普通高中课程标准实验教科书

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普通高中课程标准实验教科书

PHYSICS

主编束炳如何润伟

上海科技教育出版社

物理 ^选 ^修 _3-2

沪科教版

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欢迎你选择学习《物理3-2》！

从你打开物理课本起，你已经开始投身于一项激动人心的探索活动。让我们继续携手，度过这段美好的时光。

你周围发生的事情几乎都与物理学有关，文明社会的许多技术进步都源于对物理规律的理解和应用。学习物理可以使你从事科学事业的愿望得以实现，甚至可以使你成为 “专家 ”。作为现代社会的公民，我们要学会用物理学知识解决生活、生产的许多问题。你将体会到物理学对人类文明社会进步的巨大影响。

你已经学习了《物理 1》和《物理 2》，又选学了《物理 3-1》，初步领略了物理学的魅力，基本了解了物理学的学习和研究方法。现在，你又跨进了《物理3-2》的大门。这里，你将经历探究电磁感应现象的过程，体验科学思想和科学方法的威力；你将探究电磁感应的相关规律及其应用，了解科学与技术的力量。你还将了解现代社会几乎无处不在的传感器，体会科学技术对人类社会的影响。

为了让你在学习《物理3-2》的过程中获得更大的成功，请浏览以下的本书栏目介绍。

每章的开头都有一些情景，提出一些问题，

让你明确本章研究的主要问题。

第2章

交变电流与发电机

图2-1流光溢彩的现代都市之夜

现代都市之夜，华灯齐放，流光溢彩。街道上，车水马龙，路灯、车灯、霓虹灯、交通信号灯，汇成一条条光的彩虹。住宅区里，

万家灯火，电视机播放着精彩的节目，空调机营造着温度适宜的环境，电冰箱制出晶莹剔透的冰块，洗衣机在工作 …… 每当我们享受这些现代物质文明成果时，你可曾想过，正是法拉第发现的电磁感应定律，开辟了人类通向电气化的道路。

在生产和生活中，供电系统使用的都是交变电流。那么，什么是交变电流呢？它是怎样产生的？发电机是怎样发电的？交变电流与直流电相比，具有哪些特点呢？

本章将从研究交变电流的产生开始，认识交变电流的特点，

学习描述交变电流的方法，探究电阻、电感和电容等元器件在交流电路中的作用，并进一步认识交变电流与我们的生产、生活和社会的关系。

图1-15探究感应电流方向的实验

科学必须对观察到的现象进行分析，研究各种现象之间的本质关系，找出事物的变化规律。

v

S N

探究感应电流的方向

在探究电磁感应条件的实验过程中，你一定看到电流表的指针有时向右偏转，有时向左偏转。这说明，在不同情况下，感应电流的方向是不同的。

那么，感应电流的方向与哪些因素有关呢？

探究感应电流的方向实验探究

实验装置如图1-15 所示，用细线悬挂一个很轻的铝环，铝环可以自由摆动。

请观察：

当条形磁铁的一极（如图示的N 极）向铝环靠近时，会出现什么现象？

当条形磁铁离开铝环时，又会发生什么现象？

将你的观察结果记录下来。

实验表明：条形磁铁的N 极移近铝环时，铝环被排斥；条形磁铁的N 极离开铝环时，铝环被吸引。

铝环是非铁磁性物体，它怎么会磁铁排斥和吸引的呢？

上述实验磁铁相对于铝环运动的过程中，穿过铝环的磁通量发生了变化，铝环中产生了感应电流。感应电流也会产生磁场，磁场的方向与感应电流的方向有关。磁铁与铝环之间的排斥和吸引，都是缘于感应电流磁场对磁铁的作用。

请讨论：

1. 磁铁靠近铝环时，铝环中感应电流产生的磁场方向与磁铁的磁场方向相同还是相反？铝环中感应电流的方向如何？

分析论证

O t

e

Emax

多学一点直流发电机

图2-12是直流发电机的示意图，发电机线圈的两端分别连到两个半圆形的滑环上。这两个滑环叫做换向器，它们固定在转轴上，与转子一起转动。

请思考：

在直流发电机中，线圈产生的感应电动势和外电路电压的波形相同吗？图2-13的图像描述的是哪一部分的电压变化？它是直流吗？图2-12中的半圆形滑环为什么叫做换向器？

图2－13 直流发电机发出的直流电波形图2－12 直流发电机示意图

多学一点

这里有更多的奥秘，将进一步开阔你的视野。你如果有兴趣，可以作进一步的探索。

实验探究

这里将要求你提出问题，设计实验方案，动手做一些有趣的实验，进行科学探究。

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课题研究

这里提供了一些课题供你选择研究，这种研究将使你的才智得到充分的展示。

分析论证

在这里，你将经历分析、综合、应用数学工具进行推理，从而得出物理学规律和公式的过程，体会到高中物理理论思维的魅力。

信息浏览、ＳＴＳ栏目

这里为你提供了各种有趣、有用的资料，包括物理学史上的经典事例、科学家小故事等，它们反映了物理学与科学、

技术、社会的紧密联系。你的视野将更开阔，你会更加热爱科学。

交变的磁通量，这个交变的磁通量穿过副线圈，从而在副线圈中产生感应电动势。如果副线圈电路是闭合的，就会在副线圈中产生交变的感应电流。

从图3-9 可看出，原、副线圈导线并不相连。

请讨论：电能是以什么为载体从原线圈传递给副线圈的呢？

探究变压器原、副线圈电压、电流与匝数的关系

分析论证

图3-9 所示为理想变压器，设它的原、副线圈匝数分别为 n1、 n2，电源加在原线圈上的电压为U1，副线圈输出的电压为U2。输出电压U2与输入电压U1有什么关系呢？

在原线圈中，当加上电压U1时，会产生一个反电动势E1，它跟电压U1的作用相反，对理想变压器而言，E1= U1。副线圈中会产生感应电动势E2，对于理想变压器，感应电动势E2与输出电压 U2相等，E2= U2。

由电磁感应定律可知，理想变压器工作时，原、副线圈每一匝线圈中产生的感应电动势E0的大小一样，原、副线圈产生的感应电动势E1、E2分别为E1= n1E0，E2= n2E0。

由此可得 E1

E2

=n1

n2

。

请根据上面的分析，推导出下面的式子：

U1

U2

=n1

n2

（1）

图2-28摇电磁式打点计时器电磁式打点计时器的原理

在实验室管理员和老师的帮助下，从以下几个方面研究电磁式打点计时器的工作原理。

1. 阅读打点计时器的说明书，并观察打点计时器的铭牌，了解其主要技术参数。

2. 将打点计时器接入电路，观察其工作过程。尝试画出打点计时器的电路原理图，

解释为什么打点计时器要使用交流电源,并推导出打点计时器的打点周期。

3. 在老师的帮助下，通过实验研究影响打点计时器打点周期稳定性的因素。

4. 总结打点计时器工作时都用到了哪些物理知识。

尽可能用你所学的物理知识分析你所了解的问题，并将你的研究过程写成研究报告。

课题研究

1.你是否有这样的生活经验：一些家用电器的金属外壳，尽管跟电源之间绝缘良好，但用手触摸仍会感到 “麻手 ”，甚至用测电笔测试时氖管也会发光！请解释其中的物理道理。

