第十章 电磁感应
10.1 电磁感应现象 楞次定律
1. 磁通量
- 定义：在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直平面面积为S，我们把B与S乘积叫做穿过这个面磁通量，简称磁通，用字母Φ表示
- 公式：Φ=BS（B与S垂直时），单位韦伯，符号Wb，1Wb=1T·m²
- 磁通量是标量，但有正负，正负表示磁感线从哪个面穿过
2. 电磁感应现象
- 只要穿过闭合电路磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流产生，这种利用磁场产生电流现象叫做电磁感应，产生电流叫做感应电流
- 产生感应电流条件：
- 电路闭合
- 穿过闭合电路磁通量发生变化
- 如果电路不闭合，虽然没有感应电流，但有感应电动势
3. 楞次定律
- 内容：感应电流具有这样方向，即感应电流磁场总要阻碍引起感应电流磁通量变化
- 理解：
- “阻碍”不是”阻止”，只是延缓磁通量变化
- 磁通量增加时，感应电流磁场与原磁场方向相反，阻碍增加
- 磁通量减少时，感应电流磁场与原磁场方向相同，阻碍减少
- 楞次定律应用步骤：
- 明确原磁场方向
- 明确穿过闭合电路磁通量是增加还是减少
- 根据楞次定律确定感应电流磁场方向
- 用安培定则（右手螺旋定则）判断感应电流方向
4. 右手定则
- 伸开右手，让大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面内，让磁感线从手心进入，大拇指指向导体运动方向，其余四指所指方向就是感应电流方向
- 适用范围：闭合电路一部分导体切割磁感线时感应电流方向判断
10.2 法拉第电磁感应定律
1. 法拉第电磁感应定律
- 内容：电路中感应电动势大小，跟穿过这一电路磁通量变化率成正比，即E=nΔΦ/Δt
- n为线圈匝数，ΔΦ/Δt为磁通量变化率
- 单位：伏特，V
2. 导体切割磁感线时感应电动势
- 当导体垂直切割磁感线时，E=BLv
- B为磁感应强度，L为导体切割磁感线有效长度，v为导体切割磁感线速度
- 当导体运动方向与导体本身垂直，但跟磁感线有夹角θ时，E=BLvsinθ
3. 转动切割
- 导体棒绕一端在垂直磁场平面内以角速度ω匀速转动，E=½BL²ω
10.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
1. 涡流
- 当线圈中电流变化时，附近导体中会产生感应电流，这种电流在导体中自成闭合回路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流
- 应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门
- 防止：变压器、电机铁芯用硅钢片叠压而成，减少涡流损失
2. 电磁阻尼
- 当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力方向总是阻碍导体运动，这种现象称为电磁阻尼
- 应用：磁电式仪表指针快速稳定、电气列车电磁制动
3. 电磁驱动
- 如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力作用，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动
- 应用：感应式异步电动机
第十一章 交变电流
11.1 交变电流
1. 交变电流
- 大小和方向都随时间做周期性变化电流，叫做交变电流，简称交流
- 方向不随时间变化电流叫做直流
2. 交变电流产生
- 在匀强磁场中，绕垂直于磁场方向轴匀速转动线圈，线圈中就产生正弦式交变电流
- 中性面：线圈平面与磁场垂直位置，此时磁通量最大，感应电动势为零，感应电流为零
- 线圈经过中性面时，电流方向发生改变，一个周期内线圈两次经过中性面，电流方向改变两次
3. 交变电流变化规律
- 电动势瞬时值：e=Emsinωt（从中性面开始计时）
- 电压瞬时值：u=Umsinωt
- 电流瞬时值：i=Imsinωt
- 电动势最大值：Em=nBSω
11.2 描述交变电流物理量
1. 周期和频率
- 周期T：交变电流完成一次周期性变化所需时间，单位秒s
- 频率f：交变电流1秒内完成周期性变化次数，单位赫兹Hz
- 关系：T=1/f，ω=2π/T=2πf
- 我国市电：频率50Hz，周期0.02s
2. 峰值和有效值
- 峰值：交变电流电流、电压、电动势最大值，反映交变电流大小
- 有效值：根据电流热效应来规定，让交变电流和直流电流通过相同阻值电阻，如果相同时间内产生热量相等，这一恒定电流数值就是交变电流有效值
- 正弦式交变电流有效值和峰值关系：
- E=Em/√2≈0.707Em
- U=Um/√2≈0.707Um
- I=Im/√2≈0.707Im
- 通常说交变电流电压、电流值，及交流电表测量值，都是指有效值
- 电容器耐压值要大于交变电压最大值
11.3 电感和电容对交变电流影响
1. 电感对交变电流影响
- 感抗：电感对交变电流阻碍作用大小，用XL表示
- XL=2πfL，f为交变电流频率，L为线圈自感系数
- 规律：线圈自感系数越大，交变电流频率越高，感抗越大
- 电感特性：通直流、阻交流，通低频、阻高频
