第3节 电能的生产与利用第
4节 电和磁的完美统一
学 习 目 标
知 识 脉 络
1．知道电能的生产方法，了解生产电能的各种方式．了解电能输送的过程，知道为什么要高压输电．(重点)
2．了解发电机、电动机对能源利用方式、工业发展所起的作用．了解电能的使用对于社会进步、经济发展的贡献．
3．了解历史上超距作用与近距作用之争，知道场是物质存在的形式之一．
4．知道什么是电磁波．了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，体会其在物理学发展中的意义．(重点、难点)
5．了解赫兹证实电磁波存在的实验，体会实验验证在物理理论发展中的地位和作用.
一、电能的生产、输送、利用与社会发展
1．生产电能的常用方法：利用一次能源产生动力驱动涡轮机(如汽轮机、水轮机等)，涡轮机带动发电机转子转动产生电能，再通过电线将电能输送出去．
2．产生电能的方式：根据使用的一次能源的不同，电能生产可分为火力发电、水力发电、风力发电、核能发电等．另外还有地热能、太阳能、潮汐能等都可以用来发电．
3．输电线路上的能量损失
输电线路上有电阻，有电流通过时会发热，损失能量．损失的电能跟输电线上的电阻成正比，跟电流的二次方成正比．
4．降低输电损耗的两个途径
(1)减小输电线的电阻．
(2)减小输电线中的电流，由P＝UI可知，当输送功率一定时，提高电压可以减小输电电流．
5．电能的利用与社会发展
蒸汽机的广泛使用使全社会的生产力得以飞跃发展，引发了第一次产业革命．电能的使用又一次使得全社会的生产力得到了飞跃发展，引发了第二次产业革命，人类社会跨入了电气时代．
二、场的概念、麦克斯韦的预言
1．随着电磁学的发展，英国科学家法拉第根据实验事实，提出了电磁作用是“近距作用”的学说，认为在电荷或磁体周围存在着“场”，场是一种物质，又不同于实物，它可以相互渗透．现代生活中，人们已经接受了“场”这种物质，它就存在于我们生活的空间，电视、手机、电脑等都在利用着这种物质．
2．麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场在周围产生电场，磁场变化快，产生的，磁场变化慢，产生的电场弱．均匀变化的磁场产生恒定的电场；不均匀变化的磁场产生的电场．
(2)变化的电场在周围产生磁场，均匀变化的电场在周围空间产生稳定的磁场，非均匀变化的电场在周围产生变化的磁场．
3．电磁场
变化的电场在周围空间产生磁场，变化的磁场在周围空间产生电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，构成一个完整的整体，这就是电磁场．
4．电磁波
变化的电场和变化的磁场交替产生，并由发生区域向周围空间传播，由电磁场的传播形成的波就是电磁波．
电场具有电场能，磁场具有磁场能，电磁场具有电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程，电磁波在空间传播，电磁能就随之一起传播．
5．电、磁、光的统一
麦克斯韦通过计算得出电磁波的传播速度等于光速，从而预言光是电磁波的一种．
三、赫兹的求证、电磁场理论的意义
1．赫兹的求证
在麦克斯韦建立电磁场理论后20多年，年轻的德国物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在．他还测定了电磁波的波长、频率，得到电磁波的传播速度，证实了这个速度等于光速，还进一步证明，电磁波和其他的波一样，能产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等，充分证实了麦克斯韦的电磁场理论．
2．电磁波是一种物质，这种物质和它具有的能量一起传播，电磁波是变化的电磁场，所以我们说场是一种物质．
3．电磁波理论的研究，开创了“弱电”利用的新领域，推动了无线电技术的发展．电报、广播、电视、电脑的发明和应用，使人们在瞬息间就能知道世界各地发生的任何事情．人类文明得到广泛传播，知识迅速普及．
1．思考判断
(1)输电线路存在电阻，就一定会有电能的损耗．(√)
(2)减小输电损耗的最好方法是提高输电电压．(√)
(3)均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场．(×)
(4)周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场．(√)
(5)变化的磁场周围产生电场跟闭合电路的存在有关．(×)
(6)电磁波是变化的电磁场．(√)
(7)赫兹的电磁场理论是物理学发展史上一个重要的里程碑．(×)
(8)变化的磁场可以产生电场，一定能产生电磁波．(×)
2．合作探究
(1)目前我国最大的供电工程三峡工程，已经正常运行了，你知道三峡发出来的电是怎么供到千家万户的吗？
【提示】 发电机组产生的电压通过升压变压器，使电压升高，通过输电线向外输送，到用户时使用降压变压器使电压降低．
(2)电磁波是如何形成的？
【提示】 振荡的电场产生振荡的磁场，振荡的磁场产生振荡的电场，这种振荡的电场、磁场交替产生，由近及远地向周围空间传播，形成电磁波.
