻，應(yīng)該用外接法測量.第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一使用多用表歐姆擋粗測電阻(1)原理如圖10－4－4所示.調(diào)0時(shí)Ig=E/(Rg+r+R)=E/R內(nèi)①測量時(shí)I=E/(R內(nèi)+Rx)②只要將對應(yīng)Rx值的電流刻度I改為阻值Rx，即為歐姆表.(4)注意：①用歐姆擋測電阻，將指針示數(shù)乘以倍率得測量值如果指針偏轉(zhuǎn)角度太小，應(yīng)增大倍率；如果指針偏轉(zhuǎn)角度太大，應(yīng)減小倍率.②每次換擋后都要重新進(jìn)行電阻調(diào)0.第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一螺旋測微器固定刻度上的最小刻度為半毫米(上下兩行，分別是表示半毫米線和整毫米線)；可動刻度每旋轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)(或后退)半毫米.在可動刻度的一周上平均刻有50條刻線，所以每兩條刻線間代表0.01mm.讀數(shù)時(shí)，從主尺上讀取整、半毫米數(shù)，然后從可動刻度上讀取剩余部分(因?yàn)槭?0分度，所以在最小刻度后還應(yīng)該再估讀一位)，再把兩部分讀數(shù)相加，得測量值.圖10-4-6中的讀數(shù)應(yīng)該是9.203mm.第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一描繪小燈泡的伏安特性曲線.1.因?yàn)樾襞莸碾娮栎^小(10Ω左右)所以應(yīng)該選用電流表外接法.2.小燈泡的電阻會隨著電壓的升高，燈絲溫度的升高而增大，所以U-I曲線不是直線.為了反映這一變化過程，燈泡兩端的電壓應(yīng)該由0逐漸增大到額定電壓.所以滑動變阻器必須選用分壓接法.3.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的I-U曲線如圖10－4－8，說明燈絲的電阻隨溫度升高而增大，也就說明金屬電阻率隨溫度升高而增大.第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一測定金屬的電阻率1.被測電阻絲的電阻較小，所以選用電流表外接法；2.本實(shí)驗(yàn)不要求電壓調(diào)節(jié)范圍，可選用限流電路.【注意】：開始時(shí)滑動變阻器的滑動觸頭應(yīng)該在接入電路電阻最大的一端.本實(shí)驗(yàn)通過的電流不宜太大，通電時(shí)間不能太長，以免電阻絲發(fā)熱后電阻率發(fā)生明顯變化.第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一17、交變電流知識網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)值交變電流交變電流的產(chǎn)生及其變化規(guī)律描述交變電流的物理量最大值有效值周期、頻率交流電路電感、電容的作用變壓器遠(yuǎn)距離輸電第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一交變電流的產(chǎn)生閉合矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中，繞垂直于磁感線的軸線做勻角速轉(zhuǎn)動時(shí)，閉合線圈中就有交流電產(chǎn)生L2L1L2線圈平面與磁感線垂直位置開始計(jì)時(shí)e=Emsinωti=Imsinωtu=UmsinωtEm=NBωS第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一描述交變電流的物理量1、瞬時(shí)值反映不同時(shí)刻交流電的大小和方向表達(dá)式e=Emsinωti=Imsinωtu=Umsinωt2、最大值也叫峰值，它是瞬時(shí)值的最大者，它反映