2024-2025学年高中物理第4章第3节电能的生产与利用第4节电和磁的完美统一教案含解析鲁科版选修1-1

PAGE8-第3节电能的生产与利用第4节电和磁的完备统一学习目标知识脉络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．(重点)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．了解电能的运用对于社会进步、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．(重点、难点)5．了解赫兹证明电磁波存在的试验，体会试验验证在物理理论发展中的地位和作用.一、电能的生产、输送、利用与社会发展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：依据运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(1)减小输电线的电阻．(2)减小输电线中的电流，由P＝UI可知，当输送功率肯定时，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运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．电能的运用又一次使得全社会的生产力得到了飞跃发展，引发了其次次产业革命，人类社会跨入了电气时代．二、场的概念、麦克斯韦的预言1．随着电磁学的发展，英国科学家法拉第依据试验事实，提出了电磁作用是“近距作用”的学说，认为在电荷或磁体四周存在着“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．麦克斯韦电磁场理论(1)改变的磁场在四周产生电场，磁场改变快，产生的eq\a\vs4\al(电场强)，磁场改变慢，产生的电场弱．匀称改变的磁场产生恒定的电场；不匀称改变的磁场产生eq\a\vs4\al(改变)的电场．(2)改变的电场在四周产生磁场，匀称改变的电场在四周空间产生稳定的磁场，非匀称改变的电场在四周产生改变的磁场．3．电磁场改变的电场在四周空间产生磁场，改变的磁场在四周空间产生电场……于是，改变的电场和改变的磁场交替产生，构成一个完整的整体，这就是电磁场．4．电磁波改变的电场和改变的磁场交替产生，并由发生区域向四周空间传播，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，电磁波的放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．5．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．三、赫兹的求证、电磁场理论的意义1．赫兹的求证在麦克斯韦建立电磁场理论后20多年，年轻的德国物理学家赫兹第一次用试验证明了电磁波的存在．他还测定了电磁波的波长、频率，得到电磁波的传播速度，证明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，充分证明了麦克斯韦的电磁场理论．2．电磁波是一种物质，这种物质和它具有的能量一起传播，电磁波是改变的电磁场，所以我们说场是一种物质．3．电磁波理论的探讨，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、电脑的独创和应用，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，学问快速普及．1．思索推断(1)输电线路存在电阻，就肯定会有电能的损耗．(√)(2)减小输电损耗的最好方法是提高输电电压．(√)(3)匀称改变的电场四周肯定产生匀称改变的磁场．(×)(4)周期性改变的磁场四周空间肯定产生周期性改变的电场．(√)(5)改变的磁场四周产生电场跟闭合电路的存在有关．(×)(6)电磁波是改变的电磁场．(√)(7)赫兹的电磁场理论是物理学发展史上一个重要的里程碑．(×)(8)改变的磁场可以产生电场，肯定能产生电磁波．(×)2．合作探究(1)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压器，使电压上升，通过输电线向外输送，到用户时运用降压变压器使电压降低．(2)电磁波是如何形成的？【提示】振荡的电场产生振荡的磁场，振荡的磁场产生振荡的电场，这种振荡的电场、磁场交替产生，由近及远地向四周空间传播，形成电磁波.电能的生产、输送、利用与社会发展1．采纳高压输电的缘由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，依据功率公式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.依据R＝ρeq\f(l,S)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ρ小的导体材料，像铜和铝等．金、银属珍贵金属，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，最终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．其次，减小输电电流I.依据公式I＝eq\f(P,U)知，要减小电流，不能以减小输送功率为代价，在输送功率肯定、输电线电阻肯定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，依据公式P损＝(eq\f(P,U))2R可以推算，输电线上的功率损失将降为原来的eq\f(1,n2).依据以上分析，采纳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(如图所示)志向变压器P1＝P2，P3＝P4，P2－P3＝P损．【例1】(多选)远距离输送肯定功率的沟通电，若输送电压上升到原来的n倍，关于输电线上的电压损失和功率损失正确的是()A．输电线上的功率损失是原来的eq\f(1,n)B．输电线上的功率损失是原来的eq\f(1,n2)C．输电线上的电压损失是原来的eq\f(1,n)D．输电线上的电压损失是原来的eq\f(1,n2)BC[当输电电压上升为原来的n倍时，输电电流减小为原来的eq\f(1,n)，输电线上损失的功率为P损＝I2R，所以输电线上的功率损失降低到原来的eq\f(1,n2)；因输电线上的电压损失U损＝IR，所以电压损失是原来的eq\f(1,n)，故B、C正确．]