电能的生产、输送、利用与社会发展
1．采用高压输电的原因
线路中的电阻是要消耗电能的，电阻越大，流过的电流越大，线路中的损耗就越多，根据功率公式P损＝I2R可知，减小线路上功率损失的方法有两个途径：
第一，减小输电导线上的电阻R.根据R＝ρ知，在实际输电线路中，输电导线的长度不能减小，可以用电阻率ρ小的导体材料，像铜和铝等．金、银属贵重金属，做输电导线不现实，但在大规模集成电路里是要用这种金属导体的，最后一点是增大导体的横截面积，这又给架线工作带来困难，同时也会耗费大量的金属材料．
第二，减小输电电流I.根据公式I＝知，要减小电流，不能以减小输送功率为代价，在输送功率一定、输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，根据公式P损＝()2R可以推算，输电线上的功率损失将降为原来的.
根据以上分析，采用高电压输电是减小输电线上功率损耗最有效、最经济的措施．
2．远距离输电过程的示意图(如图所示)
理想变压器P1＝P2，P3＝P4，P2－P3＝P损．
【例1】 (多选)远距离输送一定功率的交流电，若输送电压升高到原来的n倍，关于输电线上的电压损失和功率损失正确的是( )
A．输电线上的功率损失是原来的
B．输电线上的功率损失是原来的
C．输电线上的电压损失是原来的
D．输电线上的电压损失是原来的
BC [当输电电压升高为原来的n倍时，输电电流减小为原来的，输电线上损失的功率为P损＝I2R，所以输电线上的功率损失降低到原来的；因输电线上的电压损失U损＝IR，所以电压损失是原来的，故B、C正确．]
1．(多选)远距离输送交流电都采用高压输电，采用高压输电的优点是( )
A．可节省输电线的材料
B．可根据需要调节交流电的频率
C．可减少输电线上的能量损失
D．可加快输电的速度
AC [由P＝IU得I＝，当输送功率P一定，采用高压输电，U变大时I减小，输电线中的电流就减小，由P损＝I2R＝2R得，在距离一定时，输电线电阻越小，损耗越少；若P损、P一定，则R∝U2，又R＝ρ，ρ、l一定时输电导线的横截面积S∝，采用高压输电可使输电导线的横截面积大大减小，从而节省输电线的材料，故选项A、C正确．交流电的频率是固定的，不需调节，输电的速度不会由于电压升高而变快，故选项B、D不正确．]
2．(多选)某电站向远处输送一定功率的电能，则下列说法中正确的是( )
A．输电线不变，将送电电压升高到原来的10倍时，输电线损耗的功率减为原来的
B．输电线不变，将送电电压升高到原来的10倍时，输电线损耗的功率减为原来的
C．送电电压不变，将输电线的电阻减半时，输电线损耗的功率减为原来的一半
D．送电电压不变，将输电线的电阻减半时，输电线损耗的功率增为原来的4倍
BC [输电线上功率损失P损＝I2R线＝()2R线，则R线、P一定时，U升高到原来的10倍，P损减为原来的，A项错，B项对．P、U一定时，P损与R线成正比，R线减半，P损也减半，故C对，D错．]
场的概念、麦克斯韦的预言
1．变化的磁场产生电场
如图所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关．导体环的作用只是用来显示电流的存在．
2．变化的电场产生磁场
(1)运动的电荷产生变化的电场：一个静止的电荷，它产生的是静电场，即空间各点的电场强度不随时间而变化．这个电荷一旦运动起来，电场就发生变化，即空间各点的电场强度将随着时间而变化．
(2)变化的电场产生磁场：运动的电荷在周围空间要产生磁场．这个磁场是由变化的电场产生的．例如：在电容器充、放电的时候，不仅导体中的电流产生磁场，而且在电容器两极板间周期性变化的电场也产生磁场(如右图所示)．
【例2】 (多选)关于电磁场的理论，下列说法正确的是( )
A．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的
B．变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的
C．均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的
D．振荡电场周围产生的磁场也是振荡的
思路点拨：麦克斯韦电磁场理论的核心是变化的电场(磁场)产生磁场(电场)，稳定的电场(磁场)不产生磁场(电场)．
BD [根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场的变化是均匀的，产生的磁场就是恒定的；如果电场的变化是不均匀的，产生的磁场就是变化的，故A选项错误，B选项正确．均匀变化的磁场产生恒定的电场，C选项错误．振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场，故D选项正确．]
3．(多选)按照麦克斯韦电磁理论，以下说法中正确的是( )
A．恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场
B．变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场
C．均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D．均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场
BD [对此理论全面正确的理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场周围可以产生变化的磁场，也可以产生不变化的磁场；均匀变化的电场周围产生稳定的磁场；周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．变化的磁场产生电场的规律与以上类似，故正确答案为B、D.]
