物理：新人教版选修3-2全套教学同步教案（16节）

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四、变压器
【要点导学】
1．变压器的工作原理
互感现象是变压器工作的基础．原线圈上加交变电压，原线圈中就有交变电流，在铁芯中产生交变磁通量，原、副线圈中都要引起感应电动势．若副线圈是闭合的，则副线圈中就要产生交变电流，此交变电流也在铁芯中产生交变磁通量，在原、副线圈中同样要引起感应电动势．在原、副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫互感现象．正是由于互感现象．才使得原、副线圈虽不相连，电能却可以通过磁场从原线圈到达副线圈．示意图如图5-4-1。
2．理想变压器21世纪教育网
忽略原副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器，磁通量全部集中在铁芯内，称为理想变压器。理想变压器的输入功率等于输出功率。即P1＝P2。
3．理想变压器电压跟匝数的关系：
U1/U2= n1/n2
说明：对理想变压器各线圈上电压与匝数成正比的关系，不仅适用于原、副圈只有一个的情况，而且适用于多个副线圈的情况。即有U1/n1=U2/n2=U3/n3=……。这是因为理想变压器的磁通量全部集中在铁芯内。因此穿过每匝线圈的磁通量的变化率是相同的，每匝线圈产生相同的电动势，因此每组线圈的电动势与匝数成正比。在线圈内阻不计的情况下，每组线圈两端的电压即等于电动势，故每组电压都与匝数成正比。
4．理想变压器电流跟匝数的关系
I1/I2= n2/n1 （适用于只有一个副线圈的变压器）
说明：原副线圈电流和匝数成反比的关系只适用于原副线圈各有一个的情况，一旦有多个副线圈时，反比关系即不适用了，可根据输入功率与输出功率相等的关系推导出：U1I1= U2I2+ U3I3+U4I4+……再根据U2=n2U1/n1 U3=n3U1/n1
U4=n4U1/n1……可得出：
n1I1=n2I2+ n3I3+ n4I4+……
5．注意事项
(1)在理想变压器的公式中，功率关系和变压公式是基本公式。
(2)当变压器原副线圈匝数比(n1/n2)确定以后,其输出电压U2是由输入电压U1决定的(即U2=n2U1/n1)但若副线圈上没有负载 ,副线圈电流为零，输出功率为零 ,则输入功率为零,原线圈电流也为零,只有副线圈接入一定负载,有了一定的电流,即有了一定的输出功率，原线圈上才有了相应的电流（I1=n2I2/n1），同时有了相等的输入功率，（P入=P出）所以说：变压器上的电压是由原线圈决定的，而电流和功率是由副线圈上的负载来决定的。
【范例精析】
例1、一台理想变压器，当原线圈接220V交流电源时，副线圈的输出电压是11V，如果保持原线圈的电压不变，将副线圈拆去18匝后，副线圈两电压降为8V，则原线圈的匝数为多少？
解析：本题根据理想变压器电压与匝数的关系进行求解。因理想变压器电压与匝数的成正比关系，现副线圈电压下降3V，故：U1:n1=3:18，解得：n1=1320匝。
例2．如图5－4－2所示电路中要使电流表读数变大，可采用的方法有（　　）
A .将R上的滑片向上移动. B .将R上的滑片向下移动.
C .将电键S由1掷向2 D .将电键S由1掷向321世纪教育网
解析：在输入电压和匝数比n1/n2一定的情况下,输出电压U2是一定的,当R减小时,由I=U2/R可知电流表读数变大,故应向下移动,(B)正确.在输入电压U1一定的条件下,减小匝数比n1/n2,则输出电压U2增大,（U2= n2U1/ n1），故电流强度增大，应掷向2 (C)正确，正确的答案是B、C。
拓展：本题讨论的是理想变压器负载变化引起电表读数变化的问题，应抓住变压器的电压比、电流比及输入和输出功率相等来求解本题。本题如果把负载电阻的滑动触片向上移动，图中所有交流电表的读数及输入功率的变化情况又如何呢？请自行分析解答。
例3、有5个完全相同的灯泡连接在理想变压器的原副线圈电路中，如图5-4-3所示，若将该电路与交流电源接通，且电键接到1位置，发现5个灯亮度相同；若将电键接到2位置，且在变化中灯泡都不会烧毁，则可能的是
A.该变压器是降压变压器，线圈匝数比为4：1
B.该变压器是升压变压器，线圈匝数比为1：4
C.副线圈电路中的灯泡仍发光，只是更亮些
D.副线圈电路中的灯泡仍发光，只是更暗些
解析：K接1时，灯均正常发光，表明I1=I2',I2=4I1,N1/N2=I2/I1=4/1，变压器为降压变压器。这时电源电压不等于输入电压：
U=U灯+U1>U1
U灯=U2
K接2时,U1=U变大,由电压变比关系可知U2变大,灯均变亮.
答：AC正确
拓展：解决变压器问题要注意以下几点：21世纪教育网
（1）当变压器原线圈回路有除变压器之外的其它用电器时，变压器的输入电压以及变比公式中的U1并不是电源的电压。
（2）当变压器本身不变，输出端负载不变时，由于输入回路结构的变化，可能导致输入功率的变化。如本例，电键从1到2，P出增加，P入增加。
（3）当原线圈输入电压一定，变压器一定时，由于负载的变化同样会导致输出、输入功率的变化，但仍有P出=P入。
【能力训练】
1、一个正常工作的理想变压器的原副线圈中，下列的哪个物理量不一定相等：（B ）
A、交变电流的频率 B、电流的有效值
C、电功率 D、磁通量的变化率
2、变压器在使用中，下列说法中正确的是（AC ）
A.原线圈中输入的电流，随着副线圈中的输出电流的增大而增大
B.原线圈输入的电压，随着副线圈中的输出电流的增大而增大
C.当副线圈空载(断路)时，原线圈中无电流
D.当副线圈空载时，原线圈上电压为零
3、有一负载电阻为R，当它接到30V直流电源上时，消耗的功率为P，现有一台理想变压器，它的输入电压U=300sinωtV，若把上述负载接到此变压器副线圈的两端，消耗的功率为0.5P，则变压器原、副线圈的匝数比为（A ）
A.10：1 B.14.1：1 21世纪教育网
C.17.3：1 D.7.07：1
4、有一个理想变压器,原线圈1200匝,副线圈400匝,现在副线圈上接一个变阻器R,如图5－4－4所示,则下列说法中正确的是: （BC ）
A、安培表A1与A2的 示数之比为3:1
B、伏特表V1与V2的示数之比为3:1
C、当变阻器滑动头向下移动时,原线圈的输入功率将增加
D、原、副线圈的功率之比为3:1
5、如图5-4-5所示，理想变压器原副线圈的匝数比为1：2，电源电压为220 V，A是额定电流是1 A的保险丝，R为调电阻，为了不使原线圈中的保险丝被熔断，对R的阻值最小不小于（D ）
A.440 Ω B.220 Ω
C.660 Ω D.880 Ω
6、如图5-4-6所示，一个理想变压器，初级线圈的匝数为n1，a、b接交流电源，次级线圈匝数为n2，与负载电阻R相连接；R＝40Ω，图中电压表的示数为100V，初级线圈的电流为0.4A，下列说法正确的是（C ）
A.次级线圈中的电流的最大值为1A
B.初级和次级线圈的匝数比n1:n2=2:5
C.如果将另一个阻值也为R的电阻与负载电阻并联，图中电流表的示数为2A
D.如果将另一个阻值也为R的电阻与负载电阻串联，变压器消耗的电功率是80W
7、如图5-4-7所示，M为理想变压器，电表均可视为理想表，接线柱a、b接电压u＝311sin314t（V）的正弦交流电源。当滑动变阻器的滑片P向上滑动时，示数发生变化的电表是（A ）
A、A1、A2 B、A2、V2
C、A1、A2、V2 D、A1、A2、V1、V2
8、一台理想变压器，其原线圈2200匝，副线圈440匝，并接一个100Ω的负载电阻，如图5-4-8所示。
（1）当原线圈接在44V直流电源上时，电压表示数 V，电流表示数 A。
（2）当原线圈接在220V交变电源上时，电压表示数 V,电流表示数 A。此时输入功率为 W，变压器效率 。
（1）0、0（2）44V、0.44A 19.36W、100％
9、如图5-4-9的理想变压器，它的初级线圈接在交变电流源上，次级线圈接一个标有“12V、100W”的灯泡，已知变压器初、次级线圈的匝数比18：1，那么小灯泡正常工作时，图中的电压表的读数为 V，电流表的读数为 A。
216V 0.46A
10、有一理想变压器在其原线圈上串一熔断电流为I0=1A的保险丝后接到220V交流电源上，副线圈接一可变电阻R作为负载，如图5-4-10所示，已知原、副线圈的匝数比n1:n2=5:1,问了不使保险丝熔断，可变电阻的取值范围如何？
大于8.8Ω
11、实验室中一只小发电机可输出交变电压u=11sin100πtV，为使规格为“220V，60W”的白炽灯正常发光，必须接上一只变压器，试求这只变压器原副线圈的匝数比及原线圈中的电流。在绕制这只变压器时使用的导线有粗、细两种不同的规格，原线圈应该用哪一种导线？
1/20 60/11 粗
12、一台理想变压器原、副线圈匝数比为10：1，原线圈接U=100sin100πtV的交变电压，副线圈两端用导线接规格为“6V，12W”的小灯，已知导线总电阻r=0.5Ω,试求：副线圈应接几盏小灯？这些小灯又如何连接才能使这些小灯都正常发光？
4盏，并联
变压器问题解题思路
思路1：电压思路
变压器原、副线圈的电压之比为U1/U2=n1/n2；当变压器有多个副绕组时U1/n1=U2/n2=U3/n3=……。
思路2：功率思路
理想变压器的输入、输出功率为P入=P出，即P1=P2；当变压器有多个副绕组时P1=P2+P3+……。
思路3：电流思路
由I=P/U知，对只有一个副绕组的变压器有I1/I2=n2/n1；当变压器有多个副绕组时n1I1=n2I2+n3I3+……。
思路4：制约思路
1．电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比（n1/n2）一定时，输出电压U2由输入电压决定，即U2=n2U1/n1。
2．电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比（n1/n2）一定，且输入电压U1确定时，原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，即I1=n2I2/n1。
3．负载制约：①变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定，P2=P负1+P负2+…；②变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2确定，I2=P2/U2；③总功率P总=P线+P2。21世纪教育网
动态分析问题的思路程序可表示为：
思路5：原理思路
变压器原线圈中磁通量发生变化，铁芯中ΔΦ/Δt相等
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第七节：涡流教案
【教学目标】
1、知识与技能
（1）、知道涡流是如何产生的
（2）、知道涡流的利与弊，以及如何利用和防止涡流
2、过程与方法
（1）、用实验的方法引入新课激发学生的求知欲
（2）、通过旧知识分析新问题弄清涡流的产生原因
（3）、利用理论联系实际的方法加深理解涡流
3、情感、态度与价值观
（1）、体验实验的乐趣，引发学生去分析问题，解决问题，提高其学习掌握知识的能力21世纪教育网
（2）、通过理论与实际相结合，提高学习情趣，培养其用理论知识解决实际问题的能力。
【教学重点】涡流的产生原因和涡流的作用
【教学难点】涡流的产生原因
【教学方法】实验法、探究法
【教学用具】可拆教学变压器上的线圈一个，硅钢片叠加的铁芯以及外形与之相同的块状铁芯各一个。电磁灶。
【教学过程】
（一）引入新课：
实验1：
如图线圈接入220V交变电源，块状铁芯插入线圈中，让一名学生感知铁芯的变化。21世纪教育网
现象：几分钟后学生感到铁芯变热。
解释：原来把块状的金属放在变化的磁场中或让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合电路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流。
（二）进行新课：
1．涡流：块状金属放在变化磁场中，或者让它在磁场中运动时，金属块内产生的感应电流。
引导学生解释：如图所示，当交变电流通过线圈时，穿过铁芯的磁通量不断变化，铁芯会产生图中所示的涡流，块状铁芯的电流很强会使铁芯大量发热，浪费大量电能。
金属块中的涡流也要产生热量,如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。
2．涡流的防止和利用
（1）涡流的防止
实验2
上面的实验中，把块状铁芯换成硅钢片铁芯，再接通电源，几分钟后，通过学生感知，温度没有明显变化。[21世纪教育网]
引导学生解释：涂有绝缘的薄硅钢片叠加的铁芯，在变化的磁场中，产生的涡流被限制在狭窄的薄片之内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，又因为硅钢片比普通的电阻大，可以进一步减小涡流损失，电动机和变压器的铁芯都不是整块金属。
线圈中流过变化的电流,在铁芯中产生的涡流使铁芯发热,浪费了能量,还可能损坏电器。
减少涡流的途径:
①、增大铁芯材料的电阻率,常用的材料是硅钢。
②、用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
（2）涡流的利用
①、真空冶炼炉，高频焊接21世纪教育网
冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。
线圈中通以高频交流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，由于焊接缝处的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起.我国生产的自行车车架就是用这种办法焊接的。交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快，根据法拉第电磁感应定律，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大.而放出的电热与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高焊接处放出的热量越多.
②、探雷器和安检门都是利用涡流制成的
探测地雷的探雷器是利用涡流工作的，士兵手持一个长柄线圈在地面上扫过，线圈中由变化的电流，如果地下埋着金属物品，金属中感应涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警，这种探雷器可以用来探测金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷。机场的安检门可以探测人身携带的金属物品，道理是一样的。
③、使电学测量仪表指针尽快停下来的电磁阻尼。
当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象成为电磁阻尼。
把铜板做成的摆放到电磁铁的磁场中，当电磁铁未通电时，摆要往复多次，摆才能停止下来．如果电磁铁通电，磁场在摆动的铜板中产生涡流。涡流受磁场作用力的方向与摆动方向相反，因而增大了摆的阻尼，摆很快就能停止下来。电磁仪表中的电磁阻尼器就是根据涡流磁效应制作的，在磁电式测量仪表中，常把使指针偏转的线圈绕在闭合铝框上，当测量电流流过线圈时，铝框随线圈指针一起在磁场中转动，这时铝框内产生的涡流将受到磁场作用力，抑止指针的摆动，使指针较快地稳定在指示位置上。此外，电气机车的电磁制动器也是根据这一效应制作的。
④、电磁灶
电磁灶的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，采用磁场感应涡加流加热原理，当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当磁场内的磁力线通过铁质锅底时会产生无数的涡流是锅的本身自行高速发热，就放出大量的热量，然后再作用于锅内食物，将饭菜煮熟。这种最新的加热方式，能减少热量传递的中间环节，可大大提升制热效率，比传统炉具（电炉、气炉）节省能源一半以上。
3、涡流的机械效应----电磁驱动
　　在磁场运动时带动导体一起运动，这种作用称为“电磁驱动”作用。当磁铁转动时，根据楞次定律此时在圆盘上将产生涡流，受到磁场的作用力将产生一个促使金属圆盘按磁场旋转方向发生转动的力矩。但是如果圆盘的转速达到了与磁场转速一样，则两者的相对速度为零，感应电流便不会产生，这时电磁驱动作用便消失。所以在电磁驱动作用下，金属圆盘的转速总要比磁铁或磁场的转速小，或者说两者的转速总是异步的。感应式异步电动机就是根据这个原理制成的。电磁驱动作用可用来制造测量转速的电表，这类转速表常称为磁性式转速表。用磁性式转速表测量转速时，将被测机器的转轴通过连接器和传动机构与转速表中的永久磁铁的转轴相连，永久磁铁一般是由一块充以四个极的磁钢制成，这便形成一个旋转磁场。在永久磁铁的上方有一个金属圆盘，称为感应片。感应片与永久磁铁间有很小的气隙，两者互不接触。当永久磁铁随着机器的转轴旋转时，感应片上将产生涡流。这涡流又将受到这旋转磁场的作用力，结果感应片被驱动，从而沿永久磁铁的旋转方向运动。感应片的转动将带动与感应片转轴相连的弹簧，将其扭紧，从而产生弹性恢复转矩。最后，当感应片转过一定的角度，由电磁驱动作用产生的转矩刚巧与弹性恢复的转矩抵消时，便达到一个暂时平衡状态。由机器带动转动的永久磁铁转速越快，感应片受到的电磁驱动作用所产生的转矩越大，因而指针的偏转角度就越大。这样，便可通过指针的偏转角度来显示机器的转速。
交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的。
【课堂小结】本节课主要学习了涡流，涡流是电磁感应现象的一种特殊现象，应该从电磁感应定律的角度去理解涡流，涡流有时很有用，例如我们生活中的电磁炉、安检门等都是利用涡流的原理制成的，但是涡流也是有害的，例如在变压器中的涡流就容易使线圈发热，容易着火，所以这时要注意冷却，变压器线圈都放在变压器油里，通过变压器油来散发热量。
【布置作业】课本p28问题与练习1、2、3.
【板书设计】
第七节：涡流21世纪教育网
1、涡流：块状金属放在变化磁场中，或者让它在磁场中运动时，金属块内产生的感应电流
2、涡流的防止和利用
（1）、涡流的防止
①、增大铁芯材料的电阻率,常用的材料是硅钢。
②、用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
（2）、涡流的利用
①、真空冶炼炉，高频焊接
②、探雷器和安检门都是利用涡流制成的
③、使电学测量仪表指针尽快停下来的电磁阻尼。
④、电磁灶
3、涡流的机械效应----电磁驱动
【教学反思】：物理源于生活。物理规律要用于生活。
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第三节：传感器的应用（二）学案
【学习目标】
（1）、理解温度传感器的应用――电饭锅、测温仪的工作原理。
（2）、理解光电传感器的应用――鼠标器、火灾报警器的工作原理。
（3）、通过对电饭锅的构造和原理的探究以及测温仪的了解，进一步地深入认识温度传感器的应用
（4）通过对鼠标器以及火灾报警器的原理的探究，认识光传感器的应用。
【学习重点】：温度、光传感器的应用原理及结构。
【学习难点】：温度、光传感器的应用原理及结构。
【学习方法】：探究实验，讨论
【学习过程】
一、问题引入
问题1：上节课我们学习了力传感器、温度传感器、声音传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的力、温度、声音传感器？
二、学习新课
1、温度传感器——电饭锅
（1）、电饭锅的内部结构（如图6－3－1所示）：电饭锅主要由接线螺钉、触点、转轴、开关按钮、＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿、弹簧、内胆底等构成．其中＿＿＿＿＿＿为主要元件，它是用＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿＿混合烧结而成的．它的特点主要有：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是上升到＿＿＿＿＿＿时，就失去＿＿＿＿＿＿性，不能被磁体吸引了．该温度在物理学中称为该材料的＿＿＿＿＿＿或＿＿＿＿＿＿．
（2）、电饭锅的工作原理：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿．
问题：取一块电饭锅用的感温铁氧体，使它与一小块的永磁体吸在一起，用功率较大的电烙铁给铁氧体加热，经过一段时间后会发生什么现象？
思考与讨论：
（1）开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？
（2）煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度？为什么？
（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？
（4）如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？
2．温度传感器的应用——测温仪
(1)、测温仪的原理：温度传感器要以把＿＿＿＿＿＿转换成＿＿＿＿＿＿，再由指针式仪表或数字式仪表显示出来．这就是指针式测温仪和数字式测温仪的原理．由于电信号可以远距离传输，所以应用温度传感器可以进行远距离测温．
测温元件：它可以是＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿（利用该元件可以实现无接触测温）．
（1）温度传感器测温仪有何优点？
(2) 测温仪是如何工作的
(3) 什么是热电偶？
3．光传感器的应用——鼠标器
（1）、机械式鼠标器的内部结构：它由一个滚球、两个滚轴、两个＿＿＿＿＿＿（它的边缘开有许多等间距的小齿）、两个＿＿＿＿＿＿（LED）、还有两个＿＿＿＿＿＿（两个光传感器）等组成的．
(2)、机械式鼠标器的工作原理：当鼠标器在桌面上移动时，滚球的运动通过＿＿＿＿＿＿带动两个＿＿＿＿＿＿转动，红外线接收管就收到的＿＿＿＿＿＿，输出相应的＿＿＿＿＿＿．计算机分别统计x，y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的＿＿＿＿＿＿．
(3)、鼠标器的主要组成？
(4)、鼠标器中光传感器的主要部件是什么？。
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(5)、鼠标器的工作原理？
4．光传感器的应用——火灾报警器
(1)、烟雾散射火灾报警器的构造：带孔的罩子内装有＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿和不透明的档板．
（2）\烟雾散射式火灾报警器的工作原理：平时，＿＿＿＿＿＿收不到LED发出的光，呈现＿＿＿＿＿＿状态．烟雾进入罩内后对光有＿＿＿＿＿＿作用，使部分光线照射到＿＿＿＿＿＿，其电阻变＿＿＿＿＿＿，与传感器连接的电路检测发出这种变化，就会发出警报．21世纪教育网
（3）、以利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器为例，简述其工作原理。
实验：把光敏电阻、多用表的直流电流档和干电池按照图甲连成电路，对光照的强度进行比较性测量。光敏电阻受到的光照越强，电路中的电流越大。
白天，将它放在教室中适合阅读的地方，记下电流表的读数，晚上，用它来测灯光对书桌的照明。比较两者的差别。
还可以按照图乙，把光敏电阻R 的引脚穿过硬泡沫塑料板Z 而固定，再罩上内壁涂黑、长度足够的遮光简T ，避免杂散光的干扰然后分别把不同的光源L （如蜡烛、几种不同功率的白炽灯泡、日光灯管等）都放在与光敏电阻相同距离（例如1m ）的位置，比较它们的亮度。
这个实验也可以用硅光电池来做。由于光电池在受到光照时可以自己产生电动势，所以电路中不用电源。
想一想，怎样用如图所示的装置来制作一个摄影用的曝光表？
典型例题：
1、温度传感器的应用
【例1】如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当 a、b端电压 Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab>0时，电压鉴别器使 S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在_________℃．
2、光传感器的应用
【例2】如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图。A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是 ，小车速度的表达式为v= ；行程的表达式为= 。
【学习小结】
本节课主要学习了以下几个问题：
【课后作业】课本P63 1、2
【学习心得】
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手动开关
接线螺丝
触点
永磁铁
电热板
内胆底
转轴
感温铁氧体
发光二极管
红外接收管
滚轴
码盘
滚球
温度传感器
光传感器
传感器的应用
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6．2 传感器的应用 （一）
★新课标要求
（一）知识与技能
1．了解力传感器在电子秤上的应用。
2．了解声传感器在话筒上的应用。
3．了解温度传感器在电熨斗上的应用。
（二）过程与方法
通过实验或演示实验，了解传感器在生产、生活中的应用。
（三）情感、态度与价值观
在了解传感器原理及应用时，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，增强学习兴趣，培养良好的科学态度。21世纪教育网
★教学重点
各种传感器的应用原理及结构。
★教学难点
各种传感器的应用原理及结构。
★教学方法
实验法、观察法、讨论法。
★教学工具
驻极体话筒的工作电路示教板，示波器，学生电源，电熨斗，日光灯起动器（若干）
★教学过程21世纪教育网
（一）引入新课
师：上节课我们学习了传感器及其工作原理。传感器是能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路通断的一类元件。请大家回忆一下光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件各是把什么物理量转化为电学量的元件？
生：光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。热敏电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。
师：这节课我们来学习传感器的应用。
［板书课题］传感器的应用（一）
（二）进行新课
1、传感器应用的一般模式
师：阅读教材开头几段，然后合上书，在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图。
生：阅读教材并在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图。
师：下面学习几个传感器应用的实例。
2．力传感器的应用——电子秤
师：阅读教材61页最后一段，思考并回答问题。
（1）电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？
（2）简述力传感器的工作原理。
（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？
生：阅读教材，思考并回答问题。
师：总结点评，结合板画强调讲解应变片测力原理（如图所示）。
应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量。
3．声传感器的应用——话筒
师：阅读教材62页有关内容，思考并回答问题。
（1）话筒的作用是什么？
（2）说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。
（3）说明电容式话筒的工作原理和工作过程。这种话筒的优点是什么？
（4）驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？
生：阅读教材，思考并回答问题。
生1：话筒的作用是把声音信号转化为电信号。
生2：动圈式话筒的工作原理是电磁感应现象。膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。
生3：电容式话筒的工作原理：利用电容器充放电形成的充放电电流。薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电．当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压．21世纪教育网
优点：保真度好。
生4：驻极体话筒的原理同电容式话筒，只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜．优点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低。
师：指出：驻极体话筒利用了电介质的极化现象：将电介质放入电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象．某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍然会长期保持被极化的状态，这种材料称为驻极体．
师：演示实验：
生：观察实验现象。
现象：不同的声波信号，荧光屏上显示的波形不同。说明话筒产生的电信号是由接收到的声波控制的。
3．温度传感器的应用——电熨斗
师：温度传感器是应用最广泛的传感器之一，它能把温度的高低转变成电信号，通常是利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变的特性制成的．电熨斗就是靠温度传感器来控制温度的。
实验：
生：做实验，观察实验现象。
师：电熨斗就装有双金属片温度传感器。这种传感器的作用是控制电路的通断。
投影：电熨斗结构图（如图所示）
思考与讨论：
（1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？
（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？
参考答案：（1）常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．
（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的．
（三）课堂总结、点评
本节课主要学习了以下几个问题：
力传感器的应用——电子秤
传感器的应用 声传感器的应用——话筒
温度传感器的应用——电熨斗21世纪教育网
力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器是把声音信号转换为电信号，而温度传感器往往是用来进行自动控制．
（四）实例探究
☆力传感器的应用
【例1】用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后．汽车静止时，传感器a、b在的示数均为 10 N（取g=10 m／s2）．
（1）若传感器a的示数为 14 N、b的示数为6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向．
（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零．
分析：传感器上所显示出的力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧上的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小．
解：（1）如图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力 F1=14N，右侧弹簧对滑块的向左的推力 F2=6.0 N．
滑块所受合力产生加速度a1，根据牛顿第二定律有
得4 m/s2
a1与F1同方向，即向前（向右）．
（2）a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为N。滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得，a2=10m/s2，方向向左．
☆温度传感器的应用
【例2】 在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC 元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是（ ）
①通电后，其电功率先增大，后减小 ②通电后，其电功率先减小，后增大 ③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变 ④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变
A．①③ B．②③ C．②④ D．①④
分析：当电热灭蚊器温度由0升到t1的过程中，电阻器的电阻率随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的热功率P随之增大，当t=t1时，P=P1达到最大．当温度由t1升高到t2的过程中增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P′也就越大；因此在这之间的某一温度t3会有P=P3= P′，即电热功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当tP′，使温度自动升高到t3；当t>t3，P点评：对给定图象的题目，要注意分析图象信息，把握变化规律，并结合所学物理规律进行分析讨论．
★课余作业
1、课下阅读有关传感器应用的科普类文章，了解有关传感器的应用实例以及工作原理。
2、思考并回答“问题与练习”第1、2题。书面完成第3题。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
★课本“问题与练习”解答
1．（1）冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盆体膨胀，膜盒3通过小柱体带动弹簧片4，使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而在达到设定的低温时拉簧带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作．
（2）凸轮逆时针转动会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与弹性膜盒3共同控制弹簧片4的运动，故弹簧7上弹力的变化会改变设定的温度．
2．该同学设计的电路在原理上可行，当滑动片P在滑动变阻器中央时P、Q等势，电压表指针指中央零点．
这个装置可以同时测出加速度大小和方向，大小可通过电压表示数大小表示，方向可通过偏转方向判定．
当物体具有图示方向的加速度a时，滑块向左移，则变阻器右端电阻大，故电流流过滑动变阻器时电势降落大，则Q点电势高于P点，则指针应向零点左侧偏转．
3．（1）A、B端（2）由图甲知，t=100℃时R=50Ω，则继电器电路中电流在100℃时，，其中为继电器的电阻。
代入数据解得，
★资料袋
动圈式话筒的原理
话筒是把声音转变为电信号的装置．图1是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的．
当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动，音圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。
电容式传感器
电容器的电容C决定于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素．如果某一物理量（如角度θ、位移s、深度h等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称为电容式传感器．
图2是用来测定角度θ的电容式传感器．当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道θ的变化情况．[来源:21世纪教育网]
图3是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质．液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况．
图4是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，就可以知道F的变化情况。
图2 图3 图4 图5