1．(多选)远距离输送沟通电都采纳高压输电，采纳高压输电的优点是()A．可节约输电线的材料B．可依据须要调整沟通电的频率C．可削减输电线上的能量损失D．可加快输电的速度AC[由P＝IU得I＝eq\f(P,U)，当输送功率P肯定，采纳高压输电，U变大时I减小，输电线中的电流就减小，由P损＝I2R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(P,U)))2R得，在距离肯定时，输电线电阻越小，损耗越少；若P损、P肯定，则R∝U2，又R＝ρeq\f(l,S)，ρ、l肯定时输电导线的横截面积S∝eq\f(1,U2)，采纳高压输电可使输电导线的横截面积大大减小，从而节约输电线的材料，故选项A、C正确．沟通电的频率是固定的，不需调整，输电的速度不会由于电压上升而变快，故选项B、D不正确．]2．(多选)某电站向远处输送肯定功率的电能，则下列说法中正确的是()A．输电线不变，将送电电压上升到原来的10倍时，输电线损耗的功率减为原来的eq\f(1,10)B．输电线不变，将送电电压上升到原来的10倍时，输电线损耗的功率减为原来的eq\f(1,100)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BC[输电线上功率损失P损＝I2R线＝(eq\f(P,U))2R线，则R线、P肯定时，U上升到原来的10倍，P损减为原来的eq\f(1,100)，A项错，B项对．P、U肯定时，P损与R线成正比，R线减半，P损也减半，故C对，D错．]场的概念、麦克斯韦的预言1．改变的磁场产生电场如图所示，麦克斯韦认为在改变的磁场四周产生电场，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．2．改变的电场产生磁场(1)运动的电荷产生改变的电场：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改变．这个电荷一旦运动起来，电场就发生改变，即空间各点的电场强度将随着时间而改变．(2)改变的电场产生磁场：运动的电荷在四周空间要产生磁场．这个磁场是由改变的电场产生的．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改变的电场也产生磁场(如右图所示)．【例2】(多选)关于电磁场的理论，下列说法正确的是()A．改变的电场四周产生的磁场肯定是改变的B．改变的电场四周产生的磁场不肯定是改变的C．匀称改变的磁场四周产生的电场也是匀称改变的D．振荡电场四周产生的磁场也是振荡的思路点拨：麦克斯韦电磁场理论的核心是改变的电场(磁场)产生磁场(电场)，稳定的电场(磁场)不产生磁场(电场)．BD[依据麦克斯韦电磁场理论，假如电场的改变是匀称的，产生的磁场就是恒定的；假如电场的改变是不匀称的，产生的磁场就是改变的，故A选项错误，B选项正确．匀称改变的磁场产生恒定的电场，C选项错误．振荡电场在四周空间产生同频率的振荡磁场，故D选项正确．]3．(多选)依据麦克斯韦电磁理论，以下说法中正确的是()A．恒定的电场四周产生恒定的磁场，恒定的磁场四周产生恒定的电场B．改变的电场四周产生磁场，改变的磁场四周产生电场C．匀称改变的电场四周产生匀称改变的磁场，匀称改变的磁场四周产生匀称改变的电场D．匀称改变的电场四周产生稳定的磁场，匀称改变的磁场四周产生稳定的电场BD[对此理论全面正确的理解为：不改变的电场四周不产生磁场；改变的电场四周可以产生改变的磁场，也可以产生不改变的磁场；匀称改变的电场四周产生稳定的磁场；周期性改变的电场产生同频率的周期性改变的磁场．改变的磁场产生电场的规律与以上类似，故正确答案为B、D.]4．关于电磁场理论，下列说法正确的是()A．在电场四周肯定产生磁场，磁场四周肯定产生电场B．在改变的电场四周肯定产生改变的磁场，改变的磁场四周肯定产生改变的电场C．匀称改变的电场四周肯定产生改变的磁场D．周期性改变的电场四周肯定产生周期性改变的磁场D[依据麦克斯韦的电磁场理论，只有改变的电场四周才产生磁场，所以A错；而非匀称改变的电场产生改变的磁场，匀称改变的电场四周产生恒定的磁场，所以B、C错．故选D.]赫兹的求证、电磁场理论的意义1．电磁波的产生假如空间某区域有不匀称改变的电场，那么这个改变的电场就在空间引起改变的磁场，这个改变的磁场又会引起新的改变的电场……于是改变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，赫兹证明了电磁波的存在，测出了波长、频率，证明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3×1085．(多选)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改变，就能产生电磁波B．电磁波传播须要介质C．停止放射电磁波，放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CD[对电磁波的产朝气制及传播途径要搞清，假如电场(或磁场)是匀称改变的，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，它的传播不须要介质，故应选C、D.]6．下列关于电磁波的说法中，正确的是()A．电磁波可以在真空中传播B．电磁波不能在空气中传播C．麦克斯韦第一次通过试验验证了电磁波的存在D．法拉第第一次通过试验验证了电磁波的存在A[电磁波可以在真空中传播，A对，B错；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用试验证明了电磁波的存在，故C、D错．]7．某电路的电场随时间改变的图象如图所示，能放射电磁波的电场是()D[图A中的电场不随时间改变，不产生磁场．图B和图C中的电场都随时间匀称改变，只能产生稳定的磁场，不会产生和放射电磁波，图D中的电场随时间做周期性的不匀称的改变，能在四周产生同频率周期性改变的磁场．改变的磁场又会产生改变的电场，电磁场由近及远传播，形成电磁波，故D选项正确．]1．发电厂发电机输出电压为U1，发电厂至学校的输电导线总电阻为R，通过导线的电流为I，学校得到的电压为U2.则输电导线上损耗的功率表达错误的是()A．eq\f(U1－U22,R) B．.I2RC．(U1－U2)I D．eq\f(U\o\al(2,1),R)D[输电线路损失电压为(