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1、1 物理选修 3-2 知识点总结 一、电磁感应现象 只要穿过闭合回路中的磁通量发生变化，闭合回路中就会产生感应电流，如果电路不闭 合只会产生感应电动势。 这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应，是1831年法拉第发现的。 二、感应电流的产生条件 1、回路中产生感应电动势和感应电流的条件是回路所围面积中的磁通量变化，因此研究 磁通量的变化是关键，由磁通量的广义公式中BSsin（是 B与 S的夹角）看，磁通 量的变化可由面积的变化S引起；可由磁感应强度 B的变化B引起；可由 B与 S的夹角 的变化引起；也可由 B、S、中的两个量的变化，或三个量的同时变化引起。 2、闭合回路中的一部分导体在磁场中作切
2、割磁感线运动时，可以产生感应电动势，感应 电流，这是初中学过的，其本质也是闭合回路中磁通量发生变化。 3、产生感应电动势、感应电流的条件：穿过闭合电路的磁通量发生变化。 三、法拉第电磁感应定律 公式一：nt/。注意 : 1) 该式普遍适用于求平均感应电动势。2)只与穿过电路的磁 通量的变化率/t有关, 而与磁通的产生、磁通的大小及变化方式、电路是否闭合、电路 的结构与材料等因素无关。 公式n t 中涉及到磁通量的变化量的计算 , 对的计算 , 一般遇到有两种情况 : 1)回 路与磁场垂直的面积 S不变, 磁感应强度发生变化 , 由BS, 此时n B t S, 此式中的 B t 叫磁感应强度的变
3、化率, 若 B t 是恒定的 , 即磁场变化是均匀的, 那么产生的感应电动 势是恒定电动势。2) 磁感应强度 B 不变, 回路与磁场垂直的面积发生变化, 则BS, 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这种情况。 严格区别磁通量, 磁通量的变化量B磁通量的变化率 t , 磁通量BS, 表示穿 过研究平面的磁感线的条数, 磁通量的变化量 21, 表示磁通量变化的多少 , 磁通量 的变化率 t 表示磁通量变化的快慢 , 公式二 : Blv sin 。要注意 : 1) 该式通常用于导体切割磁感线时, 且导线与磁感线互相垂 2 直( l B ) 。2)为 v 与 B的夹角。 l 为导体切
4、割磁感线的有效长度 ( 即 l 为导体实际长度在垂 直于 B方向上的投影 ) 。 公式Blv一般用于导体各部分切割磁感线的速度相同, 对有些导 体各部分切割磁感线的速度不相同的情况, 如何求感应电动势？ 如图 1所示, 一长为 l 的导体杆 AC 绕 A点在纸面内以角速度匀速转动 , 转动的区域的有垂直纸面向里的匀强磁场, 磁感应强度为 B, 求 AC产生 的 感 应 电 动 势 , 显 然 , AC 各 部 分 切 割 磁 感 线 的 速 度 不 相 等 , vvl AC 0, 且 AC上各点的线速度大小与半径成正比, 所以 AC切割 的速度可用其平均切割速v vvvl ACC 222 ,
5、故 1 2 2 B l。 1 2 2 BL当长为 L 的导线，以其一端为轴，在垂直匀强磁场B的平面内，以角速 度匀速转动时，其两端感应电动势为。 公式三： m nBS 面积为 S的纸圈，共 n 匝，在匀强磁场 B中，以角速度 匀速转坳，其转轴与磁场方向垂直，则当线圈平面与磁场方向平行时，线圈两端有最大有感 应电动势 m。 如图所示，设线框长为 L，宽为 d，以转到图示位置时，ab边垂直磁场方向向纸外运动， 切割磁感线，速度为 v d 2 （圆运动半径为宽边d 的一半）产生感应电动势 BLvBL d BS 2 1 2 ， a端电势高于b端电势。 cd边垂直磁场方向切割磁感线向纸里运动，同理产生感
6、应电动热势 1 2 BS。c端电势 高于 e端电势。 bc边， ae边不切割，不产生感应电动势，b c两端等电势，则输出端M N 电动势为 m BS。 如果线圈 n匝，则 m nBS ，M端电势高， N端电势低。 参照俯示图，这位置由于线圈长边是垂直切割磁感线，所以有感应电动势最大值 m，如 从图示位置转过一个角度，则圆运动线速度 v，在垂直磁场方向的分量应为vcos，则此时 线 圈 的 产 生 感 应电 动势 的瞬 时值 即 作 最 大 值 m.cos . 即作 最大 值 方向 的 投 影 ， 3 nBS cos （是线圈平面与磁场方向的夹角） 。 当线圈平面垂直磁场方向时，线速度方向与磁场