图5是测定位移x的电容式传感器，随着电介质进入极板间的长度发生变化，就可以知道x的变化情况
实际中有各种各样的传感器．它们都是根据各种物换效应设计而成的，我们在初中学过，导线的电阻决定于导线的横截面积、长度和温度等因素，由此可以制成电阻式传感器，用来测定压力、温度等物理量．
传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成电学量（如电压、电流等）的一种元件．传感器输入的是非电学物理量x，输出的是电学量y（图6）。将非电学物理量转换成电学量后，测量比较方便，而且能输入到计算机进行处理．各种传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以至家庭生活等多种领域．
图1
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第一节　划时代的发现
【教学目标】
1.知识与技能
（1）知道奥斯特实验、电磁感应现象，
（2）了解电生磁和磁生电的发现过程，
（3）知道电磁感应和感应电流的定义。
2.过程与方法
（1）通过阅读使学生掌握自然现象之间是相互联系和相互转化的；
（2）通过学习了解科学家们在探究过程中的失败和贡献，从中学习科学探究的方法和思想。
（3）领悟科学探究中提出问题、观察实验、分析论证、归纳总结等要素在研究物理问题时的重要性[来源:21世纪教育网]
3.情感、态度与价值观
（1）通过学习阅读培养学生正确的探究自然规律的科学态度和科学精神；
（2）领会科学家对自然现象、自然规律的某些猜想在科学发现中的重要性。21世纪教育网
（3）以科学家不怕失败、勇敢面对挫折的坚强意志激励自己。
【教学重点】探索电磁感应现象的历史背景；
【教学难点】体会人类探究自然规律的科学态度和科学精神
【教学方法】 讲授
【教学过程】
（一）奥斯特梦圆“电生磁”21世纪教育网
到18世纪末，人们开始思考不同自然现象之间的联系，例如：摩擦生热表明了机械运动向热运动转化，而蒸汽机则实现了热运动向机械运动的转化，于是，一些独具慧眼的哲学家如康德等提出了各种自然现象之间的相互联系和转化的思想。由于受康德哲学与谢林等自然哲学家的哲学思想的影响，坚信自然力是可以相互转化的，长期探索电与磁之间的联系。1803年奥斯特指出：“物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的各种现象的零散的罗列，我们将把整个宇宙纳在一个体系中”。在此思想的指导下，1820年4月奥斯特发现了电流对磁针的作用，即电流的磁效应。同年7月21日奥斯特又以《关于磁针上电冲突作用的实验》为题发表了他的发现。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域──电磁学。1820年因电流磁效应这一杰出发现获英国皇家学会科普利奖章。1829年起任哥本哈根工学院院长。21世纪教育网
（二）法拉第心系“磁生电”
1820年奥斯特发现电流的磁效应，受到科学界的关注，促进了科学的发展。1821年英国《哲学年鉴》的主编约请戴维撰写一篇文章，评述奥斯特发现以来电磁学实验的理论发展概况。戴维把这一工作交给了法拉第。法拉第在收集资料的过程中，对电磁现象的研究产生了极大的热情，并开始转向电磁学的研究。他仔细地分析了电流的磁效应等现象，认为既然电流能产生磁，磁能否产生电呢 1822年他在日记中写下了自己的思想：“磁能转化成电”。他在这方面进行了系统的研究。起初，他试图用强磁铁靠近闭合导线或用强电流使另一闭合导线中产生电流，做了大量的实验，都失败了。经过历时十年的失败、再试验，直到1831年8月29日才取得成功。他接连又做了几十个这类实验。1831年11月24日的论文中，他把产生感应电流的情况概括成五类：变化着的电流；变化着的磁场；运动的恒定电流；运动的磁场；在磁场中运动的导体。他指出：感应电流与原电流的变化有关，而不是与原电流本身有关。他将这一现象与导体上的静电感应类比，把它取名为“电磁感应”，产生的电流叫做感应电流。为了解释电磁感应现象，法拉第曾提出过“电张力”的概念。后来在考虑了电磁感应的各种情况后，认为可以把感应电流的产生归因于导体“切割磁力线”。在电磁感应现象发现二十年后，直到1851年才得出了电磁感应定律。经过大量实验后，他终于实现了“磁生电”的夙愿，宣告了电气时代的到来。
作为19世纪伟大实验物理学家的法拉第。他并不满足于现象的发现，还力求探索现象后面隐藏着的本质；他既十分重视实验研究，又格外重视理论思维的作用。1832年3月12日他写给皇家学会一封信，信封上写有“现在应当收藏在皇家学会档案馆里的一些新观点”。那时的法拉第已经孕育着电磁波的存在以及光是一种电磁振动的杰出思想，尽管还带有一定的模糊性。为解释电磁感应现象，他提出“电致紧张态”与“磁力线”等新概念，同时对当时盛行的超距作用说产生了强烈的怀疑：“一个物体可以穿过真空超距地作用于另一个物体，不要任何一种东西的中间参与，就把作用和力从一个物体传递到另一个物体，这种说法对我来说，尤其荒谬。凡是在哲学方面有思考能力的人，决不会陷人这种谬论之中”。他开始向长期盘踞在物理学阵地的超距说宣战。与此同时，他还向另一种形而上学观点──流体说进行挑战。1833年，他总结了前人与自己的大量研究成果，证实当时所知摩擦电、伏打电、电磁感应电、温差电和动物电等五种不同来源的电的同一性。他力图解释电流的本质，导致他研究电流通过酸、碱、盐溶液，结果在1833～1834年发现电解定律，开创了电化学这一新的学科领域。他所创造的大量术语沿用至今。电解定律除本身的意义外，也是电的分立性的重要论据。
　　1837年他发现电介质对静电过程的影响，提出了以近距“邻接”作用为基础的静电感应理论。不久以后，他又发现了抗磁性。在这些研究工作的基础上，他形成了“电和磁作用通过中间介质、从一个物体传到另一个物体的思想。”于是，介质成了“场”的场所，场这个概念正是来源于法拉第。正如爱因斯坦所说，引入场的概念，是法拉第的最富有独创性的思想，是牛顿以来最重要的发现。牛顿及其他学者的空间，被视作物体与电荷的容器；而法拉第的空间，是现象的容器，它参与了现象。所以说法拉第是电磁场学说的创始人。他的深邃的物理思想，强烈地吸引了年轻的麦克斯韦。麦克斯韦认为，法拉第的电磁场理论比当时流行的超距作用电动力学更为合理，他正是抱着用严格的数学语言来表述法拉第理论的决心闯入电磁学领域的。
　　法拉第坚信：“物质的力借以表现出的各种形式，都有一个共同的起源”，这一思想指导着法拉第探寻光与电磁之间的联系。1822年，他曾使光沿电流方向通过电解波，试图发现偏振面的变化，没有成功。这种思想是如此强烈，执着的追求使他终于在1845年发现强磁场使偏振光的偏振面发生旋转。他的晚年，尽管健康状况恶化，仍从事广泛的研究。他曾分析研究电缆中电报信号迟滞的原因，研制照明灯与航标灯。
　　他的成就来源于勤奋，他的主要著作《日记》由16041则汇编而成；《电学实验研究》有3362节之多。
他生活简朴，不尚华贵，以致有人到皇家学院实验室作实验时错把他当作守门的老头。1857年，皇家学会学术委员会一致决议聘请他担任皇家学会会长。对这一荣誉职务他再三拒绝。他说：“我是一个普通人。如果我接受皇家学会希望加在我身上的荣誉，那么我就不能保证自己的诚实和正直，连一年也保证不了。”同样的理由，他谢绝了皇家学院的院长职务。当英王室准备授予他爵士称号时，他多次婉言谢绝说：“法拉第出身平民，不想变成贵族”。他的好友J.Tyndall对此作了很好的解释：“在他的眼中看去，宫廷的华丽，和布来屯（Brighton）高原上面的雷雨比较起来，算得什么；皇家的一切器具，和落日比较起来，又算得什么？其所以说雷雨和落日，是因为这些现象在他的心里，都可以挑起一种狂喜。在他这种人的心胸中，那些世俗的荣华快乐，当然没有价值了”。“一方面可以得到十五万镑的财产，一方面是完全没有报酬的学问，要在这两者之间去选择一种。他却选定了第二种，遂穷困以终。”这就是这位铁匠的儿子、订书匠学徒的郑重选择。1867年8月25日逝世，墓碑上照他的遗愿只刻有他的名字和出生年月。
　　后世的人们，选择了法拉作为电容的国际单位，以纪念这位物理学大师。
（三）科拉顿的“失败”
1820年，奥斯特的磁效应发表后，在科学界引起极大反响，科学家想既然“电能生磁”，反过来“磁也能生电”。可以说，想实现“磁生电”是当时许多科学家的愿望，例如，安培、科拉顿等人都曾为之努力过，但是都失败了。在这个问题上，最遗憾的莫过于科拉顿。
1825年，科拉顿做了这样一个实验，他将一个磁铁插入连有灵敏电流计的螺旋线圈，来观察在线圈中是否有电流产生。但是在实验时，科拉顿为了排除磁铁移动时对灵敏电流计的影响，他通过很长的导线把接在螺旋线圈上的灵敏电流计放到另一间房里他想，反正产生的电流应该是“稳定”的（当时科学界都认为利用磁场产生的电应该是“稳定”的），插入磁铁后，如果有电流，跑到另一间房里观察也来得及就这样，科拉顿开始了实验。然而，无论他跑得多快，他看到的电流计指针都是指在“0”刻度的位置。科拉顿失败了。科拉顿的这个失败，是一个什么样的失败呢？后人有各种各样的议论。
有人说这是一次“成功的失败”。因为科拉顿的实验装置设计得完全正确，如果磁铁磁性足够强，导线电阻不大，电流计十分灵敏，那么在科拉顿将磁铁插入螺旋线圈时，电流计的指针确实是摆动了的。也就是说，电磁感应的实验是成功了，只不过科拉顿没有看见，他跑得还是“太慢”，连电流计指针往回摆也没看见，
有人说，这是一次“遗憾的失败”。因为科拉顿如果有个助手在另外那间房里，或者科拉顿就把电流计放在同一间房里看得见的地方，那么成功的桂冠肯定是属于科拉顿的。21世纪教育网
有人说，这是一次“真正的失败”。因为科拉顿没能转变思想，没有从“稳态”的猜想转变到“暂态”的考虑上来，所以他想不到请个助手帮一下忙、或者把电流计拿到同一间房里来。事实也正是如此，法拉第总结了别人和他自己以前失败的教训，他决定不再固守“稳态”的猜想，终于在1831年8月，观察到了电磁感应现象。科拉顿只能留下永远的遗憾。
【课堂小结】
本节课我们主要学习了电生磁以及磁生电的发现艰苦历程，通过本节课的学习，我们要学习科学家们艰苦奋斗、不怕失败，坚持不懈的努力的精神，同时从这些科学家的身上我们应学习他们探究问题的方法，只要通过自身不懈的努力，我相信你们当中也会有人成为第二个法拉第的。
【教学反思】
学生对于课外知识很感兴趣，有些同学有一定的知识基础，也能提出一些有建设性的问题，激发了他们学物理的兴趣。通过这节课的学习我了解到，学生对物理学的发展非常感兴趣，所以在以后的教学中我们应该多介绍一些这样的知识，来丰富学生的知识面，扩宽学生的视野。
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第三节：传感器的应用（二）教案
【教学目标】
1．知识与技能：
（1）、理解温度传感器的应用――电饭锅的工作原理。
（2）、理解温度传感器的应用――测温仪的工作原理。
(3)、理解光电传感器的应用――鼠标器的工作原理
（4）、理解光电传感器的应用――火灾报警器的工作原理。
2．过程与方法：
（1）通过对电饭锅的构造和原理的探究以及测温仪的了解，进一步地深入认识温度传感器的应用
（2）通过对鼠标器以及火灾报警器的原理的探究，认识光传感器的应用。
3．情感、态度与价值观
培养学生的学习兴趣，激发创造的欲望。
【教学重点】：温度、光传感器的应用原理及结构。
【教学难点】：温度、光传感器的应用原理及结构。
【教学方法】：PPT课件，演示实验，讲授
【教学用具】：电饭锅，鼠标器，烟雾式火灾报警器
【教学过程】
一、引入新课
上节课我们学习了力传感器、温度传感器、声音传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的力、温度、声音传感器？
学生思考后回答：电子秤，动圈式话筒，电容式话筒，驻极体话筒，电熨斗，他们都是传感器。
这节课我们继续来学习一些传感器的应用
二、进行新课
1、温度传感器——电饭锅
电饭锅的主要部件铁氧体，它的特点是常温下，具有铁氧体，能够被磁铁吸引，但是温度上升到约为103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了。我们把103℃就叫做该材料的居里温度或居里点。
师：阅读教材开头几段，然后合上书。
问题：取一块电饭锅用的感温铁氧体，使它与一小块的永磁体吸在一起，用功率较大的电烙铁给铁氧体加热，经过一段时间后会发生什么现象？
生：随着温度的升高，铁氧体逐渐失去磁性，当温度升高到103℃以上时，铁氧体完全失去磁性，不吸引任何物体了
思考与讨论：
（1）开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？
（2）煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度？为什么？
（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？
（4）如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？
生1：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。
生2：水沸腾后，锅内大致保持100℃不变。
生3：饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．
生4：如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持100℃不变，温度低于“居里点103℃”，电饭锅不能自动断电。只有水烧干后，温度升高到103℃才能自动断电。
2．温度传感器的应用——测温仪
应用温度传感器可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来，由于电信号可以由测温地点传输到其他地点，所以应用温度传感器可以远距离读取温度的数值，这是吧非电学量转变成电学量的一大优点。
几种常见的测温仪，测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶等，还有红外线敏感元件。
师：阅读上述教材，思考并回答问题。
（1）温度传感器测温仪有何优点？
（2）常见的测温元件有哪些？
(3) 测温仪是如何工作的
(4) 什么是热电偶？
生1：可以远距离读取温度的数值．因为温度信号变成电信号后可以远距离传输．
生2：热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等．
生3：
生4：所谓的热电偶就是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个焊接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
3．光传感器的应用——鼠标器
师：阅读教材60-61页有关内容，思考并回答问题。
（1）鼠标器的主要组成？
（2）鼠标器中光传感器的主要部件是什么？。
（3）鼠标器的工作原理？
生：阅读教材，思考并回答问题。
生1：鼠标器的内部结构包括：滚轴x，滚轴y，滚球，码盘，电路板。
生2： 鼠标器的光传感器主要由红外发射管、红外接收管、滚轴、滚轮组成。
生3：工作原理：当鼠标在左面上滚动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号。计算机分别统计X、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。
4．光传感器的应用——火灾报警器
师：许多会议室、宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器，火灾报警器是光传感器应用的又一实例。
师：引导学生阅读教材有关内容，思考并回答有关问题。
师：以利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器为例，简述其工作原理。
生：报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．[来源:21世纪教育网]
师：实验：把光敏电阻、多用表的直流电流档和干电池按照图甲连成电路，对光照的强度进行比较性测量。光敏电阻受到的光照越强，电路中的电流越大。
白天，将它放在教室中适合阅读的地方，记下电流表的读数，晚上，用它来测灯光对书桌的照明。比较两者的差别。
还可以按照图乙，把光敏电阻R 的引脚穿过硬泡沫塑料板Z 而固定，再罩上内壁涂黑、长度足够的遮光简T ，避免杂散光的干扰然后分别把不同的光源L （如蜡烛、几种不同功率的白炽灯泡、日光灯管等）都放在与光敏电阻相同距离（例如1m ）的位置，比较它们的亮度。[来源:21世纪教育网]
这个实验也可以用硅光电池来做。由于光电池在受到光照时可以自己产生电动势，所以电路中不用电源。
想一想，怎样用如图所示的装置来制作一个摄影用的曝光表？
典型例题：
1、温度传感器的应用
【例1】如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当 a、b端电压 Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab>0时，电压鉴别器使 S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在_________℃．
解析：设电路两端电压为U，当Uab=0时，有
解得Rt=20 kΩ
由图乙可知，当Rt=20 kΩ时，t=35℃。
答案：35
2、光传感器的应用
【例2】如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图。A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是 ，小车速度的表达式为v= ；行程的表达式为= 。
解析：这是一道以实际问题为背景的实验题，显然无法通过迁移课本实验中的方法来解决。但是题目给出了装置图，该图及题文中的相关说明给我们一定提示，光束原来是连续的，是转动的齿轮使光束变为脉冲，因此脉冲情况必定与齿轮（或车轮）的转动有关，也就与速度和行程有关。21世纪教育网
根据速度的意义和车正常行驶的情况，应有v=2πR f，其中R为车轮的半径，f为单位时间内车轮转过的圈数；若车轮的齿数为P，则转一圈应有P个脉冲被B接收到，因此有，代入上式，有。
同样，根据行程的意义，应有，其中f为整个行程中车轮转过的圈数；而，所以。可见，还必须测量的物理量和数据是车轮的半径R和齿轮齿数P，速度和行程的表达式如上面两式所示。
答案：车轮的半径R和齿轮齿数P；；
【课堂总结】
本节课主要学习了以下几个问题：
各种传感器广泛应用于人们日常生活、生产中，如空调、电冰箱、电饭堡、火灾报警器、路灯自动控制、电脑鼠标器等．传感器把所感受到的物理量，如力、热、磁、光、声等，转换成便于测量的电压、电流等，与电路相结合达到自动控制的目的．
【布置作业】课本P63 1、221世纪教育网
【板书设计】
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第三节：传感器的应用（二）
【教学反思】
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，应该鼓励学生自己动手制作一些相关的简单仪器，以增强学生对知识的进一步掌握。增强亲自动手能力。
手动开关
接线螺丝
触点
永磁铁
电热板
内胆底
转轴
感温铁氧体
A
B
2
1
发光二极管
红外接收管
滚轴
码盘
滚球
电饭锅
测温仪
温度传感器
鼠标器
火灾报警器
光传感器
传感器的应用
电饭锅
测温仪
温度传感器
鼠标器
火灾报警器
光传感器
传感器的应用
热敏电阻、金属热电阻、热电偶、红外线敏感元件
红外发射管、红外接收管、码盘
发光二极管、光电三极管。
感温铁氧体
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第四节：传感器的应用实验学案
【学习目标】
1、知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性。
2、知道晶体三极管的放大特性。
3、掌握逻辑电路的基本知识和基本应用。[来源:21世纪教育网]
【学习重点】：传感器的应用实例。
【学习难点】：由门电路控制的传感器的工作原理。
【教学过程】
一、问题引入
上节课我们学习了温度传感器、光传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的温度、光传感器？
二、学习新课
阅读下列学习资料总结二极管的特点和作用：
（一）、普通二极管和发光二极管
固态电子器件中的半导体两端器件。起源于19世纪末发现的点接触二极管效应，发展于20世纪30年代，主要特征是具有单向导电性，即整流特性。利用不同的半导体材料、掺杂分布、几何结构，可制成不同类型的二极管，用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。例如稳压二极管可在电源电路中提供固定偏压和进行过压保护；雪崩二极管作为固体微波功率源，用于小型固体发射机中的发射源；半导体光电二极管能实现光-电能量的转换，可用来探测光辐射信号；半导体发光二极管能实现电-光能量的转换，可用作指示灯、文字-数字显示、光耦合器件、光通信系统光源等；肖特基二极管可用于微波电路中的混频、检波、调制、超高速开关、倍频和低噪声参量放大等。 按用途分：检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关管、光电管。按结构分：点接触型二极管、面接触型二极管
发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
特点：
作用：
阅读下列学习资料总结三极管的特点和作用：
（二）、晶体三极管
晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有 PNP和NPN两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。
发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的 PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将 ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
特点：
作用：
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（三）逻辑电路
逻辑电路是以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路。分组合逻辑电路和时序逻辑电路。前者的逻辑功能与时间无关，即不具记忆和存储功能，后者的操作按时间程序进行。由于只分高、低电平，抗干扰力强，精度和保密性佳。广泛应用于计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面。这里我们主要说逻辑门电路。
逻辑门电路符号图包括与门，或门，非门，
1．与逻辑
对于与门电路，只要一个输入端输入为0，则输出端一定是 ，只有当所有输入端输入都同为 时，输出才是1.
2．或逻辑
对于或门电路，只要一个输入端输入为1，则输出一定是 ，反之，只有当所有输入端都为 时，输出端才是0.
3.非门电路
对于非门电路，当输入为0时，输出总是 ，当输入为1时，输出反而是 ，非门电路也称反相器。
4.斯密特电路：
斯密特触发器是特殊的 电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值 V时，输出端Y会突然从高电平调到低电平 V，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候 V，Y会从低电平跳到高电平 V。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为 的 信号。而这正是进行光控所需要的。
（四）、应用实例
1、光控开关
电路组成： 触发器， 电阻，发光二极管LED模仿路灯，滑线变阻器，定值电阻，电路如图所示。
工作原理：
注意：要想在天暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大一些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。
拓展：如果电路不用发光二极管来模拟，直接用在电路中，就必须用到电磁继电器。如下图。
2．温度报警器（热敏电阻式报警器）
结构组成：斯密特触发器， 电阻，蜂鸣器，变阻器，定值电阻，如图所示。
工作原理：
注意：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。
课堂练习[来源:21世纪教育网]21世纪教育网
1.与门的输入端输入信号为何时，输出端输出“1”（ ）
A.0 0 B.0 1 C.1 0 D.1 1
2.或门的输入端输入信号为何时，输出端输出“0”（ ）
A.0 0 B.1 0 C.0 1 D.1 1
3.联合国安理会每个常任理事国都拥有否决权，假设设计一个表决器，常任理事国投反对票时输入“0”，投赞成或弃权时输入“1”，提案通过为“1”，通不过为“0”，则这个表决器应具有哪种逻辑关系（ ）[来源:21世纪教育网]
A.与门 B.非门 C.或门 D.与非门
4.图是一个复合门电路，由一个x门电路与一个非门组成.若整个电路成为一个与门，则x电路应是（ ）
A.与门 B.或门 C.与非门 D.或非门
5.“第4题”中的整个电路若成为一个或门，则x电路应是（ ）
6.如图是一个三输入端复合门电路，当C端输入“1”时，A、B端输入为何时输出端Y输出“1”（ ）
A.0 0 B.0 1 C.1 0 D.1 1
7.如图所示，一个三输入端复合门电路，当输入为1 0 1时，输出为___________.（填“0”或“1”）
8.与非门可以改装成一个非门，方法为只用一个输入端如A端，而另一个输入端B端输入稳定信号，则为把与非门改装成非门，B端应始终输入___________.（填“0”或“1”）
9、某些非电学量的测量是可以通过一些相应的装置转化为电学量来测量的，一电容的两个极板放置在光滑的水平平台上，极板的面积为S，极板间的距离为d，电容器的电容公式为C=ES/d（E是常数但未知）.极板1固定不动，与周围绝缘，极板2接地，且可以在水平平台上滑动，并始终与极板1保持平行，极板2的两个侧边与劲度系数为k、自然长度为L的两个完全相同的弹簧相连，两弹簧的另一端固定，弹簧L与电容垂直，如图（1）所示.图（2）是这一装置的应用示意图，先将电容器充电至电压U后即与电源断开，再在极板2的右侧的整个表面上施以均匀向左的待测压强p，使两极板之间的距离发生微小的变化，测得此时电容器两极板间的电压改变量为ΔU.设作用在电容板上的静电力不致引起弹簧可测量的形变，试求：待测压强p.
【学习小结】
本节课主要学习了以下几个问题：
1、 二极管的特点和作用：
2、 三极管的特点和作用：
3、 斯密特触发器的特点和作用：
【课后作业】课本作业
【学习心得】
LED
R2
R1
RG
A
Y
+5V
R1
RG
A
Y
+5V
高压工作电路
~
220V
R1
RT
A
Y
+5V
21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网第六章 传 感 器
6．4 传感器的应用实验
★新课标要求
（一）知识与技能
1．了解两个实验的基本原理。
2．通过实验，加深对传感器作用的体会，培养自己的动手能力。
（二）过程与方法
通过实验培养动手能力，体会传感器在实际中的应用。
（三）情感、态度与价值观
在实验中通过动手组装和调试，增强理论联系实际的意识，激发学习兴趣，培养良好的科学态度。
★教学重点
1．了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路的工作原理。
2．温度报警器的电路工作原理。
★教学难点
光控电路和温度报警器电路的工作原理。
★教学方法
实验法、观察法、讨论法。
★教学工具
实验过程中用到的有关器材、元器件等，由实验室统一准备
★教学过程21世纪教育网
（一）引入新课
师：随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关、温度报警器、孵小鸡用的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等，都用到了传感器．传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学量的放大，处理均是通过电子元件组成的电路来完成的．
这节课我们就来动手组装光控开关或温度报警器。
（二）进行新课
实验1、光控开关
1．实验原理及知识准备
师：（投影）如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为 330 kΩ，试分析其工作原理．
生：白天，光强度较大，光敏电阻RG电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端 A的电压上升到某个值（1.6V），输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的．
师：要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？
生：应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。。
师：用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？
生：由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路．
师：（投影）如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点．试分析电磁继电器的工作原理．
生：当线圈 A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与E接触，将工作电路接通，当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路．
师：试说明控制电路的工作原理。
生：天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．
生：分组实验。
师：巡回指导，了解学生实验过程。
2．温度报警器
师：上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏电阻的阻值变化，从而达到报警的目的．这种设计其敏感性是否值的怀疑，你想过吗？既然发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？
师：（投影）温度报警器的工作电路，如图所示。试分析其工作原理。
生：常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，Rl的阻值不同，则报警温度不同．
师：怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？
生：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高．
生：分组实验。
师：巡回指导，了解学生实验过程。
（三）课堂总结、点评
本节课主要学习了以下几个问题：
（四）实例探究
☆电磁继电器与自动控制
【例1】现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程．
分析：热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路．
答案：（1）电路图如图所示
（2）工作过程：闭合S当温度低于设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热．当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热．当温度低于设计值，又重复前述过程．
点评：该电路可以用于恒温箱、自动孵化器等，电路设计是高中电学应了解的内容，对于培养能力、理论联系实际将起到推动作用，也是高考的趋向．
★课余作业
1、课下阅读教材附录，了解“一些元器件的原理和使用要点”。21世纪教育网21世纪教育网
2、思考并回答“问题与练习”。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
★课本“问题与练习”解答
1．当门闭着时，永久磁铁使干簧管接通，斯密特触发器输入端与电源负极相连，处于低电平，则输出端为高电平，故蜂鸣器不发声；当开门时，没有磁铁作用，干簧管不通，斯密特触发器输入端为高电平，则输出端为低电平，则蜂鸣器通电，发声报警．21世纪教育网
2．当被测点为高电平时，斯密特触发器输入端A为高电平，则输出端Y应为低电平，故LED发光；当被测点为低电平时，A即为低电平，则输出端Y为高电平，LED不发光．
3．提示：参考本节例1设计．
4．略
★资料袋
常用的传感器
常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的．根据检测量的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类．
物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、电场、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等．[21世纪教育网]
化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换为电学量的敏感元件制成的．
生物传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等．
生物传感器最典型的应用是在医疗卫生行业，医院中各种进行生化分析检验的仪器大多要用到生物传感器．
除了上述三种传感器外，还有压力传感器、气体传感器、味觉传感器等．随着材料科学和自动化技术的发展，新的传感器正不断被发明出来，种类越来越多，功能也越来越强．
传感器的应用改变了我们的生活，没有传感器，就没有现代化的自动控制技术．
光控开关
温度报警器
传感器的应用实例本资料来自于资源最齐全的２１世纪教育网www.21cnjy.com
变压器（人教版3—2）
一、教学目标
1．了解变压器的构造及理解变压器的工作原理
2．探究变压器的匝数与线圈两端的电压的关系并能用它解决基本问题
3．明白理想变压器是忽略了变压器的能量损失，它的输出功率等于输入功率
4．从探究“匝数与电压关系”全过程指导学生学习物理的思想与方法
二、教学重点
1．探究变压器的匝数与线圈两端的电压的关系并能用它解决基本问题
2．从电磁感应的角度和能量的转化与守恒的角度深刻理解变压器的工作原理
三、教学难点
1．“探究变压器的匝数与线圈两端的电压的关系”实验[来源:21世纪教育网]
2．从能量的转化与守恒的角度理解变压器的工作原理
四、教具、学具准备
学生电源、可拆变压器、实物投影仪、多用电表、小灯泡、单刀双掷开关
五、过程与方法
观察现象—进行猜想—设计实验—进行分析—得出结论—指导实践（认识变压器在现实生活中的应用，感受它的价值）
六、教学过程
（一）预习指导
1．复习相关内容
（1）电磁感应现象产生的条件及种类
（2）法拉第电磁感应定律及其表达式
（3）探究实验的指导思想及基本步骤
（4）交流电的特点
（5）涡流的特点及利与弊
2．预习需要解决的问题
（1）变压器的构造
（2）变压器的工作原理
（3）本节课实验的目的是什麽？需要哪些器材？需要记录哪些数据？为此需要设计什麽样的表格？过程中需要注意什麽事项？
（二）创设意境，激发兴趣
学生观察：直流电路中S闭和后灯泡L的亮暗
学生思考：把两个没有用导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯,一个线圈连到交流电源上, 另一个线圈与灯泡构成闭合回路。猜想:接通交流电源开关S,灯泡L回发光吗 (鼓励学生敢于说出自己的想法)
教师演示:实验是检验真理的标准,回逆前面的猜想,教师演示,验证猜想。
教师提问:你的猜想是正确的,能说出你的依据吗
教师点拨:闭合S,由于电流的大小、方向在不断变化，在铁芯中激发的磁场也不断变化，这个变化的磁场也通过与灯泡L相连线圈，产生感应电动势，所以两线圈之间没有导线相连，灯泡中也有电流通过，从而发光。
学生猜想：那么产生感应电动势的线圈两端电压与线圈匝数有什么关系？
(猜想需要在知道一些知识的基础上进行。)
〔诱思导学1〕: 变压器的构造:(翻阅课本,结合手中的可拆变压器自主完成)
(1) 闭合铁芯
(2) 两个线圈
a:原(初级)线圈
b:副(次级)线圈
〔诱思导学2〕: 变压器的工作原理:互感现象
〔诱思导学3〕: 变压器的符号
思考提问:根据前面观察到的现象及对变压器原理的理解,你认为线圈两端电压与线圈的匝数有什么关系 (学生合作研讨与交流)