2. 电容对交变电流影响
- 容抗：电容对交变电流阻碍作用大小，用XC表示
- XC=1/(2πfC)，f为交变电流频率，C为电容器电容
- 规律：电容器电容越大，交变电流频率越高，容抗越小
- 电容特性：通交流、隔直流，通高频、阻低频
11.4 变压器
1. 变压器结构
- 变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上两个线圈组成
- 原线圈（初级线圈）：与交流电源连接线圈
- 副线圈（次级线圈）：与负载连接线圈
2. 变压器工作原理
- 互感现象是变压器工作基础
- 变压器只能改变交流电压，不能改变直流电压
3. 变压器规律
- 电压比：原、副线圈两端电压比等于匝数比，即U1/U2=n1/n2
- 功率关系：理想变压器输入功率等于输出功率，即P1=P2，U1I1=U2I2
- 电流比：原、副线圈电流比与匝数成反比，即I1/I2=n2/n1
- 多个副线圈时：U1/U2=n1/n2，U1/U3=n1/n3，n1I1=n2I2+n3I3
11.5 电能输送
- 输电线上功率损失：ΔP=I²R线
- 减少输电线上功率损失方法：
- 减小输电线电阻：采用电阻率小材料，增大导线横截面积
- 减小输电电流：提高输电电压
- 高压输电：在输送电功率一定时，提高输电电压，可以减小输电电流，从而减少输电线上功率损失
- 远距离输电示意图：发电机→升压变压器→高压输电线→降压变压器→用户
第十二章 传感器
12.1 传感器及其工作原理
1. 传感器
- 传感器：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规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路通断一类元件
- 组成：敏感元件、转换元件、转换电路
2. 光敏电阻
- 材料：硫化镉，半导体材料
- 特性：光敏电阻在受到光照射时，载流子增多，导电性能增强，电阻值减小，光照越弱，电阻越大
- 作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
3. 金属热电阻
- 特性：金属热电阻阻值随温度升高而增大
- 优点：化学稳定性好，测温范围大
- 作用：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
4. 热敏电阻
- 材料：半导体
- 特性：热敏电阻阻值随温度升高而减小（负温度系数），温度变化时电阻变化明显
- 作用：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
5. 电容式传感器
- 原理：平行板电容器电容C=εS/(4πkd)，改变ε、S、d任何一个因素，电容都会变化
- 应用：测位移、测压力、测油量、测角度等
6. 霍尔元件
- 霍尔电压：UH=kIB/d，k为霍尔系数，I为电流，B为磁感应强度，d为元件厚度
- 作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量
12.2 传感器应用
1. 力传感器应用
- 电子秤：由金属梁和应变片组成，应变片是一种敏感元件，当梁受力形变时，应变片电阻变化，从而把力这个力学量转换为电压这个电学量
2. 声传感器应用
- 话筒：声传感器，把声信号转换为电信号
- 动圈式话筒：利用电磁感应现象
3. 温度传感器应用
- 电熨斗：双金属片温度传感器，双金属片上层金属膨胀系数大，下层膨胀系数小，温度升高时双金属片向下弯曲，使触点断开，控制电路通断
- 电饭锅：感温铁氧体，常温下有铁磁性，能被磁体吸引，温度达到约103℃（居里温度）时失去铁磁性，不能被磁体吸引，自动断电
4. 光传感器应用
- 鼠标器：红外线发射管、红外线接收管，通过两个光栅屏判断移动方向和距离
- 火灾报警器：烟雾进入罩内，对光有散射作用，使光照射到光敏三极管上，电路自动报警
高二物理上册学习建议
1. 电磁感应
- 楞次定律是重点也是难点，要深刻理解”阻碍”含义，多做练习题，熟练掌握感应电流方向判断
- 法拉第电磁感应定律要会应用，特别是E=BLv和E=nΔΦ/Δt结合电路问题综合应用
- 电磁感应中力学问题、能量问题是高考重点，要会结合力学知识和能量守恒解题
2. 交变电流
- 正弦交变电流产生和变化规律要掌握，会写瞬时值表达式
- 有效值和最大值关系要清楚，电表示数、铭牌数据、保险丝熔断电流都是有效值，电容器耐压值是最大值
- 变压器电压比、电流比、功率关系要熟练掌握，会分析远距离输电问题
3. 传感器
- 知道各种传感器元件工作原理和特性
- 会分析传感器在实际应用电路中工作过程
- 这章在高考中以选择题为主，难度不大，要拿满分
4. 学习方法
- 电磁感应是高中物理重点和难点，也是高考必考内容，一定要多花时间，多做题，多总结
- 物理模型要建立，如导体棒切割磁感线、线框穿过磁场等模型要熟练
- 错题本很重要，把典型错题整理出来，分析错误原因，定期复习
- 结合实验理解原理，物理是实验科学，很多知识从实验中来
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THE END
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