7、方向平行，不切割磁感线，感应电动势 为零。 总结：计算感应电动势公式： BLv v v 如 是即时速度，则为即时感应电动势。 如 是平均速度，则为平均感应电动势。 n t t to 是一段时间，为这段时间内的平均感应电动势。 ，为即时感应电动势。 1 2 2 BL nBS cos （是线圈平面与磁场方向的夹角） 。 夹角是线圈平面与磁场方向瞬时值公式， 有感应电动势最大值线圈平面与磁场平行时 cosSBn BSn m 注意：区分感应电量与感应电流, 回路中发生磁通变化时, 由于感应电场的作用使电荷 发 生 定 向 移 动 而 形 成 感 应 电 流 , 在t内 迁 移 的 电 量 ( 感 应
8、电 量 ) 为 R n t tR n t R tIq, 仅由回路电阻和磁通量的变化量决定, 与发生磁通量变化的 时间无关。 四、楞次定律： 1、1834年德国物理学家楞次通过实验总结出：感应电流的方向总是要使感应电流的磁场 阻碍引起感应电流的磁通量的变化。 即磁通量变化 产生 感应电流 建立 感应电流磁场 阻碍 磁通量变化。 2、当闭合电路中的磁通量发生变化引起感应电流时，用楞次定律判断感应电流的方向。 楞次定律的内容：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流为磁通量变化。 （口诀：增反减同，来拒去留，近躲离追） 楞次定律也可以理解为：感应电流的效果总是要反抗（或阻碍）产生感应电流的原因， 即只要有
9、某种可能的过程使磁通量的变化受到阻碍，闭合电路就会努力实现这种过程： （1）阻碍原磁通的变化（原始表述） ； （2）阻碍相对运动，可理解为“来拒去留”，具体表现为：若产生感应电流的回路或其 某些部分可以自由运动，则它会以它的运动来阻碍穿过路的磁通的变化；若引起原磁通变化 为磁体与产生感应电流的可动回路发生相对运动，而回路的面积又不可变，则回路得以它的 运动来阻碍磁体与回路的相对运动，而回路将发生与磁体同方向的运动； 4 （3）使线圈面积有扩大或缩小的趋势； （4）阻碍原电流的变化（自感现象） 。 如图 1 所示，在 O点悬挂一轻质导线环，拿一条形磁铁沿导线环的轴线方向突 然向环内插入，判断在插
10、入过程中导环如何运动。若按常规方法，应先由楞次 定律 判断出环内感应电流的方向， 再由安培定则确定环形电流对应的磁极，由 磁极的相互作用确定导线环的运动方向。若直接从感应电流的效果来分析：条 形磁铁向环内插入过程中，环内磁通量增加，环内感应电流的效果将阻碍磁通 量的增加，由磁通量减小的方向运动。因此环将向右摆动。显然，用第二种方法判断更简捷。 3、 当闭合电路中的一部分导体做切割磁感线运动时，用右手定则可判定感应电流的方向。 运动切割产生感应电流是磁通量发生变化引起感应电流的特例，所以 判定电流方向的右手定则也是楞次定律的特例。用右手定则能判定的， 一 定也能用楞次定律判定， 只是不少情况下，
11、 不如用右手定则判定的方便简 单。反过来，用楞次定律能判定的，并不是用右手定则都能判定出来。如 图 2 所示，闭合图形导线中的磁场逐渐增强，因为看不到切割， 用右手定 则就难以判定感应电流的方向，而用楞次定律就很容易判定。 （ “因电而动”用左手， “因动而电”用右手） 五、互感自感 涡流 1、互感：由于线圈A 中电流的变化，它产生的磁通量发生变化，磁通量的变化在线圈B 中激发了感应电动势。这种现象叫互感。 2、自感：由于线圈（导体）本身电流的变化而产生的电磁感应现象叫自感现象。在 自感现象中产生感应电动势叫自感电动势。 自感现象分通电自感和断电自感两种, 其中断电自感中“小灯泡在熄灭之前是否