2.日光灯正常工作时，日光灯管两端的额定电压要低于220 V，这多亏了那个跟灯管串联的镇流器。你知道其中的物理道理吗？

3.只给你一只交流电流表，你能测出一只耐压在311 V以上的电容器的电容吗？请写出测量

方法和原理。

4．用多用电表不仅能测量直流电压、直流电流以及导体的电阻，还可以测量交流电压，有的多用电表还具有测电容器的电容量和电感器的电感量的功能。图2-27是某型号多用电表的面板图，框内文字是说明书摘录。

请在老师指导下，用多用电表测量照明电路的电压，测量一些电容器和电感器的电容量和电感量（自感系数）。

家庭作业与活动

图2-27 多用电表多用电表说明书摘录

1. 测量电容器的电容量。

（1）将多用电表旋转开关旋至交流 10 V 挡。多用电表、待测电容器、10 V 交流

（频率50 Hz）电源接成串联电路。

（2）待指针稳定后，从电容刻度线读出电容量值。

2．测电感器的电感量。

（1）将多用电表旋转开关旋至交流 10 V 挡。多用电表、待测电感器、10 V 交流

（频率50 Hz）电源接成串联电路。

（2）待指针稳定后，从电感刻度线读出电感值。

日光灯的灯光为什么会闪烁日光灯发光柔和、明亮，而且节能。但是日光灯的灯光有闪烁现象，这是为什么呢？

日光灯的发光原理是受激发光。加在日光灯两端的电压使灯管内气体发出紫外线，照射到灯管内壁上，激发那里的荧光粉发光。日光灯所用的电源是50 Hz 的交流，每秒有 100 个瞬间电压为零。在这些瞬间，管内气体不发紫外线，荧光粉不发光。因此，日光灯的灯光每秒要闪烁100 次。

对人眼来说，每秒100 次是一个很高的频率，

因此我们通常不会觉察到这种闪烁。但是时间长

了，对视力是有影响的。在需要有稳定照明的生产或科研场所，使用日光灯也是不利的。人们已经在电路等方面采取了措施，以减少日光灯的闪烁。

同样使用交变电流的白炽灯没有闪烁现象，这又是为什么呢？

白炽灯是利用电流的热效应，使灯丝达到高温状态而发光的，灯丝的温度不会随着电压的剧烈波动而波动，因此灯光不会闪烁。但白炽灯效率很低，

绝大多数电能都转化成热能损耗掉了。

信息浏览

这里为你提供了丰富多彩的学习活动，让你通过回顾进行自我评价，加深对知识的理解，提高解决有关问题的能力，体验到成功的喜悦。

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1．1 电磁感应—— —划时代的发现 7

1．2 探究感应电流的方向 13

1．3 探究感应电动势的大小 18

1．4 电磁感应的案例分析 23

1．5 自感现象与日光灯 27

1．6 涡流现象与电磁灶 33

2．１怎样产生交变电流 41

2．2 怎样描述交变电流 48

2．3 探究电阻、电感和电容的作用 53

2 第章交变电流与发电机 40

第 1 章电磁感应与现代生活 6

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3．１高压输电原理 62 3．2 变压器为什么能改变电压 68

3．3 电能的开发与利用 76

4．１传感器的原理 84

4．2 探究热敏电阻的温度特性曲线 88

*4．3 用传感器做实验 92

4．4 信息时代离不开传感器 97

第 4 章传感器与现代社会 83

第 3 章电能的输送与变压器 61

总结与评价课题研究成果报告会 104

研究课题示例 104

评价表 105

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法拉第电磁感应的发现，为后来工业的大发展奠定了基础。差不多一切实用上重要的电力机器，都是根据感应电流的原理制成的。

——

—丹皮尔

第 1 ^章

电磁感应与现代生活

家，一个温馨舒适的地方。新颖的照明灯具，散发着柔和的光芒；电气化的厨房里，飘来阵阵的饭菜香；空调使你冬暖夏凉，为你营造一个舒适的环境；你或许正在客厅里，手握话筒，对着电视机大屏幕，一展歌喉，抒发着心中的向往……这一切都离不开电。电能已是人类利用能量的最主要形式。

在这幸福安宁的氛围中，你或许不会想到，一个物理学的发现，正在发挥着它神奇的作用，这个发现就是电磁感应现象。

那么，人们经历了怎样的过程，才发现这个开启电能的金钥匙———电磁感应现象的呢？产生电磁感应的条件是什么？电磁感应是怎么把机械能转化为电能的？日光灯、电磁灶等是怎样利用了电磁感应原理的呢？

本章以生活中利用电能为背景，首先通过对电磁感应发现过程的再认识，进一步体验科学思想、方法的重要性和科学家崇高的科学精神；接着探究电磁感应的条件，

理解电磁感应定律和楞次定律；最后介绍电磁感应的应用，体会电磁感应与现代生活的关系。

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1．1

法拉第 (M. Faraday，1791— 1867)，19 世纪伟大的物理学家、化学家、发明家，电磁理论的奠基人。他发现了电磁感应现象，提出了场的概念和用力线描述场的方法。麦克斯韦曾说： “ 我们把法拉第首先看作是科学家中最有成效、最崇高的典型

…… 他高尚简单而无戏剧性紧张情节的生活，将同他那使他名字不朽的发现一起永远铭刻在人们的记忆中。”

电磁感应—— —划时代的发现

奥斯特电流磁效应的发现和接踵而来的研究成果, 极大地激励了英国学术界。 1821 年，英国《哲学年鉴》要写一篇综述电流磁效应发现以来电磁发展概况的文章。法拉第在收集材料的过程中，对电磁学产生了浓厚的兴趣，经过法拉第不懈的努力，导致了划时代的发现 ———电磁感应。

法拉第发现电磁感应的艰难历程

■

新课题的提出

传统的英格兰科学研究方法中有一种叫做对称思维的方法。

既然电能转化为磁，那么磁也应该能转化为电。奥斯特、亨利

（J. Henry）、科拉顿（T. D. Colladen）等当时著名的科学家，都曾对

“将磁转变为电”进行过研究，但均未能取得实质性进展。时任英国皇家研究所实验室主任的法拉第从1822 年起即致力于 “把磁转变为电”的研究。他在一篇日记中写道：“从普通的磁中获得电的希望，时时激励着我从实验上去探求电流的感应效应。 ”