(实验是检验真理的标准,现在就让我们用实验来探究一下线圈两端电压与线圈杂匝数关系。)
(1)实验目的:1保持原线圈的匝数及其两端电压不变,改变副线圈的匝数及其两端电压不变,研究其对副线圈两端电压的影响。21世纪教育网
2保持原线圈两端电压和副线圈匝数不变, 研究其对副线圈两端电压的影响。
（翻阅课本自主完成）
(2)实验器材: 学生电源、可拆变压器、多用电表、导线若干、单刀双掷开关
(3)实验步骤: 1画出原理图并要标出原副线圈的匝数及原线圈所加电压值。
2依据原理图连接实物图(接通电源前,请老师确认;安全起见,使用交流电源的电压不要超过12伏。)
3将单刀双掷开关瓣向a,并将交流电压值和连入电路的原线圈的匝数记入表格。
4分别测出U21、U22、 U23记入表格(为了多用表安全,使用交流电压档测电压时,先用最大量程测试,大致确定被测电压后,再选用适当的档位进行测量。)
匝数 电压 匝数 电压
21世纪教育网n11 U1 n2121世纪教育网[来源:21世纪教育网] U21
n22 U22
n23 U23
n12 U1 n23 U23＇
n11 U1＇ n21 U21＇
n22 U22＇
n23 U23＇
5固定交流电压表可动接线柱3,将S扳向b并将数据记入表格
6改变交流电压,重复上面操作,将相应数据记入表格
7数据处理(要力求用准确而又简练的语言把它表述出来,如果可能最好用数学表达式来表示)
〔诱思导学4〕:电压与匝数的关系
教师提问:让部分同学上台出们触摸实验中变压器,说出感觉。请问能说出发生该现象的原因吗？
〔诱思导学5〕:理想变压器：无能量损失的变压器，它的输出功率等于输入功率。
(学习规律的目的在于应用)
〔诱思导学6〕:应用(翻阅课本自主进行后教师点评)
〔学以致用1〕:如图理想变压器副线圈的负载电阻为R,当把滑动触头向上滑动时,输出电压将＿＿＿＿＿＿, 输出功率将＿＿＿＿＿＿, 输入电流将＿＿＿＿＿＿
考察意图：变压比的应用；电路分析；变压器工作原理的理解。
〔学以致用2〕：如图为一理想变压器，S为单刀双掷开关，P为滑动变阻器的滑动触头，U1为加在原线圈两端的电压，I为原线圈中的电流，则（ ）
A．保持U1及P的位置不变，S由a合到b时，I将增大。
B．保持U1及P的位置不变，S由b合到a时，
R消耗的功率将减小。
C．保持U1不变，S合在a处，使P上滑，I将增大
D．保持P的位置不变，S合在a处，若U1增大，I将增大。
考察意图：理想变压器动态电路的分析
教师点评：
1. 深刻理解变压器的工作原理,特别是从能量的角度
2. 动态电路的分析,关键是弄清哪是变量,哪是不变量及谁决定谁。
〔学以致用3〕：如图一理想变压器初、次级线圈匝数比为3：1，次级线圈接三个灯泡且均能正常发光，今若在初级线圈接一相同的灯泡L后三个灯泡仍发光则（ ）
A．灯L也正常发光 B. 灯L比另外三个灯暗
C. 灯L将被烧毁 D.无法确定
考察意图:变压比的应用及从能的转化与守恒角度理解变压器的工作原理
教师点拨:教师巡视,让学生起来分析,说出他的依据,据暴露的问题强调:变压比中U1\ U2是线圈两端电压,题中的U1并非一定是原线圈两端的电压
〔反馈小节〕:
〔作业布置〕:巩固当堂知识后完成课后的问题与练习
〔课后反思〕:
(1)处理教材,在注意紧扣课本的同时,要按研究物理学的规律精编教案,才能讲活教材,从中培养正确的学习方法和分析问题的能力。
(2)本课的演示实验及实物直接投影在黑板上，非常形象直观，变压比由参与实验的学生得出，全班学生情趣异乎寻常，这样达到了培养学生获取知识过程的意识，也让学生体会了获取知识的方法与思想。
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三、楞次定律－判断感应电流的方向
［要点导学］
1.这一节学习楞次定律，用来判断感应电流的方向。这部分知识与法拉第电磁感应定律一起组成了本章的两大重要内容。学习中应该特别重视。
2.感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要 ，这就是楞次定律。
3.理解楞次定律的关键是阻碍两个字。要全面地理解阻碍的意义——当磁通量增大时感应电流的磁场就阻碍磁通量的增加；当磁通量减少时感应电流的磁场就阻碍磁通量的减少；当磁体靠近线圈产生感应电流时感应电流的磁场就阻碍磁体的靠近；当磁体远离线圈产生感应电流时感应电流的磁场就阻碍磁体的远离。特别注意：阻碍不是阻止，阻碍的意思可以用“克强助弱”、“减同增反”、“去则吸引”、“来则排斥”形象描述。
4.从磁通量变化的角度来看，感应电流的磁场总要 ，从导体与磁场的相对运动的角度来看，感应电流的磁场总要 。
5.如果感应电流做了功，就一定有其它形式的能转化为感应电流的电能。当我们手持磁铁插入闭合线圈时，感应电流的磁场阻碍磁铁插入，我们必须克服阻力做功，这一过程中生物能转化为电能。楞次定律实际上是能量守恒在电磁感应现象中的必然结果。所以用能量的转化和守恒的观点分析电磁感应现象是一种很重要的方法。
［范例精析］
例1 用图4-3-1所示的装置来验证“感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化”。该装置的电原理图见图4-3-2，已经判明电流表的指针是电流从左接线柱流入则向左偏，电流从右接线柱流入则向右偏。设计一个表格，把开关闭合、开关断开、滑动变阻器电阻变化产生感应电流的几种情况列入表格中，并且在表格中比较原磁场的变化与感应电流的磁场的方向进行比较。
解析 表格要列入的情况有四种：开关闭合、开关断开、变阻器电阻变大和滑动变阻器电阻变小。所以表格应该有五行。为了比较A线圈中磁场的方向、A线圈中磁场的变化、感应电流的方向、B线圈中磁场的方向，最终验证B线圈中磁场方向是否阻碍A线圈中磁场的变化，表格应该有六列。
电路的情况 A线圈的磁场方向和变化 B线圈中磁场的变化 电流表指针偏转方向 感应电流的磁场方向 感应电流的磁场的作用
开关闭合 向下、增大 向下、增大 向右 向上 阻碍Φ增大
开关断开 向下、减小 向下、减小 向左 向下 阻碍Φ减少
电阻变大 向下、减小 向下、减小 向左 向下 阻碍Φ减少
电阻变小 向下、增大 向下、增大 向右 向上 阻碍Φ增大
拓展 开关闭合后，把A线圈拔出或者插入也能够产生感应电流，这种情况等效于条形磁铁拔出或者插入B线圈。表格中就不再列入。细心的同学一定能够发现，开关闭合后，A线圈相当于一个N极朝下的条形磁铁，开关闭合瞬时和电阻变小时，都相当于条形磁铁向下插入B线圈；开关断开瞬时和电阻变大时，都相当于条形磁铁向上离开B线圈。所以某些由于电流变化引起的感应电流方向和判断也可以转化为相对运动的问题来判断。
例2 一均匀的扁平条形磁铁与一圆形线圈同在一个平面内，磁铁中央与圆心O重合，为了在磁铁开始运动时在线圈中得到一方向如图4-3-3所示的感生电流I，磁铁的运动方式为（ ）
A.N极向纸内，S极向纸外使磁铁绕O点转动
B.N极向纸外，S极向纸内，使磁铁绕O点转动
C.使磁铁沿垂直于线圈平面的方向向纸内作平动
D.使磁铁沿垂直于线圈平面的方向向纸外作平动21世纪教育网
E.使磁铁在线圈平面内绕O点沿顺时针方向转动
F.使磁铁在线圈平面内绕O点沿逆时针方向转动
解析：由图可知感应电流在线圈中产生的磁感线为“点”，原磁场的变化有两种可能：一是“点”在减少；二是“叉”在增大。N极向纸内，S极向纸外使磁铁绕O点转动时线圈中的“叉”在增大，所以选项A正确，B错误。使磁铁沿垂直于线圈平面的方向向纸内或向纸外作平动时线圈中的磁通量都不变，所以选项C和D错误。使磁铁在线圈平面内绕O点沿顺时针方向转动或逆时针方向转动时线圈中的磁通量都不变，所以选项E和F错误。本题正确答案是A。
拓展：从楞次定律的角度来看，这道高考题属于逆向命题。在已知感应电流的方向的情景下要求考生判断原磁场的变化情况。这种问题一般有两种情况，但这道高考题虽然提供了六个选项却只有一个选项是正确的，这就要求学生有扎实的基础知识。
例3 如图4-3-4，有一固定的超导体圆环，在其右侧放着一条形磁铁，此时圆环中没有电流。当把磁铁向右移走时，由于产生电磁感应，在超导体圆环中产生一定的电流（ ）
A.这电流方向如图中箭头所示，磁铁移走后，这电流很快消失
B.这电流方向如图中箭头所示，磁铁移走后，这电流继续维持
C.这电流方向与图中箭头方向相反，磁铁移走后，这电流很快消失
D.这电流方向与图中箭头方向相反，磁铁移走后，这电流继续维持
解析：因超导线圈无电阻，所以感应电流不会消失。磁铁移走时感应电流的磁场要阻碍磁铁移走,所以会产生一个S极来吸引磁铁的N极，因此感应电流的方向与图示的方向相反。正确答案为D。
拓展：作为一道考查楞次定律的题目这道高考题并不难，但是这道高考题以超导线圈这一高科技产品作为背景，使得考题耳目一新。
例4 如右图4-3-5所示的条形磁铁向闭合线圈靠近时，试在线圈中画出感应电流的方向。
解析：方法一用磁通量的变化来判断。磁铁向右运动导致线圈内部方向向左的磁通量增大，感应电流在线圈内部产生方向向右的磁场以阻碍磁通量的增大，线圈的左端应该是S极，所以感应电流在线圈外部的方向为由a到G到b。21世纪教育网
方法二用感应电流的磁场阻碍相对运动的观点来判断。当S极向线圈靠近时感应电流的磁场在线圈的左端产生一个S极阻碍磁铁的靠近，所以感应电流在线圈外部的方向是由a到G到b。
　　拓展：从上述的两种方法来比较，可以看出用感应电流阻碍相对运动的方法进行判断较为简单。
例5 图4-3-6所示abcd是一水平放置的导体框，其中只有ab可以自由滑动。当条形磁铁向下运动时试说明ab将如何运动？
解析：磁铁向下运动导致abcd中的竖直向下的磁通量增大，感应电流为阻碍磁通量的增大，其面积就有缩小的趋势，所以导线ab向左运动。
拓展：本题也可以用阻碍相对运动的方法解决。当磁铁的N极向下运动时，感应电流的磁场在线圈的上方产生N极阻碍磁铁的靠近。导线ab中的电流是由b流到a，根据左手定则导线ab受向左的安培力作用，导线ab向左运动。
通过比较可以看出本题用感应电流的磁场阻碍磁通量的变化解决较为方便。所以解题时采取什么方法要具体问题具体分析。
例6图4-３-7所示的电路中当电键S断开时，试标出闭合线圈中感应电流的方向并简述理由。
解析：电键断开导致Q中向左的磁通量减少，感应电流在线圈Q中的磁场方向向左，感应电流在线圈外部的方向由b到G到a。见图4-3-8所示。
拓展：电键S断开等效于线圈P离开线圈Q，即相当于P的N极离开Q，Q的右端就产生S极阻碍P的N极离开，所以线圈Q的左端是N极，感应电流的方向如图4-3-8所示。
［能力训练］
1、如图4-3-9所示，开关闭合的瞬间，流过电流计的电流方向是 。（填顺时针或逆时针）。
逆时针
2、如图4-3-10所示，正方形线框abcd的边长为d，向右通过宽为L的匀强磁场，且dabcda adcba
3、如图4-3-11所示，M、N为水平放置的两根固定且平行的金属导轨，两根导体棒P、Q垂直于导轨放置并形成一个闭合回路，将闭合回路正上方的条形磁铁从高处下落时：（ AD ）
A、P、Q将互相靠拢 B、P、Q将互相远离
C、磁铁的加速度仍为g D、磁铁的加速度小于g
4、如图4-3-12所示，电池的正负极未知，在左侧软铁棒插入线圈过程中，悬吊在线圈右侧的铝环将：（ B ）
A、 不动
B、 向右运动
C、 向左运动
D、 可能向右运动，也可能向左运动
5、感应电流的磁场一定：（ D ）
A、 阻碍引起感应电流的磁通量
B、 与引起感应电流的磁场反向
C、 与引起感应电流的磁场同向
D、阻碍引起感应电流的磁通量的变化
6、如图4-3-13所示，通电直导线与线圈abcd在同一平面内，则：（ BD ）
A、线圈向右平动时，感应电流沿adcb方向
B、线圈竖直向下平动，则无感应电流
C、线圈以ab边为轴转动，产生的感应电流沿adcb方向
D、线圈沿垂直纸面方向远离导线，则产生的感应电流沿abcd方向
7、如图4-3-14所示，乙线圈和甲线圈互相绝缘，且乙线圈的一半面积在甲线圈内，当甲线圈中的电流逐渐减弱时，乙线圈的感应电流：（ D ）[来源:21世纪教育网]
A、 为零
B、 顺时针方向
C、 逆时针方向 [来源:21世纪教育网]
D、无法确定
8、如图4-3-15甲所示，当条形磁铁由上向下插入螺线管时，请在图上标出通过电流计的电流方向。如图4-3-15乙所示，当条形磁铁由远向螺线管靠近时，请在图上标出通过电流计的电流方向。并简述理由。
在线圈外部电流方向为b→a, 在线圈外部电流方向为b→a21世纪教育网
9、如图4-3-16所示，A为一带负电的橡胶圆盘，由于它的转动，使得金属环L中产生了如图所示的感应电流，则A的转动情况是：（BC ）
A、顺时针加速转动
B、逆时针加速转动
C、顺时针减速转动
D、逆时针减速转动
10、如图4-3-17所示的螺线管内有软铁棒，当电键S闭合的瞬间，灵敏电流计G内是否有电流通过？若有，请说明电流的方向。并简述理由。
有 在线圈外部电流方向为a→b；S闭合时P的右端是S极，相当于S极向线圈Q靠近，Q的右端应该出现S极阻碍S极的靠近，所以Q作为一个电源，它的左端是电源正极，电流从a流出来。
11、图4-3-18中当条形磁铁向下运动时闭合导线绕制的螺旋管内产生如图所示的感应电流，请在图中完成螺旋管的绕向。
　　螺旋管的绕向如下右图所示
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课题：§6.2传感器的应用（一）第2节
学习目标： 1、了解传感器应用的一般模式；
2、理解电子秤、话筒、电熨斗的工作原理。
3、会设计简单的有关传感器应用的控制电路。
重点难点： 各种传感器的应用原理及结构。
学习过程：
【导思】回顾传感器应用的一般模式
【导读】仔细阅读教材P59，完成下列任务
1、温度传感器的应用——电熨斗
温度传感器是应用最广泛的传感器之一，它能把温度的高低转变成电信号，通常是利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变的特性制成的．电熨斗就是靠温度传感器来控制温度的。
【实验】：
取一个报废的日光灯启辉器，去掉外壳，敲碎氖泡的玻璃，可以看到一个U型的双金属片，双金属片的旁边有一根直立的金属丝，两者构成一对触点，常温下触点是分离的，用火焰靠近金属片，可以看到双金属片的形状变化，与金属丝接触，熄灭火焰，双金属片逐渐恢复原状，两个触点分离。
把这个启动器用到温控开关，可以控制小灯泡的 。
电熨斗就装有双金属片温度传感器。这种传感器的作用是 。
电熨斗结构图（如图所示）
【思考与讨论】：
（1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？21世纪教育网
（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？
2、【拓展】：温度传感器的另一应用——电冰箱的温控装置
如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构，铜质的测温泡1，细管2和弹性金属膜盒3连成密封的系统，里面充有氯甲烷盒它的蒸汽，构成一个温度传感器，膜盒3为扁圆形，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接，盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点盒静触点，控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧片4盒连杆9上。连杆9的下端是装在机箱上的轴。凸轮8是由设定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。
【自动控温原理】：21世纪教育网
如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构，铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，构成了一个温度传感器，膜盒为扁圆形，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接，盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧片和连杆9上，连杆9的下端装在机箱上的轴，凸轮8是由设定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。当冷藏室里的温度升高时，1、2、3中的氯甲烷受热膨胀，弹性金属膜盒3的左端膨胀，推动弹簧片4向左转动，使5、6接触，控制的压缩机电路开始工作制冷，当温度下降到一定程度，氯甲烷受冷收缩，5、6又分开，制冷结束，直到下次温度升高再重复上述过程。
【温度设定原理】：[来源:21世纪教育网]
将凸轮8逆时针旋转，凸轮将连杆9向右顶，使得弹簧7弹力增大，此时要将5、6触点接通，所需要的力就要大些，温度要高一些，即温控挡应低一些（例如1级），顺时针旋转凸轮8，控制的温度低一些，控温挡要高一些。
【导练】
1.用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后．汽车静止时，传感器a、b在的示数均为 10 N（取g=10 m／s2）．
（1）若传感器a的示数为 14 N、b的示数为6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向．21世纪教育网21世纪教育网
（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零．
小结：
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一、划时代的发现
［要点导学］
1、不同自然现象之间是有相互联系的，而这种联系可以通过我们的观察与思考来发现。例如摩擦生热则表明了机械运动与热运动是互相联系的，奥斯特之所以能够发现电流产生磁场，就是因为他相信不同自然现象之间是互相联系和互相转化的。
2、机遇总是青睐那些有准备的头脑，奥斯特的发现是必然中的偶然。发现中子的历史过程（在选修3-5中学习）也说明了这一点。小居里夫妇首先发现这种不带电的未知射线，他们误认为这是能量很高的射线，一项划时代的伟大发现就与小居里夫妇擦肩而过了。当查德威克遇到这种未知射线时，查德威克很快就想到这种不带电的射线可能是高速运动的中子流，因为查德威克的老师卢瑟神福早已预言中子的存在，所以查德威克的头脑是一个有准备的头脑，查德威克就首先发现了中子，并因此获得诺贝尔物理学奖。所以学会用联系的眼光看待世界，比记住奥斯特实验重要得多。
3、法拉第就是用联系的眼光看待世界的人，他坚信既然电流能够产生磁场，那么利用磁场应该可以产生电流。信念是一种力量，但信念不能代替事实。探索“磁生电”的道路非常艰苦，法拉第为此寻找了10年之久，我们要学习的就是这种百折不挠的探索精神。
4、法拉第为什么走了10年弯路，这个问题值得我们研究。原来自然界的联系不是简单的联系，自然界的对称不是简单的对称，“磁生电”不象“电生磁”那样简单，“磁生电”必须在变化、运动的过程中才能出现。法拉第的弯路应该使我们对自然界的联系和对称的认识更加深刻、更加全面。
［范例精析］[来源:21世纪教育网]
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例1 奥斯特的实验证实了电流的周围存在磁场，法拉第经过10年的努力终于发现了利用磁场产生电流的途径，法拉第认识到必须在变化、运动的过程中才能利用磁场产生电流。法拉第当时归纳出五种情形，请说出这五种情形各是什么。
解析法拉第把能引起感应电流的实验现象归纳为五类：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。它们都与变化和运动有关。
拓展法国物理学家安培也曾将恒定电流或磁铁放在导体线圈的附近，希望在线圈中看到被“感应”出来的电流，可是这种努力均无收获。因为“磁生电”是在变化或运动中产生的物理现象。
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例2 自然界的确存在对称美，质点间的万有引力F=Gm1m2/r2和电荷间的库仑力F=kq1q2/r2就是一个对称美的例子。电荷间的相互作用是通过电场传递的，质点间的相互作用则是通过引力场传递的。点电荷q的在相距为r处的电场强度是E=kq/r2，那么质点m在相距为r处的引力场强度是多少呢？如果两质点间距离变小，引力一定做正功，两质点的引力势能一定减少。如果两电荷间距离变小，库仑力一定做正功吗？两电荷的电势能一定减少吗？请简述理由。
解析 可以应用点电荷电场的定义方法定义质点的引力场强度,EG=FG/m1=Gm/r2如果两电荷间距离变小，库仑力不一定做正功，因为库仑力可能是吸引力，也可能是排斥力。如果库仑力是吸引力，两电荷间距离变小则电势能减少；如果库仑力是排斥力，则两电荷间距离变小电势能增大。
拓展 由以上分析可见，万有引力和库仑力虽然有对称性，但是因为电荷有正负两种，而质点只有一种，所以库仑力做功的情况就要比万有引力做功复杂一些。
［能力训练］
　　1．史料记载“1831年8月29日这一天，法拉第在接通电池的一刹那，偶然看到检流计指针动了一下，接着便回到了原位，然后就一直停住不动。……”法拉第因此发现了电磁感应现象，图4-1-1是这个实验的示意图 。又有史料记载“瑞士物理学家科拉顿设计了一个利用磁铁在闭合线圈中获取电流的实验：将一块磁铁在螺线管中移动，使导线中产生感应电流。为了排除磁铁移动对检流计指针偏转的影响，他把检流计放到隔壁房间中去，用长导线把检流计和螺线管连接起来。实验开始了，科拉顿把磁铁插到线圈中去以后，就跑到隔壁房间中去，但他十分痛心地看到检流计的小磁针静止在原位。”科拉顿没能发现电磁感应现象，他的实验示意图见图4-1-2。请你分析一下，科拉顿没能看到电磁感应现象的原因是什么？
[来源:21世纪教育网]
　　科拉顿没能看到电磁感应现象的原因是因为电磁感应现象是在变化或运动的过程中出现的，当科拉顿赶到隔壁房间去时，检流小磁针已经动过了，所以他没能看到电磁感应现象。
　　2．科学家对自然现象和自然规律的某些信念在科学发现中起着重要的作用。结合具体例子说说这种作用。
　　牛顿相信使苹果下落的力和“使月亮下落的力”是同一种力，导致万有引力定律的发现（牛顿认为如果月亮不下落，应该是沿轨道圆的切线运动，现在月亮沿圆周运动，所以月亮实际上是下落了）；奥斯特、法拉第相信电与磁是相互联系的，导致他们分别发现了电流的磁效应和电磁感应现象。
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　　3．设有两个物体，一个是热的，另一个是冷的，或更确切他说：一个物体的温度比另一个高些。我们使它们进行接触，并使它们不受到任何外界影响，我们知道，最后它们会达到同样的温度。但是这个情况是怎样发生的呢？从它们开始接触起到它们达到同样温度的时间里，究竟发生了什么呢？有人的脑海中想象这么一个图景：热从一个物体流向另一个物体，正如水由较高的水位流向较低的水位一样。于是这些人因此提出这样的类比：“水——热水”，“较高的水位——较高的温度”，“较低的水位——较低的温度”，水的流动一直要继续到两个水位相同，热的流动也要到温度相等时才停止。这些人的观点是：“热是一种物质，就像物体的质量一样。它的量可以改变，也可以不改变，正如钱一样，可以储存在保险柜里，也可以花掉。只要保险柜始终锁着，柜里面钱的总数就始终保持不变，和这一样，一个被隔离的物体中的质量的总数和热的总数也是不变的。”
请你对上述观点作些点评，如果同意就说说论据，如果反对就说说理由。
　　这种类比的思想方法不能否定，但得出的结论不能苟同。例如我们用一砂轮打摩一铁块，铁块和铁屑的总质量是不改变的，但是只要打摩不停，热就可以源源不断地增加。可见热是一种能量，它可以从其它形式的能量转化而来。这一例子也告诉我们，对自然现象的联系与对称要深刻研究，全面理解。
　　4．请你说说教科书把科学发现中经历的失败和挫折表达出来有什么意义？
　　失败和挫折能够起到警示作用，使我们更加聪明，少走弯路。
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§6.1 传感器及其工作原理
一、教学目标概览
1、知道什么是传感器，传感器的工作原理。
2、知道传感器中常见的三种敏感元件及其它们的工作原理。21世纪教育网
3、了解电容式传感器的应用。
二、聚焦重点难点
重点：理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。
难点：分析并设计传感器的应用电路。
三、教学互动
（一）传感器
1、概念：_____________________________________________。
2、原理图：
3、三种常见的敏感元件21世纪教育网
（1）光敏电阻
①材料及构造
②工作原理
③功能：把__________（光学量）转换为______（电学量）。
（2）热敏电阻和金属热电阻
①热敏电阻
a）材料
b）特点
c）功能：把_______转换为_______（电学量）。
d）分类：
正温度系数PTC热敏电阻（特点）
负温度系数NTC热敏电阻（特点）
②金属热电阻
a）材料
b）特点
c）功能：把_______转换为_______（电学量）。
（3）霍尔元件
①材料及构造21世纪教育网
②霍尔电压：_________________________。
推导：
③功能：把_________（磁学量）转换为_______（电学量）。
（二）传感器的分类
1、分类
2、电容式传感器
四、课堂探究
【例1】有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用墨纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是 （ ）
A、置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻
B、置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻
C、用墨纸包住元件与不用墨纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
D、用墨纸包住元件与不用墨纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
【例2】如图所示：
（1）图甲是________的电容式传感器，原理是__________________________________________；
（2）图乙是________的电容式传感器，原理是__________________________________________；
（3）图丙是________的电容式传感器，原理是__________________________________________；
（4）图丁是________的电容式传感器，原理是__________________________________________。
【例3】如图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与NTC热敏电阻Rt的两端相连，这时指针恰好指在刻度盘的正中间。若往Rt上擦一些酒精，指针将向_____（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向Rt，则指针将向_____（填“左”或“右”）移动。
（迁移）若Rt为PTC热敏电阻，情况如何？
【例4】电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（即单位时间内通过管内横截面积的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c。流量计的两端与输送流体的管道相连（图中的虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料。现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为 （ ）
A、 B、 C、 D、
五、课堂跟踪反馈
1.PTC热敏电阻随温度升高而________，NTC热敏电阻随温度升高而________；光敏电阻在光照射下其电阻显著________.
2.如图所示，是一种测定角度的传感器，当彼此绝缘的金属板构成的动片和定片之间的角度θ发生变化时，试分析传感器是如何将这种变化转化为电学量的
[来源:21世纪教育网]
3.如图所示是电阻式温度计，一般是利用金属铂做的，已知铂丝的电阻随温度的变化情况，测出铂丝的电阻就可以知道其温度.这实际上是一个传感器，它是将________转化为________来进行测量的.
4.在自动恒温装置中，某种半导体材料的电阻率与温度的关系如图所示，已知这种材料具有发热和控温双重功能，下列说法正确的是：
(1)通电前材料的温度低于t1，通电后，电压保持不变，它们功率是（ ）
A.先增大后减小 B.先减小后增大
C.达到某一温度后功率不变 D.功率一直在变化
(2)其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在 （ ）
A.t1 B.t2 C.t1到t2的某个温度上 D.大于t2的某个温度上
5.在如图的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与D间距不变，下列说法正确的是 （ ）
A.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减少
C.当滑动触头P向右移时，L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动触头P，L消耗的功率都不变
6.如图所示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，用光照射光敏电阻时，表针的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为θ'，则可判断 （ ）
A.θ'=θ B.θ'<θ
C.θ'>θ D.不能确定θ和θ'的关系
六、课后自主评价
1.如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置的示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮.车轮转动时，A发光的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后就成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示.若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是____________________；小车速度的表达式为v=_____________；行程的表达式为s=______________.
2.用传感器进行自动控制时，常常要用到继电器.如图所示为初中学过的继电器原理示意图.其中L是电磁铁，当ab间接通电源后，衔铁S被吸引向下，这样，ce由原来闭合接通的状态变为断开，而cd则由原来断开的状态变为闭合接通.通常将传感器、低压电源接入与电磁铁L相连的ab回路来执行对继电器的控制，而cde回路则用来执行对有关电器的控制，试设计一个用光敏电阻来控制路灯的实验电路，要求是光暗时灯亮，光亮时灯熄.可供选择的仪器如下：光敏电阻、小灯泡、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线.
3.如图所示是彩色电视接收机的消磁电路示意图，R是热敏电阻，L是消磁线圈，试说明此电路的工作过程。
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4.（2003上海）图为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的I-U关系曲线图。
（1）为了通过测量得到图中所示I-U关系的完整曲线，图（a）和（b）两个电路中应选择的是图______；简要说明理由：_____________________；（电源电动势为9V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100Ω）
（2）在右图所示的电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1＝250Ω。由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2＝_______Ω；
（3）举出一个可以应用热敏电阻的例子。
5.（2005上海）一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动，在圆盘上沿半径开有一条宽度为2mm的均匀狭缝。将激光器与传感器上下对准，使二者间连线与转轴平行，分别置于圆盘的上下两侧，且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动，激光器连续向下发射激光束。在圆盘转动过程中，当狭缝经过激光器与传感器之间时，传感器接收到一个激光信号，并将其输入计算机，经处理后画出相应图线。图（a）为该装置示意图，图（b）为所接收的光信号随时间变化的图线，横坐标表示时间，纵坐标表示接受到的激光信号强度，图中Δt1=1.0×10-3s，Δt2=0.8×10-3s。求：
（1）利用图（b）中的数据求1s时圆盘转动的角速度；
（2）说明激光器和传感器沿半径移动的方向；
（3）求图（b）中第三个激光信号的宽度Δt3。
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第四节：法拉第电磁感应定律教案
【教学目标】
1、知识与技能：
（1）、知道感应电动势,及决定感应电动势大小的因素。
（2）、知道磁通量的变化率是表示磁通量变化快慢的物理量，并能区别Φ、ΔΦ、。
（3）、理解法拉第电磁感应定律内容、数学表达式。
（4）、知道E=BLvsinθ如何推得。
（5）、会用解决问题。
2、过程与方法
（1）、经历学生实验，培养学生的动手能力和探究能力。
（2）、通过推导导线切割磁感线时的感应电动势公式E=BLv，掌握运用理论知识探究问题的方法。
3、情感态度与价值观
（1）、从不同物理现象中抽象出个性与共性问题，培养学生对不同事物进行分析，找出共性与个性的辩证唯物主义思想。
（2）、通过比较感应电流、感应电动势的特点，引导学生把握主要矛盾。
【教学重点】法拉第电磁感应定律。
【教学难点】感应电流与感应电动势的产生条件的区别。
【教学方法】实验法、归纳法、类比法
【教具准备】
多媒体课件、多媒体电脑、投影仪、检流计、螺线管、磁铁。
【教学过程】
一、复习提问：
1、在电磁感应现象中，产生感应电流的条件是什么？
答：穿过闭合回路的磁通量发生变化，就会在回路中产生感应电流。
2、恒定电流中学过，电路中存在持续电流的条件是什么？
答：电路闭合，且这个电路中就一定有电源。
3、在发生电磁感应的情况下，用什么方法可以判定感应电流的方向？
答：由楞次定律或右手定则判断感应电流的方向
二、引入新课
1、问题1：既然会判定感应电流的方向，那么，怎样确定感应电流的强弱呢？
答：既然有感应电流，那么就一定存在感应电动势．只要能确定感应电动势的大小，根据欧姆定律就可以确定感应电流了．
2、问题2：如图所示，在螺线管中插入一个条形磁铁，问
①、在条形磁铁向下插入螺线管的过程中,该电路中是否都有电流 为什么
答：有，因磁通量有变化21世纪教育网
②、有感应电流,是谁充当电源
答：由恒定电流中学习可知，对比可知左图中的虚线框部分相当于电源。
21世纪教育网
③、上图中若电路是断开的，有无感应电流电流？有无感应电动势？
答：电路断开，肯定无电流，但有电动势。
3、产生感应电动势的条件是什么？
答：回路中的磁通量发生变化．
4、比较产生感应电动势的条件和产生感应电流的条件你有什么发现？
答：在电磁感应现象中，不论电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就有感应电动势，但产生感应电流还需要电路闭合，因此研究感应电动势更有意义。（情感目标）
本节课我们就来一起探究感应电动势
三、进行新课
（一）、探究影响感应电动势大小的因素
（1）探究目的：感应电动势大小跟什么因素有关？（学生猜测）
（2）探究要求：
①、将条形磁铁迅速和缓慢的插入拔出螺线管，记录表针的最大摆幅。
②、迅速和缓慢移动导体棒，记录表针的最大摆幅。
③、迅速和缓慢移动滑动变阻器滑片，迅速和缓慢的插入拔出螺线管，分别记录表针的最大摆幅；21世纪教育网
（3）、探究问题：
问题1、在实验中，电流表指针偏转原因是什么？
问题2：电流表指针偏转程度跟感应电动势的大小有什么关系？
问题3：在实验中，快速和慢速效果有什么相同和不同？
（4）、探究过程
安排学生实验。（能力培养）
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教师引导学生分析实验，（课件展示）回答以上问题
学生甲：穿过电路的Φ变化产生E感产生I感.
学生乙：由全电路欧姆定律知I=，当电路中的总电阻一定时，E感越大，I越大，指针偏转越大。
学生丙：磁通量变化相同，但磁通量变化的快慢不同。
可见，感应电动势的大小跟磁通量变化和所用时间都有关，即与磁通量的变化率有关.
