恒定电流与电磁感应.ppt

恒定电流与电磁感应,专题复习,一、高考命题趋势：,电磁感应是电磁学的核心内容，也是高中物理综合性最强的内容之一，高考每年必考。 电磁感应问题，大多数会涉及力学知识（如牛顿运动定律、功、动能定理、动量和能量守恒定律等）、电学知识（如电磁感应定律、楞次定律、直流电路知识、磁场知识等）以及热学知识等多个知识点，突出考查理解能力、分析综合能力，尤其从实际问题中抽象概括构建物理模型的创新能力。因此，本专题涉及的内容多为计算题，分值高，难度大，具有较高的区分度。,二、主要题型和解决思路：,电磁感应的题目往往综合性较强，与前面的知识联系较多，解题时，在弄清题意后重要的是分析题目由哪些基本物理现象组成，再选用相应的规律，分析物理过程，建立解题方程求解。其具体应用可分为以下几个方面：,1、受力情况、运动情况的动态分析。,导体受力运动产生感应电动势感应电流通电导体受安培力合外力变化加速度变化速度变化感应电动势变化，周而复始，循环结束时，加速度等于零，导体达到稳定运动状态。,要画好受力图，抓住 a =0时，速度v达最大值的特点。,首先明确研究对象，搞清物理过程。其次由法拉第电磁感应定律求感应电动势，然后利用欧姆定律求感应电流。再次正确地进行受力分析，求出安培力.要注意在匀强磁场中匀速运动的导体受的安培力恒定，变速运动的导体受的安培力也随速度（电流）变化最后用力学规律求解，匀速运动可用平衡条件求解变速运动的瞬时速度可用牛顿第二定律和运动学公式求解，变速运动的热量问题一般用能量观点分析，应尽量应用能的转化和守恒定律解决问题,具体来讲，有以下几个要求：,2、功和能量的分析.,电磁感应过程往往伴随着多种能量形态的转化。从功和能的观点入手，分析清楚电磁感应过程中能量转化的关系，是解决电磁感应问题的重要途径 。,例如：如图所示的金属棒ab沿导轨由静止下滑时，重力势能减小，一部分用来克服安培力做功转化为感应电流的电能，最终在R上转化为焦耳热，另一部分转化为金属棒的动能。若导轨足够长，棒最终达到稳定状态为匀速运动时，重力势能用来克服安培力做功转化为感应电流的电能。,应明确产生电动势的那部分导体相当于电源，该部分电路的电阻是电源的内阻，而其余部分电路则是用电器,是外电路一般先画等效电路图,然后综合电磁规律和电路规律求解。应用全电路欧姆定律分析问题时，要注意能量转化问题。,电磁感应现象中，产生的电能是其他形式的能转化来的，外力克服安培力做多少功，就有多少电能产生从能量转化和守恒的观点看，楞次定律描述了其他形式的能通过磁场转化为电能的规律，是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现，也是解决电磁感应问题的重要方法,3、电磁感应的电路问题：,解决此类问题首先要建立一个“动电动”的思维顺序。此类问题中力现象、电磁现象相互联系、相互制约和影响，其基本形式如下：,分析方法和步聚可概括为： （1）找准主动运动（即切割 磁感线）者，用法拉第电磁 感应定律和楞次定律求解电 动势大小和方向. （2）根据等效电路图，求解回路电流大小及方向 （3）分析导体棒的受力情况及导体棒运动后对电路中电学参量的“反作用”. （4）从宏观上推断终极状态 （5）列出动力学方程或平衡方程进行求解.,电磁感应现象的实质 是不同形式能量转化的过程。产生和维持感应电流的存在的过程就是其它形式的能量转化为感应电流电能的过程。,安培力做正功的过程是电能转化为其它形式能量的过程,安培力做多少正功,就有多少电能转化为其它形式能量,安培力做负功的过程是其它形式能量转化为电能的过程,克服安培力做多少功,就有多少其它形式能量转化为电能,1.