■

思维定势路漫长

法拉第开始进行“把磁转变为电”的实验研究时，想法比较简单。他的基本思路是：

既然恒定的电流能产生磁场，那么放在磁体旁边的导体也应能感应出电流；既然电荷可以感应出电荷，那么电流也应能感应出电流。

法拉第基于上述思路，在很长一段时间内，基本上做了如下两种类型的实验：一是将两根导线并列放置，将其中的一根导线通以电流，希望在另一根导线中感应出电流；二是在强磁体旁边放置导线或线圈，希望在导线或线圈中感应出电流。这两类实验都没有成功。他在一个铁环上绕了两个线圈（图 1-2），将其中一个线圈（原线圈）接在电池上，另一个线圈接电流计，也没有感应出电流；他不断增加电池的数量，将原线圈几乎烧坏了，还是感应不出电流。

探索之路如此漫长，时间已过去十年。法拉第在实验日记上

记下了一次次的失败，也一次次地表达了他“把磁转变为电”的坚图1-2 法拉第做实验用的线圈

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定信念。

■

偶然发现犹迷茫

时至

1831

年

8

月

29

日，法拉第再次用图

1-2

所示的线圈做实验。图

1-3

是实验装置示意图，

A

线圈两端与开关和电池组连接，

B

线圈两端用导线连接，在导线下放一枚小磁针。法拉第发现，每当开关闭合或断开时，小磁针都突然跳动一下；将

A

线圈

维持接通状态，小磁针则不动。

对于这次实验的评价，法拉第在给他朋友菲利浦斯的信中是这样写的：“我正再度忙于研究电磁学。我想，我捞到了一些好东西，可是没有把握；或许我花费了那么多劳动，捞到的不是一条鱼，而是一团水草。 ”

法拉第得到的何止是一条鱼！他的这个发现开辟了一个新时代。这不仅是

19

世纪最伟大的发现，也是整个科学史上最伟大的发现之一。

■

深入探究得真谛

法拉第的实验表明，只要原线圈的电流发生改变，另一线圈中就会感应出电流。

法拉第想：在上述实验中，铁心是必要的吗？他在一个木筒上绕两个用纱线包起来的导线线圈，将一个线圈与电池组、开关连接，另一个线圈与电流计相接。他发现，开关闭合或断开的瞬间，

电流计的指针会偏转。

法拉第进一步想：

A

线圈是必要的吗？直接用磁铁能否产生电流呢？

1831

年

9

月

24

日，法拉第做了如图

1-4

所示的实验。将两根条形磁铁成

V

形放置，在张开的两端（分别为

N

、

S

极）之间，放一根绕有线圈的圆铁棒，线圈与电流计连接。他发现当圆铁棒脱离或接触磁极的瞬间，电流计的指针发生偏转。

著名哲学家凯特林说过一句很精辟的话：“摆脱陈旧规则和解决这一问题本身一样费劲。 ”

我不能不认为……关于磁电的这个发现是迄今为止所获得的最伟大的实验成果。这是法拉第成就的勃朗峰。

——

—丁铎尔

据说，法拉第在英国皇家学会上演示他的圆盘发电机时，一位贵妇人问：“先生，

你发明这种玩意儿，又有什么用呢？ ”法拉第沉思片刻，

答道：“夫人，新生的婴儿又有什么用呢！ ”

当时的英国首相皮尔仔细观看了他的直流发电机，并问法拉第它有何用？法拉第风趣地回答说： “ 我不知道，但是我敢担保你们政府终有一日要向它征税！ ”

A B

图1-3 法拉第实验示意图之一图1-4 法拉第实验示意图之二 S

S N

N

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N S

图1-6 条形磁铁和线圈有相对运动，就会产生感应电流

1831

年

10

月

17

日，法拉第在一个纸做的空心圆筒上，用

220

英尺铜线绕了

8

个线圈，再将这

8

个线圈串联或并联后与电流计连接，然后将一根条形磁铁以不同的速度插进空心圆筒内，观察电流计指针的偏转情况。

十年磨一剑。法拉第终于找到了开启电能宝库的“金钥匙”：

“把磁转变为电”不是一种稳态效应，而是一种在变化、运动过程中才会出现的效应。他把“变化”、“运动”概括为：变化的电流、变化的磁场、运动的磁铁、在磁场中运动的导体等。

法拉第把这种由磁得到电的现象叫做电磁感应现象（

electro鄄 magnetic induction

）。在电磁感应现象中产生的电流叫做感应电流

（

induction current

）。

为了获得持续的感应电流，

1831

年

10

月

28

日，法拉第将一个铜圆盘放在永久磁铁的两极之间（图

1-5

），再从铜盘的轴心和边上引出两根导线，转动圆盘，导线中就有了持续的电流。这就是世界上第一台“直流发电机”。

请思考：

从法拉第发现电磁感应的艰难历程，你对于法拉第的这一伟大发现的研究思路、方法和精神，有什么体会和感想？

探究感应电流产生的条件

通过法拉第发现电磁感应的过程，你能归纳出产生感应电流的条件吗？

实验探究产生感应电流的条件

请完成以下两个实验。实验中，要注意观察感应电流是在怎样的条件下产生的。

实验

1

用图

1-6

所示的装置进行实验。观察当条形磁铁插入或拔出线圈时，线圈中产生感应电流的情况。

请讨论：如图

1-7

所示，在条形磁铁插入线圈的过程中，线圈中的磁通量怎样变化？在拔出过程中，线圈中磁通量怎样变化？

在初中，我们知道图

1-8

所示的实验中，导体切割磁感线时也会产生感应电流。你能用磁通量变化产生感应电流来解释这个现象吗？

图1-5 法拉第的圆盘发电机

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图1-7 磁铁插入和拔出线圈时，线圈中的磁通量发生变化 N

S

N S

图1-8 导体切割磁感线产生感应电流

a b

实验

2

用图

1-9

所示的装置进行实验。这里有两个线圈，

原线圈

A

通电后就是一个电磁铁，怎样做才能使副线圈

B

中产生电流？

请记录：

在怎样的情况下，副线圈中有感应电流？感应电流是持续的吗？

请讨论：

1.

本实验与法拉第的哪一类实验相似？法拉第当初对该实验现象是怎样认识的？

2.