把定义为磁通量的变化率。
上面的实验，我们可用磁通量的变化率来解释：
学生甲：实验中，将条形磁铁快插入（或拔出）比慢插入或（拔出）时，大，I感大，E感大。
实验结论:电动势的大小与磁通量的变化快慢有关，磁通量的变化越快电动势越大,磁通量的变化越慢电动势越小。
（二）、法拉第电磁感应定律
从上面的实验我们可以发现，越大，E感越大，即感应电动势的大小完全由磁通量的变化率决定。精确的实验表明：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路磁通量的变化率成正比，即E∝。这就是法拉第电磁感应定律。
（师生共同活动，推导法拉第电磁感应定律的表达式）（课件展示）
E=k
在国际单位制中，电动势单位是伏（V），磁通量单位是韦伯（Wb），时间单位是秒（s），可以证明式中比例系数k=1，（同学们可以课下自己证明），则上式可写成
E=
设闭合电路是一个N匝线圈，且穿过每匝线圈的磁通量变化率都相同，这时相当于N个单匝线圈串联而成，因此感应电动势变为
E=N
1.内容:电动势的大小与磁通量的变化率成正比
2.公式:ε=N
3.定律的理解:
??⑴磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化量率的区别Φ、ΔΦ、ΔΦ／Δt
??⑵感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比
??⑶感应电动势的方向由楞次定律来判断
??⑷感应电动势的不同表达式由磁通量的的因素决定：
??当ΔΦ＝ΔＢＳcosθ则ε＝ΔＢ／ΔtＳcosθ
??当ΔΦ＝ＢΔＳcosθ则ε＝ＢΔＳ／Δtcosθ
??当ΔΦ＝ＢＳΔ(cosθ)则ε＝ＢＳΔ（cosθ）／Δt
4、特例——导线切割磁感线时的感应电动势
用课件展示如图所示电路，闭合电路一部分导体ab处于匀强磁场中，磁感应强度为B，ab的长度为L，以速度v匀速切割磁感线，求产生的感应电动势？（课件展示）
解析：设在Δt时间内导体棒由原来的位置运动到a1b1，这时线框面积的变化量为
ΔS=LvΔt
穿过闭合电路磁通量的变化量为
ΔΦ=BΔS=BLvΔt
据法拉第电磁感应定律，得
E==BLv
这是导线切割磁感线时的感应电动势计算更简捷公式，需要理解
（1）B,L,V两两垂直
（2）导线的长度L应为有效长度
（3）导线运动方向和磁感线平行时，E=0
（4）速度V为平均值（瞬时值），E就为平均值（瞬时值）
问题：当导体的运动方向跟磁感线方向有一个夹角θ，感应电动势可用上面的公式计算吗？
用课件展示如图所示电路，闭合电路的一部分导体处于匀强磁场中，导体棒以v斜向切割磁感线，求产生的感应电动势。
解析：可以把速度v分解为两个分量：垂直于磁感线的分量v1=vsinθ和平行于磁感线的分量v2=vcosθ。后者不切割磁感线，不产生感应电动势。前者切割磁感线，产生的感应电动势为
E=BLv1=BLvsinθ[来源:21世纪教育网]
强调：在国际单位制中，上式中B、L、v的单位分别是特斯拉（T）、米（m）、米每秒（m/s），θ指v与B的夹角。
5、公式比较
与功率的两个公式比较得出E=ΔΦ/Δt：求平均电动势
E=BLV ： v为瞬时值时求瞬时电动势，v为平均值时求平均电动势
课堂练习：
例题1：下列说法正确的是（ D ）
A、线圈中磁通量变化越大，线圈中产生的感应电动势一定越大
B、线圈中的磁通量越大，线圈中产生的感应电动势一定越大
C、线圈处在磁场越强的位置，线圈中产生的感应电动势一定越大
D、线圈中磁通量变化得越快，线圈中产生的感应电动势越大
例题2：一个匝数为100、面积为10cm2的线圈垂直磁场放置，在0. 5s内穿过它的磁场从1T增加到9T。求线圈中的感应电动势。
解：由电磁感应定律可得E=nΔΦ/Δt①
ΔΦ＝ ΔＢ×Ｓ②
由① ②联立可得E=n ΔＢ×Ｓ/Δt
代如数值可得Ｅ＝１６Ｖ
例题3、如图所示，在磁感强度为0.1T的匀强磁场中有一个与之垂直的金属框ABCD，框电阻不计，上面接一个长0.1m的可滑动的金属丝ab，已知金属丝质量为0.2g，电阻R＝0.2Ω，不计阻力，求金属丝ab匀速下落时的速度。(4m／s)
??问1：将上题的框架竖直倒放，使框平面放成与水平成30°角，不计阻力，B垂直于框平面，求v？
答案：(2m／s)
??问2：上题中若ab框间有摩擦阻力，且μ＝0.2，求v？
答案：(1.3m／s)
??问3：若不计摩擦，而将B方向改为竖直向上，求v？
答案：(2.67m／s)
??问4：若此时再加摩擦μ＝0.2，求v？
答案：(1.6m／s)
??问5：如图所示在问2中的BC中间加ε＝0.3v、r＝0.8Ω的电池，求v？
答案：(20m／s)
??问6：上题中若有摩擦，μ＝0.2，求v？
??问7：B改为竖直向上，求v？
??问8：将电池ε反接时的各种情况下，求v？
【课堂小结】
1、让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。
2、认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。
3、让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。
【板书设计】
第四节：法拉第电磁感应定律
一、感应电动势
二、电磁感应定律
1．内容
2．表达式E=nΔΦ/Δt：求平均电动势
E=BLV ： V为瞬时值时求瞬时电动势，V为平均值求平均电动势
3.定律的理解:
??⑴磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化量率的区别Φ、ΔΦ、ΔΦ／Δt
??⑵感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比
??⑶感应电动势的方向由楞次定律来判断
??⑷感应电动势的不同表达式由磁通量的的因素决定：
??当ΔΦ＝ΔＢＳcosθ则ε＝ΔＢ／ΔtＳcosθ
??当ΔΦ＝ＢΔＳcosθ则ε＝ＢΔＳ／Δtcosθ
??当ΔΦ＝ＢＳΔ(cosθ)则ε＝ＢＳΔ（cosθ）／Δt
【布置作业】选修3-2课本第16页“思考与讨论”
课后作业：第17页1、2、3、4、5题
【课后反思】
让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总
结，然后请同学评价黑板上的小结内容。让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。
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第五节：电磁感应规律的应用教案
【教学目标】
1、知识与技能：
（1）、了解感生电动势和动生电动势的概念及不同。
（2）、了解感生电动势和动生电动势产生的原因。
（3）、能用动生电动势和感生电动势的公式进行分析和计算。
2、过程与方法
通过探究感生电动势和动生电动势产生的原因，培养学生对知识的理解和逻辑推理能力。
3、情感态度与价值观
从电磁感应现象中我们找到产生感生电动势和动生电动势的个性与共性问题，培养学生对不同事物进行分析，找出共性与个性的辩证唯物主义思想。
【教学重点】感生电动势和动生电动势。
【教学难点】感生电动势和动生电动势产生的原因。
【教学方法】类比法、练习法
【教具准备】21世纪教育网
多媒体课件
【教学过程】
一、复习提问：
1、法拉第电磁感应定律的内容是什么？数学表达式是什么？
答：感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，即E=。
2、导体在磁场中切割磁感线产生的电动势与什么因素有关，表达式是什么，它成立的条件又是什么？
答：导体在磁场中切割磁感线产生的电动势的大小与导体棒的有效长度、磁场强弱、导体棒的运动速度有关，表达式是E= BLvsinθ，该表达式只能适用于匀强磁场中。
二、引入新课
在电磁感应现象中，由于引起磁通量的变化的原因不同感应电动势产生的机理也不同，本节课我们就一起来学习感应电动势产生的机理。
三、进行新课
（一）、感生电动势和动生电动势21世纪教育网
由于引起磁通量的变化的原因不同感应电动势产生的机理也不同，一般分为两种：一种是磁场不变，导体运动引起的磁通量的变化而产生的感应电动势，这种电动势称作动生电动势，另外一种是导体不动，由于磁场变化引起磁通量的变化而产生的电动势称作感生电动势。
1、感应电场
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出，变化的磁场会在周围空间激发一种电场，我们把这种电场叫做感应电场。
静止的电荷激发的电场叫静电场，静电场的电场线是由正电荷发出，到负电荷终止，电场线不闭合，而感应电场是一种涡旋电场，电场线是封闭的，如图所示，如果空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流，或者说导体中产生感应电动势。
感应电场是产生感应电流或感应电动势的原因，感应电场的方向也可以由楞次定律来判断。感应电流的方向与感应电场的方向相同。
2、感生电动势
（1）产生：磁场变化时会在空间激发电场，闭合导体中的自由电子在电场力的作用下定向运动，产生感应电流，即产生了感应电动势。
（2）定义：由感生电场产生的感应电动势成为感生电动势。
（3）感生电场方向判断：右手螺旋定则。
例题，在空间出现如图所示的闭合电场，电场线为一簇闭合曲线，这可能是（ ）
A．沿AB方向磁场在迅速减弱
B. 沿AB方向磁场在迅速增强
C. 沿BA方向磁场在迅速减弱
D. 沿BA方向磁场在迅速增强
分析：根据电磁感应，闭合回路中的磁通量变化时，使闭合回路中产生感应电流，该电流可用楞次定律来判断，根据麦克斯韦电磁理论，闭合回路中产生感应电流，使因为闭合回路中受到了电场力的作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合回路没有关系，故空间磁场变化产生的电场方向，仍可用楞次定律来判断，四指环绕方向即感应电场的方向，由此可知AC正确。
正确答案：AC
点评：已知感应电场方向求原磁通量的变化情况的基本思路是：
感应电场的方向 感应磁场的方向 磁通量的变化情况
3、感生电动势的产生
由感应电场使导体产生的电动势叫做感生电动势，感生电动势在电路中的作用就是充当电源，其电路是内电路，当它和外电路连接后就会对外电路供电。
变化的磁场在闭合导体所在的空间产生电场，导体内自由电荷在电场力作用下产生感应电流，或者说产生感应电动势。其中感应电场就相当于电源内部所谓的非静电力，对电荷产生作用。例如磁场变化时产生的感应电动势为E=NScosθ
（二）、洛伦兹力与动生电动势
导体切割磁感线时会产生感应电动势，该电动势产生的机理是什么呢？导体切割磁感线产生的感应电动势与哪些因素有关？他是如何将其他形式的能转化为电能的？
1、动生电动势
（1）产生：导体切割磁感线运动产生动生电动势
（2）大小：E=BLv（B的方向与v的方向垂直）
（3）动生电动势大小的推导：
ab棒处于匀强磁场中，磁感应强度为B，垂直纸面向里，棒沿光滑导轨以速度v匀速向右滑动，已知导轨宽度为L，经过时间t由M运动导N，如图所示，
由法拉第电磁感应定律可得：
E=
故动生电动势大小为E=BLv。
2、动生电动势原因分析[来源:21世纪教育网]
导体在磁场中切割磁感线时，产生动生电动势，它是由于导体中的自由电子受到洛伦兹力的作用而引起的。
如图所示，一条直导线CD在云强磁场B中以速度v向右运动，并且导线CD与B、v的方向垂直，由于导体中的自由电子随导体一起以速度v运动，因此每个电子受到的洛伦兹力为：
F洛=Bev
F的方向竖直向下，在力F的作用下，自由电子沿导体向下运动，使导体下端出现过剩的负电荷，导体上端出现过剩的正电荷，结果使导体上端D的电势高于下端C的电势，出现由D指向C的静电场，此电场对电子的静电力F’的方向向上，与洛伦兹力F方向相反，随着导体两端正负电荷的积累，电场不断增强，当作用在自由电子上的静电力与电子受到的洛伦兹力相平衡时，DC两端产生一个稳定的电势差如果用另外的导线把CD两端连接起来，由于D段的电势比C段的电势高，自由电子在静电力的作用下将在导线框中沿顺时针流动，形成逆时针方向的电流，如图乙所示，电荷的流动使CD两端积累的电荷不断减少，洛伦兹力又不断使自由电子从D端运动到C端从而在CD两端维持一个稳定的电动势。
可见运动的导体CD就是一个电源，D端是电源的正极，C端是电源的负极，自由电子受洛伦兹力的用，从D端搬运到C端，也可以看做是正电荷受洛伦兹力作用从C端搬运到D端，这里洛伦兹力就相当于电源中的非静电力，根据电动势的定义，电动势等于单位正电荷从负极通过电源内部移动到电源的正极非静电力所做的功，作用在单位电荷上的洛伦兹力为：
F=F洛/e=Bv
于是动生电动势就是：
E=FL=BLv
上式与法拉第电磁感应定律得到的结果一致。
(三)、动生电动势和感生电动势具有相对性
动生电动势和感生电动势的划分，在某些情况下只有相对意义，如本章开始的实验中，将条形磁铁插入线圈中，如果在相对于磁铁静止的参考系观察，磁铁不动，空间各点的磁场也没有发生变化，而线圈在运动，线圈中的电动势是动生的；但是，如果在相对于线圈静止的参考系内观察，则看到磁铁在运动，引起空间磁场发生变化，因而，线圈中的电动势是感生的，在这种情况下，究竟把电动势看作动生的还是感生的，决定于观察者所在的参考系，然而，并不是在任何情况下都能通过转换参考系把一种电动势归结为另一种电动势，不管是哪一种电动势，法拉第电磁感应定律、楞次定律都成立。
(四)应用——电子感应加速器
即使没有导体存在，变化的磁场以在空间激发涡旋状的感应电场，电子感应器就是应用了这个原理，电子加速器是加速电子的装置，他的主要部分如图所示，画斜线的部分为电磁铁两极，在其间隙安放一个环形真空室，电磁铁用频率为每秒数十周的强大交流电流来励磁，使两极间的磁感应强度B往返变化，从而在环形真空室内感应出很强的感应涡旋电场，用电子枪将电子注入唤醒真空室，他们在涡旋电场的作用下被加速，同时在磁场里受到洛伦兹力的作用，沿圆规道运动。
如何使电子维持在恒定半径为R的圆规道上加速，这对磁场沿径向分布有一定的要求，设电子轨道出的磁场为B，电子做圆周运动时所受的向心力为洛伦兹力，因此：
eBv=mv2/R
mv=ReB[来源:21世纪教育网]21世纪教育网
也就是说，只要电子动量随磁感应强度成正比例增加，就可以维持电子在一定的轨道上运动。
【课堂小结】
本节课我们学习了感生电动势和动生电动势产生的原因，感生电动势是在感应电场作用下，自由电子定向运动形成的感应电流。动生电动势是自由电子在洛伦兹力的作用些下定向运动形成感应电流，感应电场对电荷的作用力和洛伦兹力充当了电源里的非静电力。
【板书设计】
第五节：电磁感应定律的应用
一、感生电动势
（1）产生：磁场变化时会在空间激发电场，闭合导体中的自由电子在电场力的作用下定向运动，产生感应电流，即产生了感应电动势。
（2）定义：由感生电场产生的感应电动势成为感生电动势。
（3）感生电场方向判断：右手螺旋定则。
二、动生电动势
（1）产生：导体切割磁感线运动产生动生电动势，由于导体中的自由电子受到洛伦兹力的作用而引起的
（2）大小：E=BLv（B的方向与v的方向垂直）
（3）动生电动势大小的推导
【布置作业】选修3-2课本第20页“思考与讨论”
课后作业：第20-21页1、2、3、4题
【课后反思】
让学生知道电磁感应产生的机理，激励学生探求知识的来源和根源。有利于培养学生的学习精神。
B
E
B
A
楞次定律
右手螺旋定则
楞次定律
右手螺旋定则
M
N
a
b
F’
F洛
D
C
D
C
B
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三、电感和电容对交变电流的影响
【要点导学】
1、电感和电容对交变电流的影响
（1）电感对交变电流的阻碍作用：电感对交变电流的阻碍作用的大小用感抗表示。线圈的自感系数越大、交变电流的频率越高，电感对交变电流的阻碍作用就越大，感抗也越大。
（2）电容器对交变电流的阻碍作用：电容对交变电流的阻碍作用的大小用容抗表示。电容器的电容越大、交变电流的频率越高，电容器对交变电流的阻碍作用就越小，容抗也越小。这些都表明交变电流能通过电容器。
2、在交变电流路中，如果把电感的作用概括为“通直流，阻交流；通低频，阻高频。”则对电容的作用可概括为：通交流，隔直流；通高频，阻低频。
【范例精析】
例1、如图5－3－1所示，线圈的自感系数L和电容器的电容C都很小（如：L＝1mH，C＝200pF），此电路的作用是：（D ）　
A．阻直流通交流，输出交流
B．阻交流通直流，输出直流
C．阻低频通高频，输出高频交流
D．阻高频通低频，输出低频交流和直流
解析：因自感系数L很小，所以对低频成分的阻碍作用很小，这样直流和低频成分能顺利通过线圈，电容器并联在电路中，起旁路作用，因电容C很小，对低频成分的阻碍作用很大，而对部分通过线圈的高频成分阻碍作用很小，被它旁路，最终输出的是低频交流和直流。
拓展：如图5-3-2所示电源交流电频率增大，则
A.电容器电容增大21世纪教育网
B.电容器容抗增大
C.电路中电流增大
D.电路中电流减小
解析：交流电频率增大，电容的容抗减少，导致电流增大。故正确答案：[C]
例2、如图5－3－3所示，（a）、（b）两电路是电容器的两种不同连接方式，它们各在什么情况下采用？应该怎样选用电容器？
解析：交流电路中常包含有直流成分和交流成分，电容器在电路中有“通交流、隔直流”或“通高频、阻低频”的作用。
图中的C1串联在电路中，它的作用是“通交流、隔直流”，为了使交流成分都能顺利地通过，容抗必须较小，应选用电容较大的电容器。
图中的C2并联在电路中，如果输入端输入的电流中包含有高频和低频两种交流成分，该电容器的作用是“通高频、阻低频”，即对高频电流起旁路作用，而让需要的低频信号输入到下一级，一般取电容较小的电容器；如果输入的电流是直流和交流两种成分，该电容器的作用是滤去交流成分，把直流成分输入到下一级，这时要选用电容较大的电容器。
另外，选用电容器还须注意它的耐压值，以防被击穿。
例3、在彩色电视机的电源输入端装有电源滤波器，其电路图如图图5－3－4所示。主要元件是两个电感线圈L1、L2，它们的自感系数很大，F是熔丝，R是电阻，C1、C2是电容器，S为电视机开关。某一次用户没有先关电视（没断开S）就拔掉电源插头，结果烧坏了图中电路元件，可能被烧坏的元件是
A. C2 B. C1 C. L1或L2 D. F
解析：在未断开S时拔掉电源插头，使得L1、L2中的电流突然减小，产生很高的感应电动势，这一电动势加在C2两端，C1受到R的保护而不受损坏，L1、L2中电流减小，也不损坏，A正确。
【能力训练】
1、如图5-3-5所示电路，线圈导线的电阻可忽略不计，那么当输入电压具有直流和交流两种成分时，电阻R两端和线圈两端的电压成分分别是：（　A　）
A.直流和交流，交流 B.交流，交流
C.直流和交流，直流和交流 D.直流，直流
2、图5-3-6所示电路中的电容器称为高频旁路电容，下列说法正确的是： （　BD　）
A.电容器的电容很大
B.电容器的电容很小
C.对高频而言，电容器的容抗很大
D.对低频而言，电容器的容抗很大
3、在图5-3-7所示电路中，电阻R、电感线圈L、电容器C并联接在某一交流电源上，三个相同的交流电流表的示数相同。若保持电源的电压不变，而将其频率增大，则三个电流表的示数I1、I2、I3的大小关系是：（　D　）
A. I1=I2=I3 B. I1＞I2＞I3
C. I1＞I2＞I3 D. I3＞I1＞I2
4、如图5-3-8所示，开关S与直流恒定电源接通时，L1、L2两灯泡的亮度相同，若将S与交变电源接通： （　B　）21世纪教育网
A.L1、L2两灯泡亮度仍相同
B.L1比L2更亮些
C.L1比L2更暗些
D.交变电源电压的有效值与直流电压相同，两灯与原来一样亮
5、如图5-3-9所示电路由交变电源供电，如果交变电流的频率降低，则：（　BC　）
A.线圈自感系数变小；
B.线圈感抗变小
C.电路中电流增大
D.电路中电流变小
6、如图5-3-10所示电路，接在交变电流上的灯泡正常发光，则下列措施能使灯泡变亮的是：（　C　）
A.将电容器两极板间距离增大一些
B.将电容器两极板正对面积减小一些
C.把电介质插入电容器两极间
D.把交变电流频率降低一些
7、有两个电容分别为C1=5μF,C2=3μF两电容器，分别加在峰值一定的交流电源上，比较下列哪种情况通过电容器的电流强度最大：（　C　）
A.在C1上加f=50 Hz的交变电流
B.在C2上加f=50 Hz的交变电流
C.在C1上加f=60 Hz的交变电流[来源:21世纪教育网]
D.在C2上加f=60 Hz的交变电流
8、感抗描述电感线圈对交变电流的 大小。感抗的大小与两个因素有关：线圈的 越大，交变电流的 越高，则感抗越大。
阻碍作用 自感系数 频率
9、容抗描述电容器对交变电流的 大小。容抗的大小与两个因素有关，电容器的 越大，交变电流的 越高，则容抗越小。
阻碍作用 电容 频率
10、使用220V交变电流源的电气设备和电子仪器，金属外壳和电源之间都有良好的绝缘，但是有时候用手触摸外壳仍会感到“麻手”，用试电笔测试时，氖管发光，这是为什么？
与电源相连的机芯和金属外壳可以看作电容器的两个极板，电源中的交变电流能够通过这个“电容器”。虽然这一点“漏电”一般不会造成人身危险，但是为了在机身和外壳间真的发生漏电时确保安全，电气设备和电子仪器的金属外壳都应该接地。
11、下面的电路图5-3-11是电子技术中的常用电路．a、b是电路的输入端，其中输入的高频电流用“”表示，低频电流用“～”表示，直流电流用“—”表示．负载电阻R中通过的电流有以下说明：
　　①图甲中R通过的是低频电流
　　②图乙中R通过的是高频电流
　　③图乙中R通过的是低频电流
　　④图丙中R通过的是直流电流[21世纪教育网
⑤图丁中R通过的是高频电流
其中正确的是（　D　）
　A.①②③　　　B.②③④　　　C.③④⑤　　　D.①③④
12、在收音机线路中，经天线接收下来的电信号既有高频成份，又有低频成份，经放大后送到下一级，需要把低频成份和高频成份分开，只让低频成份输送到再下一级，我们可以采用如图5-3-12所示电路，其中a、b应选择的元件是（　D　）
A.a是电容较大的电容器，b是低频扼流圈
B.a是电容较大的电容器，b是高频扼流圈21世纪教育网
C.a是电容较小的电容器，b是低频扼流圈
D.a是电容较小的电容器，b是高频扼流圈
13、看图5－3－13所示的电路后回答：
（1）输出信号与输入信号有什么区别？
输入信号中有高频成份，输出信号中无高频成份。
（2）试说明电路中L、C1、C2三个元件的作用。
C1和C2的作用是通高频、阻低频；L的作用是阻高频、通低频。
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第六节　互感和自感学案
【学习目标】
（1）、知道互感现象和互感电动势。
（2）、知道自感现象和自感电动势。
（3）、知道自感系数。
（4）、了解日光灯的工作原理
（5）、会灵活运用公式求感生电动势
（6）、会利用自感现象和互感现象解释相关问题
【学习重点】自感现象产生的原因及特点。
【学习难点】运用自感知识解决实际问题。
【学习方法】讨论法、探究法、实验法
【学习用具】
变压器原理说明器(用400匝线圈)、3.8V0.3A灯泡两只、滑动变阻器、电源(3V)、导线、开关，日光灯组件，
【学习过程】
一、复习旧课，引入新课
1、引起电磁感应现象最重要的条件是什么？
2、楞次定律的内容是什么？
二、新课学习
问题：在法拉第的实验中两个线圈并没有用导线连接，当一个线圈中的电流变化时，在另一个线圈中为什么会产生感应电动势呢？
（一）互感现象
两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。这种现象叫做 ，这种感应电动势叫做 。
利用互感现象可以把 由一个线圈传递到另一个线圈。变压器就是利用互感现象制成的。如下图所示。
在电力工程中和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，这时要设法 电路间的互感现象。例如在电路板的刻制时就要设法减小电路间的 现象。
(二)、自感现象
1、动手做一做
实验1：断电自感现象。学生几人一组作实验
实验电路如图所示。接通电路，灯泡正常发光后，迅速断开开关，可以看到灯泡闪亮一下再逐渐熄灭。
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问1：灯泡闪亮一下，说明了什么问题？
问2：在开关断开这一瞬间，增大的电压从哪里来的。
实验2：将与灯泡并联的线圈取掉。再演示上述实验，这时灯泡不再闪亮。[来源:21世纪教育网]
问3：线圈本身并不是电源，它又是如何提供高电压的呢？
2、分析现象，建立概念
⑴ 讨论：相互讨论。出示实验电路图，运用已学过的电磁感应的知识来分析实验现象。
② 问：这个实验中，线圈也发生了电磁感应。那么是什么原因引起线圈发生电磁感应呢？
问1：开关接通时，线圈中有没有电流？
问2：有电流通过线圈时，线圈会不会产生磁场？根据是什么？
问3：既然线圈产生了磁场，那么就有磁感线穿过线圈，线穿过线圈的磁胎量就不等于0。开关断开后，线圈中还有磁通量吗？
问4：所以，在开关断开这一过程中，穿过线圈的磁通量变了吗？如何变化？
问5：穿过线圈的磁通量发生了变化，会发生什么现象？
⑵ 讨论小结：
⑶ 建立概念：上述现象属于一种特殊的电磁感应现象，发生电磁感应的原因是由于通过导体 的电流发生变化而引起磁通量变化。这种电磁感应现象称为 。
自感现象：由于 发生变化而产生的电磁感应现象。
自感电动势：在 现象中产生的感应电动势。
练习：在实验中，若线圈L的电阻RL与灯泡A的电阻RA相等，则电键 断开前后通过线圈的电流随时间的变化图像为 图，通过灯泡的电流随时间的变化图像为 图；若RL远小于RA，则电键 断开前后通过线圈的电流随时间的变化图像为 图，通过灯泡的电流图像为 图。
答案：A；C；B；D
3、演示实验，强化概念
实验3：演示通电自感现象。实验电路如图。
开关接通时，可以看到，灯泡2立即正常发光，而灯泡1是逐渐亮起来的。
问：为什么会出现这种现象呢？
问：为什么自感电动势不是使灯泡1突然变得很亮，而是使它慢慢变亮呢？
4、综合因素，讲解规律21世纪教育网
在自感现象中，自感电动势的产生是由于导体本身的电流发生了变化而引起的，而自感电动势却总是阻碍导体中原来电流的变化的。
特点：自感电动势总是 导体中原来电流的 的。
具体而言：① 如果导体中原来的电流是增大的，自感电动势就要阻碍原来电流的增大。
I原↑，则ε自(I自)与I原相反
② 如果导体中原来的电流是减小的，自感电动势就要阻碍原来电流的减小。
I原↓，则ε自(I自)与I原相同
5、分析实验，深化理解
①实验1称为断电自感现象，实验2称为通电自感现象。那么，在实验1中电路接通的瞬间，线圈是否发生自感？在实验2中，把开关断开时，线圈是否发生自感现象呢？
②实验2中，如果以很快的频率反复打开、闭合开关，会出现什么现象呢？
[来源:21世纪教育网]
③实验1中开关断开了，电源已不再给灯泡提供电能了，灯还闪亮一下。这些能量是哪里来的呢？是凭空产生了能量吗？
练习：实验中，当电键闭合后，通过灯泡1的电流随时间变化的图像为 图；通过灯泡2的电流随时间变化的图像为 图。
答案：C；A
(二)、自感系数
问：感应电动势的大小跟什么因素有关？
自感电动势的大小跟其它感应电动势的大小一样，跟穿过线圈的磁通量的变化快慢有关。而在自感现象中，穿过线圈的磁通量是由电流引起的，故自感电动势的大小跟导体中电流变化的快慢有关。
(阅读教材)
理论分析表明：
E= 。
L称为线圈的自感系数，简称自感或 。自感表示线圈产生 本领大小的物理量。L的大小跟线圈的形状、长短、匝数、有无铁芯有关。
单位：亨利(H)
1H= mH= μH
(三)、自感现象的应用——日光灯的原理
日光灯就是利用自感现象的例子。灯管的两端各有一个灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的天然汞蒸汽，灯管内壁涂有荧光物质。当灯管内的气体被击穿而导电时，灯管两端的灯丝就会释放出大量的电子，这些电子与汞原子碰撞而放出紫外线，涂在灯管内的荧光物质在紫外线的照射下发出可见光，根据不同的需要充以不同的气体，并在管的内壁上涂上不同的荧光物质，就可制造出不同颜色的日光灯了。
21世纪教育网
日光灯的电路图如下图所示：
其中：启动器的作用是当开关闭合时电源把电压加在启动器两极间，使氖气放电发出辉光，辉光产生的热量使U形触片膨胀伸长接触静片而电路导通，于是镇流器中的线圈和灯管中的灯丝就有电流通过，电路接通后，启动器中的氖气停止放电，U形触片冷却收缩，电路断开，镇流器线圈因自感产生一个瞬时高压，这个高压加上电源两端的电压一起加在灯管的两端，使水银蒸汽开始放电导通，使日光灯发光。在启动器两触片间还并联了一个电容，它的作用是在动静触片分离时避免产生火花而烧毁，没有电容器，启动器也能正常工作，日光灯启动后，启动器就不需要了。
镇流器就是一个自感系数很大的线圈，在日光灯点燃时，利用自感现象，产生瞬时高压，在日光灯正常发光时，利用自感现象起降压限流的作用。
（四）磁场中的能量
开关闭合时线圈中有电流，电流产生磁场，能量储存在磁场中，开关断开时，线圈作用相当于电源，把磁场中的能量转化成 。
【课堂练习】
例1、关于自感现象，正确的说法是：
A、感应电流一定和原电流方向相反；
B、线圈中产生的自感电动势较大的其自感系数一定较大；
C、对于同一线圈，当电流变化越大时，线圈中产生的自感电动势也越大；
D、自感电动总是阻碍原来电流变化的。
解：D。
例2、如图所示，两个电阻的阻值都是R，多匝线圈的电阻和电源内阻均可忽略不计。电键S原来断开，此时电路中的电流为I0=ε/2R。现将S闭合，于是线圈产生自感电动势，此自感电动势的作用是：
A、使电路的电流减小，最后由I0将小到0；
B、有阻碍电流增大的作用，最后电流小于I0；
C、有阻碍电流增大的作用，因而电流总保持不变；
D、有阻碍电流增大的作用，但电流还是增大，最后等于I0。
解：D。
说明：要深刻理解“阻碍”的意思。阻碍并不等于“阻止”。当原电流增大时，自感电动势要阻碍电流的增大，但电流最后还是要增大的，只不过增大得慢些(如通电自感实验中所见)；当原电流减小时，自感电动势要阻碍电流的减小，但电流最后还是要减小的，只不过减小得慢些(如断电自感实验中所见)。自感电动势的作用只不过是起一个“延时”作用。
例3、如图所示的电路中，L是一带铁芯的线圈，R为电阻。两条支路的直流电阻相等。那么在接通和断开电键的瞬间，两电流表的读数I1、I2的大小关系是：
A、接通时I1I2； B、接通时I1C、接通时I1>I2，断开时I1解：B。
【学习小结】
【学习反思】：
I
t
A B C D
I
t
I
t
I
t
I
t
I
t
I
t
I
t
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交变电流
【要点导学】
交变电流的产生.变化规律和基本物理量：
1、交变电流：强度和方向都随时间做周期性变化的电流为交变电流.正弦电流、锯齿波电流都属于交变电流.
2、交变电流的产生：
矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动时产生正弦交变电流.若线圈绕平行于磁感线的轴转动，则不产生感应电动势.
矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，将经过两个特殊位置，其特点分别是：
(1)中性面：与匀强磁场磁感线垂直的平面叫中性面.线圈平面处于跟中性面重合的位置时；
(a)线圈各边都不切割磁感线，即感应电流等于零；
(b)磁感线垂直于该时刻的线圈平面，所以磁通量最大，磁通量的变化率为零.
(c)交变电流的方向在中性面的两侧是相反的.