确定电源.产生感应电流或感应电动势的那部分电路就相当于电源，利用法拉第电磁感应定律确定其电动势的大小，利用楞次定律确定其正负极。 如无感应电流则可以假设电流存在时的方向。 2.分析电路结构，画出等效电路图.这一步的实施的本质是确定“分析”的到位与准确.承上启下，为下一步的处理做好准备. 3.利用电路规律求解.主要还是欧姆定律、串并联电路、电功、电热.,解决电源与电路连接问题的主要步骤：,4、若电表是理想化的，则在电流表接入处可认为该处短路；在电压表接入处可认为该处断路。若电表不是理想化的，可把电流表和电压表看作是能显示电流值和电压值的电阻。 5、在含有电容器的电路中，当电容器充电时，可以认为是通路；当电容器放电时，可以认为是电源；当电路达到稳定状态时，可以认为是断路，电容器两极间的电压等于与之并联的电阻两端的电压。,4、电磁感应的图像问题:,（1）图像的主要作用 图像是描述物理过程和交待物理量的重要方法之一，要学会从图像上获取已知条件、分析物理过程；要学会从抽象的图像出发，建立实际的物理模型；要知道图像就是题干，解题所需要的条件均在图像上有充分的交待. 磁通量是否变化以及变化是否均匀、感应电动势(感应电流)的大小以及是否恒定、感应电动势(感应电流)的方向、电磁感应现象产生的过程以及时间段都可以通过图象反映。 （2）图像的主要类型 一类是根据导体切割磁感线情况画出Et图象和it图象. 另一类是根据t 图象或Bt 图象画出Et 图象和It 图象,或反之。,二、主要知识再现,1、电磁感应知识结构,2.电磁感应现象,(1)产生条件：回路中的磁通量发生变化. (2)感应电流与感应电动势： 在电磁感应现象中产生的是感应电动势，若回路是闭合的，则有感应电流产生；若回路不闭合，则只有电动势，而无电流。 (3)在闭合回路中，产生感应电动势的那部分导体是电源，其余部分则为外电路。,回路中磁通量发生变化的几种情况 回路面积不变，而磁感应强度发生变化； 磁场不变，而回路面积发生变化； 磁场和回路面积均不变，但回路平面与磁场的方向发生了变化； 闭合电路的一部分做切割磁感线的运动.,3.磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率/t的区别.,磁通量是指穿过某一回路的磁感线的条数；磁通量的变化量是说明磁通量改变了多少，但不能说明磁通量改变的快慢，值得注意的是当一个回路平面翻转180时，磁通量的大小变不变暂且不论，但方向由正变负或由负变正，而磁通量的变化量为=|1|+|2|；磁通量变化率/t是指磁通量变化快慢的物理量，决定了该回路的感应电动势的大小，再结合该回路电阻可决定该电路的感应电流的大小。,4、法拉第电磁感应定律,（1）内容：电磁感应现象中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，即E=n/t. （2）当导体在匀强磁场中切割磁感线时，切割法表达式E=BLvsina，而产生感应电动势的那部分导体相当于电源，该电源的正负极由楞次定律来确定，注意电源内部电流是由负极流向正极.,5、法拉第电磁感应定律的第一种表述的运用及注意事项,（1）E = n /t 是定量描述电磁感应现象的普适规律.不管是因为什么原因、什么方式所产生的电磁感应现象，其感应电动势的大小均可由它来计算。 （2）E = n /t在中学阶段通常是计算一段时间内的感应电动势的平均值，对于瞬时值，其作用不大，只有当磁通量的变化率恒定时，才等于瞬时值。,6、公式E=BLvsina的运用及注意事项,1.此公式中a为速度与磁场平面间的夹角.在v垂直于B，也垂直于L，且L也垂直于B时，可简化为E=BLv，否则可以用v=vsina可得E=BLv 2.