在开关闭合和断开的瞬间，副线圈

B

中的磁通量是怎样变化（增加或减少）的？请从磁通量变化的角度，总结出闭合电路中产生感应电流的条件。

大量事实表明：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。

A

B

图1-9 改变原线圈中的电流，在副线圈中产生感应电流不做实验，任何预测都

没有意义。理论再好，没有实验，预测就没有任何实际意义。

——

—丁肇中

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案例分析

■

案例一线圈

abcd

位于如图

1-10

所示的匀强磁场中。要使线圈中产生感应电流，应采取什么措施？

■

分析使电路中产生感应电流的条件之一是电路必须闭合，

本案例的线圈符合此条件。

使电路中产生感应电流的另一条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化。那么怎样才能满足这个条件呢？

请根据以上分析，提出你的解决办法。

电磁感应使人类找到了机械能与电能之间转换的途径，为人类打开了通向电气化的大门。一批有才智的发明家，根据电磁感应原理设计制造出发电机、电动机、变压器等一批批造福人类的新机器，搭建了从城市到农村的输电网络，改变了人类的生活，促进了社会发展，引发了世界性的技术革命浪潮。

图1-10 匀强磁场中的线圈 a

b c

d

英国在 1840 年由电气技术导致的劳动生产率是 1770年蒸汽技术导致的劳动生产率的27倍，是手工的 108倍。在这70年中，劳动生产率平均每年提高11.28％。

B

信息浏览

安培（A. M. Ampère，1775— 1836），法国物理学家。对电磁学中的基本原理有重要发现，如安培定律、安培定则和分子电流假说等。

法拉第同时代的一些科学家对“磁生电”的探索

■ 真理从安培眼皮下溜走

安培曾于1822年做了许多实验，其中的一个实验装置如图1-11所示。将一个铜质多匝线圈A固定在绝缘架上，另

一单匝线圈B用细线悬挂起来，两者在同一平面内，然后在线圈 A中通以强电流，另用一个强磁性磁铁接近线圈B。安培认为，线圈B中应该感应出电流。

在实验过程中，在线圈A 通电的瞬间，线圈 B动了一下。由于安培缺乏思想准备，这一瞬间现象所包含着的真理，就从他的眼皮下溜走了。

■ 科拉顿跑失良机

1832年，瑞士物理学家德拉里夫（A. A. de la

Rive）的助手科拉顿将一个螺线管与电流计相连。为了避免强磁性磁铁的影响，他把电流计用长导线连着，放在另外一个房间。科拉顿没有助手，当他把磁铁投入螺线管中后，立即跑到另一个房间去观察。十分可惜，他未能来得及观察到电流计指针的偏转。后来有位科学家感叹道：“可怜的科拉顿，

在跑来跑去中丢失了良机。 ”

■ 追悔莫及的亨利

亨利当时是奥尔巴尼学院的教授，由于教学任务繁重，也没有专门的图1-11 安培的实验

B

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A

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亨利（J. Henry，1797—1878），

美国物理学家。从事电磁学方面的研究工作，发明电磁继电器和感应线圈，设计了第一台电动机，发现了自感现象和变压器工作的基本定律。

1. 请你查找电磁感应在生活和生产中应用的实例，写一份调查报告。

2. 如图1-12所示，在匀强磁场中有一个闭合的弹簧线圈。你能采取哪些措施使该线圈中产生感应电流？为什么？

3.如图1-13所示，矩形线圈a b c d位于通电长直导线附近，线圈平面跟导线位于同一平面，

且线圈的两条对边跟导线平行。请你设计出尽可能多的方法，使矩形线圈中有感应电流产生。

4.如图1-14所示，导线a b和c d互相平行，在下列情况中,使导线c d中有感应电流产生的是

A. 将开关S闭合或断开

B. 开关S闭合后，将滑动变阻器的滑片P向右移动

C. 开关S闭合后，将滑动变阻器的滑片P向左移动

D. 开关S始终闭合，滑动变阻器的滑片P也不移动

N

S

a

b c

d

I a b

c d

G

图1-12 图1-13 图1-14

S 实验室，他主要利用假期在学院的大厅里进行电学实验工作。

1829 年8月的暑假，亨利在考察绕有不同长度导线的电磁铁所产生磁力的大小时，意外地发现，当通电导线中电流被突然切断时，会产生强烈的电火花。当时亨利无法解释这个现象，这一重要发现被搁置下来了。

1830 年8月的暑假，亨利继续上次的实验。当电磁铁导线中突然通入强电流时，他发现电流计的指针向一个方向偏转；当电磁铁导线中电流突然消失时，电流计的指针反向偏转；电磁铁导线中电流保持稳定时，电流计的指针不偏转。亨利对这一现象感到很奇怪，但暑假结束了，只得停止实验。

到了1832年6月，亨利在杂志上看到了法拉第在1831年所做的电磁感应实验的简讯，立即痛苦地意识到法拉第的发现与自己两年前的发现相类似，他马上用自己的旧仪器进一步完善了过去的实验，并把自己前前后后做的实验做了一个总结，写成一篇论文。即使这样，在电磁感应现象的发现上，亨利只能屈居第二了。

P RP E

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图1-15 探究感应电流方向的实验

科学必须对观察到的现象进行分析，研究各种现象之间的本质关系，找出事物的变化规律。

v

S N

探究感应电流的方向

在探究电磁感应条件的实验过程中，你一定看到电流表的指针有时向右偏转，有时向左偏转。这说明，在不同情况下，感应电流的方向是不同的。

那么，感应电流的方向与哪些因素有关呢？

探究感应电流的方向实验探究

实验装置如图

1-15

所示，用细线悬挂一个很轻的铝环，铝环可以自由摆动。

请观察：

当条形磁铁的一极（如图示的

N

极）向铝环靠近时，会出现什么现象？

当条形磁铁离开铝环时，又会发生什么现象？

将你的观察结果记录下来。

实验表明：条形磁铁的

N

极移近铝环时，铝环被排斥；条形磁铁的

N

极离开铝环时，铝环被吸引。

铝环是非铁磁性物体，它怎么会被磁铁排斥和吸引的呢？

上述实验磁铁相对于铝环运动的过程中，穿过铝环的磁通量发生了变化，铝环中产生了感应电流。感应电流也会产生磁场，磁场的方向与感应电流的方向有关。磁铁与铝环之间的排斥和吸引，都是缘于感应电流磁场对磁铁的作用。

请讨论：

1.

磁铁靠近铝环时，铝环中感应电流产生的磁场方向与磁铁的磁场方向相同还是相反？铝环中感应电流的方向如何？

1．2

分析论证

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2.

当磁铁离开铝环时，铝环中感应电流磁场的方向与磁铁的磁场方向相同还是相反？铝环中感应电流的方向如何？

由上面的分析可知：感应电流产生的磁场方向与条形磁铁的磁场方向有时相同，有时相反。这又是怎么回事呢？

对这个问题，需要对铝环中引起感应电流的磁通量的变化作进一步的分析。

图

1-16a

是条形磁铁靠近铝环时的情况，图

1－16b

是条形磁铁离开铝环时的情况。蓝色细线表示条形磁铁的磁感线；红色细线表示感应电流磁场的磁感线。

请讨论：

1.