(2)线圈平面处于跟中性面垂直的位置时，线圈平面平行于磁感线，磁通量为零，磁通量的变化率最大，感应电动势、感应电流均最大，电流方向不变.21世纪教育网
3、交变电流的变化规律：
如图5－1－1所示为矩形线圈在匀强磁场中匀速转动的四个过程：
　　当以线圈通过中性面对为计时起点时，交变电流的函数表达式：e=Em sinωt，其中Em=2NBLv=NBωS；i=Im sinωt，其中Im=Em/R。
　　当以线圈通过中性面对为计时起点时，交变电流的函数表达式：e=Em sinωt，其中Em=2NBLv=NBωS；i=Im sinωt，其中Im=Em/R。
图5－1－2所示为以线圈通过中性面时为计时起点的交变电流的e－t和i-t图象：
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【范例精析】
例1、矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，在线圈平面经过中性面瞬间：（　　）
A.线圈平面与磁感线平行；
B.通过线圈的磁通量最大；21世纪教育网
C.线圈中的感应电动势最大；
D.线圈中感应电动势的方向突变。
解析：在线圈平面垂直于磁感线时，各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这样的位置叫做中性面。根据这一定义，线圈平面经过中性面瞬间，通过线圈的磁通量最大，线圈中的感应电动势为零，此后，感应电动势方向（即感应电流方向）将与原方向相反。所以正确选项为B.D。
例2、矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生的电动势e-t图像如图5－1－3，则在时刻（　　）
A.t1，t3线圈通过中性面
B.t2，t4线圈中磁通量最大
C.t1，t3线圈中磁通量变化率最大
D.t2，t4线圈平面与中性面垂直
解析：对于线圈在匀强磁场转动的模型,要能够把图线和实物联系在一起,弄清转动过程中两个特殊位置和特征:通过中性面时磁通量最大,但磁通量变化率为零,产生的感应电动势也为零;通过与中性面垂直的位置时磁通量为零,但磁通量变化率最大,产生的感应电动势也最大,结合图象可以判断A、D正确。
拓展：本题是考查交变电流的产生和变化规律等基础内容的题目。线圈经过的中性面位置是线圈在磁场中匀速转动切割磁感线产生交变电流的特殊位置，是掌握交变电流的产生和变化规律的一个关键。
例3、一矩形线圈，面积为s，匝数为N，在场强为B的匀强磁场中绕着轴oo’做匀速转动，角速度为ω，磁场方向与转轴垂直，当线圈转到中性面位置开始计时，求：
（1）线圈中感应电动势的最大值？写出线圈中感应电动势随时间变化的表达式？
（2）若线圈中的电阻为R，则线圈中的电流的最大值为多少？写出线圈中的电流瞬时表达式。
解析：（1）对于单匝线圈eab=ecd=Blv sinωt=Bl1ωl2/2 sinωt
　　　e=2eab=Bl1l2ωsinωt=BSωsinωt
当线圈为N匝时e=N BSωsinωt
感应电动势的最大值Em=N BSω
（2）根据闭合电路的欧姆定律
i=e/R= N BSωsinωt/R
拓展：本题考查的是表征交变电流的物理量和表达式，能否正确写出交变电流瞬时值表达式，关键在于找出交变电流的最大值.角速度，并明确计时起点线圈平面所处的位置。21世纪教育网
又如：一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值为311V，线圈在磁场中转动的角速度是100πrad/s。
（1）写出感应电动势的瞬时值表达式
（2）若该发电机只与含电阻的负载组成闭合电路，电路中的总电阻为100Ω，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式，在t=1/120时电流强度的瞬时值为多少？
解析：本题中没有规定线圈平面在什么位置为计时起点，一般取线圈平面在中性面时为计时起点。
（1）由题意有Em=311V，ω=100πrad/s，所以，感应电动势的瞬时值表达式为：
e=Em sinωt =311sin100πt(V)
（2）由欧姆定律得，电流最大值为：
Im=Em/R=3.11A
通过负载的电流强度的瞬时表达式为：
i=Im sinωt=3.11 sin100πt(A)
当t=1/120时，电流的瞬时值为：
i= 3.11 sin(100π×1/120) (A)=1.55A
【能力训练】
1、图5-1-4所示各的电流中不是交流电的是：（AD）
2、如图5-1-5所示，一线圈在匀强磁场中匀速转动，经过图所示位置时，（ C ）[来源:21世纪教育网]
A.穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小
B.穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最大
C.穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大
D.穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最小
3、交流发电机在工作时的电动势为e＝Emsin t，若将其线框的转速提高到原来的两倍，其他条件不变，则其电动势变为（ D ）
　　A.Emsin t/2
　　B.2Emsin t/2
　　C.Emsin2 t
　　D.2Emsin2 t
4、如图5-1-6所示，若线框abcd不闭合，当磁铁转动时，下列说法中正确的是（ C ）
A.线框中产生感应电动势，可跟随磁铁转动
B线框中不产生感应电动势，可跟随磁铁转动
C.线框中产生感应电动势，不跟随磁铁转动
D.线框中不产生感应电动势，不跟随磁铁转动
5、闭合线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的交流电瞬时值的表达式为i=0.2sin100πt，从t＝0到第一次出现通过线圈的磁通量变化率最大值的时间为（ C）
　A.1/50 s　　　 B.1/100 s　　　C.1/200 s　　　 D1/400 s
6、矩形线圈的面积为S，匝数为n，在磁感应强度为B的匀强磁场中，绕垂直于磁场的轴OO以角速度ω匀速转动。当转到线圈平面与磁场垂直的图5-1-7示位置时（ AD）
A.线圈中的电动势为0
B.线圈中的电动势为
C.穿过线圈的磁通量为0
D.线圈不受安培力作用
7、线圈在磁场中转动时产生的交变电流如图5-1-8所示，从图中可知：（ B ）
A.在A和C时刻线圈平面与磁场垂直
B.在B和D时刻穿过线圈的磁通量最大
C.在A和C时刻，感应电流改变方向
D.若从O时刻到D时刻的时间为0.02s，则在1s内交变电流的方向改变50次
8、一矩形线圈，绕与匀强磁场垂直的中心轴OO′按顺时针方向旋转.引出线的两端与互相绝缘的半圆铜环连接，两个半圆环分别与固定电刷A.B滑动接触，电刷间接有电阻，如图5-1-9所示，在线圈转动过程中，通过电阻的电流：（ C ）
A.大小和方向都不断变化
B.大小和方向都不变
C.大小不断变化，方向A→R→B
D.大小不断变化，方向从B→R→A
9、一个交变电流发电机产生的电动势为e=200sin100πtV，如果把线圈和一个阻值为100Ω的电阻组成闭合回路，线圈的电阻可略去不计，那么，流过电阻的电流瞬时表达式为i= A，电阻两端电压瞬时表达式u= V。
2sin100πt 200sin100πt
10、某交变电流发电机模型，矩形线圈边长为20cm×10cm，共100匝，匀强磁场磁感应强度B=1T，转速为300/π转/分，则线圈产生的感应电动势最大值为多少？若从中性面开始转动，写出交变电动势e随时间t变化的表达式。
20 20sin10πt
11、距离足够大的金属板A、B间有一电子(不计重力影响)，在A、B间接有如图5-1-10所示的正弦式电压U，t＝0时电子从静止开始运动，则（BC）　
A.电子做简谐运动　
B.在足够长的时间后，电子一定要碰到某个金属板上　
C.t＝T/2时，电子速度达到最大值　
D.t＝T时，电子将回到原出发点
12、如图5-1-11所示，矩形线圈100匝，ab=30cm，ad=20cm，匀强磁场磁感应强度B=0.8T，绕轴OO’从图示位置开始匀速转动，角速度ω=100πrad/s，试求：
（1）穿过线圈的磁通量最大值φm= 线圈转到什么位置时取得此值？
（2）线圈产生的感应电动势最大值Em= 线圈转到什么位置时取得此值？
（3）写出感应电动势e随时间变化的表达式，并作出图象。
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5.3 电感和电容对交变电流的影响
一、要点扫描
1、电感器对交变电流的阻碍作用
⑴　原理：将交变电流通入电感线圈，由于线圈中的电流大小和方向都时刻变化，根据电磁感应原理，电感线圈中必产生自感电动势，以阻碍电流的变化，因此交流电路的电感线圈对交变电流有阻碍作用。
⑵　影响电感器对交变电流阻碍作用大小的因素：感抗的大小与线圈的自感系数和交流电的频率。
3 电感器在电路中的作用：通直流，阻交流；通低频，阻高频。
“通直流，阻交流”这是对两种不同类型的电流而言的，因为（恒定）直流电的电流不变化，不能引起自感现象，交流电的电流时刻改变，必有自感电动势产生来阻碍电流的变化。“通低频，阻高频”这是对不同频率的交流而言的，因为交变电流的频率越高，电流变化越快，自感作用越强，感抗也就越大。
4 应用：扼流圈
扼流圈是利用电感阻碍交变电流的作用制成的电感线圈。分低频扼流圈和高频扼流圈两类：
低频扼流圈
构造：线圈绕在铁芯上，匝数多，自感系数大，电阻较小[来源:21世纪教育网]
作用：通直流，阻交流
高频扼流圈
构造：线圈绕在铁氧体上，匝数少，自感系数小（铁芯易磁化使自感系数增大，铁氧体不易磁化，自感系数很小）
作用：通低频，阻高频
2、 电容器对交变电流的阻碍作用
⑴　原理：当电源电压推动电路中形成电流的自由电荷向某一方向做定向移动的时候，电容器两极板上积累的电荷要反抗自由电荷向这个方向做定向移动，因此交流电路的电容对交变电流有阻碍作用。
⑵　影响电容器对交变电流阻碍作用大小的因素：电容器的电容和交流的频率。
频率一定，则电容器充（放）电时间一定，又因电压一定，根据Q=CU可知，C大的电容充入（或放出）的电量多，因此充电（或放电）的的速率就大，所以电流也就越大，容抗越小；而C一定时，电容器充入（或放出）的电量一定，频率越高，电容器充（放）电的时间越短，充电（或放电）的速率越大，容抗也越小。
⑶　电容器在电路中的作用：通交流，隔直流；通高频，阻低频。
21世纪教育网
信号和交流信号，如图1所示，该电路就起到“隔直流，通交流”的作用；在电子技术中，从某一装置输出的电流常常既有高频成分，又有低频成分，若在下一级电路的输入端并联一个电容器，就可只把低频成分的交流信号输送到下一级装置，如图2所示，具有这种“通高频，阻低频”用途的电容器叫高频旁路电容器。
3、难点辨析：为什么交变电流能够通过电容器？
电容器的两级板之间是绝缘的，不论是恒定电流还是交变电流，自由电荷都不能通过两极板之间的绝缘体（电介质）。通常所说的交变电流“通过”电容器，并非有自由电荷穿过了电容器，而是在交流电源的作用下，当电压升高时，电容器充电，电容器极板上的电荷量增多，形成充电电流，当电压降低时，电容器放电，电容器极板上的电荷量减少，形成放电电流，由于电容器反复不断地充电和放电，使电路中有持续的交变电流，表现为交变电流“通过”了电容器。
4、电阻、电感器、电容器对对交变电流阻碍作用的区别与联系
电阻 电感器 电容器
产生的原因 定向移动的自由电荷与不动的离子间的碰撞 由于电感线圈的自感现象阻碍电流的变化 电容器两极板上积累的电荷对向这个方向定向移动的电荷的反抗作用
在电路中的特点 对直流、交流均有阻碍作用 只对变化的电流如交流有阻碍作用 不能通直流，只能通变化的电流．对直流的阻碍作用无限大，对交流的阻碍作用随频率的降低而增大
决定 因素21世纪教育网21世纪教育网 由导体本身（长短、粗细、材料）决定，与温度有关 由导体本身的自感系数和交流的频率f决定 由电容的大小和交流的频率决定
电能的转化与做功 电流通过电阻做功，电能转化为内能 电能和磁场能往复转化 电流的能与电场能往复转化
二、典型例题
【例1】一个灯泡通过一个粗导线的线圈与一交流电源相连接，如图所示．一块铁插进线圈之后，该灯将：（ ）
　　 A．变亮　 　 B．变暗　 　
C．对灯没影响 D．无法判断
【解析】线圈和灯泡是串联的，当铁插进线圈后，电感线圈的自感系数增大，所以电感器对交变电流阻碍作用增大，因此电路中的电流变小，则灯变暗。
【答案】B
【说明】早期人们正是用改变插入线圈中铁芯长度的方法来控制舞台灯光的亮暗的。
【例2】 如图4所示，接在交流电源上的电灯泡正常发光，以下说法正确的是
A．把电介质插入电容器，灯泡变亮
B．增大电容器两极板间的距离，灯泡变亮
C．减小电容器两极板间的正对面积，灯泡变暗
D．使交变电流频率减小，灯泡变暗　　　　　
【解析】把电介质插入电容器，电容增大，电容器对交变电流阻碍作用变小，所以灯泡变亮，故A正确。增大电容器两极板间的距离，电容变小，电容器对交变电流阻碍作用变大，所以灯泡变暗故B错。减小电容器两极板间的正对面积，电容变小灯泡变暗正确，故C正确。交变电流频率减小，电容器对交变电流阻碍作用增大，灯泡变暗，故D正确。
【答案】ACD
【例3】如图5所示，把电阻R，电感线圈L，电容C并联，接到一个交流电源上，三个电流表示数相同，若保持电源电压大小不变，而将电源频率增大，则三个电流表示数I1、I2、I3的关系是( )[来源:21世纪教育网]
A、I1=I2=I3
B、I1>I2>I3
C、I2>I1>I3
D、I3>I1>I2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【解析】交流电频率增大，电阻R对电流的阻碍作用不变所以A1表读数不变。频率增大，电感线圈对交变电流阻碍作用增大，对电流的阻碍作用变大，所以电流变小，A2表读数变小。频率增大，电容器对交变电流阻碍作用变小，对电流的阻碍作用变小，所以电流变大，A3表读数变大故答案为D。
【例4】如图6所示是电视机电源部分的滤波装置，当输入端输入含有直流成分、交流低频成分的电流后，能在输出端得到较稳定的直流电，试分析其工作原理及各电容和电感的作用。
【解析】当含有多种成分的电流输入到C1两端，由于C1的“通交流、隔直流”的功能，电流中的交流成分被衰减，而线圈L有“通直流、阻交流”的功能，直流成分电流顺利通过L，一小部分交流通过L，到达C2两端时，由于C2的“通交流、隔直流”的功能，C2进一步滤除电流中残余的交流成分，这样在输出端得到较稳定的直流电．这个直流电供电视机内芯正常工作。
三、巩固练习
1．．关于低频扼流圈，下列说法正确的是
A．这种线圈的自感系数很小，对直流有很大的阻碍作用
B．这种线圈的自感系数很大，对低频电流有很大的阻碍作用
C．这种线圈的自感系数很大，对高频交流的阻碍作用比低频交流的阻碍作用更大
D．这种线圈的自感系数很小，对高频交流的阻碍作用很大而对低频交流的阻碍作用很小
2．在图所示电路中，u是有效值为200 V的交流电源，C是电容器，R是电阻.关于交流电压表的示数，下列说法正确的是 （ ）
A．等于220 V B．大于220 V
C．小于220 V D．等于零
3．在图所示的电路中，a、b两端连接的交流电源既含高频交流，又含低频交流；L是一个25 mH的高频扼流圈，C是一个100 pF的电容器，R是负载电阻，下列说法中正确的是 （ ）
A.L的作用是“通低频，阻高频”
B.C的作用是“通交流，隔直流”
C.C的作用是“通高频，阻低频”
D.通过R的电流中，低频电流所占的百分比远远大于高频交流所占的百分比
4．如图所示，交变电流电压的瞬时表达式u=311sin157t V时，三个电流表的示数相同，若电源电压改为u′=sin314t V时，则 （ ）
A．电流表 的示数减小
B．电流表的示数增大
C．电流表的示数不变
作业布置
思考并回答本节课后“问题与练习”第1、2、3题。
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《传感器及其工作原理》的创新教学设计
教学依据
①物理（新人教版）选修3－2第六章第1节《传感器及其工作原理》（P56－P60）；
②新物理课程标准（实验）.
教学流程图
课 题 第1节 传感器及其工作原理
教学目标 1.知识与技能：①知道非电学量转换成电学量的技术意义；②通过实验，知道常见传感器的工作原理；③初步探究利用和设计简单的传感器.2.过程与方法：①通过对实验的观察、思考和探究，让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理；②让学生自己设计简单的传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力和创新思维能力. 3.情感态度与价值观：在理解传感器工作原理的基础上，通过自己设计简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣.
重、难点 1.几种常见传感器的工作原理（演示实验）；2.学生自己设计简单的传感器.
教学策略 用几个有趣的传感器实验引入课题，激发学生探究传感器原理的兴趣.给出“传感器就是把非电学量转换为电学量”的概念之后，重点介绍光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻.安排音乐茶杯和火警装置两个设计性问题让学生体会传感器的简单应用.结合电容、霍尔效应、电阻定律等知识让学生设计传感器，进一步深化传感器的工作原理.最后在对本节课总结的基础上，结合《思考与讨论》进行教学反馈.
教 学 程 序
教学环节 教学内容及师生互动设计 情感与方法
一．课题的引入21世纪教育网二．什么是传感器？三．光敏电阻21世纪教育网[来源:21世纪教育网]四．金属热电阻和热敏电阻五．学生利用光敏电阻和热敏电阻自己设计简单的控制电路六．传感器的设计思路探究1.电容2．霍尔元件3.滑动变阻器七．课堂小结及课外研究性课题 【演示实验1】干簧管控制电路的通断 如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭. 师问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？生猜：（可以自由讨论，也可以请学生回答）师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件“干簧管”的结构。探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到开关的作用。师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。【演示实验2】声光控开关控制电路的通断①先在普通光照条件下，②在把开关置于黑暗环境中。 师生总结：声光控开关师：刚才的两个实验，都用了一种元件，这些元件能够感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制，这种元件有一个专门的名称：传感器。什么是传感器呢？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，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。其实，传感器并不神秘。你家里可能就有很多的传感器。请大家相互说说看，你家里，或者在你的生活当中，都使用过，或听说过什么样的电器中有传感器？生讨论并交流：例如，①当冰箱内的温度高于设定值时，制冷系统自动启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自动停止。冰箱的控制，是通过温度传感器实现的。②楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光传感器。③为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现的烟雾，通过电路发出警报，这个小盒子就是烟雾传感器。④其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机的湿度传感器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温控开关、养鸡场里的孵化器、交警用来测驾驶员是否酒后开车的酒精气体测试仪、磁悬浮列车里的加速度测试器、电容式话筒里的电容式传感器、自动洗衣机里的压力传感器等等.可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活，使我们的生活更加方便、安全和舒适。师：为了制作传感器，需要一些元器件，下面我们就来看几个实际的例子。【演示实验3】比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同学生完成：两人一组，用万用电表（由投影仪投出表盘）的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的照射下和用手掌遮光时进行。学生总结实验结果：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。师生总结：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。（师）工作原理：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。光敏电阻是由硫化镉制成的，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。学生自学：半导体的导电机理师问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？生答：（金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多）师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。 （投影电阻R随温度变化的图线）【演示实验4】热敏电阻随温度的升高电阻减小学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。学生探究：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。师生总结1：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。师生总结2：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。【设计方案1】音乐盒（设计要求：盖子打开音乐响起，盖子合上，音乐停止）【设计方案2】火警报警器（设计要求：温度过高，发生警报）学生分组讨论：①需要什么器材？②提出设计方案；③学生分两组实施组装；④讨论并提出改进意见；⑤还可以用于生活中的哪些方面？ 师：（ 对传感器的工作原理作阶段性的小结）传感器是把非电学量转换为电学量的元件，它使得某些非电学量容易测量或者能实现电路的自动通断.传感器的应用丰富了我们的生活，使我们的生活更舒适、更安全。但从科技进步的角度来说，传感器的应用还只是浅层次的，更重要的是传感器的开发。那么，传感器如何进行开发呢？这还得从传感器的工作原理入手。例如，电容器电容的决定式为，如何利用电容的电学量与非电学量的关系设计一个电容式传感器？生答：（可能提出4种方案）师：投影出四种电容式传感器，并作原理的分析。师：1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元件。如图，霍尔元件是在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压UH。这个电压叫霍尔电压，其决定式为。式中为薄片的厚度，为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。师生共析：由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。也就是说：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。师问：霍尔元件还可以有哪些方面的应用？师问：利用滑动变阻器的接入电路阻值与导线长度成正比的原理（电阻定律）可以制成什么样的传感器？ 生答：（学生可能分析不到位，可以作一些点拨）传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电学量转化为电学量或转换为电路的通断的元器件，它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。日本把传感器技术列为上世纪八十年代十大技术之首，美国把传感器技术列为九十年代的关键技术，而我国有关传感器的研究和应用正方兴未艾……，请同学们课后通过查询资料或者向身边的内行人请教，了解我们生活中都在哪些方面使用了哪些传感器以及它们的工作原理，写成文字稿，下节课进行交流。 （演示实验1：干簧管传感器）21世纪教育网[来源:21世纪教育网]（干簧管的实物及原理图）学生对干簧管并不熟悉，因此才有了好奇。声光控开关在生活中很普及，所以又有亲切感让学生列举师生讨论科学漫步：金属铂（白金）的这个特性很明显1.金属导线；2.热敏电阻。（投影，让学生来说）可自由讨论，不一定要很完美，提出想法就是好的电容的测定：多用电表的电容档师介绍：电容式压力传感器、电容式位移传感器、电容式角度测试仪、电容式电解液液面升降测试器霍尔电压的推导在选修3－1中已经解决过，本节课不作推导老师解释为什么用霍尔元件测微小电流比用电流表好？学生分析：磁强计、霍尔电流测试器、霍尔材料辨别分压器、风力测试仪、电子秤）（师点拨）
教学设计说明
通过演示实验引入传感器概念，学生列举并讨论生活中的传感器实例，重点探究光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻的工作原理之后展开传感器应用设计活动，在对传感器的应用方案的总结基础上转入开发传感器的创新思维发展阶段，对本节课的教学思想进行质的升华。
教 后 记
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教学内容及行为 反思记录
1、掌握了什么概念？训练了什么科学思维方法？培养 了什么科学情感？ ①什么是传感器？②传感器的工作原理；③传感器的开发和应用对科技进步的深层次的意义。
2、学生以什么方式主动参与了什么内容的研讨？ ①学生彼此介绍生活中的传感器；②学生自己设计音乐茶杯和火灾报警装置；③学生根据传感器的工作原理自己开发传感器。
3、课堂教学的节奏把握如何？有哪些具体的、好的师生情感交流体验？ 课堂教学流程主要的三个环节用时各占15分钟，基本符合课堂设计；本节课充分放手让学生介绍传感器、自学传感器的工作原理、自己设计应用传感器的适用电路、自己根据传感器工作原理开发传感器，体现了新课程的理念。
4、课后提出了什么思考题？还遗留什么问题？计划作怎样的补救？ 研究性课题：向身边的内行人了解生活中有哪些传感器及其工作原理。
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①
②
③
②
①
②
①
引入
认识传感器
演示实验
光敏电阻
半导体的导电机理
演示实验
热电阻
热敏电阻
科学漫步
说一说
演示实验
设计传感器
课堂小结1
课外研究性课题
利用传感器
利用光敏电阻设计音乐茶杯
利用热敏电阻设计火警装置
课堂小结2
利用电容
利用霍尔效应
利用滑动变阻器
学生设计讨论
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第二节：探究电磁感应的产生条件学案
【学习目标】：
1．知道产生感应电流的条件。
2．会使用线圈以及常见磁铁完成简单的实验。
3．学会通过实验观察、记录结果、分析论证得出结论的科学探究方法
4．通过实验观察和实验探究，理解感应电流的产生条件。举例说明电磁感应在生活和生产中的应用。
【学习重点】：通过实验观察和实验探究，理解感应电流的产生条件。
【学习难点】：感应电流的产生条件。
【学习方法】：实验观察法、分析法、实验归纳法、讲授法
【实验器具】：条形磁铁（两个），导体棒，示教电流表，线圈（粗、细各一个），学生电源，开关，滑动变阻器，导线若干，
【学习过程】：
（一）复习磁通量（φ）的概念：
什么叫磁通量？它是如何定义的？公式是怎样的？通常情况下如何表示？
（1）定义： ，用 表示。磁通量就是表示穿过这个面的 。
（2）公式：
（3）单位： 1wb= T·m2
（二）引入新课
“科学技术是第一生产力。”在漫漫的人类历史长河中，随着科学技术的进步，一些重大发现和发明的问世，极大地解放了生产力，推动了人类社会的发展，特别是我们刚刚跨过的二十世纪，更是科学技术飞速发展的时期。经济建设离不开能源，人类发明也离不开能源，而最好的能源是电能，可以说人类离不开电。饮水思源，我们忘不了为发现和使用电能做出卓越贡献的科学家——法拉第。
1820年奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第由此受到启发，开始了“由磁生电”的探索，经过十年坚持不懈的努力，于1831年8月29日发现了电磁感应现象，开辟了人类的电气化时代。
（二）进行新课
1、实验观察
（1）闭合电路的部分导体切割磁感线
在初中学过，当闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，电路中会产生感应电流，如图4.2-1所示。
演示：导体左右平动，前后运动、上下运动。观察电流表的指针，把观察到的现象记录在表1中。如图所示。
观察实验，记录现象。
表1
导体棒的运动 表针的摆动方向 导体棒的运动 表针的摆动方向
向右平动[来源:21世纪教育网] 21世纪教育网 向后平动
向左平动 向上平动
向前平动 向下平动
结论：
还有哪些情况可以产生感应电流呢？
（2）向线圈中插入磁铁，把磁铁从线圈中拔出
演示：如图4.2-2所示。把磁铁的某一个磁极向线圈中插入，从线圈中拔出，或静止地放在线圈中。观察电流表的指针，把观察到的现象记录在表2中。
观察实验，记录现象。
表2
磁铁的运动 表针的摆动方向 磁铁的运动 表针的摆动方向
N极插入线圈 S极插入线圈
N极停在线圈中 S极停在线圈中 [来源:21世纪教育网]
N极从线圈中抽出 S极从线圈中抽出
结论：
（3）模拟法拉第的实验
演示：如图4.2-3所示。线圈A通过变阻器和开关连接到电源上，线圈B的两端与电流表连接，把线圈A装在线圈B的里面。观察以下几种操作中线圈B中是否有电流产生。把观察到的现象记录在表3中。
观察实验，记录现象。表3
操作 现象
开关闭合瞬间
开关断开瞬间
开关闭合时，滑动变阻器不动
开关闭合时，迅速移动变阻器的滑片
结论：
2、分析论证
分组讨论，学生代表发言。
演示实验1中，部分导体切割磁感线，闭合电路所围面积发生变化（磁场不变化），有电流产生；当导体棒前后、上下平动时，闭合电路所围面积没有发生变化，无电流产生。
演示实验2中，磁体相对线圈运动，线圈内磁场发生变化，变强或者变弱（线圈面积不变），有电流产生；当磁体在线圈中静止时，线圈内磁场不变化，无电流产生。（如图4.2-4）
