資源簡介

第二章 電磁感應
〖學科導讀〗
【導語】
當導體在磁場中運動或導體周圍磁場改變時，在導體上會產生電動勢，這種現象稱“電磁感應”。電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它揭示了電、磁現象之間的相互聯系。法拉第電磁感應定律的重要意義在于，一方面，依據電磁感應的原理，人們制造出了發電機，電能的大規模生產和遠距離輸送成為可能；另一方面，電磁感應現象在電工技術、電子技術以及電磁測量等方面都有廣泛的應用，如電動機、變壓器以及許多電器、儀表都利用電磁感應原理制成——人類社會從此邁進電氣化時代。
【目標】
1.梳理知識，構建知識網絡，促進知識的理解；
2.挖掘隱藏在知識背后的科學思維和方法，促進科學思維的發展；
3.通過具體問題的解決，體會本章所體現的物理觀念。
〖學科研讀〗
在人教版高中物理必修第三冊已經通過實驗總結出“感應電流產生的條件”。這一章是進一步研究電磁感應的規律。第1節“楞次定律”，學習感應電流方向判斷的方法；第2節“法拉第電磁感應定律”，研究感應電動勢大小的決定因素。第3節、第4節展示一些具體的電磁感應現象及應用，探究產生感應電動勢的本質。本章是從更高的層次認識電磁感應現象。
【知識網絡構建】
一、知識的梳理與整合
1.1梳理基本知識
感應電流產生的條件：閉合回路中的磁通量發生變化。回路中的感應電流，是由電路中的感應電動勢產生的。法拉第電磁感應定律指出：感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量變化率成正比，E感= 。閉合回路中感應電流的方向，可以用楞次定律進行判斷。導體棒切割磁感線的感應電動勢大小，通過推導可知E感=BLv⊥，其方向可以直接用右手定則來判斷。
1.2感應電動勢的本質
（1）動生電動勢
當導體棒 CD 在勻強磁場中運動時，自由電子會隨著導體棒運動，在沿棒的方向上，電子會受到一個F洛（分力）。從而會使電子沿導體棒定向移動，電子在棒的兩端堆積、形成電勢差。所以，導體棒切割磁感線產生的動生電動勢，其本質是洛倫茲力沿棒方向的分力做功產生的。
（2）感生電動勢
麥克斯韋提出：變化的磁場會在空間中激發一種電場，導體中的自由電荷會在感生電場力的作用下定向移動，產生感應電流和感應電動勢。也就是說，感生電動勢的本質，是感生電場力移動電荷做功產生的。
所以兩種感應電動勢的本質是不同的：①由于磁場發生變化而產生的感生電動勢，其非靜電力是感生電場力；渦流、互感和自感，從本質上都是感生電場力作用的結果。②導體棒切割磁感線產生的動生電動勢，其非靜電力是洛倫茲力沿棒方向的分力。
二、物理學科的核心素養在本章中的體現
2.1 物理觀念
首先，楞次定律在內容中指出：感應電流的磁場，總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。這種描述，在物理觀念上已經把“運動和相互作用觀”由實物擴展到場了。
通過對具體的實例研究，可以發現：“阻礙”作用的結果，是把其他形式的能量轉化為感應電流的電能。所以楞次定律的意義，更在于它體現了能量的轉化與守恒的思想。
另外，動生電動勢和感生電動勢的產生，都可以從微觀的角度進行解釋。這也展現了宏觀世界與微觀世界的一種“因果觀”：在宏觀的表現背后，一定存在其微觀的內在原因。
而且，在解釋感生電動勢的本質時，麥克斯韋提出了“變化的磁場產生電場”的理論，鮮明地顯示了磁場與電場之間的聯系，幫我們進一步完善“物質觀”中對場的認識。
2.2 科學探究
“楞次定律”的得出，就經歷了一系列的探究過程：在發現電磁感應現象之后，先提出問題——感應電流的方向與哪些因素有關？然后根據感應電流產生的條件，設計實驗，并進行實驗探究；最后把全部情況進行歸納，得出“判斷感應電流方向”的規律。
2.3 科學思維
（1）歸納推理，就是從一類事物部分對象所具有的某種屬性出發，推理出這類事物所有對象具有的共同屬性；也就是，由具體結論推理出一般規律的方法。
（2）類推思想
法拉第最早發現電磁感應現象，是借助繞在鐵環上的兩個線圈，在通、斷電的瞬間發現的。于是，他敏銳的意識到：“磁生電”是一種在變化和運動的過程中才出現的效應。然后他又設計并動手做了幾十個實驗，使深藏不露的各種“磁生電”的現象顯現而出。這里彰顯了 “類推思想”的強大作用。
（3）模型構建
渦流現象——外接的交流電是為了產生變化的磁場，金屬塊內需要構建無數個閉合回路，從而產生出‘漩渦狀’的感生電流，稱之為渦流。
電磁流量計的工作原理——當管中的導電液體流過磁場時，相當于無數多的導體棒向左切割磁感線，建起動生電動勢的模型，就很容易確定出：管壁上MN兩點間電勢差的大小為Bdv。