当磁铁靠近铝环时，穿过铝环的原磁通量是增大还是减小？

感应电流产生的磁场对磁通量的变化是加强还是减弱？

2.

当磁铁离开铝环时，穿过铝环的原磁通量是增大还是减小？

感应电流产生的磁场对磁通量的变化是加强还是减弱？

实验证明，当闭合电路中原磁场的磁通量增大时，感应电流的磁场跟原磁场方向相反，阻碍原磁场磁通量的增加；当闭合电路中原磁场的磁通量减小时，感应电流的磁场与原磁场方向相同，阻碍原磁场磁通量的减小。

楞次定律

1834

年，俄国物理学家楞次对产生感应电流的许多实验事实进行分析研究，对感应电流的方向得出如下结论：

感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这个结论叫做楞次定律（

Lenz law

）。

请讨论：

如何理解楞次定律中的“阻碍”两字？有人认为阻碍就是感应

图1-16 研究铝环中磁通量变化的示意图

a 磁铁靠近铝环 b 磁铁离开铝环

楞次（Э. Х. Ленц， 1804— 1865），俄国物理学家。生于爱沙尼亚。1836年起任圣彼得堡大学教授。除发现楞次定律外，还与焦耳各自独立地发现电流通过导体时的热效应定律———焦耳-楞次定律。

v

S N

v

S N

沪科教版

(15)

电流产生的磁场跟引起感应电流的磁场方向相反；也有人认为阻碍就是不变化；还有人认为，阻碍就是阻止。请说说你的看法。

请思考：如何利用楞次定律判断感应电流的方向。

电磁感应中的能量转化

在探究楞次定律的实验中，我们已认识到：感应电流的磁场总要阻碍磁铁相对于铝环的运动。产生电磁感应的过程，是外力克服磁场力做功的过程。通过外力做功，磁铁运动的机械能转化为铝环的电能。

请讨论：为什么当磁铁靠近铝环时，它们总是相互排斥；当磁铁离开铝环时，它们总是相互吸引。是否会出现相反的情况呢？为什么？

■

案例

1

如图

1-17

所示，有一个线圈从条形磁铁正上方下落，依次经过

a

、

b

、

c

三个位置。请用楞次定律判断线圈经过此三位置时感应电流的方向。

■

分析用楞次定律判断电流的方向时，首先要明确研究对象。这里的研究对象是下落的线圈。条形磁铁周围的磁场分布是不均匀的，越近磁极，磁感应强度越强，磁铁中部可认为磁感线方向与磁铁轴线平行。当线圈从磁铁上方下落至

a

处的过程中，穿过线圈的磁通量在增大；在磁铁下方下落的过程中，穿过线圈的磁通量在减小。根据楞次定律，感应电流的磁场阻碍原磁场的变化，可以判断线圈中感应电流的方向。

■

解答从线圈上方看感应电流的方向。在条形磁铁上方的

a

位置，磁场方向向上，线圈经过

a

位置时，穿过线圈的磁通量在增加。根据楞次定律，线圈中感应电流产生的磁场方向应向下（阻碍线圈中磁通量的增加）；用右手螺旋定则判断在该位置线圈中感应电流从上往下看是顺时针方向的。

线圈经

b

位置时，因该位置各点磁场方向平行，磁通量无变化，故无感应电流产生。

请你判断线圈经

c

位置时的感应电流方向。

■

案例

2

当闭合电路的一部分导体切割磁感线时，怎样确定感应电流的方向呢？在图

1-18

中，如果导体棒

AB

向右运动，感应电流的方向怎样？

案例分析

a

b

c N

S

图1-17

沪科教版

(16)

1. 如图1-20所示，长直螺线管b置于金属环a 的轴线上，螺线管各匝导线间有一定的距离。

当在螺线管b中通以图示方向的电流，并使电流迅速增大时

A. 金属环a有缩小的趋势 B.金属环a有扩大的趋势

C.螺线管b有缩短的趋势 D. 螺线管b有伸长的趋势

2. ^如图1-21所示， P为固定闭合电路的一段导

I

a b

图1-21 图1-20

S

N P

■

分析

摇

在图

1-18

所示的电路中，研究对象是导体棒

AB

、导线和电流表组成的闭合电路。导体棒

AB

位于磁场中，因此磁场的部分磁感线穿过闭合电路。

设导体棒

AB

向右运动，穿过闭合电路中的磁通量将增加。根据楞次定律，导体棒

AB

上的感应电流方向应是从

A

指向

B

。

用楞次定律可以判断导体切割磁感线所产生的感应电流方向。但英国电气工程学家弗莱明（

J. A. Fleming

）提出了另一种判断方法：

如图

1-19

所示，伸开右手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。让磁感线垂直从手心进入，拇指指向导体运动的方向，其余四指指的就是感应电流的方向。此方法叫做右手定则（

right-hand rule

）。

请你用右手定则判断图

1-18

导体棒

AB

中的感应电流方向，

与用楞次定律判断的结果相同吗？如果导体棒

AB

向上或向下运动，有感应电流产生吗？如果做斜向运动呢？

图1-18 导体切割磁感线产生感应电流 A

B

S N

A

B

S N

图1-19 右手定则示意图

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(17)

建议：实验时，必须先判明灵敏电流计指针偏转方向跟电流方向的关系；还要弄清楚螺线管线圈的绕向。

图1-25 A

B C

D

A N B

图1-22

图1-23

A B

N S 图1-24 体的横截面。若使一对异性磁极相对P运动，

并让P始终处于磁场中，则下列说法中正确的是

A. 磁极竖直向上运动时，P中不产生感应电流 B. 磁极竖直向下运动时， P中产生指向纸外

的感应电流

C. 磁极向左运动时， P中产生指向纸里的感应电流

D. 磁极向右运动时， P中产生指向纸里的感应电流

3.在一根长铁钉上用漆包线绕上两个线圈A和 B，将线圈B的两端接在一起，并把CD 段漆包线拉直置于自制的小磁针上方，如图1-22 所示。试判断用干电池给线圈A通电的瞬间，

小磁针偏转的方向。做一下这个实验，看看你的判断与实验结果是否一致。

4.请你按图1-23所示装置进行实验。A和B都是很轻的铝环，环A是闭合的，环B是断开的，AB之间的连接杆是绝缘的。当磁铁的任一极迅速接近A环时，你会看到什么现象？把磁铁从A环中迅速移开，又会看到什么现象？

如果将磁铁迅速移近或离开B环，又会看到什么现象？请用所学的知识解释这些现象。

5.如图1-24所示，有两个长度和粗细都相同的空心管子A和B，竖直放置，A管是导体，B管是绝缘体。取两个同样的磁体，它们都能从任意一个管子的上端开口经过管内下落。若将这两个磁体分别在A、B管的上端开口处（同一高度）同时由静止释放，它们是否同时从管