演示实验3中，通、断电瞬间，变阻器滑动片快速移动过程中，线圈A中电流变化，导致线圈B内磁场发生变化，变强或者变弱（线圈面积不变），有电流产生；当线圈A中电流恒定时，线圈内磁场不变化，无电流产生。（如图4.2-5）
3、归纳总结
请大家思考以上几个产生感应电流的实例，能否从本质上概括出产生感应电流的条件？
教师点拨：引起感应电流的表面因素很多，但本质的原因是磁通量的变化。因此，电磁感应现象产生的条件可以概括为： 。
4、电磁感应中的能量转化
电有电场能，磁有磁场能，电磁感应与能量守恒与转化有无关系呢？
[分析] 实验一、消耗机械能---电能发电机 实验三、电能由a螺线管转移到b螺线管变压器
结论： 。
【课堂练习】：
1.关于磁通量、磁通密度、磁感应强度，下列说法正确的是 （ ）
A．磁感应强度越大的地方，磁通量越大
B．穿过某线圈的磁通量为零时，由B=可知磁通密度为零
C．磁通密度越大，磁感应强度越大
D．磁感应强度在数值上等于1 m2的面积上穿过的最大磁通量
2.下列单位中与磁感应强度的单位“特斯拉”相当的是 （ ）
A．Wb/m2 B．N/A·m
C．kg/A·s2 D．kg/C·m
3.关于感应电流，下列说法中正确的是 （ ）
A．只要穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就一定有感应电流
B．只要闭合导线做切割磁感线运动，导线中就一定有感应电流
C．若闭合电路的一部分导体不做切割磁感线运动，闭合电路中一定没有感应电流
D．当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中一定有感应 电流
4.在一长直导线中通以如图所示的恒定电流时，套在长直导线上的闭合线环（环面与导线垂直，长直导线通过环的中心），当发生以下变化时，肯定能产生感应电流的是 （ ）
A．保持电流不变，使导线环上下移动
B．保持导线环不变，使长直导线中的电流增大或减小
C．保持电流不变，使导线在竖直平面内顺时针（或逆时针）转动
D．保持电流不变，环在与导线垂直的水平面内左右水平移动
5.如图所示，环形金属软弹簧，套在条形磁铁的中心位置。若将弹簧沿半径向外拉，使其面积增大，则穿过弹簧所包围面积的磁通量将 （ ）
A．增大 B．减小
C．不变 D．无法确定如何变化
6.行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
【学生作业】书面完成P8“问题与练习”第5、6、7题；思考并回答第1、2、3、4题。
【学习札记】
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5．1 交变电流
教学目标
（一）知识与技能
1．使学生理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面。
2．掌握交变电流的变化规律及表示方法。
3．理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义。
（二）过程与方法
1．掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）。
2．培养学生观察能力，空间想象能力以及将立体图转化为平面图形的能力。
3．培养学生运用数学知识解决物理问题的能力。
（三）情感、态度与价值观
通过实验观察，激发学习兴趣，培养良好的学习习惯，体会运用数学知识解决物理问题的重要性
教学重点、难点
重点:
交变电流产生的物理过程的分析。
难点:
交变电流的变化规律及应用。
教学方法
演示法、分析法、归纳法。
教具
手摇单相发电机、小灯泡、示波器、多媒体教学课件、示教用大的电流表
课型
新授课
课时计划
1课时
教学过程
（一）引入新课
出示单相交流发电机，引导学生首先观察它的主要构造。
演示：将手摇发电机模型与小灯泡组成闭合电路。当线框快速转动时，观察到什么现象
这种大小和方向都随时间做周期性变化电流，叫做交变电流。
（二）进行新课
1、交变电流的产生
为什么矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时线圈里能产生交变电流？
多媒体课件打出下图。当abcd线圈在磁场中绕OO′轴转动时，哪些边切割磁感线 ab与cd。
当ab边向右、cd边向左运动时，线圈中感应电流的方向 沿着a→b→c→d→a方向流动的。
当ab边向左、cd边向右运动时，线圈中感应电流的方向如何
感应电流是沿着d→c→b→a→d方向流动的。
线圈平面与磁感线平行时，ab边与cd边线速度方向都跟磁感线方向垂直，即两边都垂直切割磁感线，此时产生感应电动势最大。
线圈转到什么位置时，产生的感应电动势最小 21世纪教育网
当线圈平面跟磁感线垂直时，ab边和cd边线速度方向都跟磁感线平行，即不切割磁感线，此时感应电动势为零。
利用多媒体课件，屏幕上打出中性面概念：
（1）中性面——线框平面与磁感线垂直的位置。
（2）线圈处于中性面位置时，穿过线圈Φ最大，但=0。
（3）线圈越过中性面，线圈中I感方向要改变。线圈转一周，感应电流方向改变两次。
2．交变电流的变化规律
设线圈平面从中性面开始转动，角速度是ω。经过时间t，线圈转过的角度是ωt，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt，如右图所示。设ab边长为L1，bc边长L2，磁感应强度为B，这时ab边产生的感应电动势多大
eab=BL1vsinωt = BL1·ωsinωt =BL1L2sinωt
此时整个线框中感应电动势多大
e=eab+ecd=BL1L2ωsinωt
若线圈有N匝时，相当于N个完全相同的电源串联，e=NBL1L2ωsinωt，令Em=NBL1L2ω，叫做感应电动势的峰值，e叫做感应电动势的瞬时值。
根据部分电路欧姆定律，电压的最大值Um=ImR，电压的瞬时值U=Umsinωt。
电动势、电流与电压的瞬时值与时间的关系可以用正弦曲线来表示，如下图所示：
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3．几种常见的交变电波形
（三）课堂总结、点评21世纪教育网
本节课主要学习了以下几个问题：
1．矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，线圈中产生正弦式交变电流。
2．从中性面开始计时，感应电动势瞬时值的表达式为e=NBSωsinωt，感应电动势的最大值为Em=NBSω。
3．中性面的特点：磁通量最大为Φm，但e=0。
（四）实例探究
交变电流的图象、交变电流的产生过程
【例1】一矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动势e随时间t的变化如图所示。下面说法中正确的是 （ ）
A．t1时刻通过线圈的磁通量为零
B．t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大
C．t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大
D．每当e转换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大
交变电流的变化规律
【例2】在匀强磁场中有一矩形线圈，从中性面开始绕垂直于磁感线的轴以角速度ω匀速转动时，产生的交变电动势可以表示为e=Emsinωt。现在把线圈的转速增为原来的2倍，试分析并写出现在的交变电动势的峰值、交变电动势的瞬时值表达式，画出与其相对应的交变电动势随时间变化的图象。
分析物理图象的要点：
一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”、看“截距”、看“面积”、看“拐点”，并理解其物理意义。
二变：掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系。
三判：在此基础上进行正确的分析和判断。
综合应用21世纪教育网
【例3】 如图所示，匀强磁场的磁感应强度B=2 T，匝数n=6的矩形线圈abcd绕中心轴OO′匀速转动，角速度ω=200 rad/s。已知ab=0.1 m，bc=0.2 m，线圈的总电阻R=40Ω，试求：
（1）感应电动势的最大值，感应电流的最大值；
（2）设时间t=0时线圈平面与磁感线垂直，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式；
（3）画出感应电流的瞬时值i随ωt变化的图象；
（4）当ωt=30°时，穿过线圈的磁通量和线圈中的电流的瞬时值各是多大？
（5）线圈从图示位置转过的过程中，感应电动势的平均值是多大？
解析：
作业布置
1．课下阅读“科学漫步”了解有关交流发电机的知识。
2．书面完成本节课后的“问题与练习”第3、4、5题；思考并回答第1、2题。
板书设计
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教学后记
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七、涡流　电磁阻尼和电磁驱动
［要点导学］
1、涡流
①涡流的产生机理：处在磁场中的导体，只要磁场变化就会引起导体中的磁通量的变化，导体中就有感应电动势，这一电动势在导体内部构成回路，导体内就有感应电流，因为这种电流像水中的旋涡，所以称为涡流。在大块的金属内部，由于金属块的电阻很小，所以涡电流很大，能够产生很大的热量。严格地说，在变化的磁场中的一切导体内都有涡流产生，只是涡电流的大小有区别，以至一些微弱的涡电流就被我们忽视了。
②涡流的利用：利用高频真空冶炼炉冶炼高纯度的金属；用探测器探测地雷、探测地下电缆也是利用涡流的工作原理；利用涡电流可以治疗疾病；利用涡流探伤技术可以检测导电物体上的表面和近表面缺陷、涂镀层厚度和热处理质量（如淬火透入深度、硬化层厚度、硬度等）；还有上海的磁悬浮列车是利用涡电流减速的……
③涡流的防止：防止涡流的主要途径是增大在变化的磁场中使用的金属导体的电阻：一是选用电阻率大的材料，二是把导体制作成薄片，薄片与薄片之间用绝缘材料相隔，这样增大电阻减小因涡电流损失的能量。
2、电磁阻尼
导体与磁场相对运动时，感应电流受到的安培力总是阻碍它们的相对运动，利用安培力阻碍导体与磁场间的相对运动就是电磁阻尼，磁电式仪表的指针能够很快停下，就是利用了电磁阻尼。上面提到的“磁悬浮列车利用涡电流减速”其实也是一种电磁阻尼。
3、电磁驱动
导体与磁场相对运动时，感应电流受到的安培力总是阻碍它们的相对运动，应该知道安培力阻碍磁场与导体的相对运动的方式是多种多样的。当磁场以某种方式运动时（例如磁场转动），导体中的安培力为阻碍导体与磁场间的相对运动使导体跟着磁场动起来（跟着转动），这就是电磁驱动。
其实不管是“电磁阻尼”还是“电磁驱动”，都是利用了楞次定律中的“阻碍”两个字。
［范例精析］
例1 已知某一区域的地下埋有一根与地表面平行的直线电缆，电缆中通有变化的电流，在其周围有变化的磁场，因此可以通过在地面上测量闭合试探小线圈中的感应电动势来探测电缆的确切位置、走向和深度。当线圈平面平行地面测量时，在地面上a、c两处测得试探线圈中的电动势为零，b、d两处线圈中的电动势不为零；当线圈平面与地面成45°夹角时，在b、d两处测得试探线圈中的电动势为零。经过测量发现，a、b、c、d恰好位于边长为1米的正方形的四个顶角上，如图4-7-1所示。据此可以判定地下电缆在 两点连线的正下方，离地表面的深度为 米。
解析 这里的探测线圈就是应用涡电流的原理制造的。直线电缆产生的磁场的磁感应线是一系列以直线电缆为圆心的同心圆。线圈中无感应电动势时，线圈中磁通量不变，线圈一定是与某一同心圆相切。因当线圈平面平行地面测量时，在地面上a、c两处测得试探线圈中的电动势为零，b、d两处线圈中的电动势不为零，就可以知道a、c两点在电缆线的正上方（见图4-7-2甲）。当线圈平面与地面成45°夹角时，在b、d两处测得试探线圈中的电动势为零，则可知b、d两点与电缆线的相对位置如图4-7-2乙所示。所以电缆线在a、c两点的正下方。
又因为a、b、c、d恰好位于边长为1米的正方形的四个顶角上，所以bd=m，由图4-7-2乙可知电缆线的深度为/2m=0.71m。
拓展 地下电缆线中的电流变化的情况比较复杂，当小线圈所在平面与电缆线产生的磁感线相切时，穿入线圈的磁感线数目与穿出线圈的磁感线数目一定相等，小线圈中的磁通量恒为零，所以小线圈中的感应电动势为零。
例2如图4-7-3所示，闭合线圈abcd用绝缘硬竿悬于O点，虚线表示有界磁场B。把线圈从图示位置释放后使其摆动，不计其他阻力，线圈将很快就停在竖直方向平衡而不再摆动，这是为什么？
解析 当线圈abcd进或出磁场时，穿过线圈的磁通量在发生变化，△Φ不为零，从而在线圈中产生感应电流，机械能不断转化为电能，直至最终线圈不再摆动，在这过程中，线圈中产生的热量
Q=ΔE（线圈机械能的减少量）。
拓展 上述线圈所出现的现象就是电磁阻尼。用能的转化和守恒定律解决此类问题往往十分简便。磁电式电流表，电压表的指针偏转过程中也利用了电磁阻尼现象，所以指针能很快静止下来。
例3 如图 4-7-4所示，正方形线圈abcd边长L=0.20m,质量m=0.10kg ,电阻R=0.1Ω,砝码质量M= 0.14kg ,匀强磁场B=0.50T。当M从某一位置下降，线圈上升到ab边进入匀强磁场时开始匀速运动，直到线圈全部进入磁场.问线圈运动过程中产生的热量多大 (g=10m/s2)
解析：
解法一 线圈产生的热量
Q=I2Rt
I=E/R
E= BLV
分别取线圈、砝码为研究对象，它们的受力图分别为图4-7-5的甲、乙所示，匀速运动时受力平衡，则有
T-mg-BIL=0
T-Mg=0
t= L/v
联立以上方程且代入数值得
Q=0.08J21世纪教育网
解法二 只有在线圈进入磁场的过程中，线圈有感应电流，所以会产生热量，当线圈全部进入磁场后无磁通量的变化，没有感应电流。根据能量转化与守恒，系统损失的重力势能等于感应电流产生的热量（因为线圈的动能没有变化）。所以
Q=MgL-mgL =(0.14-0.10) ×10×0.2J=0.08J
拓展 在电磁感应现象的综合题目中，既可以以力和运动为主线，找出力与电两部分之间的联系，从而列出方程组，逐一解决，如解法一，也可以从能量的转化与守恒角度来分析，什么力做功？什么能转化为什么能？什么能从什么物体转移到什么物体？从而根据能量转化和守恒定律立出方程求解，如解法二。一般说来利用能量关系解题比较单间。21世纪教育网21世纪教育网
例4 两金属杆ab和cd长均为L，电阻均为R，质量分别为M和m，M>m。用两根质量和电阻均可忽略的不可伸长的柔软导线将它们连成闭合回路，并悬挂在水平、光滑、不导电的圆棒两侧。两金属杆都处在水平位置（如图4-7-6所示）。整个装置处在一与回路平面相垂直的匀强磁场中，磁感应强度为B。若金属杆ab正好匀速向下运动，求运动速度。
解析：M与m组成的系统是我们研究的对象。它们匀速运动时总动能不变，重力势能减少，减少的重力势能转化为感应电流的电能。假设磁场方向垂直纸面向内，因ab与cd的速度方向相反，所以它们的电动势之和为E=2BLV，I=2BLV/2R=BLV/R，安培力F=B2L2V/R，
对ab有： Mg=F+2T （1）
对cd有： mg+F=2T （2）
（1）－（2）得Mg-mg=2F=2B2L2V/R，V=（M-m）gR/2B2L2
拓展：本题材虽然出现了两个电动势，但是从能量转化的角度分析电磁感应问题还是比较简单。本题还可以根据重力的做功功率等于感应电流的电功率。（Mg-mg）V=I2(2R),直接求得V=（M-m）gR/2B2L2。
例5 如图4-7-7所示，在竖直向上B=0.2T的匀强磁场内固定一水平无电阻的光滑U形金属导轨，轨距50cm。金属导线ab的质量m=0.1kg，电阻r=0.02Ω且ab垂直横跨导轨。导轨中接入电阻R=0.08Ω，今用水平恒力F=0.1N拉着ab向右匀速平移，则[来源:21世纪教育网]
（1）ab的运动速度为多大？
（2）电路中消耗的电功率是多大？
（3）撤去外力后R上还能产生多少热量？
解析：（1）匀速运动时F=ILB，I=0.1/(0.5×0.2)=1A.
E=LVB=I(R+r), V=1m/s.
(2 ) P=I2(R+r)=0.1W
(3 ) 撤去外力后金属导线ab的动能全部转化为电能，电路中能产生的总热量为Q=mV2/2=0.05J, R上产生的热量为Q的五分之四，QR=0.04J。
拓展：电路中消耗的电功率也可以用P=FV=0.1W来求,因为匀速运动时外力作的功全部转化为感应电流的电能.
［能力训练］21世纪教育网
1、 边长为h的正方形金属导线框，从图4-7-8所示的初始位置由静止开始下落，通过一匀强磁场区域，磁场方向是水平的，且垂直于线框平面，磁场区域宽度等于H，上下边界如图4-7-8中水平虚线所示，H>h，从线框开始下落到完全穿过场区的整个过程中：（ C ）
A、 线框中总是有感应电流存在
B、 线框受到磁场力的合力方向先向下，后向上
C、 线框运动的方向始终是向下的
D、线框速度的大小可能不变。
2、 在闭合线圈上方有一条形磁铁自由下落，直到穿过线圈的过程中，下列说法正确的是（ C D ）
A、 磁铁下落过程中机械能守恒
B、 磁铁的机械能增加
C、 磁铁的机械能减少
D、线圈增加的热量是由磁铁减少的机械能转化而来的
3、 有一矩形线圈在竖直平面内由静止开始下落，磁场水平且垂直于线圈平面，当线框的下边进入磁场而上边尚未进入匀强磁场的过程中，线圈不可能做：（ D ）
A、匀速下落 B、加速下落 C、减速下落 D、匀减速下落
4、 如图4-7-9所示，CD、EF为足够长的光滑平行竖直金属导轨，磁感应强度B=0.5T的水平匀强磁场与导轨平面垂直，置于导轨上的导体棒MN的长等于导轨间距，其电阻等于电池内阻。电池电动势E=1.5V。回路中其余电阻不计。若仅闭合S1，MN恰可静止，若仅闭合S2，则MN棒沿竖直导轨下滑过程中每秒内扫过的最大面积为多少平方米？
1.5m2
5、 如图4-7-10，匀强磁场的磁感应强度B=0.4T，MN长为l=1.0m，R1=R2=1.2Ω，金属框CDEF和导体MN电阻r=0.6Ω，使MN以v=3m/s的速率向右滑动，则MN两端的电压为多少伏？MN两端的电势哪一端高？
0.6， N
6、如图4-7-11所示，MN为金属杆，在重力作用下贴着竖直平面内的光滑金属长直导轨下滑，导轨的间距L=10cm，导轨的上端接有R=0.5Ω的电阻，导轨和金属杆的电阻不计，整个装置处于B=0.5T的水平匀强磁场中，当杆匀速下落时，每秒有0.02J的重力势能转化为电能，则这时MN杆的下落速度v的大小等于多少？
2m/s
7、如图4-7-12所示，竖直向上的匀强磁场磁感应强度B0=0.5T，以△B/△t=0.1T/s在增加。水平导轨不计电阻和摩擦阻力，宽为0.5m。在导轨上L=0.8m处搁一导体，它的电阻R0=0.1Ω，并且水平细绳通过定滑轮吊着质量为M=2kg的重物。线路中的定值电阻R=0.4Ω，则经过多少时间能吊起重物（g=10m/s2）？
4995s
8、电阻为R的矩形导线框abcd，边长ab=l，ad=h，质量为m。自某一高度自由落下，通过一匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，磁场区域的宽度为h，如图4-7-13所示。若线框恰好以恒定速度通过磁场，线框内产生的焦耳热是多少？（不考虑空气阻力）
2mgh
9、两根光滑的平行金属导轨，导轨间距为L，导轨的电阻不计，导轨面与水平面的夹角为θ，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导轨面斜向上，如图4-7-14所示。现把两根质量各为m，电阻为R的金属杆ab、cd放在导轨上，杆与导轨垂直。由于杆ab在沿导轨向上的外力作用下向上匀速运动，杆cd保持静止状态，求ab杆的速度和所受的沿导轨向上的外力的大小。
v=2mgRsinθ/B2L2 F=2 mgsinθ
10、教室里有一台灵敏电流计，如图4-7-15所示。老师要求同学们想办法检测这一电流计内部线圈是否断了，可是教室里没有多用电表，也没有电池。吴华慧同学翻了翻自己的文具盒，手里握着一小玩意儿，神秘地对大家说，我有办法了。请你猜一猜，她手中握的可能是什么东西？她会用怎样的办法解决这个问题？
她手里肯定握着一段导体，可能是一个回形针（一把小刀、一只圆规……），她会把导体接在电流计的两极间，然后摇动电流计，如果指针很快停下，说明内部线圈没有断，如果指针晃动很长时间，说明内部线圈断了。
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二、探究电磁感应产生的条件
［要点导学］
[来源:21世纪教育网]
本节主要探究电磁感应产生的条件。
1、探究的方法主要是实验。连同初中学习的一个实验，课文介绍了三个实验，见图4-2-1，图4-2-2和图4-2-3。我们要认真做好这三个实验，并从这三个实验中分析、归纳、概括出电磁感应产生的条件。
学习初中物理时，我们已经知道：闭合电路的一部分导体切割磁感应线，电路就会产生感应电流。那么在普遍情况下，电磁感应产生的条件是什么呢？完成下面两张表格可以帮助我们发现三个实验之间的内在联系。
表格一、磁铁相对于线圈运动时的电磁感应现象（图4-2-2）
磁铁的动作情况 电流计指针的动作 磁铁的动作情况 电流计指针的动作
N极插入线圈 S极插入线圈
N极停在线圈中 指针无动作 S极停在线圈中 指针无动作
N极从线圈中抽出 S从线圈中抽出
表格二、线圈中的电流变化时的电磁感应现象（图4-2-3）
线圈A中电流的变化情况 线圈B中磁场的变化情况 电流计指针的动作
开关闭合的瞬间 21世纪教育网
开关断开的瞬间
开关闭合滑动变阻器不动 B中的磁场不变 指针无动作
开关闭合变阻器电阻变化
2、对实验现象的归纳。从上面的两张表格中我们可以看到，指针无动作时，无一例外地线圈中的磁场都是不变化的，那么在上面的表格中，凡是指针有动作的，线圈中的磁场又有什么共同点呢？请你用尽可能简单的语言表达它们的共同点： 。在图4-2-1所示的实验中，磁场是不变的，只是导体AB在切割磁感线运动而产生了电磁感应，这种方式产生电磁感应与上面所说的线圈中磁场变化产生电磁感应之间肯定是有联系的。前者是磁场不变但闭合电路包围磁场的面积在变，后者是闭合电路的面积不变，但电路中的磁场在变。由此可见，穿过闭合电路的磁场变化或者电路包围磁场的面积变化都会引起电磁感应。
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3、概括电磁感应的条件。由于闭合电路的面积与垂直穿过此面积的磁感应强度的乘积叫做磁通量，所以产生感应电流的条件是：穿过闭合电路的磁通量发生变化。从磁感线的角度来看，磁通量就是穿过闭合电路的磁感线的数目，因此即使磁场和闭合电路的面积都不变，如果磁场与闭合电路所在平面之间的夹角变化（如由垂直变为不垂直），磁通量也会发生变化。
[范例精析]
例1 如图4-2-4所示，在有界匀强磁场中有一矩形线圈abcd垂直磁场放置，现使线圈做如下几种运动：（a）向上加速平移，（未出磁场），（b）匀速向右平移，（c）绕ab边转90°，其中线圈中能产生感应电流的是 。
解析： 要判断线圈中是否有感应电流产生，则需判断穿过线圈的磁通量是否发生变化。在（a）中穿过线圈平面的磁感线始终与线圈平面垂直且线圈在磁场中的面积未发生变化，所以穿过线圈的磁通量没有变化，线圈中没有感应电流产生。在（b）中线圈平移出磁场的过程中，在磁场中的面积逐渐减少，穿过线圈的磁通量在减少，所以线圈中有感应电流产生。在(c)中，线圈从图示位置绕ab边转动90°的过程中，线圈面积不变，但磁感线与线圈平面的夹角越来越小，穿过线圈的磁感线条数在减少，故磁通量越来越小，线圈中有感应电流产生。
拓展 ：在判断是否有感应电流时，除了确定是闭合电路外，如闭合电路是在匀强磁场中，则着重判断闭合电路在磁场中的面积是否变化，以及和磁感线的夹角是否发生变化，以确定磁通量是否变化，从而确定是否有感应电流发生。
例2 如图4-2-5所示，A、B两回路中各有一开关S1、S2，且回路A中接有电源，回路B中接有灵敏电流计，下列操作及相应的结果可能的是
A、 先闭合S2，后闭合S1的瞬间，电流计指针偏转
B、 S1、S2闭合后，在断开S2的瞬间，电流计指针偏转
C、 先闭合S1，后闭合S2的瞬间，电流计指针偏转
D、S1、S2闭合后，在断开S1的瞬间，电流计指针偏转
解析： 回路A中有电源，当S1闭合后，回路中有电流，在回路的周围产生磁场，回路B中有磁通量，在S1闭合或断开的瞬间，回路A中的电流从无到有或从有到无，电流周围的磁场发生变化，从而使穿过回路B的磁通量发生变化，产生感应电动势，此时若S2是闭合的，则回路B中有感应电流，电流表指针偏转。所以A、D正确。
拓展：这类问题，首先要判断该电流的磁场方向，从而确定是否有磁感线穿过线圈平面，然后再根据电流的变化情况判断磁通量是否变化，若产生磁场的电流虽然发生了变化，但穿过线圈平面的磁通量始终为零，那么闭合回路中也不会产生感应电流。如将图4-2-5中的回路A换成一根通过回路B的一条直径的充分长通电直导线，则不论直导线中的电流如何变化，回路B也不会产生感应电流。
例3 恒定的匀强磁场中有一圆形的闭合导体线圈，线圈平面垂直于磁场方向。当线圈在此磁场中作下列哪种运动时，线圈能产生感应电流？
A.线圈沿自身所在的平面作匀速运动
B.线圈沿自身所在的平面作加速运动
C.线圈绕任意一条直径作匀速转动
D.线圈绕任意一条直径作变速转动
解析：线圈沿自身所在的平面作匀速运动时线圈中磁通量不变；线圈沿自身所在的平面作加速运动时线圈中磁通量也不变，所以线圈中没有感应电流。线圈绕任意一条直径作匀速转动时线圈中磁通量有变化，线圈绕任意一条直径作变速转动时线圈中磁通量也有变化，所以线圈中有感应电流。正确答案是C、D。
拓展：这道高考题的立意是考查考生对产生感应电流的条件是否掌握。同时也考查了考生的空间想象能力。解决这一类问题 的关键是看线圈中的磁通量是否变化。
[能力训练]
1、如图4-2-6，竖直放置的长直导线ef中通有恒定电流，有一矩形线框abcd与导线在同一平面内，在下列情况中线圈产生感应电流的是 （ABD ）
A、导线中电流强度变大 B、线框向右平动
C、线框向下平动 D、线框以ab边为轴转动
E、线框以直导线ef为轴转动
2、下列关于产生感应电流的说法中，正确的是 （ D ）
A、只要穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就一定有感应电流产生
B、只要闭合导线做切割磁感线的运动，导线中就一定有感应电流
C、闭合电路的一部分导体，若不做切割磁感线运动，则闭合电路中就一定没有感应电流
D、当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中就一定有感应电流
3、如图4-2-7所示，一个矩形线圈与通有相同大小的电流的平行直导线在同一平面，且处于两直导线的中央，则线框中有感应电流的是（ BC ）
A、两电流同向且不断增大 B、两电流同向且不断减小
C、两电流反向且不断增大 D、两电流反向且不断减小
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4、如图4-2-8所示，导线ab和cd互相平行，则在下列情况中导线cd中无电流的是（ D ）
A、电键S闭合或断开的瞬间
B、电键S是闭合的，但滑动触头向左滑21世纪教育网
C、电键S是闭合的，但滑动触头向右滑
D、电键S始终闭合，滑动触头不动
5、如图4-2-9所示，范围很大的匀强磁场平行于OXY平面，线圈处在
OXY平面中，要使线圈中产生感应电流，其运动方式可以是（ C ）
A、沿OX轴匀速平动 B、沿OY轴加速平动
C、绕OX轴匀速转动 D、绕OY轴加速转动
6、目前观察到的一切磁体都存在N、S两个极，而科学家却一直在寻找是否存在只有一个磁极的磁单极子。若确定存在磁单极子，设法让磁单极子A通过一超导材料制成的线圈如图4-2-10所示，则下列对于线圈中的感应电流的判断，正确的是（ C）
A、只有A进入线圈的过程有电流 B、只有A离开线圈的过程中有电流
C、A离开线圈后，电流保持不变 D、A离开线圈后，电流消失
7、如图4-2-11所示，在匀强磁场中有一线圈，线圈平面与磁感线平行。当磁场突然增大时，线圈中有感应电流吗？为什么？
无感应电流，因为磁通量不变
8、如图4-2-12所示，一有限范围的匀强磁场，宽度为d，将一边长为l的正方形线框以速度v匀速地通过磁场区域，若d>l，则在线框中产生感应电流的时间为多少？若d2l/v 2d/v
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第五节 电能的输送
一、典型例题
（1）输送4800kW的电功率，采用110kV高压输电，若不考虑电抗的影响，输电导线中的电流是多少安？如果用110V电压输电，输电导线中的电流将是多少？
解：在不考虑电抗的影响时，电功率P = UI，
所以，，
其中P = 4800kW = 4800×103W.
当U = 110kV = 110×103V时，导线中电流 .
当U = 110V时，导线中的电流 .
可见，大功率输电是不可能用低电压的.21世纪教育网
（2）指出下面的一段叙述错在那里，并说明原因.21世纪教育网
将电能从发电站送到用户，在输电线上会损失一部分功率. 设输电电压为U，则功率损失为
P损 = UI. （1）
而
U = I R （2）
将（2）式代入（1）式，得到
P损 = U2 / R （3）[来源:21世纪教育网]
由（3）式可知，要减小功率损失P损，就应当用低压送电和增大输电线的电阻R.
答：题中叙述所得的结论是错的. 这是由于在分析中不看条件乱套公式所致.
输电过程中，在输电线上由电阻造成损失的功率P损跟输电线中的电流I和输电线上的电压损失△U成正比，即
P损 = I△U
其中△U = IR . R为输电线的电阻. 题中把电压损失△U = U－U′同输电电压U混同了，因而得出了错误的结论.
（3）从发电站输出的功率为200kW，输电线的总电阻为0.05Ω，用110V和11kV两种电压输电，输电线上电阻造成的电压损失各是多少伏？
解：输电线上由电阻造成的电压损失△U = IR .
而. 所以，电压损失为
其中P为输出功率，U为输电电压.
当用110V电压输电时，输电线上的电压损失为
当用11 kV电压输电时，输电线上的电压损失为
（4）如果用220V和11kV两种电压来输电，设输送的电功率、输电线上的功率损失、导线的长度和电阻率都相同，求导线的横截面积之比.
解：设输送的电功率为P，输电电压为U，送电距离为L，导线横截面积为S，电阻率为ρ.
则每根导线损失的电功率P损= I2R .
由于P = UI，，
所以，
现在，输送电功率P相同，导线电阻率ρ和长度L也相同. 在输电电压U和导线横截面积S不同时，如果要求导线上损失的电功率相同，则应有
所以 .
可见，要满足题中所设要求用220V电压输电时，导线的横截面积是11kV输电时的2500倍.
（5）一座小型水电站，它输出的电功率是20kW，输电电压是400V. 输电线的总电阻是0.5Ω，输电线上的功率损失是多少？用户得到的电功率是多少？假如用250V的电压输电，输电导线上功率的损失和用户得到的功率又各是多少？
解：用400V电压输电时，导线中电流 .
输电导线损失的电功率 P损 = I2R = 502×0.5W = 1.25kW.
用户得到的电功率P用 = P出－P损 = 20kW－1.25kW = 18.75kW.
用250V电压输电时，导线中电流 .
所以 P损 = 802×0.5W = 3.20kW.