12、要闪亮 一下”的问题 , 如图 2 所示 , 原来电路闭合处于稳定状态, L 与LA并联 , 其电流分别为 II LA 和, 方向都是从左到右。在断开 S的瞬间 , 灯 A中原来的从左向右的电流I A立即消失 , 但 是灯A与线圈 L构成一闭合回路 , 由于L的自感作用 , 其中的电流I L 不会立即消失 , 而是在回路中逐断减弱维持暂短的时间, 在这个时间内灯 A中有从右向左的 电流通过 , 此时通过灯 A的电流是从I L 开始减弱的 , 如果原来 II LA, 则在灯 A熄灭之前要闪亮一下 ; 如果原来 II LA, 则 灯 A 是逐断熄灭不再闪亮一下。原来II LA 和哪一个大 , 要由
13、 L 的 直 流 电 阻RL和A 的 电 阻RA的 大 小 来 决 定 , 如 果 RRII LALA ，则, 如果RRII LALA ，。 由上例分析可知：自感电动势总量阻碍线圈（导体）中原电流的变化。 自感电动势的大小跟电流变化率成正比。 5 自 L I t L 是线圈的自感系数， 是线圈自身性质， 线圈越长，单位长度上的匝数越多， 截面积越大， 有铁芯则线圈的自感系数L 越大。单位是亨利（ H） 。 3、涡流及其应用 1变压器在工作时，除了在原、副线圈产生感应电动势外，变化的磁通量也会在铁芯中 产生感应电流。一般来说，只要空间有变化的磁通量，其中的导体就会产生感应电流，我们 把这种感应电
14、流叫做涡流 2应用： （1）新型炉灶电磁炉。 （2）金属探测器：飞机场、火车站安全检查、扫雷、探矿。 六、交变电流描述交变电流的物理量和图象 一）交流电的产生及变化规律： （1）产生：强度和方向都随时间作周期性变化的电流叫交流电。 矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于匀强磁场的线圈的对称轴作匀速转动时，如图51 所 示，产生正弦（或余弦）交流电动势。当外电路闭合时形成正弦（或余弦）交流电流。 图 51 （2）变化规律： （1）中性面：与磁力线垂直的平面叫中性面。 线圈平面位于中性面位置时，如图52（A）所示，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量变 化率为零。因此，感应电动势为零。 图 52 当线圈平面匀速
15、转到垂直于中性面的位置时（即线圈平面与磁力线平行时） 如图 52 （C） 所示，穿过线圈的磁通量虽然为零，但线圈平面内磁通量变化率最大。因此，感应电动势值 最大。 6 m NBlvNBS2 （伏）（N为匝数） （2）感应电动势瞬时值表达式： 若从中性面开始，感应电动势的瞬时值表达式：et m sin （伏）如图 52（B）所 示。 感应电流瞬时值表达式：iIt m sin （安） 若从线圈平面与磁力线平行开始计时，则感应电动势瞬时值表达式为：et mcos （伏）如图 52（D）所示。 感应电流瞬时值表达式：iIt m cos （安） 二）表征交流电的物理量： （1）瞬时值、最大值和有效值：
16、交流电的有效值是根据电流的热效应规定的：让交流电和恒定直流分别通过同样阻值的 电阻，如果二者热效应相等（即在相同时间内产生相等的热量）则此等效的直流电压，电流 值叫做该交流电的电压，电流有效值。 正弦（或余弦）交流电电动势的有效值和最大值 m的关系为： m m 2 0 707. 交流电压有效值UU m.0 707；交流电流有效值IIm.0707。 注意：通常交流电表测出的值就是交流电的有效值。用电器上标明的额定值等都是指 有效值。用电器上说明的耐压值是指最大值。 （2）周期、频率和角频率 交流电完成一次周期性变化所需的时间叫周期。以T表示，单位是秒。 交流电在 1 秒内完成周期性变化的次数叫频
17、率。以f 表示，单位是赫兹。 周期和频率互为倒数，即T f 1 。 我国市电频率为 50 赫兹，周期为 0.02 秒。 角频率： 2 2 T f单位：弧度 / 秒 交流电的图象： et m sin 图象如图 53 所示。 et m cos 图象如图 54 所示。 7 三）正弦交变电流的函数表达式 u=Umsin t i=I msin t 七、电感和电容对交变电流的影响 电感对交变电流有阻碍作用，阻碍作用大小用感抗表示。 低频扼流圈，线圈的自感系数很大，作用是“通直流，阻交流” ； 高频扼流圈，线圈的自感系数很小，作用是“通低频，阻高频” 电容对交变电流有阻碍作用，阻碍作用大小用容抗表示 耦合电