落磁實驗中——需要分別在磁鐵上部和下部的鋁管上，構建出無數個閉合回路，通過建立感生電動勢模型進行分析。
2.4科學態度與責任
法拉第從萌生“由磁產生電”的設想，到發現電磁感應現象，中間進行了長達10年的探索，他經歷過一次次失敗。最終，是他對科學的熱愛以及對科學研究持之以恒、堅韌不拔的態度使他獲得成功。
后來，人們利用電磁感應原理制造的發電機，使人類獲取了巨大而廉價的電能，為電氣化奠定了基礎。而電磁感應原理在電子技術、電磁測量、自動化技術等領域都有廣泛的應用，這也充分體現出了科學發現的價值和意義。
三、應用與體會
3.1運動與相互作用觀、能量觀
例1．在豎直向下的勻強磁場B中，水平放置的兩根光滑金屬導軌左端，接一理想電流計，導軌電阻不計。一質量為m、電阻為r的導體棒NM垂直放在導軌上。現給導體棒一向右的初速度v，請分析棒此后的運動情況、畫出其v-t圖，并求出導體棒上產生的焦耳熱。
分析運動，畫v-t圖
從圖中可以看到：導體棒NM切割磁感線，產生感應電動勢，充當了回路中的“電源”，利用右手定則可以知道電動勢方向向上，其大小為E感=Blv。回路中將會產生逆時針的感應電流，其大小為I=E感/r，而電流在磁場中會受到安培力，大小為F安=BIl，根據左手定則可知安培力方向水平向左，阻礙導體棒運動，我們稱之為“電磁阻尼”。
所以，棒的速度會減小，E感和I感會減小，導致F安會隨之減小。根據牛頓第二定律可知，安培力會產生加速度F安=ma。F安減小、棒的加速度會不斷減小，所以棒做的是加速度減小的減速運動，其v-t圖如圖所示。
對于導體棒受力和運動情況的分析，體現出的是物理中的“運動與相互作用觀”。
②求棒上產生的焦耳熱
提到焦耳熱，有同學會馬上想到焦耳定律Q=I2rt。那焦耳定律用在這里適合嗎？通過初中學習，我們知道：焦耳定律適用的是穩恒電流，而此回路中的電流是逐漸減小的。所以，不能用焦耳定律進行求解。
那還有什么手段，可以獲悉這份能量的大小呢？有同學可能想到了——可以從能量的角度進行分析：整個過程只有導體棒的動能減少了，依據“能量守恒定律”可以判斷：電磁感應產生的電能，是來自于導體棒的機械能。即。這里也是啟發我們：要學會從多個角度分析問題，要有能量守恒的觀念。
[拓展]我們知道，洛倫茲力對運動電荷不做功。那么電磁阻尼現象中，導體棒中的自由電荷所受洛倫茲力，是如何在能量轉化過程中起作用的呢？
解析：導體棒內的自由電荷是電子，由于電子隨導體棒向右運動，它將受到一個洛倫茲力f1，根據左手定則可知f1方向沿棒向下，大小為f1＝evB。f1推動電子定向移動形成電流，設電子沿棒方向定向移動的速率為u，Δt時間f1做的功為W1＝evB· uΔt。
當電子沿棒以u運動時，它還會受到一個垂直于棒方向的洛倫茲力：根據左手定則可知f2方向水平向左，大小為f2=euB，Δt時間f2做的功為W2＝－euB· vΔt
可以看出：洛倫茲力的兩個分力都在做功，且做的功W1＝－W2，總功為零，即每個電子所受的洛倫茲力做功為零。
從能量角度看，f1是產生感應電流的非靜電力，宏觀上表現為“產生電能”；棒內所有電子所受的f2累積，宏觀上表現為導體棒所受的安培阻力，安培阻力做負功，消耗導體棒的機械能。
W1＝－W2，說明在電磁阻尼現象中，洛倫茲力通過兩個分力做功，將導體棒的機械能轉化為電磁感應中產生的電能，起到“傳遞”能量的作用。這就是前面提到的能量守恒的觀念，同時也從微觀的角度找到了電磁阻尼產生的原因。
3.2 運動與相互作用觀
例2．麥克斯韋經典電磁場理論指出：除靜止電荷產生的靜電場外，變化的磁場還會產生感生電場。請分析：靜電場和感生電場的相似之處、以及二者的區別。
這是兩個靜電場和感生電場的分布圖，圖中電場線定性描述了空間中的電場分布。可以看出，兩個電場都有電場強度，在電場中放入電荷，都會有力的作用。電子感應加速器，就是利用感生電場力來加速電子的裝置。
[思考]在靜電場中，靜電力做功與電荷運動的路徑無關，靜電場中各點存在電勢。那么，感生電場是否可以引入電勢概念呢？
解析：這個問題的分析，需要從“電場力做功的特點”下手。圖中要使電子加速，感生電場的方向應為順時針方向。在軌跡中選兩點P、Q。若電子沿劣弧從P運動到Q，電場力做的是正功；若沿優弧從P運動到Q，電場力做的是負功。很顯然：電荷移動的路徑不同，感生電場力做的功是不一樣的，所以感生電場中不能引入電勢概念。
〖真題評析〗
評析一、2022年高考全國甲卷第16題：
16、個用同樣的細導線做成的剛性閉合線框，正方形線框的邊長與圓線框的直徑相等，圓線框的半徑與正六邊形線框的邊長相等，如圖所示。把它們放入磁感應強度隨時間線性變化的同一勻強磁場中，線框所在平面均與磁場方向垂直，正方形、圓形和正六邊形線框中感應電流的大小分別為和。則（　　）