的底部开口掉出？为什么？请你设法做一下这个实验，看看你的判断是否正确。

6. 超导是当今高科技热点之一。当一块磁体靠近超导体时，超导体中会产生强大的电流，对磁体有排斥作用，这种斥力可以使磁体悬浮在空中。超导磁悬浮列车就是运用了这个原理。关于这种磁悬浮，下列说法中正确的是 A. 超导体中电流产生的磁场方向与磁体的磁

场方向相同

B. 超导体中电流产生的磁场方向与磁体的磁场方向相反

C.超导体使磁体处于失重状态

D. 超导体对磁体的磁力与磁体受到的重力相平衡

7. ^图1-25所示的实验装置也可以用来探讨感应电流的方向。请与同学讨论设计实验方案，

进行实验，并分析归纳实验中所收集到的信息。

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(18)

探究感应电动势的大小

在电磁感应现象中，既然有感应电流产生，那么电路中一定有电动势。电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势

（

induction electromotive force

）。感应电动势的大小与哪些因素有关呢？

探究感应电动势的大小

只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路中就会产生感应电动势。那么，感应电动势的大小与磁通量的变化存在怎样的关系呢？

实验探究感应电动势大小与磁通量变化的关系

可从图

1-27

和图

1-28

所示的实验装置中任选一组进行实

图1-26 发电机组

1．3

沪科教版

(19)

验，通过灵敏电流计指针摆动的幅度可以大致判断感应电动势的大小；也可用

DIS

实验室装置（图

1-29

）进行实验。你还可以选择其他的实验装置，或对图

1-27

、图

1-28

所示的装置进行一番改造，以改进实验效果。

通过实验要研究以下几个问题：

1.

感应电动势的大小跟磁通量变化的大小有关吗？

2.

感应电动势的大小跟磁通量变化的快慢有关吗？

3.

磁场方向对感应电动势的大小是否有影响？

请设计记录表格，记录实验现象。

请将你的实验结果与同学交流讨论，得出结论。

N S

图1-27 探究感应电动势大小的实验装置之一图1-28 探究感应电动势大小的实验装置之二

图1-29 用DIS实验室装置探究感应电动势的大小

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(20)

法拉第电磁感应定律

实验结果表明，感应电动势的大小只跟穿过闭合电路中磁通量变化的快慢有关。

请思考：“磁通量变化的大小”与“磁通量变化的快慢”有什么区别？

精确的实验和理论分析证明：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。

用

E

表示感应电动势，

驻Φ

驻t

表示磁通量的变化率，则法拉第电磁感应定律的数学表达式为

E ＝ k 驻Φ 驻t

式中

k

是比例系数，它的值与式中各物理量所取的单位有关。在国际单位制中，磁通量的单位是

Wb

，时间的单位是

s

，感应电动势的单位是

V

。

采用上述单位时，

k = 1

，法拉第电磁感应定律的表达式为

E ＝驻Φ

驻t

^（

1

）

在实际的电磁感应电路中，常常采用多匝线圈。多匝线圈可以看成是由许多单匝线圈串联而成的。设闭合电路是一个

n

匝线圈，且每匝线圈产生的感应电动势大小相等，则

n

匝线圈产生的感应电动势，就是单匝线圈感应电动势的

n

倍，即

E ＝ n 驻Φ

驻t

^（

2

）

这就是说，采用多匝线圈可以得到较大的感应电动势。

我们知道，感应电流是有方向的，感应电动势也是有方向的，

感应电动势的方向跟感应电流的方向相同。

如果感应电动势是由于导体切割磁感线产生的，那么如何计算其大小呢？

分析论证导体切割磁感线产生的感应电动势

如图

1-30

所示，在磁感应强度为

B

的匀强磁场中，有相距为 1845年，德国物理学家

诺伊曼（F. E. Neumann）在法拉第工作的基础上，从理论上导出了感应电动势的定量表达式。 5年后，法拉第又通过实验证明了这个表达式的正确性。

数学是其他一切科学的理想和模型。

——

—笛卡儿

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(21)

图1-30 金属棒在导轨上移动，方向跟磁场方向垂直

L

的两平行金属导轨

dc

和

ef

。

d

、

e

间串联一电流表，两导轨所在平面跟磁感线垂直。一根金属棒搁在导轨上，棒与导轨垂直。设金属棒经时间

驻t

由位置

ab

以速度

v

匀速运动到位置

a

1

b

1。求金属棒上产生的感应电动势大小。

电流表、金属导轨与金属棒构成一个闭合电路，穿过此电路的磁通量为

Ф ＝ BS

请讨论：当金属棒从

ab

位置运动到

a

₁

b

₁位置时，磁通量

Φ

变化了多少？磁通量的变化率多大？

请证明：金属棒切割磁感线所产生的感应电动势的大小是

E ＝ BLv

（

3

）

（

3

）式说明，当导体沿着跟磁感线垂直的方向切割磁感线时，

产生的感应电动势等于磁感应强度、导体切割磁感线部分的长度、导体运动速度这三者的乘积。

在国际单位制中，

B

、

L

、

v

的单位分别是

T

、

m

和

m / s

，

E

的单位是

V

。

如果导体运动方向与磁感线方向不垂直，那么怎样计算感应电动势大小呢？在图

1-31

中，圆点表示金属棒的横截面，棒的运动方向跟其自身方向垂直，但跟磁感线方向的夹角为

θ

。

请证明：这时导体切割磁感线产生的感应电动势为

E ＝ BLvsin θ

（

4

）

（1）式中的感应电动势，是由于电路的磁通量变化而产生的，

又叫做感生电动势。（3）式中的感应电动势，是由于导体在磁场中运动而产生的，又叫做动生电动势。在一般情况下，对这两者不加区别，统称为感应电动势。

1851年，法拉第在《论磁力线》一文中对电磁感应现象描述道：“无论导线是垂直地还是倾斜地跨过磁力线，也无论是沿某一方向或沿另一方向，该导线都把所跨过的力线所示的力汇总起来……形成电流的力正比于所切割的磁力线数。 ”（注：文中的磁力线即我们现在所指的磁感线。）

θ v

B

图1-31 导体运动方向与磁感线方向不垂直

a

e b

d a1

b1

v

c

f B

F

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(22)

