高中物理课堂笔记-选修3-2知识点

高中物理课堂笔记----选修3-2知识点引言：电磁世界的探索与应用选修3-2模块是高中物理电磁学部分的核心内容之一，它承接了必修模块中关于电场、磁场的初步认识，进一步深入探讨了电磁感应现象及其规律，并延伸至交变电流和传感器的应用。这部分知识不仅在理论上具有重要地位，揭示了电与磁之间深刻的内在联系，更为我们理解现代科技中的电力系统、电子设备等提供了坚实的物理基础。学习本模块时，应着重理解基本概念的物理本质，掌握基本规律的推导过程和适用条件，并注重理论联系实际，提高分析和解决问题的能力。第一章电磁感应划时代的发现电磁感应现象的发现是电磁学发展史上的一个重要里程碑。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，揭示了电生磁的现象，这启发了许多科学家去探索其逆过程——磁能否生电。经过十年的不懈努力，1831年，英国物理学家法拉第终于发现了电磁感应现象：当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，电路中就会产生感应电流。这一发现不仅为人类获取电能开辟了道路，也为电磁场理论的建立奠定了基础。电磁感应的产生条件产生电磁感应现象（从而产生感应电流）的条件可以概括为两点：1.闭合电路：电路必须是闭合的，否则即使有感应电动势产生，也无法形成持续的感应电流。2.磁通量变化：穿过闭合电路的磁通量必须发生变化。这里的“变化”是关键，磁通量本身的大小并不直接决定是否产生感应电流，而是其变化率。磁通量（Φ）：*定义：穿过某一面积的磁感线条数。*公式：Φ=B·S·sinθ（其中B为磁感应强度，S为垂直于磁场方向的有效面积，θ为磁场方向与平面法线方向的夹角；在中学阶段，常简化为Φ=B·S，此时默认B与S垂直）。*单位：韦伯（Wb），1Wb=1T·m²。*物理意义：磁通量是描述磁场穿过某一面积的物理量，是标量，但有正负（表示磁感线穿过的方向）。感应电流的方向判定楞次定律*内容：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。*理解要点：*“阻碍”不是“阻止”，磁通量的变化依然会发生，只是感应电流的磁场使其变化过程变慢。*“谁”阻碍“谁”：感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化（即原磁通量的变化）。*如何阻碍：当原磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反；当原磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同（“增反减同”）。*楞次定律也可从相对运动的角度理解为“来拒去留”，即如果磁体靠近闭合线圈，线圈会产生一个阻碍其靠近的力；如果磁体远离，线圈会产生一个阻碍其远离的力。*应用步骤：1.明确原磁场的方向（穿过闭合电路的磁场方向）。2.确定穿过闭合电路的磁通量是增加还是减少。3.根据“增反减同”判断感应电流的磁场方向。4.利用安培定则（右手螺旋定则）根据感应电流的磁场方向，判断出感应电流的方向。右手定则*适用情况：导体棒在磁场中做切割磁感线运动时，产生的感应电流方向的判定。*内容：伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使拇指指向导体运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。*本质：右手定则是楞次定律在导体切割磁感线这种特殊情况下的简化应用。法拉第电磁感应定律感应电动势*定义：电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势（E）。产生感应电动势的那部分导体相当于电源。*产生条件：只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就会产生感应电动势，与电路是否闭合无关。法拉第电磁感应定律*内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。