4．关于电磁场理论，下列说法正确的是( )
A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场
B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围一定产生变化的电场
C．均匀变化的电场周围一定产生变化的磁场
D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
D [根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场周围才产生磁场，所以A错；而非均匀变化的电场产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，所以B、C错．故选D.]
赫兹的求证、电磁场理论的意义
1．电磁波的产生
如果空间某区域有不均匀变化的电场，那么这个变化的电场就在空间引起变化的磁场，这个变化的磁场又会引起新的变化的电场……于是变化的电场和磁场就会交替产生，由近及远地传播，就形成电磁波．
2．电磁波的特点
(1)在真空中电磁波的传播速度等于光速，光是一种电磁波．
(2)电磁场中以电场和磁场的形式贮存着能量——电磁能，电磁波的传播过程是能量传播的过程．
(3)麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，测出了波长、频率，证实了真空中电磁波的传播速度等于光速，验证了电磁波的反射、折射、衍射和干涉等现象．
(4)电磁波可以在介质中传播，也可以在真空中传播，且任何频率的电磁波在真空中的传播速度都是3×108 m/s.
5．(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波传播需要介质
C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
CD [对电磁波的产生机制及传播途径要搞清，如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是恒定的，就不能产生新的电场(或磁场)，也就不能产生电磁波．电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质，故应选C、D.]
6．下列关于电磁波的说法中，正确的是( )
A．电磁波可以在真空中传播
B．电磁波不能在空气中传播
C．麦克斯韦第一次通过实验验证了电磁波的存在
D．法拉第第一次通过实验验证了电磁波的存在
A [电磁波可以在真空中传播，A对，B错；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故C、D错．]
7．某电路的电场随时间变化的图象如图所示，能发射电磁波的电场是( )
D [图A中的电场不随时间变化，不产生磁场．图B和图C中的电场都随时间均匀变化，只能产生稳定的磁场，不会产生和发射电磁波，图D中的电场随时间做周期性的不均匀的变化，能在周围产生同频率周期性变化的磁场．变化的磁场又会产生变化的电场，电磁场由近及远传播，形成电磁波，故D选项正确．]
1．发电厂发电机输出电压为U1，发电厂至学校的输电导线总电阻为R，通过导线的电流为I ，学校得到的电压为U2.则输电导线上损耗的功率表达错误的是( )
A． B．.I2R
C．(U1－U2)I D．
D [输电线路损失电压为(U1－U2)＝ I R，所以消耗功率为(U1－U2)I＝ I2R＝，所以选D.]
2．火星探测器从火星向地球发回成功着陆的信号，发回的信号属于( )
A．电磁波 B．声波
C．超声波 D．次声波
A [从火星到地球之间绝大部分空间是真空，没有传播声波的介质，而电磁波的传播不需要介质，所以选项A正确．]
3．关于电磁场和电磁波，下列说法中正确的是( )
A．电场和磁场总是相互联系的，它们统称为电磁波
B．电磁场由发生的区域向远处的传播就是电磁波
C．电磁波传播的速度总是3×108 m/s
D．电磁波是一种物质，因而只可以在物质中传播
B [电场和磁场相互激发并向远处传播，形成电磁波，故A错，B对；电磁波是一种物质，因而也可在真空中传播，且在真空中传播的速度最大，为3×108 m/s，故C、D错．]
4．输电线路输送4 840 kW的电功率，采用110 kV高压输电时，输电导线中的电流为I1；假若用2 200 V电压输电时，输电导线中的电流为I2，则I1、I2的值是( )
①I1＝4.4×104 A ②I1＝44 A
③I2＝2.2 A ④I2＝2.2×103 A
A．①③ B．②④
C．①④ D．②③
B [I1＝＝ A＝44 A，
I2＝＝ A＝2.2×103 A，
②④正确，故选B.]