案例分析

■

案例

1

在图

1-30

中，设电流表相当于一个电阻值为

1 Ω

的电阻

R

，磁场的磁感应强度

B

为

0.1 T

，导轨间的距离

L

为

1 m

，金属棒的电阻为

1 Ω

，金属棒与导轨接触的两点间电阻和导轨电阻不计。金属棒在垂直于棒和磁场的恒力

F

的作用下，以

10 m ／ s

的速度从

a b

移动到

a

1

b

1，移动距离是

0.5 m

。

（

1

）求金属棒上产生的感应电动势大小和方向。

（

2

）求施加在金属棒上的外力

F

的大小。

（

3

）分析在金属棒运动过程中能量的转化情况。

■

分析从电磁感应的角度看，由于金属棒切割了磁感线，金属棒、导轨和电阻

R

所组成的闭合电路中有感应电流。由于金属棒中有感应电流通过，因而金属棒要受到安培力的作用。由左手定则可知，安培力的方向与使金属棒运动的外力

F

方向是相反的。

从电路的角度看，在闭合电路中有电流，必须有电源。金属棒在磁场中，做切割磁感线运动时相当于一个电源；金属棒中产生的感应电动势就是电源的电动势；金属棒与导轨接触的两点相当于电源的两极。金属棒与导轨

dc

接触的点相当于电源的正极，与

ef

接触的点相当于电源的负极。电阻

R

相当于外电路负载，金属棒的电阻相当于电源的内电阻

r

。这样，我们可以画出图

1-30

的等效电路图（图

1-32

）。

■

解答

根据上述分析，对于问题（

1

）、（

2

），你能得出下列结果吗？

E ＝ 1 V

，

F ＝ 0.05 N

问题（

3

），金属棒在外力

F

作用下运动，切割磁感线，产生感应电动势和感应电流。通过外力对金属棒做功将机械能转化为电能，电能在电阻

R

和金属棒上又转化为内能。

R

E

图1-32

r

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(23)

电磁感应的案例分析

案例分析

■

案例

1

启动家用空调机时，室内的电灯往往会暗一下；正在转动的电风扇叶片，一旦被卡住，电风扇电动机的温度立刻上升，时间一久，便会发出一种焦糊味，十分危险。产生这些现象的原因是什么呢？

■

分析电动机是把电能转化为机械能的装置。图

1-33

是直流电动机的工作原理图。

电动机转动时，线圈因切割磁感线，所以会产生感应电动势。

线圈中产生的感应电动势跟加在线圈上的电压方向相反。我们把这个跟外加电压方向相反的感应电动势叫做反电动势。

如果用

E

反表示反电动势，

U

表示外加电压，

R

表示电动机回路（线圈和滑环等）的总电阻，

I

表示电动机工作时的电流大小

,

显然，线圈中的电流为

I = U - E

反

R

^。

在具有反电动势的电路中，其功率关系为

IU － IE

反

＝ I

²

R

式中

IU

是电源供给电动机的功率（输入功率），

IE

反是电动机输出的机械功率（输出功率），

I

²

R

是电动机回路中损失的热功率。

请讨论：

1．

电动机空载转动时跟带负载转动时的电流大小一样吗？

2．

转动中的电动机因故卡住不转动时，回路中的电流将如何变化？

3．

产生本案例所述现象的原因是什么？

■

案例

2

如图1-34 所示，MN 和 PQ 为竖直方向的两平行长直金属导轨，间距 L 为 0.4 m，电阻不计，导轨所在平面与磁感应强度为 B = 0.50 T 的匀强磁场垂直。导轨两端分别接有滑动变阻器和阻值为 3.0 Ω 的电阻 R1。质量为 6.0×10^-3 kg、电阻为 1.0 Ω 的金属杆 ab 始终垂直于导轨，并与其保持光滑接触。当杆 ab 以速率v 匀速下滑时，整个电路消耗的电功率 P 为 0.27 W。试求速率 v 和滑动变阻器接入电路部分的阻值R_P，并分析能量转化的情况。

1．4

图1-33 直流电动机工作原理图

图1-34 B

R1

RP

M P

b a

N Q

L P

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(24)

■

分析从电磁感应的角度分析，金属杆、导轨和两电阻连成闭合回路，回路平面与匀强磁场垂直。当金属杆受重力作用沿导轨下滑切割磁感线时，其中产生从a 流向 b 的感应电流，感应电流随金属杆下落的速度增大而增大。有感应电流通过的金属杆，

在磁场中要受到向上的安培力的作用。力的大小随感应电流的增大而增大。也就是说，金属杆在磁场中受两个力的作用：重力，方向向下，大小不变；安培力，方向向上，大小随速度增大而增大。金属杆开始运动后的一段时间内，速度较小，安培力小于重力，金属杆受到的合力方向向下，杆的速度逐渐增大，感应电流增大，安培力也增大，合力逐渐减小，所以杆做的是加速度方向向下的变加速直线运动；经过一段时间，安培力与重力大小近似相等，合力与加速度近似为零，就可以认为杆以某个最大速度向下做匀速运动。我们研究的是杆做匀速运动时的情况。

从电路的角度分析，金属杆相当于电路中的电源，电阻 R1和 R_P组成并联的外电路，金属杆的电阻是电源内电阻。它们组成了图1-35 所示的电路，图中 r 是电源内阻，即杆的电阻。

■

解答设电路的总电阻为 R。当金属杆匀速运动速度为 v 时，它产生的感应电流为

I = E

R = BLv

R （1）

感应电流在电阻上消耗的电功率

P = I²R （2）

当金属杆匀速运动时，金属杆所受的重力 mg 和安培力 F = BIL 平衡，即

mg = F = BIL （3）

联立（1）（2）（3）式，并代入数据，可得到金属杆匀速运动时的速度 v = P

mg = 0.27

6.0×10^-3×10 m/s = 4.5 m/s 因为R 是由 R1与RP并联，然后再与r 串联的总电阻，则

R = r + R1RP

R1+ RP

（4）

联立（1）（2）（4）式，代入数据，可得到滑动变阻器接入电路部分的电阻值

Rp= 6 Ω

在杆下落的过程中，重力对金属杆做正功，安培力对杆做负功。杆的重力势能减少，减少的势能一部分转化为动能，另一部分通过安培力做功转化为电能，电能又在金属杆和固定电阻，以及

R1

RP

a E r b

P 图1-35 S

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(25)

金属圆环

B

A C

O

图1-36

图1-37

图1-38 B

B 1. 感应电动势的计算公式有E = n驻Φ

驻t ^和E = BLv两个。这两个公式是完全相同的吗？在分析实际问题时，应该如何区分、使用这两个公式？

2. ^如图1-36所示，O点正下方有一个具有理想边界的磁场，一个铜环在A点由静止状态释放，向右摆到最高点C。不考虑空气阻力，下列说法中正确的是

A. A、C两点在同一水平线上 B. A点高于C点

C. A点低于C点 D. 铜环将做等幅摆动

3. 图1-37是法拉第制作的世界上第一台发电机的结构原理图。把一个铜盘放在磁场里，使

磁感线垂直穿过铜盘。转动铜盘，就可以获得持续的电流。试解释其原理。

4. 如图1-38所示，在虚线圆周内有一均匀的磁场，其磁感应强度B正以0.1 T/s的变化率减小。在圆周内放一金属圆环，使圆环平面垂直磁场。已知此圆环半径为0.1 m。

（1）圆环中产生的感应电动势多大?