此公式一般用于匀强磁场(或导体所在位置的各点B均相同)，且导体各部分的速度均相同的情况.若切割速度v不变，则E为恒定值；若切割速度为瞬时值，则E为瞬时电动势.该公式即可求平均电动势，也可求瞬时电动势.,7、转动切割问题,（1）若导体棒绕某一固定转轴 切割磁感线时，虽然棒上各点的 切割速度并不相同，但可用棒中 点的速度等效替代切割速度，常 用公式E=BLv中 （ ）。 （2）公式中的L为有效切割长度，即垂直于B、垂直于v且处于磁场中的直线部分长度；此公式是法拉第电磁感应定律在导体切割磁感线时的具体表达式。,(1)感应电流的磁场总是阻碍磁通量的变化(涉及到：原磁场方向、磁通量增减、感应电流的磁场方向和感应电流方向等四方面).右手定则是其中一种特例。 (2)感应电流引起的运动总是阻碍相对运动。 (3)自感电动势的方向总是阻碍原电流变化。,8.楞次定律三种表述：,9. 电 源 和 电 路,(1)电源电动势是反映电源把其他形式能转化为电能的本领的物理量，只由电源本身结构特性决定，与电路无关。电源提供的电能W=qE=IEt，总功率P总=IE. (2)内电路：内电阻消耗电能转化为内能(发热)P内=IU内=I2r. (3)外电路：外电路中消耗的电能转化为其他形式的能，输出功率即外电路消耗的电功率，P外=IU外 供电效率:=P出/P总U外/E （4）内电路与外电路中消耗的电能之和等于电源把其它形式能转化过来的电能，IU内+IU外=IE.,10.闭合电路欧姆定律,(1)内容：闭合电路的电流与电源电动势成正比，与内、外电路的电阻之和成反比。 (2)公式：IE/(R+r)。 (3)适用条件：纯电阻电路。 （4）功率表达式和电压表达式分别 为（ ）（ ）。,11.纯电阻闭合电路中变量分析,(1)保持不变的量只有电源的电动势和内电阻，电流、电压、电功率等都随外电阻的改变而改变 (2)主要关系： 电流I=E/(R+r). 内电压U内Ir=Er/(R+r). 外电压U外E-Ir. 总功率P总IE. （3）输出功率及供电效率: P出=I2R=（ ） =R/(R+r). 由以上各式可看出当外电阻R增大时，电流减小，内电压U内减小，外电压U外增大，总功率P总减小，效率变大。输出功率却不是单调变化，当外电阻R=r时P出有最大值E2/4r。,（4）引起电路动态变化的原因,.滑动变阻器滑动片位置的改变； .开关的闭合、断开或换向（双掷开关） .非理想电表的接入。 思路：由部分电阻的变化推断外电路总电阻的变化，由全电路欧姆定律讨论总电流强度的变化，由串并联电路特点根据具体情况确定各元件上其它量的变化情况.,12、路端电压随电流变化的U-I图像,图线与纵坐标交点表示电路断开情况，交点的纵坐标为电源电动势E. 图线与横坐标交点表示外电路短路情况，交点横坐标为短路电流I短=E/r. 图线斜率值(tan)表示电源的内电阻r=U/I. 【注意】若纵轴的原点不在两轴交点时，此结论不成立,13、电功和电功率,1.导体中的自由电荷在电场力作用下定向移动，电场力所做的功称为电功.电功公式W=qU=IUt，适用于一切电路. 2.“度”是日常生活中使用的电功单位，1度=3.6106J.电流通过用电器做功的过程，实际上是电能转化为其他形式的能的过程. 3.电功率等于单位时间内电流所做的功，计算公式P=W/t=UI也适用于一切电路.要注意与某部分电路中各量的对应关系. 4.用电器的额定功率是指用电器在额定电压下工作时消耗的功率；而用电器的实际功率是指用电器在实际电压下工作时消耗的功率.,14、焦耳定律、电功和电热的关系,1.