P用 = 20kW－3.20kW = 16.80 kW.[来源:21世纪教育网]
二、本节课后练习
1.某电厂原采用电压U1输电，后改用U2 = 20U1电压输电，不考虑其它变化，则
（ ）
A. 输电电流变为原来的1/2021世纪教育网
B. 输电线上电压损失降为原来的1/20
C. 输电线上电能损失降为原来的1/40
D. 输电效率比原来提高了39倍 （AB）
2.一台理想变压器，在同一输送电路中，以不同的电压输送相同的功率. 变压器的输入电压U保持不变，线路电阻R为定值. 当变压器的副线圈与原线圈的匝数比为 K时，线路损耗的电功率为多少？当匝数比提高到nK时，线路损耗的电功率变为原来的多少分之一？
（）
3.发电机的输出功率是10kW，输出电压是250V. 通过一只匝数比是1∶10的理想变压器向远处输电，则输电的电流强度是多少A？若输电线的总电阻是6.25Ω，那么输电线上损失的功率占总功率的百分之几？
（4A，1%）
4.一发电机输出电压500V，功率16kW. 输电线的电阻为50Ω. 用电器的额定电压为200V. 为了减少输电线功率损失，使损失最大为5%，现采用理想变压器进行高压输电. 为达到上述目的，升压变压器原副线圈的匝数比应为多少？降压变压器原副线圈的匝数比应为多少？
（1∶8， 19∶1）
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四、法拉第电磁感应定律
［要点导学］
1． 这一节学习法拉第电磁感应定律，要学会感应电动势大小的计算方法。这部分内容和楞次定律是本章的两大重要内容，应该高度重视。
2． 法拉第电磁感应定律告诉我们电路中产生感应电动势的大小跟 成正比。若产生感应电动势的电路是一个有n匝的线圈，且穿过每匝线圈的磁感量变化率都相同，则整个线圈产生的感应电动势大小E= 。
3． 直导线在匀强磁场中做切割磁感线的运动时，如果运动方向与磁感线垂直，那么导线中感应电动势的大小与 、 和 三者都成正比。用公式表示为E= 。如果导线的运动方向与导线本身是垂直的，但与磁感线方向有一夹角θ，我们可以把速度分解为两个分量，垂直于磁感线的分量v1=vsinθ,另一个平行于磁感线的分量不切割磁感线，对感应电动势没有贡献。所以这种情况下的感应电动势为E=Blvsinθ。
4．应该知道：用公式E=nΔΦ/Δt计算的感应电动势是平均电动势,只有在电动势不随时间变化的情况下平均电动势才等于瞬时电动势。用公式E=Blv计算电动势的时候，如果v是瞬时速度则电动势是瞬时值；如果v是平均速度则电动势是平均值。
5.公式E=nΔΦ/Δt是计算感应电动势的普适公式，公式E=Blv则是前式的一个特例。
6．关于电动机的反电动势问题。
　　①电动机只有在转动时才会出现反电动势（线圈转动切割磁感线产生感应电动势）；
　　
　　②线圈转动切割磁感线产生的感应电动势方向与电动机的电源电动势方向一定相反，所以称为反电动势；21世纪教育网
③有了反电动势电动机才可能把电能转化为机械能,它输出的机械
能功率P=E反I；
④电动机工作时两端电压为U=E反+Ir（r是电动机线圈的电阻），电
动机的总功率为P=UI，发热功率为P热=I2r，正常情况下E反>>Ir，
电动机启动时或者因负荷过大停止转动，则I=U/r，线圈中电流就会很大，可能烧毁电动机线圈。
［范例精析］
　　例1法拉第电磁感应定律可以这样表述：闭合电路中感应电动势的大小 （ ）
A、跟穿过这一闭合电路的磁通量成正比
B、跟穿过这一闭合电路的磁感应强度成正比
C、跟穿过这一闭合电路的磁通量的变化率成正比
D、跟穿过这一闭合电路的磁通量的变化量成正比
　　解析：E=ΔΦ/Δt，ΔΦ与Δt的比值就是磁通量的变化率。所以只有C正确。
　　拓展：这道高考题的命题意图在于考查对法拉第电磁感应定律的正确理解。考生必须能够正确理解磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率这三个不同的概念。
　　例2 图4-4-1中abcd是一个固定的U形金属框架，ab和cd边都很长，bc边长为L，框架的电阻可不计，ef是放置在框架上与bc平行导体杆，它可在框架上自由滑动（摩擦可忽略）。它的电阻为R，现沿垂直于框架平面的方向加一恒定的匀强磁场，磁感应强度为B，方向垂直于纸面向里。已知当以恒力F向右拉导体杆ef时，导体杆最后匀速滑动，求匀速滑动时的速度。
　　解析：匀速运动时导体杆所受合力应等于零，故：
　　F=ILB=B2vL2/R，v=FR/B2L2。
　　拓展：今天看这道高考题好象十分简单。其实对本题的过程进行认真的分析对夯实基础是十分重要的。在恒定外力作用下导体杆ef向右加速运动，导体杆ef因切割磁感线而产生感应电动势，回路中产生感应电流，磁场对感应电流的安培力阻碍导体杆ef向右的运动，导体杆ef的加速度减小、速度增大、电动势增大、电流增大、安培力增大，直到安培力与恒定外力相等时导体杆ef就作匀速运动。
　　例3 如图4-4-2所示，边长为0.1m正方形线圈ABCD在大小为0.5T的匀强磁场中以AD边为轴匀速转动。初始时刻线圈平面与磁感线平行，经过1s线圈转了90°，求：
（1） 线圈在1s时间内产生的感应电动势平均值。
（2） 线圈在1s末时的感应电动势大小。
　　解析： 初始时线圈平面与磁感线平行，所以穿过线圈的磁通量为零，而1s末线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，故有磁通量变化，有感应电动势产生。
（1）只要用E=ΔΦ/Δt 来进行计算平均电动势。
　　　E=ΔΦ/Δt=0.5×0.1×0.1/1=0.005V。
(2)1s末的感应电动势是指瞬时值，应该用E=BLvt来进行计算。
　　当线圈转了1s时，恰好转了90°，此时线圈的速度方向与磁感线的方向平行，线圈的BC段不切割磁感线（或认为切割磁感线的有效速度为零），所以线圈不产生感应电动势，E=0。
　　拓展： 要把握感应电动势计算公式E=nΔΦ/Δt的条件。公式目前只能用来计算一段时间内的平均值。
E=BLv公式中的v是与磁感线垂直的有效切割速度，在这个前提下再来考虑v是即时值还是平均值就可以求解电动势的即时值或平均值。
　　例4 矩形线圈abcd，长ab=20cm ,宽bc=10cm,匝数n=200,线圈回路总电阻R= 50Ω，整个线圈平面均有垂直于线框平面的匀强磁场穿过，磁感应强度B随时间的变化规律如图4-4-3所示，求：
（1）线圈回路的感应电动势。
（2）在t=0.3s时线圈ab边所受的安培力。
　
　　解析： 从图象可知，与线圈平面垂直的磁场是随时间均匀增大的，穿过线圈平面的磁通量也随时间均匀增大，线圈回路中产生的感应电动势是不变的，可用法拉第电磁感应定律来求。
（1） 感应电动势E=nΔΦ/Δt=200×15×10-2×0.02/0.3=2V
（2） I=E/R=2/50 A=0.04A
当t=0.3s时，B=20×10-2T
　　
　　F=nBIL=200×20×10-2×0.04×0.2N=0.32N
　　拓展：磁通量的变化量与线圈的匝数无关，但考虑感应电动势时因为每个线圈都是一个电源，所以总电动势必须乘以线圈的匝数。计算线圈所受安培力时因为每一条边都受到安培力所以还要乘以线圈的匝数。
　　例5 如图4-4-4所示，M为一线圈电阻r=0.4Ω的电动机，R=24Ω，电源电动势E=40V。当S断开时，电流表的示数，I1=1.6A，当开关S闭合时，电流表的示数为I2=4.0A求开关S闭合时电动机发热消耗的功率和电动机线圈的反电动势E反。
　　解析：设电源内阻为r′,当S断开时，I1=E/(R+ r′)，即1.6A=40V/(24Ω+ r′)，得r′=1Ω.当S合上时，I2=4A，则U内=I2·r′=4V
　　U外=E-U内=40V-4V=36V，也即电动机两端电压为36V。
　　P热=I2r=（I2－U外/R）2r=(4－36/24)2×0.4W=2.5W，
　　
　　P机=P总－P热=(I2－U外/R)×U外－2.5W=87.5W。
　　P机=E反IM=E反（4-36/24）=87.5，E反=87.5/2.5=35V。
　　拓展：电动机启动时，或者电动机线圈卡住不转时，E反=0，则线圈中电流高达36/0.4=90A，如此之大的电流很容易烧毁电动机线圈，所以大型电动机启动时都要采用补尝电路，电动机线圈卡住时应立即切断电源。
［能力训练］21世纪教育网
1、一个200匝、面积200cm2的圆线圈，放在匀强磁场中，磁场的方向与线圈平面垂直，磁感应强度在0.05s内由0.1T增加到0.5T，在此过程中，穿过线圈的磁通量变化量是 ，磁通量的变化率是 ，线圈中感应电动势的大小是 。
　　8×10-3wb 0.16wb/s 32V
2、一导体棒长为40cm，在磁感应强度为0.1T的匀强磁场中做切割磁感线运动，速度为5m/s，棒在运动中能产生的最大感应电动势为 V。
　　0.2
3、关于某一闭合电路中感应电动势的大小E，下列说法中正确的是 （ Ｃ ）
　　A、E跟穿过这一闭合电路的磁通量的大小成正比
　　B、E跟穿过这一闭合电路的磁通量的变化大小成正比
　　C、E跟穿过这一闭合电路的磁通量的变化快慢成正比
　　D、E跟穿过闭合电路所在处的磁感应强度的大小成正比
4、关于电磁感应，下列说法中正确的是（ Ｄ ）
　　A、导体相对磁场运动，一定会产生电流
　B、导体切割磁感线，一定会产生电流
　C、闭合电路切割磁感线就会产生电流
　D、穿过电路的磁通量发生变化，电路中就一定会产生感应电动势
5、如图4-4-5所示，在竖直向下的匀强磁场中，将水平放置的金属棒ab以水平速度v抛出，且棒与磁场垂直，不计下落过程的空气阻力，则棒在运动过程中产生的感应电动势大小的变化是( Ｃ )
A、越来越大
B、越来越小
C、保持不变
D、无法判断
6、穿过一个单匝线圈的磁通量，始终为每秒钟均匀地增加2Wb，则（ Ｃ ）21世纪教育网
　　A、线圈中的感应电动势每秒钟增加2V
B、线圈中的感应电动势每秒钟减少2V
　　C、线圈中的感应电动势始终为2V
D、线圈中不产生感应电动势
7、如图4-4-6所示，让线圈abcd从高为h处下落后，进入匀强磁场，从cd边开始进入磁场，到ab边刚进入磁场的这一段时间内，在下列几种表示线圈运动的v-t图象中，不可能的是（ Ｄ ）
8、有一个1000匝的线圈，在0.4秒内穿过它的磁通量从0.02Wb增加到0.09Wb，求线圈中的感应电动势的平均值。如果线圈的电阻是10Ω，把它跟一个电阻为990Ω的电热器串联组成闭合电路时，通过电热器的电流的平均值多大？
　　175V 0.175A
9、如图4-4-7所示，正方形单匝线圈处于匀强磁场中，磁感线垂直穿过线圈平面，线圈每边长20cm，若磁场的磁感应强度在△t1=0.1s内由0.1T均匀增加到0.4T，并在紧接着的△t2=0.25s的时间内由0.4T均匀增加到1.6T，则在△t1的时间内线框中的感应电动势的大小是多少伏？在△t2时间内，感应电动势的大小又是多少伏？在（△t1+△t2）时间内，感应电动势的平均值是多少伏？21世纪教育网
　　0.12V、0.192V、0.17V
10、如图4-4-8所示的矩形线圈在匀强磁场中绕OOˊ轴转动时，线圈中是否有感应电动势？为什么？设线圈的两个边长分别为L1和 L2,转动角速度为ω，磁场的磁感应强度为B。试证明：在图示的位置时，线圈中的感应电动势为E=BSω，其中S为线圈的面积,S=L1L2 。 [来源:21世纪教育网]
　　有 v=ωL1 E=BL2v=BωL1L2=Bωs
11、如图4-4-9所示，在匀强磁场（B=0.2T）中，电阻为0.5Ω的金属杆以速度v=5m/s匀速向右平移，R=1.5Ω，导轨间距L=0.2m且光滑并电阻不计，则电阻R两端的电压是多少伏？
　　0.15V
12、电磁流量计如图4-4-10所示,用非磁性材料做成的圆管道,外加一匀强磁场.当管道中导电液体流过此区域时,测出管壁上一直径两端a、b两点间的电动势为E,就可知道管中液体的流量Q,即单位时间内流过管道横截面的液体体积(m3／s).已知管道直径为D,磁场的磁感应强度为B,试推导Q的表达式。
　　Q=πDE/4B
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六、互感和自感
［要点导学］
1.互感现象是一种常见的电磁感应现象，如图4-6-1只要A线圈的电路中可变电阻的阻值R周期性地变化，那么A和B两个线圈之间就会发生互感现象。例如电阻R增大，A中电流变小，B线圈中磁通量减少产生感应电流，感应电流产生的磁场也会引起A线圈中磁通量的变化，所以A、B两个线圈的磁通量是互相影响的，象这样两个互相靠近的线圈中只要有一个线圈中的电流变化，就会出现互感现象。
2.自感现象是因为线圈自身的电流变化而引起线圈的磁通量变化，由此产生的电动势叫自感电动势。所以自感现象就是一种电磁感应现象。自感现象既遵循法拉第电磁感应定律又遵循楞次定律。只是因为自感线圈内的磁通量的变化率与线圈内的电流的变化率成正比例，所以电流变化越快自感电动势越大。也就是说自感电动势与电流的变化率成正比，比例常数就是自感系数L，单位是亨利，符号是H。
3.因为自感现象是以电流变化为主线展开讨论的，所以在研究自感问题时，应首先研究电流的变化情况。因电流的变化引起磁场的变化，磁场的变化引起磁通量的变化，磁通量的变化产生自感电动势，自感电动势总是阻碍电流的变化。但阻碍电流的变化不等于阻止电流的变化。
4.在具体分析自感支路对其他电路影响时，如果自感支路的电流在减少则应该把产生自感电动势的线圈看作新的电源，新电源阻碍电流的减少；如果自感支路中的电流在增大，自感线圈就相当于一个接反了的电源，这一电源阻碍电流的增加。
5.线圈的自感系数是由线圈自身的性质决定的，与线圈中的电流无关。这一点就象导体的电阻与导体中的电流无关一样。影响线圈自感系数的因素很多(空心线圈的自感系数与单位长度的匝数的平方成正比，与线圈的体积成正比)，但插入铁芯线圈的自感系数明显增大（约为103-104倍）。
6.磁场与电场一样也具有能量，磁场是由电流产生的，所以线圈中电流变化时磁场的能量就在变化；电场是由电荷产生的，所以电容器中电荷量变化时电场的能量就在变化。电场能与磁场能可以相互转化，这一问题后面还会继续学习。
［范例精析］
例1 如图4-6-2示的电路中，A1和A2是完全相同的灯泡，线圈L的电阻可以忽略，下列说法中正确的是：（ ）
A.合上开关K接通电路时A2先亮，A1后亮最后一样亮21世纪教育网
B.合上开关K接通电路时，A1和A2始终一样亮
C.断开开关K切断电路时，A2立刻熄灭，A1过一会儿熄灭
D.断开开关K切断电路时，A1和A2都要过一会儿才熄灭
解析：合上开关K接通电路时L阻碍电流增大，所以A2先亮、A1后亮。断开开关K切断电路时，在L、A1、A2组成了新电路，L是新电源，（电流方向顺时针），所以A1A2都要过一会儿才熄灭。正确答案是A和D。
拓展： 在断开开关K时L中的电流减小，L中产生了阻碍电流减小的自感电动势，但阻碍不是阻止，电流还是在减小，电流的方向还是由L流向A1，再流入A2，再流入L，形成顺时钟方向的电流。
例2图4-6-3为一演示实验电路图，图中L是一带铁芯的线圈，A是一灯泡，电键K处于闭合状态，电路是接通的，现将电键K打开，则在电路切断的瞬间，通过灯泡A的电流方向是从 端到 端，这个实验是用来演示 现象。
解析：K闭合时L中电流的方向是b—L—a，K断开的瞬间L中电流突然减小，L中产生阻碍电流减小的感应电动势，L成为新的电源，但电流只能在原方向上减小，所以正确答案是：[a到b，断路时的自感现象]。
拓展：本题的考查点与上题相同，说明这部分内容是高考的热点内容。应该高度重视。
例3 一个线圈的电流在均匀增大，则这个线圈（ ）
A．自感系数也将均匀增大
B．自感电动势也将均匀增大
C．磁通量也将均匀增大
D．自感系数，自感电动势都不变
解析：电流均匀增大则磁通量均匀增大，磁通量的变化率恒定。所以自感电动势不变。自感系数与电流无关。正确答案是C和D。
拓展：在自感现象中电流的变化率与磁通量的变化率是成正比例的，因为线圈中的磁场就是它自身的电流产生的，电流增大磁场就增强，磁通量就增大。
例4、如图4-6-4所示的电路中，两个电流表G1和G2的零点都在刻度盘中央，当电流从“-”接线柱流入时，指针向右摆，当电流从“+”接线柱流入时，指针向左摆，当电路接通并达到稳定时再断开的瞬间，下列哪个说法符合实际（ ）
A．G1指针向左摆，G2指针向右摆
B．G1指针向右摆，G2指针向左摆
C．G1、G2的指针都向左摆
D．G1、G2的指针都向右摆
解析：K断开的瞬间，LRG1G2组成了一个新的回路，新回路的电源是L，L阻碍L中的向右的电流减少，所以回路中还有顺时针的电流，正确答案是A。
拓展：本题的考点与例一和例二相同，只是在情景上多加了两个电流表，这类问题的关键是确定L中原来的电流方向，L作为新电源时电流的方向并不改变。
例5如图4-6-5所示的两个线圈A和B并排放置，当A线圈的电键S闭合的瞬时，B线圈中因磁通量增加而产生感应电流。请说明此时B线圈中感应电流对A线圈中的磁场有何影响？
解析 由图4-6-5可知，开关闭合时A线圈的下面出现N极，B线圈因磁通量增加而产生感应电流，根据楞次定律B线圈下面也是出现N极（阻碍A线圈的磁感线穿入B），B线圈中感应电流产生的磁感线是由下而上地穿过A线圈的（与A线圈中磁场反向），所以感应电流的磁场起着阻碍A线圈中磁场增强的作用。
拓展 由此可见只要A线圈的磁感线穿过B，而B能够产生感应电流并且感应电流的磁感线又能够穿过A，那么不管A、B的位置如何放置，A、B之间都能够产生互感现象。
例6 家用日光灯电路是利用自感现象的一个常见的例子。日光灯的电路如图4-6-6，图中S是是启动器（内有双金属片并充氖气），L是镇流器（有铁芯的线圈），D是日光灯灯管。试分析日光灯工作原理。
解析 开关闭合后，220V电压加在启动器S的两端，使启动器玻璃泡内氖气放电，放电产生的热量使玻璃泡内的双金属片膨胀，动触片与静触片短路，电流突然增大，镇流器因电流突变产生很大的自感电动势，这一高电动势使日光灯灯管内汞蒸汽放电，日光灯就发光了。
拓展 日光灯镇流器的作用有两个方面：一是在启动时给灯管提供高电压；二是在正常使用时限制通过灯管的电流（因为日光灯电路中使用交流电，镇流器线圈的自感电动势总是阻碍电流的变化，镇流器的名称由此而来）。 分析日光灯的电路图时，应以日光灯管为中心。启动器与日光灯管并联，镇流器与日光灯管串联，这样分析有利于记忆掌握日光灯的电路图，也有利于理解启动器和镇流器的作用。
［能力训练］
1、由于导体本身的 而产生的电磁感应现象叫自感现象。
　　电流发生变化
2、对于同一个线圈，其电流 则自感电动势越大；对于不同的线圈，即使在相同的时间内电流的变化量都相同，但产生的自感电动势不同。电学中用 来描述线圈的这种特性。
　　变化越快 自感系数
3、如果通过线圈的电流在1秒内改变了1安培，而产生的自感电动势为1伏，则此线圈的自感系数为 。
　　1亨利21世纪教育网
4、在一个空心线圈内插入软铁棒，则此线圈的自感系数将 。
　　增大
5、大型电动机正常工作时电流很大，如果用普通闸刀断开电路，闸刀的金属片之间会产生电火花，严重时甚至会烧毁闸刀、引起人身伤害，其原因是 　　　　　　　　　[来源:21世纪教育网]
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
　　电路断开时电流减少得很快，电动机的线圈内产生很大的自感电动势，高电动势把空气击穿，就发生电火花，发生伤害事故。因此大功率的电动机的开关都浸没在耐高压的绝缘油中。
6、如图4-6-7所示的电路中，D1和D2是两个相同的小灯泡，L是一个自感系数相当大的线圈，其阻值与R相同。在电键S接通和断开时，灯泡D1和D2亮暗的顺序是：（ A ）
A、接通时D1先达最亮，断开时D1后灭
B、接通时D2先达最亮，断开时D2后灭
C、接通时D1先达最亮，断开时D1先灭
D、接通时D2先达最亮，断开时D2先灭
7、如图4-6-8所示，L为一个自感系数大的自感线圈，开关闭合后，小灯能正常发光，那么闭合开关和断开开关的瞬间，能观察到的现象分别是： （ A ）21世纪教育网
A、 小灯逐渐变亮，小灯立即熄灭
B、 小灯立即亮，小灯立即熄灭
C、 小灯逐渐变亮，小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭
D、小灯立即亮，小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭
8、下列关于自感现象的说法中，正确的是：（ACD）
A、自感现象是由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象
B、线圈中自感电动势的方向总与引起自感的原电流的方向相反
C、线圈中的自感电动势的大小与穿过线圈的磁通量变化的快慢有关[来源:21世纪教育网]
D、加铁芯后线圈的自感系数比没有铁芯时要大
9、关于线圈的自感系数，下列说法正确的是：（ D ）
A、线圈的自感系数越大，自感电动势一定越大
B、线圈中的电流等于零时，自感系数也等于零
C、线圈中电流变化越快，自感系数越大
D、线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定
10、在如图4-6-9电路中，线圈L的自感系数值很大，其电阻可忽略，A、B是完全相同的灯泡，则当开关S闭合时：（ B ）
A、 A比B先亮，然后A熄灭
B、 B比A先亮，然后B逐渐变暗
C、 A、B一起亮，然后A熄灭
D、A、B一起亮，然后B熄灭
11、如图4-6-10所示，线圈L的电阻不计，则：（ BD ）
A、 S刚闭合时，灯立即正常发光
B、 当灯正常发光时，电容器不带电
C、 S断开瞬间，灯熄灭，电容器不带电
D、S断开瞬间，灯熄灭，电容器的A板带负电
12、如图4-6-11所示，S为启动器，L为镇流器，其中日光灯的接线图正确的是：（ D ）
13、图4-6-12是一演示实验的电路图，图中L是一带铁芯的多匝线圈，A是一灯泡，起初开关处于闭合状态，电路是接通的。现将开关断开，则在开关断开后电灯泡A没有立即熄灭，而是比原来更亮一下再熄灭。开关断开后通过灯泡A的电流方向是怎么样的？（2）在开关断开后电灯泡A为什么没有立即熄灭？（3）有人说开关断开的瞬时L中的自感电动势很大，L中的电流突然增大，所以电灯比原来更亮一下再熄灭。这种说法对不对？简述理由。
（1）开关断开后通过灯泡A的电流方向是b—A—a—L—b；
（2）在开关断开后L中因电流变化产生自感电动势，L成为新的电源向A灯供电，所以A灯没有立即熄灭。
（3）这种说法不对，L中的自感电动势阻碍电流的减少，但阻碍不是阻止，电流还是在减少，所以L中的电流不可能增大，只能减少。A灯比原来更亮一下，只能说明A灯中电流比原来的电流大，所以本实验成功的条件是开关断开前L中的电流比A灯中的电流大得多。
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5.2描述交变电流的物理量
一、素质教育目标
(一)知识学习点
1．复习上节课知识，并推出εm=BωS　 εm＝NBωS
2．理解交变电流的周期、频率含义，掌握它们相互间关系
3．理解交变电流有效值的意义，会应用正弦式交变电流有效值公式对纯电阻电路的电压、电流进行有关计算
4．能利用有效值定义计算某些交变电流的有效值
(二)能力训练点
1．培养自己阅读、理解及自学能力。
2．培养自己将知识进行类比、迁移的能力。
3．使自己理解如何建立新的物理概念而培养学生处理解决新问题能力。
4．培养自己应用数学工具处理解决物理问题的能力。
5．训练自己由特殊到一般的归纳、演绎思维能力。
6．努力培养自己的实际动手操作能力。
(三)德育渗透点
1．由用电器铭牌，可介绍我国近几年的经济腾飞，激发自己爱国精神和为建设祖国发奋学习的精神。
2．让自己生体会对称美。
二、重点、难点、疑点及解决办法
1．交变电流有效值概念既是重点又是难点，通过计算特殊形式的交变电流的有效值来体会和掌握它的定义
2．交变电流瞬时值确定使学生感到困难，通过例题分析使自己学会借助数学工具处理解决物理问题的能力
三、课时安排
1课时
四、用具准备
投影机、幻灯机、手摇发电机、导线若干、万用电表(25只)
灯泡“220V、100W”(25只)
五、学生活动设计
1．学生通过计算分析得出：矩形线框在匀强磁场中绕垂直磁感线的任一轴匀速转动一周中，产生的感应电动势εm＝BωS。
2．学生通过知识类比知道描述交变电流的周期性变化特点必须要引入周期T、频率f来表示变化的快慢。
3．通过演示实验观察掌握瞬时值、最大值、有效值概念。
4．学生通过再次使用万用电表，熟练基本仪器的使用和正确读数。
5．通过练习巩固加深对交流电图象的认识和有效值的理解。
六、学习步骤
(一)明确目标
掌握描述交变电流的各物理量的内涵和外延
(二)重点、难点的学习与目标完成过程
复习引入
通过上节课学习，我们知道矩形线框在匀强磁场中匀速转动时，线框中产生了正弦式交流电。我们是怎样描述交变电流的变化规律呢？公式法e＝εmsinωt　 I＝Imsinωt(中性面开始计时)i/A
其中εm＝2Bl1v
l1为切割边ab、cd长度。
而v则是ab边绕O轴(O轴为过bc边、ad边中点的直线)以ω角速
若线框绕ab边为轴转动呢？
εm＝εbt＝Bl1　 v1＝Bl1　 ωl2＝BωS
若线框绕O1　 O2轴(均垂直磁感线)转动呢？
εm＝BωS
启发引导学生回答，矩形线框在匀强磁场中只要绕垂直磁感线的轴转动，线框中产生感应电动势最大值为εm＝BωS若有n匝线框则εm＝nBωS
矩形线框在匀强磁场中匀速转动一周过程中，只有两个时刻处在最大值，不同时刻感应电动势瞬时值不同。显然交变电流是较为复杂的，那用什么物理量来描述交变电流呢？
(若时间不够，εm＝BωS的推导放至习题课进行)
新课教学
交变电流是周期性变化的，用什么来描述周期性变化的快慢呢？
周期(T)——交流电完成一次周期性变化所需时间
频率(f)——1秒内完成周期性变化的次数
它们关系如何？各自单位？[来源:21世纪教育网]
T＝1/f，T秒(s)，f赫兹(Hz)
描述交变电流变化快慢的物理量除周期，频率外，还有什么物理量？
转速n(转/秒)，角速度ω(弧度/秒)
那它们间又有什么关系呢？
T=2π/ω　 f＝ω/2πω＝2π/T＝2πf=2πn　
交变电流不同时刻，瞬时值不同，但我们用什么来表示交变电流平均的效果呢？
如果初温相同，同时加热相同时间烧开。
即通过相同电阻在相同的时间里甲图直流电与乙图交变电流产生了相同热量，我们把此时直流电压称为交变电流电压的有效值。
那如何定义交变电流的电流有效值呢？
有效值定义——让交流电和直流电通过同样阻值的电阻，如果它们在同一时间内产生的热量相等。这一交流电的电流有效值就跟这个直流电的电流相等。
有效值是交变电流一个非常重要的物理量，它根据电流热效应来定义，电流产生的平均效果。
正弦式交变电流的有效值与最大值间有什么关系呢？21世纪教育网
同时交代学生最大值、有效值、瞬时值的符号表示
通常我们说的市电220V即为有效值
请同学们用万用电表测量学生电源交流输出10V时，交流电压表的读数。
教师提示注意选档、量程、正确读数等问题。
请同学们将“220V、100W”灯泡接至学生电源交流10V输出的两端，测出此时通过灯泡的电流强度并观察灯泡亮度。请学生回答为什么灯泡几乎不亮？
强调①凡是没有说明时，所指的均为有效值
②各类交流电表所测的值也为有效值
③各类用电器铭牌所示值也为有效值
幻灯显示
1．某用电器两端允许加的最大直流电压是100V，能否把它接在交流电压100V电路里？为什么？
2．照明用交流电压是200V，动力提供线路的电压是380V，它们的有效值、最大值各是多少？若用电压测得，测得值各是多大？
提问个别学生，及时纠正，并给出正确答案
幻灯显示
1．一电压U＝10V的直流电通过电阻R，在时间t内产生热量与一交流电通过电阻R/2时在同一时间内产生热量相同则该交流电压的有效值为
2．请写出下列各图的周期、频率、最大值、有效值。
甲乙两图有效值相同，说明正弦式交变电流的有效值与最大值的关系与频率无关。学生求解丙图的有效值时遇到了问题。
交变电流有效值是表示交变电流产生的热效应的平均效果，就是平均值吗？
我们应该从有效值的定义入手，相同时间可取半个周期吗？为什么？
有效值表示交变电流产生平均效果，用半个周期无法体现出来。又由于它具有周期性特点，相同时间必须取周期整数倍，一般为了方便计算，只取一个周期便可以。
师生共同完成以下步骤[来源:21世纪教育网]
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Q直=I2Rt＝2I2R[来源:21世纪教育网]
Q交＝Q直
50R＝2I2R
I＝5A
可以用这种方法去计算正弦式交变电流的有效值吗？为什么？
不可以。现有知识无法求得交变电流在一个周期内产生的热量。
幻灯显示
5．试电笔上的氖管，起辉电压86.6V，若将其接在电压为70.7V频率为50Hz的交流电路，氖管能发光吗？在1秒内有多少时间发光？
①70.7V是什么电压？　 该交流电压最大值为多少？周期又为多少？
②交变电流的图象如何？表达式如何？
70.7V是有效值
氖管会发光
解　 作出交变电流的U-t图　 U＝Umsinωt＝100sinl00πt伏
设电压为70.7V对应时刻为t1代入公式即
70.7V＝100sin100πt1
t1＝0.0025s
由图象对称性知，氖管发光时间为Δt＝4(t1-0)＝0.01s
(四)总结、扩展
1．全面详细描述交变电流的公式和图像、最大值、有效值、周期、频率等物理量是描述交变电流某一方面的特性的。
2．由图象和公式均可求出最大值、周期、有效值、频率等物理量。反之，由最大值、周期等也可求出交变电流的公式及图象。
3．思考题
这种图象的交变电压有效值能求吗？
七、布置作业
　 求出下图交变电压的有效值
八、知识要点
第二节　 描述交变电流的物理量
1．描述交变电流变化快慢物理量
周期T(s)频率(Hz)
角速度ω(弧度/秒)转速n(转/秒)
2．描述交变电流大小物理量
瞬时值　 e　 i　 u
最大值εm　 Im　 Um
有效值ε　 I　 U
有效值　 让交流电和直流电在相同的时间内
通过相同的电阻产生相同的热量
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二.描述交变电流的物理量
【要点导学】
表征交变电流的物理量
（1）瞬时值：交流电的瞬时值反映的是不同时刻交流电的大小和方向，瞬时值是时间的函数，不同时刻瞬时值不同。正弦交流电瞬时值的表达式为
e=Emsinωt
U=Umsinωt
（2）最大值：交流电的最大值反映的是交流电大小的变化范围，当线圈平面与磁力线平行时，交流电动势最大，Em＝NBSω，瞬时值与最大值的关系是：－Em≤e≤Em。
（3）有效值：交流电的有效值是根据电流的热效应来规定的。即在同一时间内，跟某一交流电能使同一电阻产生相等热量的直流电的数值，叫做该交流电的有效值，正弦交流电的有效值与最大值之间的关系是：
E=Em/ U=Um/ I=Im/
各种交流电电气设备上所标的、交流电表上所测得的以及在叙述中没有特别加以说明的交流电的最大值，都是指有效值。21世纪教育网
（4）平均值：交流电的平均值是交流电图像中波形与横轴所围的面积跟时间的比值，用e=nΔΦ／Δt计算
（5）表征交变电流变化快慢的物理量
①周期T：电流完成一次周期性变化所用的时间。单位：s .
②频率f：一秒内完成周期性变化的次数。单位：HZ.
③角频率ω：就是线圈在匀强磁场中转动的角速度。单位：rad/s.