18、容，容量较大，隔直流、通交流 高频旁路电容，容量很小，隔直流、阻低频、通高频 八、变压器 一）理想变压器的效率为1，即输入功率等于输出功率。对于原、副线圈各一组的变压器 来说（如图 56） ，原、副线圈上的电压与它们的匝数成正。 即 U U n n 1 2 1 2 因为有 UIUI 1122 ，因而通过原、 副 线圈的电流强度与它们的匝数成反比。 即 I I n n 1 2 2 1 注意： 1、理想变压器各物理量的决定因素 输入电压 U1决定输出电压 U2，输出电流 I 2决定输入电流 I1，输入功率随输出功率的变化 而变化直到达到变压器的最大功率（负载电阻减小，输入功率增大；负载电阻增大，输
19、入功 率减小） 。 2、一个原线圈多个副线圈的理想变压器的电压、电流的关系 U1 : U 2 : U 3: =n1 : n 2 : n 3: I1n1 =I 2n2 +I 3n3+ 因为 PP 入出，即 U IUI 1122 ，所以变压器中高压线圈电流小，绕制的导线较细， 低电压的线圈电流大，绕制的导线较粗。 上述各公式中的I 、U 、P均指有效值，不能用瞬时值。 3、解决变压器问题的常用方法 动态分析问题的思路程序可表示为： U1 2 2 2 2 2 1 2 1 I R U I U n n U U 决定 负载 决定 决定决定 111221121 1 )(UIP I UIUIPP P1 8 二
20、）电能的输送 由于送电的导线有电阻，远距离送电时，线路上损失电能较多。 在输送的电功率和送电导线电阻一定的条件下，提高送电电压，减小送电电流强度可以 达到减少线路上电能损失的目的。 线路中电流强度 I 和损失电功率计算式如下： I P U PIR 输 出 损线 2 注意：送电导线上损失的电功率，不能用P U R 损 出 线 2 求，因为 U 出不是全部降落在导线上。 九、传感器的及其工作原理 有一些元件它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照 一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。 它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就
21、可以很方便地进行测量、传输、处理和控制 了。 光敏电阻在光照射下电阻变化的原因：有些物质，例如硫化镉，是一种半导体材料，无 光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。光照越 强，光敏电阻阻值越小。 金属导体的电阻随温度的升高而增大，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随 温度变化非常明显。 金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的 化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。 十、传感器的应用 1光敏电阻 2热敏电阻和金属热电阻 3电容式位移传感器 4 力传感器将力信号转化为电流信号的元件。 5霍尔元件 霍尔元件是将电磁感应这
22、个磁学量转化为电压这个电学量的元件。 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出 现多余的另一种电荷，从而形成横向电场；横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电 力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时， 导体板左右两 例会形成稳定的电压，被称为霍尔电势差或霍尔电压 d IB kUU HH， 1传感器应用的一般模式 2传感器应用： 力传感器的应用电子秤 声传感器的应用话筒 温度传感器的应用电熨斗、电饭锅、测温仪 光传感器的应用鼠标器、火灾报警器 传感器的应用实例： 1光控开关 2温度报警器 传感器 电路 转换 放大 执行机构 计算机系统 显示器 数字屏 指针式电表 9