焦耳定律：电流流过导体时，导体上产生的热量Q=I2Rt，此式也适用于任何电路，包括电动机等非纯电阻发热的计算.产生电热的过程，是电流做功，把电能转化为内能的过程. 2.在纯电阻电路中，电流做功，电能完全转化为电路的内能.因而电功等于电热，有： W=UIt=IRt=(U2/R)t. P=UI=I2R=U/R. 3.在非纯电阻电路中，电流做功，电能除了一部分转化为内能外，还要转化为机械能、化学能等其他形式的能.因而电功大于电热，电功率大于电路的热功率.即有：W=UIt=E其他+I2Rt或UI=IR+P其他(P其他指除热功率之外的其他形式能的功率),15、串并联电路的性质和特点,16、主要的电学实验,测量电路及基本工具 滑动变阻器的连接.滑动变阻器在电路中也有如图两种常用的接法：,a叫限流接法，b叫分压接法.分压接法中被测电阻上电压的调节范围大.当要求电压从0开始调节，或要求电压调节范围尽量大时应该用分压接法.用分压接法时，滑动变阻器应该选用阻值小的；用限流接法时，滑动变阻器应该选用阻值和被测电阻接近的.,伏安法测电阻,伏安法测电阻有如下图两种接法，a叫外接法，b叫内接法.外接法的系统误差是由电压表的分流引起的，测量值总小于真实值，测较小阻值应采用外接法；内接法的系统误差是由电流表的分压引起的，测量值总大于真实值，测较大阻值应采用内接法.,如果无法估计被测电阻的阻值大小，可以利用试触法：如图1043将电压表的左端接a点，而将右端第一次接b点，第二次接c点，观察电流表和电压表的变化，若电流表读数变化大，说明被测电阻是大电阻，应该用内接法测量；若电压表读数变化大，说明被测电阻是小电阻，应该用外接法测量.,使用多用表欧姆挡粗测电阻,(1)原理如图1044所示. 调0时Ig=E/(Rg+r+R)=E/R内 测量时I=E/(R内+Rx) 只要将对 应Rx值的电流刻度I改为阻值Rx，即为欧姆表. (4)注意：用欧姆挡测电阻，将指针示数乘以倍率得测量值如果指针偏转角度太小，应增大倍率；如果指针偏转角度太大，应减小倍率. 每次换挡后都要重新进行电阻调0.,螺旋测微器,固定刻度上的最小刻度为半毫米(上下两行，分别是表示半毫米线和整毫米线)；可动刻度每旋转一圈前进(或后退)半毫米.在可动刻度的一周上平均刻有50条刻线，所以每两条刻线间代表0.01mm.读数时，从主尺上读取整、半毫米数，然后从可动刻度上读取剩余部分(因为是10分度，所以在最小刻度后还应该再估读一位)，再把两部分读数相加，得测量值.,图10-4-6中的读数应该是 9.203mm .,描绘小灯泡的伏安特性曲线.,1.因为小灯泡的电阻较小(10左右)所以应该选用电流表外接法. 2.小灯泡的电阻会随着电压的升高，灯丝温度的升高而增大，所以U-I曲线不是直线.为了反映这一变化过程，灯泡两端的电压应该由0逐渐增大到额定电压.所以滑动变阻器必须选用分压接法.,3.由实验数据作出的I-U曲线如图1048，说明灯丝的电阻随温度升高而增大，也就说明金属电阻率随温度升高而增大.,测定金属的电阻率,1.被测电阻丝的电阻较小，所以选用电流表外接法； 2.本实验不要求电压调节范围，可选用限流电路. 【注意】：开始时滑动变阻器的滑动触头应该在接入电路电阻最大的一端.本实验通过的电流不宜太大，通电时间不能太长，以免电阻丝发热后电阻率发生明显变化.,17、交变电流知识网络,瞬时值,交变电流的产生,闭合矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴线做匀角速转动时，闭合线圈中就有交流电产生,线圈平面与磁感线垂直位置开始计时,e=Emsint,i=Imsint,u=Umsint,Em=NBS,描述交变电流的物理量