课件47张PPT。第4章 揭开电磁关系的奥秘第3节 电能的生产与利用
第4节 电和磁的完美统一2345转子 电能 火力 水力 风力 核能 6发热 电阻 电流 电阻 电流 电压 7蒸汽机 电能 电气 8电荷 磁体 物质 相互渗透 9电场 电场弱 恒定 电场强 变化 磁场 稳定 变化 10磁场 电场 交替产生 电磁场 11电磁 能量 电磁能 光速 电磁波 12赫兹电磁波 光速 13物质 能量 物质 14√ √ × √ ×√× × 151617电能的生产、输送、利用与社会发展 181920212223242526场的概念、麦克斯韦的预言 2728293031323334赫兹的求证、电磁场理论的意义 353637383940414243444546点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十三)
电能的生产与利用电和磁的完美统一
(时间：20分钟 分值：50分)
[基础达标练]
一、选择题(本题共6小题，每小题6分)
1．(多选)关于输电技术，下列说法中正确的是( )
A．减小输电导线的电阻可以减小损失的功率
B．提高输送电压从而减小输送电流，可以减小损失的功率
C．提高输送电压可减小损失的功率，因此可以无限提高输电电压
D．采用电网供电可减小损失的功率
AB [减小损失的功率可以通过减小输电线的电阻和输电电流来实现．减小输电电流即提高输电电压，但不能无限提高．采用电网供电可以减少重复建设，保障供电质量，合理调度电力．]
2．输电线的电阻为r，输送电功率为P，用电压U送电，则用户得到的功率为( )
A．P B．P－·r
C．P－ D．r
B [输电线上的电流I＝，损失的功率P损＝I2r，故用户得到的功率P用＝P－P损＝P－·r，B正确．]
3．下列关于电磁场的说法中不正确的是( )
A．只要空间某处有变化的电场或磁场，就会在其周围产生电磁场，从而形成电磁波
B．任何变化的电场周围一定有磁场
C．振荡电场和振荡磁场交替产生，相互依存，形成不可分离的统一体，即电磁场
D．电磁波的理论在先，实践证明在后
A [根据麦克斯韦的电磁场理论可知，若电场或磁场的变化是均匀的，则不能形成电磁场，只能形成稳定的磁场或电场，选项A错误，B正确；若电场的变化是非均匀的，则可形成电磁场，由电磁场的定义可知C正确；麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，并指出电磁波的特点，后来赫兹用实验验证了电磁波的存在，所以D正确．]
4．关于机械波和电磁波，下列说法中错误的是( )
A．机械波和电磁波都能在真空中传播
B．机械波和电磁波都可以传递能量
C．机械波在真空中无法传播
D．机械波和电磁波都能发生衍射和干涉现象
A [机械波与电磁波都是波，都能传递能量，满足波的性质，具备波的一切特征，但机械波的传播需要介质，电磁波的传播不需要介质．]
5．(多选)某电场中电场强度随时间变化的图象如图所示，能产生磁场的电场是( )
ABC [变化的电场可以产生磁场．]
6．在远距离输电，输送的电功率一定时，当输电电压升高为原来的10倍时，输电线上( )
A．电流增大为原来的10倍
B．输电线上的电压变为原来的10倍
C．输电线上的电压损失变为原来的
D．功率损失变为原来的
C [因为输送的电功率不变，输电电压升高为原来的10倍(U送′＝10U送)时，由I线′U送′＝I线U送可得，
输电线通过的电流I线′＝I线＝I线，
所以输电线上的电流减为原来的；
输电线上的电压损失变为U线′＝I线′R线＝I线R线＝U线，所以输电线上的电压损失变为原来的；
输电线上的功率损失P线′＝(I线′)2R线＝IR线＝P线，所以输电线上的功率损失变为原来的，
由此可知选项C正确．]
[能力提升练]
二、非选择题(14分)
7．某变电站用220 V的电压送电，导线损失功率为输送功率的20%，若要使导线损失的电功率降为输送功率的5%，则输送电压应为多少？
[解析] 设输送功率为P，输电线路电阻为R.
导线损失功率P损＝I2R＝R，可知在输送功率为P及输电线路一定的情况下，有
P损∝则有＝＝＝2
所以输送电压U2＝2U1＝440 V.
[答案] 440 V