*公式：E=n·(ΔΦ/Δt)*n是线圈的匝数。*ΔΦ/Δt是磁通量的变化率，表示磁通量变化的快慢。*单位：伏特（V）。*说明：此公式是计算感应电动势大小的普适公式，适用于任何情况的电磁感应现象。导体切割磁感线时的感应电动势*公式一：当导体棒垂直于磁场方向，且垂直于运动方向切割磁感线时，E=B·L·v。*B：磁感应强度（T）。*L：导体棒在磁场中的有效长度（m），即与B和v都垂直的长度。*v：导体棒相对磁场的运动速度（m/s）。*公式二：若导体棒运动方向与磁场方向不垂直，设夹角为θ（v与B的夹角），则E=B·L·v·sinθ。此时，v·sinθ是导体棒垂直于磁场方向的分速度。*转动切割：长为L的导体棒在匀强磁场B中，以一端为轴，以角速度ω匀速转动时，产生的感应电动势E=(1/2)·B·L²·ω（平均电动势，也等于中点位置的线速度对应的电动势）。自感现象与涡流自感现象*定义：由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象。*自感电动势：在自感现象中产生的感应电动势。*公式：E=L·(ΔI/Δt)*L是自感系数（简称自感或电感），单位：亨利（H），常用单位还有毫亨（mH）、微亨（μH）。*ΔI/Δt是电流的变化率。*自感系数（L）：*物理意义：描述导体产生自感电动势本领大小的物理量。*决定因素：由导体本身的特性决定，与线圈的匝数、形状、大小以及是否有铁芯等因素有关。线圈匝数越多、横截面积越大、有铁芯，自感系数L就越大。*自感现象的应用与防止：*应用：日光灯的镇流器、LC振荡电路、电磁阻尼、电磁驱动等。*防止：当自感系数较大的线圈（如电动机、变压器的线圈）断电时，由于ΔI/Δt很大，会产生很大的自感电动势，可能击穿线圈绝缘或产生电弧，因此常需采取灭弧措施或并联放电电阻。涡流*定义：当块状金属放在变化的磁场中，或者让它在磁场中运动时，金属块内部会产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的漩涡，因此叫做涡流。*特点：整块金属的电阻很小，所以涡流往往很大，会产生大量的焦耳热。*应用：*电磁灶：利用交变电流通过线圈产生交变磁场，使锅底产生涡流而发热。*高频感应炉：用于冶炼金属。*电磁阻尼：利用涡流受到安培力阻碍导体与磁场的相对运动，如磁电式仪表的指针制动。*防止：变压器、电动机等设备的铁芯不用整块金属，而是用相互绝缘的硅钢片叠合而成，目的是增大铁芯的电阻，减小涡流，减少电能损失和防止铁芯过热。第二章交变电流交变电流的产生和描述交变电流*定义：大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流（AC）。方向不随时间变化的电流叫做直流电。*正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流，它是最基本、最重要的交变电流。正弦式交变电流的产生*模型：将一个平面线圈置于匀强磁场中，并绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，线圈中就会产生正弦式交变电流。*中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置叫做中性面。*线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量最大（Φ=B·S）。*线圈位于中性面时，磁通量的变化率为零（ΔΦ/Δt=0），因此感应电动势为零，感应电流为零。*线圈经过中性面时，感应电流的方向发生改变。线圈每转一周，经过中性面两次，电流方向改变两次。正弦式交变电流的变化规律以线圈从中性面开始计时，产生的感应电动势、感应电流和路端电压的瞬时值表达式分别为：*感应电动势：e=Eₘ·sin(ωt)*感应电流：i=Iₘ·sin(ωt)（若电路为纯电阻电路）*路端电压：u=Uₘ·sin(ωt)（若外电路为纯电阻电路）其中：*Eₘ=N·B·S·ω（N为线圈匝数，B为磁感应强度，S为线圈面积，ω为线圈转动的角速度），称为电动势的峰值（最大值）。*Iₘ=Eₘ/(R+r)（R为外电路总电阻，r为电源内阻），称为电流的峰值。