（2）设圆环的电阻为1 Ω，则圆环中的电流为多大？

（3）仍设圆环的电阻为1 Ω，但在环上某处将圆环断开，并在断开形成的两端点间接入一个4 Ω的电阻，这两端点的电压为多大？

5. 已知某一区域的地下埋有一根与地表面平行的直线电缆。当电缆中通有变化的电流时，在其周围就有变化的磁场。我们在地面上用一个闭合试探线圈可探测电缆的确切位置、走向和深度。

如图1-39所示，让线圈平面平行于地面进行测量，这时在地面上a、c两处测得试探线圈中的电动势为零，在b、d两处测得试探线圈中的电动势不为零。当线圈平面与地面成45°夹角，且线圈平面的法线和bd在同一竖直平面上时，在b、d两处测得试探线圈中

滑动变阻器接入电路部分转化为它们的内能。当杆做匀速运动时，其不断减少的重力势能全部转化为电能，再转化为金属杆和上述电阻的内能，因此重力做功的电功率等于整个电路消耗的电功率。按此思路解题，可以使解题过程更简洁。请你试一试，体验用能量转化的观点分析问题的优点。

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(26)

图1-42 L

B a b d c

h

a L

d c

b 试探线圈

地面

图1-39

a b

c d

a

B

O t

图1-40 B

O t

B

O t

b

A B

C D

B

O t

N S

图1-41

的电动势为零。已知a、b、c、d恰好位于边长为1 m的正方形的四个顶点上，问：

（1）地下电缆应该处在哪两点连线的正下方？

（2）地下电缆离地表面的深度为多少？

6. 如图1-40a所示，竖直放置的螺线管与导线 abcd构成闭合电路，电路所围区域内有方向垂直纸面向里的匀强磁场，螺线管下方水平桌面上有一个导体圆环。电路所围区域内磁场的磁感应强度按图1-39b 中哪种图像所表示的方式随时间变化时，导体圆环将受到向上的磁场作用力？

7. 如图1-41所示，一弹簧上端固定,下端悬挂着一根磁铁。将磁铁托到某一高度后放开，磁铁便上下振动，经过一段时间才停下来。如果在弹簧下方放置一个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过线圈，磁铁就会很快停下来。解释这个现象，并说明此现象中能量

转化的情况。

8. 如图1-42所示，有一边长 L = 0.1 m 的正方形线圈 abcd，质量m = 10 g，自高度h = 0.2 m处自由下落。下边ab进入匀强磁场后，线圈开始做匀速运动，直到其上边 dc 刚刚离开匀强磁场为止。此匀强磁场

区域的宽度也是L。求线圈在穿越匀强磁场的过程中产生的热能。取g = 10 m/s² 。

9. 如图1-43所示，在磁感应强度为0.5 T的匀强磁场中，让长为0.2 m的导体棒MN在无摩擦的框架上以5 m/s的速度向右匀速运动，电阻R1= R2= 2 Ω，其他导体的电阻不计，则外力做功的功率有多大？感应电流的功率有多大？在R1和R2上消耗的功率有多大？检验一下：其中的能量转化是否符合守恒定律？

10. ^{有一台直流电动机，在}220 V的电压下工作，

电流为35 A。用它匀速提升质量为1400 kg的货物，在2 s内货物被提升1 m。

（1）设电动机输出的能量全部用来提升货物，那么在这2 s内，电动机线圈产生的热能为多少（不计摩擦）？

（2）这台电动机的效率为多大？

（3）这台电动机线圈的电阻为多大？

11.1992 年和1996年，人们在美国的航天飞机

“阿特兰蒂斯” 号上进行了一种卫星悬绳发电实验。航天飞机在赤道上空的圆形轨道上飞行，速度7.5 km/s。地磁场在飞行轨道附近的磁感应强度B ≈ 0.50 × 10^-4 T。从航天飞机发射出的一颗卫星，由一根长L = 20 km 的金属悬绳与航天飞机相连，悬绳方向指向地心，电阻r ≈ 800 Ω，结果在悬绳两端产生了感应电动势。

（1）这种悬绳发电实验的原理是什么？

（2）悬绳上产生的感应电动势有多大？

R1

N

R2

M

v B

图1-43

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(27)

1．5

自感现象与日光灯

日光灯是常用的照明灯具。它不仅发光效率比较高，而且发出的光自然、柔和。

日光灯电路是由哪些元件组成的？你知道这些元件的作用吗？

探究日光灯电路

技术资料表明，一支 40 W 的日光灯管，点亮它需要近千伏的电压（称为起辉电压），而维持它的正常发光，只要108 V 左右的电压（称为工作电压）。我国家庭电路的电压是220 V。那么，在日光灯的电路中是怎么获得日光灯起辉电压的呢？

实验探究1 研究日光灯电路

按图1-45 连接日光灯电路，进行实验。

1. 闭合开关，观察日光灯的发光过程。

2. 断开开关，拆除起辉器和镇流器；再闭合开关，灯管还能发光吗？

3. 在图 1-45 所示电路中，用导线将灯管的两端与示波器的 Y 输入端连接。闭合开关，观察在灯管起辉发光过程中，示波器上

图1-44 光线明亮的图书馆

日光灯管

镇流器

起辉器

~220V 图1-45 日光灯电路

沪科教版

(28)

的波形（图1-46）。

你能估计出日光灯管起辉过程中，脉冲电压的最大值约是多少吗？

图1-46 日光灯起辉过程中，灯管两端的电压波形左端是灯管两端点亮时的波形，右端是正常发光时的波形。请注意两波形衔接处的脉冲波

（示波器Y轴灵敏度为每格200 V）。

图1-47 探究电路闭合时线圈的自感现象 L A1

A2

R1

S R2

a b

探究自感现象

实验探究2 探究电路闭合时线圈的自感现象

在如图

1-47

所示的电路中，

L

是带铁心的线圈，

A

1、

A

2是两只同样的灯泡。

1. 先闭合开关

S

，调节

R

1和

R

2，使

A

1、

A

2 两只灯泡的亮度相同，再断开开关S。

2. 再次闭合开关 S。请仔细观察，两只灯泡在电路接通瞬间的发光情况有什么不同？

由上面实验可知，日光灯电路的镇流器可以产生很高的瞬时电压。镇流器是一个带铁心的多匝线圈。它怎么会产生高电压的呢？让我们做进一步的研究。

R2

S

A1

A2

L

R1

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