④角速度、频率、周期的关系　　　　ω=2πf=2π/T
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【范例精析】
例1、图5－2－1表示一交变电流随时间变化的图象。此交变电流的有效值是：（ ）
A.5安 B.5安
C.3.5安 D. 3.5安
解析: 许多同学对交变电流有效值的意义理解不深，只知道机械地套用正弦交变电流的最大值是有效值的倍的关系，直接得出有效值.由图象知该交变电流不是正弦交流电，因此不能套用I=Im/公式求，必须从有效值的定义考虑。
设该交变电流的有效值为I，通过电阻R，在一个周期时间内产生的热量为Q，则Q=I2RT。题中的交流电通过相同电阻R在一个周期内产生的热量为Q′，则
Q=I12RT/2 +I22RT/2
因Q=Q′，有I2RT= I12RT/2 +I22RT/2
∴I=5（安）
故选项B正确。
例2、如图5－2－2所示，在匀强磁场中有一个“冂”形导线框可绕AB轴转动，已知匀强磁场的磁感强度B=5/πT，线框的CD边长为20cm.CE、DF长均为10cm，转速为50r/s，若从图示位置开始计时，
（1）写出线框中感应电动势的瞬时值表达式；
（2）若线框电阻r=3,再将AB两端接“6V，12W”灯泡，小灯泡能否正常发光？若不能，小灯泡实际功率多大？
[来源:21世纪教育网]
解析：（1）注意到图示位置磁感线与线圈平面平行，瞬时值表达式应为余弦函数，先出最大值和角频率：
ω=2πn=100πrad/s
Em=BSω=5/π×0.2×0.1×100π=10(V)
所以电动势瞬时表达式应为：e=10cos100πt(V)。
（2）小灯泡的电阻为R=U额2／Ｐ额＝62/12=3Ω，
先求出交变电流电动势有效值 E=Em/=10(V)
此后电路可看成恒定电流电路，由于R=r, U=Em/2=5V，小于额定电压，故小灯泡不能正常发光。其实际功率是p=U2/R=52/3=25/3=8.3(W)
拓展：在交流电路中，计算交流的发热功率及热量必须用有效值。另外，交流电表的读数也为有效值。但在计算流过电路中的电量时用电流平均值计算，即：
q=i×Δt=（NΔΦ/RΔt）×Δt=NΔΦ/R。
例3、将电阻为r的直导线abcd沿矩形框架边缘加以弯曲，折成“п”形，其中ab=cd=L1，bc=L2。在线端a、d间接电阻R和电流表A，且以a、d端连线为轴，以角速度在磁感应强度为B的匀强磁场中匀速转动，如图5-2-3所示，求：
（1）交流电流表A的示数；
（2）从图示位置转过90°角的过程中，电阻R上产生的热量；
（3）写出弯曲导线转动过程中，从图示位置开始计时的电动势的表达式。
解析：（1）弯曲导线转到图示位置时有感应电动势的峰值为Em=BL2ωL1= BωL1L2
产生电流的峰值为Im=Em/(R+r)= BωL1L2/(R+r)
电流表A的示数I=Im/=BωL1L2/2(R+r)
（2）由图示位置转过90°角所用时间t=T/4=π/２ω
电阻R上产生的热量为QR=I2Rt=πωR B2L12L22/4(R+r)2
（3）电动势为e=Emcosωt= BωL1L2cosωt
【能力训练】
1、一个矩形线圈在匀强磁场中转动，产生的感应电动势按正弦规律变化，其瞬时值的表达式为e=220sin100πtV，下列说法中正确的是：(ABD)
A．频率是50Hz
B．.当t=0时，线圈平面与中性面重合
C．当t=1/100 s时，e的值最大，为220V
D．线圈转动的角速度为314rad/s21世纪教育网
2、下列数据中不属于交变电流有效值的是（C）
　A.交流电表的示数　　　　　　　
B.灯泡的额定电压
C.电容器的耐压值　　　　　　　
D.保险丝的额定电流
3、一个接在直流电源上的电热器所消耗的电功率为P1，若把它接到电压最大值与直流电压相等的正弦式交流电源上，该电热器所消耗的电功率为P2，则P1：P2为：( A)
A.2：1 B.1：2 C.1：1 D.1：
4、一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，周期为T。从中性面开始计时，当t=T/12时，线圈中感应电动势的瞬时值为2V，则此交变电流的有效值为（A）
A. 2V B. 2V C.V D./2 V
5、一电阻接在20V的直流电源上，消耗的电功率为10W，把这一电阻接在某一交流电源上，该交流电源的输出电压u随时间t变化的图象如图5-2-4所示，则这一电阻消耗的电功率为（A）
A.5W
B.7.07W
C.10W
D.14.1W
6、在电阻R上分别加如图5-2-5（1）、（2）所示的交变电压u1和u2，在较长的相等时间内，内阻R上产生的热量相等，电阻R的阻值变化可以忽略，那么（BC）
A.交变电压u2的最大值Um等于U
B.交变电压u2的最大值Um等于U
C.交变电压u1的有效值等于U
D.交变电压u1的有效值等于U/
7、交流电的有效值是根据电流的热效应来规定的，那么，在计算一个通有交变电流的电阻产生的热量或电阻的热功率时，是用交变电流的瞬时值、最大值还是有效值？若一个10Ω的电阻，通过的电流为i=2sin314tA，那么这个电阻的热功率是多大？
　　有效值 20W
8、一个正弦规律变化的交变电流的图象如图5-2-6所示，根据图象计算：
（1）交变电流的频率。
（2）交变电流的有效值。
（3）写出该电流的瞬时值表达式。
（4）在什么时刻该电流的瞬时值大小与其有效值相等。
　　（1）50HZ （2）10A（3）i= 20sin100πt（A）（4）t=0.0025(2n+1) n=(0,1,2,3,……)
9、求如图5-2-7所示的交变电流的有效值。
4.33A
10、交流发电机模型的矩形线圈abcd在匀强磁场中绕与磁场垂直的轴匀速转动。线圈共有n匝，边长ab=L1，bc=L2，线圈的内电阻为r，外电阻为R，磁感应强度是B，线圈转动的角速度是ω，如图5-2-8所示。求：（1）转动过程中电流表的读数。（2）线圈转动一周，外力做了多少功？
　　nBωL1L2/2(R+r) πωRn2 B2L12L22/4(R+r)2
11、单匝矩形线圈abcd绕ad边为轴在匀强磁场B中匀速转动，如图5－2－9所示，图中ab=L1,bc=L2,线框电阻为r ,ad间接入的电阻为R。R与理想电流表A串联，线圈角速度为ω，求：
（1）电流表A的读数。
（2）从图示位置转过90°的过程中通过电流表的总电量q。
（3）从图示位置转过90°的过程中电阻R上产生的热量Q热。21世纪教育网
　　BωL1L2/ (R+r)　　B L1L2/ (R+r)　　πωR B2L12L22/4(R+r)2
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三.楞次定律－应用
[要点导学]
1.应用楞次定律判断感应电流方向的四个步骤。
（1）明确原磁场的方向；
（2）明确穿过闭合回路的磁通量是在增加还是在减少；
（3）根据楞次定律确定感应电流的磁场方向；
（4）利用安培定则，判断感应电流的方向。21世纪教育网
2.感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这句话高度概括了楞次定律，但是由于产生感应电流的情景有好多种，所以楞次定律的表述也有好几种，主要有以下五种：
(1)闭合线圈的面积不变，感应电流是因磁场变化引起的则感应电流的磁场阻碍原磁场的变化——克强助弱；
(2)磁场不变，感应电流是因回路面积变化而产生的则感应电流的磁场阻碍其面积的变化。
(3)感应电流是因为导体与磁场的相对运动产生的则感应电流的磁场阻碍它们的相对运动——“去则吸引、来则排斥”。
(4)感应电流是因自身的电流变化而产生的则感应电流的磁场阻碍电流的变化。（这一点将在自感现象中遇到）
(5)感应电流是因为闭合电路中的一部分导体切割磁感线产生的，则用右手定则判断感应电流的方向。右手定则是楞次定律的特例，根据楞次定律切割磁感线产生的安培力一定阻碍切割磁感线的运动。
我们应用楞次定律时可以在上述五种方法中选择自己觉得比较简单的一种。
3.要正确理解楞次定律中的“阻碍”两字的意思：
（1）阻碍不是阻止。磁通量减少时感应电流的磁场与原磁场方向相同，阻碍原磁场的减弱，但原磁场毕竟还在减弱。在直导线切割磁感线产生感应电流时，感应电流的出现一定阻碍切割磁感线的运动，但不是阻止这种运动，因为这种运动还在进行。
（2）阻碍不一定是反抗，阻碍还可能有补偿的意义。当磁通量减少时感应电流的磁场就补尝原磁场的磁通量的减少。这里关键是要知道阻碍的对象是磁场的变化，阻碍的对象不是磁场。
（3）阻碍是能量守恒的必然结果，在电磁感应现象中克服感应电流的阻碍作用做多少功就有多少其它形式的能转化为感应电流的电能。
[范例精析]
例1如图4-3-19 所示，当长直导线中电流减小时，两轻质闭合导体环a、b将如何运动？
解析：当长直导线中的电流减小时，它在其周围产生的磁场将减弱，两导体环中的磁通量亦将减少。因而，两环中产生感应电流的原因都是穿过其中的磁通量在减少，所产生的感应电流的结果必将“反抗磁通量的减少”。又因越靠近直导线处，磁场越强，所以，导体环和b都向直导线靠近。即环向右移动，b环向左移动。
拓展：本题中如果两环的平面与长直导线垂直，则无论长直导线中的电流如何变化环中的磁通量都不变化，环中均无感应电流，两环均不会因长直导线中的电流变化而运动。
例2 如图4-3-20 所示，一条形磁铁从线圈上方落下，试问，在磁铁接近线圈和离开线圈的两过程中，其加速度与重力加速度g的关系分别如何？
解析：当磁铁在上方落下接近线圈时，线圈中产生感应电流的原因是二者相互接近，其中所产生的感应电流的磁场必然将“阻碍二者的相互接近”。因而，它们间产生斥力，磁铁下落的加速度必小于g。当磁铁离开线圈继续下落时，产生感应电流的原因则是二者相互远离，此时线圈中产生感应电流的磁场必然是“阻碍二者相互远离”，因而，它们间产生引力，故磁铁下落的加速度小于g。
拓展：上述的结论与磁铁的极性无关。由于磁铁都有两个极，所以在磁铁穿过线圈的过程中线圈中的电流一定会改变方向。假如磁铁先是N极插入则感应电流使线圈的上端出现N极，等到磁铁穿出线圈离开时一定是S极远离线圈，感应电流在线圈的下端产生N极，这时的电流方向肯定与前述的电流方向相反。
例3图4-3-21中A是一个边长为L的方形线框，电阻为R，今维持线框以恒定的速度v沿x轴运动，并穿过图中所示的匀强磁场B区域。若以x轴为正方向作为力的正方向，线框在图示位置的时刻作为时间的零点，则磁场对线框的作用力F随时间t的变化图线为（ ）
解析：线框刚进入磁场时它右边的一条边切割磁感线产生感应电流，磁场对线框的作用力F阻碍线框向右的运动，磁场对线框的作用力F向负X轴方向；线框全部进入磁场开始磁通量不变，无感应电流磁场对线框的作用力F=0，线框的右边的一条边出了磁场，它的左边切割磁感线产生感应电流，磁场对线框的作用力F还是向负X轴方向， 所以磁场对线框的作用力F总是阻碍线圈A的运动，总是向负X轴方向，所以正确答案是B。
拓展：本题从相对运动的角度分析更加简单，磁场对线框的作用力F总是阻碍线框A向X轴正向运动，所以在有感应电流的时间内磁场对线框的作用力F都向负X轴方向。
例4如图4-3-22所示，一宽40cm的匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向里。一边长为20cm的正方形导线框位于纸面内，以垂直于磁场边界的恒定速度v=20cm/s通过磁场区域，在运动过程中，线框有一边始终与磁场区域的边界平行。取它刚进入磁场的时刻t=0，在下列图线中，正确反映感生电流强度随时间变化规律的是：( )
解析：在0～1秒内线框中磁通量增大；1～2秒内磁通量不变故无感应电流；2～3秒内磁通量减少，所以感应电流的方向与0～1秒内的电流方向相反，正确答案是C。 21世纪教育网
拓展：本题如果磁场宽度为20㎝，则正确的选项是A。
例5 如图4-3-23所示，固定水平桌面上的金属框架cdef，处在竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab搁在框架上，可无摩擦滑动，此时adeb构成一个边长为L的正方形，棒的电阻为r，其余部分电阻不计，开始时磁感应强度为B0。
（1）若从t=0时刻起，磁感应强度均匀增加，每秒增量为，同时保持棒静止，求棒中的感应电流，在图上标出感应电流的方向。
（2）在上述（1）情况中，始终保持棒静止，当t=t1秒末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大？（3）若从t=0时刻起，磁感强度逐渐减小，当棒以恒定速度向右作匀速运动时，可使棒中不产生感应电流，则磁感强度应怎样随时间变化（写出B与t的关系式）？
解析：（1）感应电动势E=ΔΦ／Δt＝kL2
感应电流 I=E/r=kL2/r
方向：逆时针（见右图）
（2）t=t1秒时，B=B0+kt1
F=BIL
∴F=(B0+kt1)kL3/r
（3）总磁通量不变BL(L+vt)=B0L2
∴B=B0L/(L+vt)
拓展：本题设置了合理的台阶。（1）因磁通量增大产生感应电动势和感应电流，在简单情况 考查法拉第电磁感应定律和全电路欧姆定律。（2）考查考生是否知道金属棒ab受到的磁场力是随时间变化的，在这里死记公式就不一定奏效了。（3）磁场在变化，加上导体棒的运动要不产生感应电流，要求考生能综合两个因素，抓住磁通量不变这个关键来解题。2003年江苏省高考题再次出现类似问题，说明我们平时要多训练综合分析能力。
例6 法拉第圆盘发电机的原理分析。图4-3-24甲是法拉第圆盘发电机的照片，乙是圆盘发电机的侧视图，丙是发电机的示意图。设CO=r，匀强磁场的磁感应强度为B，电阻为R，圆盘顺时针转动的角速度为ω。（1）说明感应电流的方向；（2）不计圆盘的电阻，求感应电流的大小。
解析 我们可以把圆盘分割成无数条很细的金属条（有点象自行车的辐条），那么每一根金属条都在切割磁感线，每一根金属条都是一个电源。
（1）由于的两端分别接在圆心和圆周边上，所以这无数个电源是并联在CO之间，在丙图中用右手定则可以判定电源CO的正极是O和D点（也就是说圆盘的边缘是电源的正极），所以电流的方向是Ｏ—Ｒ－Ｃ－Ｏ（请注意O和D的电势是相等的）。
（2）关于OC的电动势的计算，如果用公式E=lvB，虽然符合l、v、B三者两两垂直的条件，但是OC上各点的速度不同就成了一个问题。因为从C到O点速度是均匀变化的，所以可以用CO上各点的平均速度作为切割磁感线的有效速度。即v=(vC+v0)/2=ωr/2，E=rvB=ωr2B/2。所以电流大小为I=ωr2B/2R。[来源:21世纪教育网]
拓展 如果把此圆盘挖去半径为r/2的同心圆，仍以角速度ω绕C点顺时针转动，原来接C点的导线接在圆盘的内侧，圆盘切割磁感线的平均速度应为v=(ωr/2+ωr )/2=3ωr /4，圆盘的电动势就是E=3ωr2B /4。希望读者注意平均速度的求法。21世纪教育网
[能力训练]
1、应用楞次定律判断感应电流的方向，一般步骤是：首先要明确 ；其次要明确 ；再次根据楞次定律确定 ；最后利用 确定感应电流的方向。
原磁场的方向 穿过闭合电路的磁通量是增加还是减少 确定感应电流的磁场方向 安培定则
2、图4-3-25表示闭合电路的一部分导体在磁极间运动的情形，图中导体垂直于纸面，O表示导体的横截面，a、b、c、d分别表示导体运动中的四个不同位置，箭头表示导体在那个位置上的运动方向，则导体中感应电流的方向为垂直纸面向里时，导体的位置是（ A ）
A、a B、b C、c D、d
3、如图4-3-26所示，若不计滑轨的电阻，当导线MN在磁感应强度为B的匀强磁场中向右作匀速平动时下列结论中正确的是（ AB ）
A、 线圈L2中的电流方向如图所示
B、 电流计G中无电流通过
C、电流计G中有电流通过，方向从a到b
D、电流计G中有电流通过，方向从b到a
4、当闭合电路的一部分导体（长度为l）在磁感应强度为B的匀强磁场中以速度v匀速运动时，若电路中有感应电流产生，且l垂直于B、v，则导体运动方向和磁感线之间的夹角θ一定不等于多少度？
00或1800
5、如图4-3-27所示，电阻不计的光滑导体框架，水平地放在磁感应强度为B、方向竖直向上的匀强磁场中，框架宽为L，框架上放一质量为m、电阻为R的导体棒，现用一水平恒力F作用于棒上，使棒由静止开始运动，当棒的速度为零时，棒的加速度大小为多大？当棒的速度为v时，棒的加速度为多大？
F/m (F－B2L2v/R)/m
6、在磁感应强度B为0.4T的匀强磁场中，让长0.2m的导体ab在金属框上以6m/s的速度向右移动，如图4-3-28所示，此时ab中感应电动势的大小等于多少伏？如果R1=6Ω，R2=3Ω，其他部分的电阻不计，则通过ab的电流大小为多少安培？
0.48V 0.24A
7、图4-3-29中矩形线框ab边长l1=20cm，bc边长l2=10cm，电阻为20Ω，置于B=0.3T的匀强磁场中，磁感线方向与线框平面垂直，若用力拉动线框，使线框沿图中箭头方向以v=5.0m/s的速度匀速运动，求在把线框从如图位置拉出磁场过程中，通过导体回路某一截面的电量是多少？在此过程中外力做功是多少焦耳？
3×10-4C，4.5×10-5J
8、如图4-3-30，水平金属滑轨MN与PQ平行，相距d=0.4m，电阻R=1Ω，匀强磁场的磁感强度B=2T，其方向垂直矩形平面MNQP且向外，金属棒ab与MN垂直，在水平拉力F作用下沿滑轨向右匀速移动，此时电压表的示数为U=0.5V，若ab棒与两滑轨接触点之间棒的电阻为r=0.2Ω，其余导体电阻不计， 试求：（不计摩擦） ⑴ab棒移动的速度v的大小；⑵在时间t=2s内拉力F所做的功。
0.75m/s 0.6J
9、如图4-3-31所示的一个导体回路内，连接着一个电容器C，若有一垂直穿过回路平面的磁场（方向垂直纸面向外）正在减小，则电容的上极板带何种电荷？
负电
10、一个由导线组成的矩形线圈长为2L，以速率v匀速穿过有理想界面的宽为L的匀强磁场，如图4-3-32所示。图乙中的哪幅能正确地表示矩形线圈内的电流随时间变化的关系？简述理由。
C能正确表示线圈中电流随时间变化的规律； 线圈的右边匀速切割磁感受线和线圈的左边切割磁感受线的过程时电流的大小不变，但方向相反，一圈不切割磁感线时无感应电流。
11、如图4-3-33所示，让线圈A自由落下，并通过一段有足够长的匀强磁场的空间，试定性讨论线圈运动的加速度变化情况。（不考试空气阻力）
进入磁场开始a先减小，全部进入磁场后a=g，移出磁场时a减小，移出磁场后a=g。
12、如图4-3-34所示，一个水平放置的矩形闭合线框abcd，在水平放置的细长磁铁极中心附近落下，下落过程中线框保持水平且bc边在纸外,ad边在纸内．它由位置甲经乙到丙，且甲、丙都靠近乙。在这下落过程中，线框中感应电流的方向为（ B ）
A．abcda　　　　　　　B．adcba
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　C．从位置甲到乙时,abcda，从位置乙到丙时adcba
　D．从位置甲到乙时，adcba，从位置乙到丙时abcda
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第五节：电磁感应规律的应用学案
【学习目标】
（1）、了解感生电动势和动生电动势的概念及不同。
（2）、了解感生电动势和动生电动势产生的原因。
（3）、能用动生电动势和感生电动势的公式进行分析和计算。
【学习重点】感生电动势和动生电动势。
【学习难点】感生电动势和动生电动势产生的原因。
【学习方法】类比法、练习法
【学习过程】
一、温故知新：21世纪教育网
1、法拉第电磁感应定律的内容是什么？数学表达式是什么？
2、导体在磁场中切割磁感线产生的电动势与什么因素有关，表达式是什么，它成立的条件又是什么？
二、学习新课
（一）、感生电动势和动生电动势
由于引起磁通量的变化的原因不同感应电动势产生的机理也不同，一般分为两种：一种是 不变，导体运动引起的磁通量的变化而产生的感应电动势，这种电动势称作 ，另外一种是 不动，由于磁场变化引起磁通量的变化而产生的电动势称作 。
1、感应电场
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出，变化的磁场会在周围空间激发一种电场，我们把这种电场叫做感应电场。
静止的电荷激发的电场叫 ，静电场的电场线是由 发出，到 终止，电场线 闭合，而感应电场是一种涡旋电场，电场线是 的，如图所示，如果空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流，或者说导体中产生感应电动势。
感应电场是产生 或 的原因，感应电场的方向也可以由 来判断。感应电流的方向与感应电场的方向 。
2、感生电动势
（1）产生：磁场变化时会在空间激发 ，闭合导体中的 在电场力的作用下定向运动，产生感应电流，即产生了感应电动势。
（2）定义：由感生电场产生的感应电动势成为 。
（3）感生电场方向判断： 定则。
例题，在空间出现如图所示的闭合电场，电场线为一簇闭合曲线，这可能是（ ）
A．沿AB方向磁场在迅速减弱
B. 沿AB方向磁场在迅速增强
C. 沿BA方向磁场在迅速减弱
D. 沿BA方向磁场在迅速增强
总结：已知感应电场方向求原磁通量的变化情况的基本思路是：
感应电场的方向 感应磁场的方向 磁通量的变化情况
3、感生电动势的产生
由感应电场使导体产生的电动势叫做感生电动势，感生电动势在电路中的作用就是充当 ，其电路是 电路，当它和外电路连接后就会对外电路供电。
变化的磁场在闭合导体所在的空间产生电场，导体内自由电荷在电场力作用下产生感应电流，或者说产生感应电动势。其中感应电场就相当于电源内部所谓的非静电力，对电荷产生作用。例如磁场变化时产生的感应电动势为E=
（二）、洛伦兹力与动生电动势[来源:21世纪教育网]
导体切割磁感线时会产生感应电动势，该电动势产生的机理是什么呢？
导体切割磁感线产生的感应电动势与哪些因素有关？
它是如何将其他形式的能转化为电能的？
1、动生电动势
（1）产生： 运动产生动生电动势
（2）大小：E= （B的方向与v的方向 ）
（3）动生电动势大小的推导：
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2、动生电动势原因分析
导体在磁场中切割磁感线时，产生动生电动势，它是由于导体中的自由电子受到洛伦兹力的作用而引起的。
如图所示，一条直导线CD在云强磁场B中以速度v向右运动，并且导线CD与B、v的方向垂直，由于导体中的自由电子随导体一起以速度v运动，因此每个电子受到的洛伦兹力为：
F洛=Bev
F的方向竖直向下，在力F的作用下，自由电子沿导体向下运动，使导体下端出现过剩的负电荷，导体上端出现过剩的正电荷，结果使导体上端D的电势高于下端C的电势，出现由D指向C的静电场，此电场对电子的静电力F’的方向向上，与洛伦兹力F方向相反，随着导体两端正负电荷的积累，电场不断增强，当作用在自由电子上的静电力与电子受到的洛伦兹力相平衡时，DC两端产生一个稳定的电势差如果用另外的导线把CD两端连接起来，由于D段的电势比C段的电势高，自由电子在静电力的作用下将在导线框中沿顺时针流动，形成逆时针方向的电流，如图乙所示，电荷的流动使CD两端积累的电荷不断减少，洛伦兹力又不断使自由电子从D端运动到C端从而在CD两端维持一个稳定的电动势。
可见运动的导体CD就是一个电源，D端是电源的正极，C端是电源的负极，自由电子受洛伦兹力的用，从D端搬运到C端，也可以看做是正电荷受洛伦兹力作用从C端搬运到D端，这里洛伦兹力就相当于电源中的非静电力，根据电动势的定义，电动势等于单位正电荷从负极通过电源内部移动到电源的正极非静电力所做的功，作用在单位电荷上的洛伦兹力为：21世纪教育网
F=F洛/e=Bv
于是动生电动势就是：
E=FL=BLv
上式与法拉第电磁感应定律得到的结果一致。
(三)、动生电动势和感生电动势具有相对性
动生电动势和感生电动势的划分，在某些情况下只有相对意义，如本章开始的实验中，将条形磁铁插入线圈中，如果在相对于磁铁静止的参考系观察，磁铁不动，空间各点的磁场也没有发生变化，而线圈在运动，线圈中的电动势是动生的；但是，如果在相对于线圈静止的参考系内观察，则看到磁铁在运动，引起空间磁场发生变化，因而，线圈中的电动势是感生的，在这种情况下，究竟把电动势看作动生的还是感生的，决定于观察者所在的参考系，然而，并不是在任何情况下都能通过转换参考系把一种电动势归结为另一种电动势，不管是哪一种电动势，法拉第电磁感应定律、楞次定律都成立。[来源:21世纪教育网]
(四)应用——电子感应加速器
即使没有导体存在，变化的磁场以在空间激发涡旋状的感应电场，电子感应器就是应用了这个原理，电子加速器是加速电子的装置，他的主要部分如图所示，画斜线的部分为电磁铁两极，在其间隙安放一个环形真空室，电磁铁用频率为每秒数十周的强大交流电流来励磁，使两极间的磁感应强度B往返变化，从而在环形真空室内感应出很强的感应涡旋电场，用电子枪将电子注入唤醒真空室，他们在涡旋电场的作用下被加速，同时在磁场里受到洛伦兹力的作用，沿圆规道运动。
如何使电子维持在恒定半径为R的圆规道上加速，这对磁场沿径向分布有一定的要求，设电子轨道出的磁场为B，电子做圆周运动时所受的向心力为洛伦兹力，因此：
eBv=mv2/R
mv=ReB
也就是说，只要电子动量随磁感应强度成正比例增加，就可以维持电子在一定的轨道上运动。
【学习小结】
【布置作业】选修3-2课本第20页“思考与讨论”
课后作业：第20-21页1、2、3、4题
【学习心得】
让学生知道电磁感应产生的机理，激励学生探求知识的来源和根源。有利于培养学生的学习精神。
B
E
B
A
？
？
？
？
M
N
a
b
F’
F洛
D
C
D
C
B
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五、电能的输送
【要点导学】
1．本节内容重点是：输电线上损失电能的原因和输电线上损失的电能的计算。本节内容难点是：输电系统的“输电电压”、“用户得到的电压”和输电线上“损失的电压”三者的区别与联系。
2．远距离输电电路图如图5－5－1所示：
　
若输电线电阻R，输电功率为P，输电电压U１，则输电导线的电流I2=P/U1，
输电导线上的电压降（电压损失）U损=I2R=PR/U1，
输电导线上的功率损耗P损=I22R =U额2/R=P2R/U12
【范例精析】
例1、发电机的输出电压为220V，输出功率为44KW，每条输电线电阻为0.2Ω，求用户得到的电压和电功率各是多少？如果发电站先用变压比为1：10的升压变压器将电压升高，经同样输电线路后，再经过10：1的降压变压器降压后供给用户，则用户得到的电压和电功率又各是多少？
分析与解答：输送电路原理图如图5-5-2。
发电站输出的功率P出是一定的,当以220伏的电压输出时,输出电流应该是：
　 　I=P出/U出=44000W/220V=200A
　　两条输电线路的总电阻为0.4Ω,则导线上损失的电功率为：
　 P损=I2r=(200A)2×0.4Ω=16kW
　　用户得到的电功率为P=P出-P损=44kW-16kW=27kW
　　在导线上损失的电压为: U损=I2r=200V×0.4Ω＝80V．
　　用户得到的电压为：U=U出-U损=220V-80V=140V
　　如果用1：10的变压器将电压升高到2200V后再输送出去，则输出电流为：
　 I=P出/U出=44000W/2200V=20A　
　　 P损=I2r=(20A)2×0.4Ω=160W
　　用户得到的电功率为P=P出-P损=44kW-160W=43.83kW
　　在导线上损失的电压为: U损=I2r＝20V×0.4Ω＝8V．
　　加到用户端变压器上的电压为：U=U出-U损=2200V-80V=2192V 21世纪教育网
　　经过变压器降压后输送给用户的电压为：219.2V．
例2、一个小型水力发电站，发电机输出电压U0=250V，内电阻可以忽略不计，最大输出功率为Pm=30kW，它通过总电阻R线=2．0Ω的输电线直接向远处的居民区供电。设居民区所有用电器都是额定电压U用=220V的白炽灯，总功率为P用=22kW，不计灯丝电阻随温度的变化。
（1）当居民区的电灯全部使用时，电灯两端的电压是多少伏 发电机实际输出的电功率多大
（2）若采用高压输电，在发电机端用升压变压器，在用户端用降压变压器，且不计变压器和用户线路的损耗。已知用户变压器的降压比为40：1，当全部用户电灯正常发光时，输电线上损耗的功率多大
解析：（1）如图5-5-3，
P用=U用2/R用=2.2Ω，
I=U0/(R用+R线)=250/4.2=59.5（A）
U灯=IR用≈130.9V≈131V
P输=U0I=14880W≈14.9kW
（2）如图5-5-4，P用=U4I4, U4=220V, I4=110A
I3/I4=n4/n3, I3=I4/40=2.5A
∴P损=I32R线=12.5W
拓展：关于电能输送问题，应详细作出输送原理图，分析电路特点，认真仔细解题。
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1、在电能输送过程中，若输送的电功率一定，则在输电线上损失的电功率：（ACD ）
　　A．随输电线电阻的增大而增大
　　B．和输送电压的平方成正比
　　C．和输电线上电压降落的平方成正比
　　D．和输电线中电流强度的平方成正比
2、输电线的电阻共计r，输送的电功率为p，输电电压为U，则用户能得到的电功率是：（B ）
A. P B.P－(P/U)r C.I2R D. (P/U)r
3、用6600V和220V两种电压输电，若输送的功率和输电线的电阻相同，则低压输电线与高压输电线上损失功率之比是（B ）
A. 1：900 B. 900：1
C. 1：30 D. 30：1
4、一个小水电站输出电功率为20kw，输电线总电阻为0.5Ω，如果先用400V的电压送电，后改用2000V电压输电，则输电电压提高后输电线上损失的电功率的变化情况是:（A ）
A、减少50W B、减少1200W C、减少7.68W D增加7.68W
5、某变电站用220V的电压送电，导线损失电功率是输出功率的20%，若要使导线损失电功率是输出功率的5%，则输出电压应变为 V。440
6、相同材料组成的导线向同一处用户输送10kW电能，在输电电压U1=110V和U2=220V两种情况下，要求输电线中损失的电能相同，则两情况下导线截面积之比为____。4:1
7、远距离送电的输电线一定时，如果以原来电压的10倍输送同样功率的电能时，输电线上损耗的电功率为原来的____．1/100[来源:21世纪教育网]
8、发电机的路端电压为220V，输送电功率44kW，输电线电阻为0.4Ω，则用户得到的电功率为 V，用户得到的电功率为 kW。若用初、次级线圈匝数之比为1：10的变压器升压，经同样的输电线输电后，再用初、次级线圈匝数之比为10：1的变压器降压后供给用户，则用户得到的电压为 V，用户得到的电功率为 kW。140，28，219，43.8
9、某电厂要将电能输送到较远的用户，输送的总功率为9.8×104W，电厂输出电压仅350V，为减少输送功率损失，先用一升压变压器将电压升高再输送，在输送途中，输电线路的总电阻为4Ω，允许损失的功率为输送功率的5％，求用户所需电压为220V时，升压、降压变压器的原、副线圈的匝数比各是多少？1:8,12:1
10、有一台内阻为1Ω的发电机，供应学校的照明用电，如图5-5-5所示是输电原理图，两变压器已选定，输电线总电阻为4Ω，全校共有22个教室，每个教室有“220V、40W”的灯6盏，若保证全部电灯正常发光。（n1:n2=1:4，n3:n4=4:1）问：
（1）发电机输出功率多大？6000W
（2）发电机的电动势多大？250V[来源:21世纪教育网]
（3）输电效率是多少？97.3％
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