A. B. C. D.
【考點】：電磁感應定律、電阻定律和閉合電路歐姆定律
【題目解析】設圓線框的半徑為r，則由題意可知正方形線框的邊長為2r，正六邊形線框的邊長為r；
所以圓線框的周長為面積為
同理可知正方形線框的周長和面積分別為，
正六邊形線框的周長和面積分別為，
三線框材料粗細相同，根據電阻定律
可知三個線框電阻之比為
根據法拉第電磁感應定律有
可得電流之比為：
即 故選 C。
【評析】本題考察了物理科學素養里面的物理與數學應用能力結合的素養，設計了3個不同形狀的線圈，計算它們的面積，利用電阻定律計算它們的電阻之比，再利用法拉第電磁感應定律計算電動勢， 再用閉合電路的歐姆定律計算電流強度之比，本題對數學能力要求高，考察知識點較多，綜合性強，體現了物理核心素養的考察和落實。
評析二、2021年高考全國甲卷第21題：
21．由相同材料的導線繞成邊長相同的甲、乙兩個正方形閉合線圈，兩線圈的質量相等，但所用導線的橫截面積不同，甲線圈的匝數是乙的2倍。現兩線圈在豎直平面內從同一高度同時由靜止開始下落，一段時間后進入一方向垂直于紙面的勻強磁場區域，磁場的上邊界水平，如圖所示。不計空氣阻力，已知下落過程中線圈始終平行于紙面，上、下邊保持水平。在線圈下邊進入磁場后且上邊進入磁場前，可能出現的是
A．甲和乙都加速運動
B．甲和乙都減速運動
C．甲加速運動，乙減速運動
D．甲減速運動，乙加速運動
【考點】運動學，電磁感應，動生電動勢，密度，電阻定律，牛頓定律，
安培力，，閉合電路歐姆定律
【解析】
設線圈到磁場的高度為h，線圈的邊長為l，則線圈下邊剛進入磁場時，有
感應電動勢為
兩線圈材料相等（設密度為），質量相同（設為），則
設材料的電阻率為，則線圈電阻
感應電流為
安培力為
由牛頓第二定律有
聯立解得
加速度和線圈的匝數、橫截面積無關，則甲和乙進入磁場時，具有相同的加速度。當時，甲和乙都加速運動，當時，甲和乙都減速運動，當時都勻速。
故選AB。
【題目評析】本題為選擇題壓軸題，情景較復雜，體現了物理核心素養里面的多過程分析能力素養的考察，線圈落進入磁場過程，先用運動學公式算出線圈進入磁場的速度 v，再用電磁感應的動生電動勢公式算出電動勢，再應用密度公式算出質量m的表達式，用電阻定律算出電阻表示式，用閉合電路歐姆定律算出電流表達式，寫出磁場中的安培力表達式，最后用牛頓第二定律寫出加速度a 的表達式進行討論得解，考察學生綜合運用物理知識的能力，題目難度大要求高，區分度大。
閱讀拓展
【學科前沿】可充電無線傳感器相關技術追蹤
傳統的無線傳感器網絡主要由電池供電，網絡的生命周期有限，雖然更換電池可以延長網絡壽命，但工作量巨大，大大提高了整個網絡維護的費用。具有能量收集功能的傳感器節點已經成為新的研究對象，研究者在傳感器節點上集成能量收集模塊，該模塊從自然界中吸收太陽能、風能、振動能以及電磁波等能量，并將它們存儲下來。能量收集模塊可以在自然界能量源存在的時候進行能量收集，它的進行可與節點其它工作同時進行。
發展現狀
基于太陽能的傳感器網絡是最常見的能量收集網絡，在該網絡中的傳感器節點一般采用太陽能板來收集能量。隨著太陽能被重視，太陽能板的種類也多樣化，主要分為單晶硅太陽能板、多晶硅太陽能板、薄膜太陽能板以及有機太陽能板等。現在的研究者一般采用單晶硅太陽能板設計太陽能傳感器節點，節點的芯片選擇低功耗的系列微控制器。研究者也會在傳感器節點設計能量管理模塊，以合理利用收集到的能量。基于太陽能的傳感器節點一般會布置在太陽充足的環境中，太陽能的供應解決了傳感器網絡能量受限的問題。