*Uₘ=Iₘ·R，称为路端电压的峰值。*ω=2πf=2π/T（f为交变电流的频率，T为周期）。表征交变电流的物理量*周期（T）：交变电流完成一次周期性变化所需的时间。单位：秒（s）。*频率（f）：交变电流在1秒内完成周期性变化的次数。单位：赫兹（Hz）。关系：T=1/f。我国电网的交变电流频率为50Hz，周期为0.02s。*峰值（最大值）（Iₘ,Uₘ,Eₘ）：交变电流在一个周期内所能达到的最大数值。它表示了交变电流的强弱或电压的高低。*有效值（I,U,E）：*定义：让交变电流和恒定电流通过相同的电阻，如果在相同的时间内它们产生的热量相等，我们就把这个恒定电流的数值叫做这个交变电流的有效值。*意义：有效值是根据电流的热效应来规定的，它反映了交变电流在能量转化方面的平均效果。*正弦式交变电流的有效值与峰值的关系：I=Iₘ/√2≈0.707IₘU=Uₘ/√2≈0.707UₘE=Eₘ/√2≈0.707Eₘ*注意：通常所说的交变电流的电压、电流值，以及交流电表的测量值，都是指有效值。在计算交变电流的电功、电热、电功率时，也通常使用有效值。*平均值：交变电流在某段时间内的平均值，是根据法拉第电磁感应定律E=n·(ΔΦ/Δt)计算得到的，常用于计算通过导体横截面的电荷量（q=I·Δt=E·Δt/(R总)=n·ΔΦ/R总）。电感和电容对交变电流的影响电感对交变电流的阻碍作用*感抗（X_L）：电感对交变电流阻碍作用的大小。*公式：X_L=2πfL*单位：欧姆（Ω）。*影响因素：与交变电流的频率f和电感L成正比。频率越高，电感越大，感抗越大。*特点：电感“通直流、阻交流；通低频、阻高频”。*应用：扼流圈（低频扼流圈、高频扼流圈）。电容对交变电流的阻碍作用*容抗（X_C）：电容对交变电流阻碍作用的大小。*公式：X_C=1/(2πfC)*单位：欧姆（Ω）。*影响因素：与交变电流的频率f和电容C成反比。频率越高，电容越大，容抗越小。*特点：电容“通交流、隔直流；通高频、阻低频”。*应用：电容器在电路中常用来“隔直、耦合、滤波、旁路”等。变压器变压器的构造和原理*构造：主要由原线圈（初级线圈）、副线圈（次级线圈）和闭合铁芯组成。铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成，目的是减小涡流和磁滞损耗。*原理：利用互感现象工作。当原线圈中通有交变电流时，铁芯中产生交变磁场，交变的磁通量穿过副线圈，在副线圈中产生感应电动势。理想变压器*理想化模型：忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失（如铁芯的涡流损失、磁滞损失等）的变压器。*基本规律：1.电压关系：U₁/U₂=n₁/n₂*U₁、U₂分别是原、副线圈两端的电压，n₁、n₂分别是原、副线圈的匝数。*当n₂>n₁时，U₂>U₁，为升压变压器；当n₂<n₁时，U₂<U₁，为降压变压器。2.功率关系：P₁=P₂（输入功率等于输出功率）3.电流关系：I₁/I₂=n₂/n₁（仅适用于只有一个副线圈的理想变压器）*由P₁=P₂，即U₁I₁=U₂I₂，结合U₁/U₂=n₁/n₂推导得出。*若有多个副线圈，则U₁I₁=U₂I₂+U₃I₃+...+UₙIₙ。*说明：*变压器只能改变交变电流的电压和电流，不能改变直流电的电压（因为直流电不能产生变化的磁通量）。*变压器不改变交变电流的频率。电能的输送输电线上的功率损失*远距离输电时，输电线有电阻，电流通过输电线会产生焦耳热，导致功率损失。*功率损失：ΔP=I²R线*I是输电线上的电流，R线是输电线的总电阻（R线=ρ·L/S，ρ为电阻率，L为输电线长度，S为横截面积）。*减少功率损失的途径：1.减小输电线的电阻（R线）：选用电阻率小的材料（如铜、铝），增大导线的横截面积S。但增大S会增加成本和架设难度。2.减小输电线上的电流（I）：在输送功率P一定的情况下，根据P=U·I，提高输电电压U，可以减小输电电流I。这是远距离高压输电的主要依据。高压输电的基本环节*过程：发电站→升压变压器→高压输电线→降压变压器→用户。*原理：利用升压变压器提高输电电压，以减小输电电流，从而减小输电线上的功率损失和电压损失；到达用户端后，再用降压变压器将高电压降