基于振動的能量收集無線傳感器網絡也正被研究者關注，因為該類型的傳感器網絡具有特殊的應用場合，如橋梁監控等。Ambiosystems公司開發了一套新型的吸收振動能量的傳感器節點套件。這類套件包含一根長條形的振動傳感器，該傳感器主要粘貼在具有連續振動的物體上。物體的連續振動就會被該傳感器轉換成電能。傳感器節點是一個低功耗的設備，它上面還自帶了溫度、濕度等常見的傳感器。
基于無線充電的傳感器網絡一般采用電磁輻射的方式來傳輸能量，節點上配備的天線主要用來接收電磁波能量。無線充電傳感器網絡目前正處于起步階段，從事這方面研究的主要有Powercast公司和Intel實驗室。Powercast公司開發了能量發射裝置、能量接收裝置、傳感器核心板、開發套件等一整套用于無線充電的設備。能量發射裝置是一個發射電路和發射天線的結合體，它連續發射900MHz左右的電磁波，為充電節點提供能量來源。能量接收裝置主要完成電磁波能量到電能的轉換，并且將能量存儲下來。傳感器核心板連接能量接收裝置后就是一個完整的可無線充電的傳感器節點，該節點根據連接的射頻通信模塊的不同可以實現不同的協議的射頻通信。
無線充電傳感器網絡中的節點擺脫了對電池的依賴，它們通過收集環境中的微弱射頻能量來維持工作。整個網絡采用無線充電的方式，徹底避免了因電線連接而導致的漏電、跑電等安全隱患，使得整個網絡更加安全。在傳統的傳感器網絡中，存在一些不能夠更換電池的特殊情況，通過無線充電方式可以方便能量補充。例如，對于一些需要植入人體內部的嵌入式的微型設備，通過無線充電的方式是唯一方便有效的能量補給方式。基于無線充電的傳感器網絡在物聯網的浪潮下將快速發展，因而本文的工作具有廣闊的研究前景和市場價值。
關鍵技術
傳統無線輸電技術
早在1900年，著名物理學家兼電氣工程師尼古拉特斯拉就提出無線電力傳輸理論并進行了一系列的實驗，但由于特斯拉開始實驗的思路是在大范圍電場內實現遠距離傳輸，以當時的實驗條件以及客觀現實來說是不可能實現的，但是其提出的理論為后人研究無線電力傳輸提供了巨大的幫助。無數研究者進行了大量的理論研究和實驗研究，將無線電力傳輸的研究推向了一個很高的高度。就目前的無線電力傳輸技術而言，主要有以下幾種傳輸方式: 電磁感應方式，磁共振方式（即磁耦合共振原理），微波方式，激光方式。
電磁感應方式利用的就是變壓器的磁感應生電，交流電由能量發送端整流、逆變產生高頻交流電，并通過分離功率變壓器輸送到能量接收器，能量接收端將接收的能量通過整流或逆變得到直流或者交流電能。這種技術在部分領域已經得到應用，包括電動剃須刀、電動牙刷、凈水器和無繩電話等，但是其局限性就在于傳輸距離短，隨著傳輸距離的增加，傳輸效率會降低，因此在應用方面尚且局限于少數領域。
磁共振方式即所謂的非輻射性電磁耦合共振。系統由兩個具有相同諧振頻率的線圈回路組成，采用單層線圈，兩端各放置一個平板電容器，共同組成諧振回路。當發送端接通電源后，兩個線圈都以相同的頻率振動，從而產生強大的電磁場，通過“電振”傳遞電能。電磁共振原理關鍵在于讓兩個相同頻率的諧振物體產生很強的相互耦合，這是目前公認的無線電力傳輸領域最有前途的傳輸技術。這項名為“WiTricity”（其結構如下圖所示）的技術通過共振隔離系統將能量發送端和接受端隔離在兩端，接收端能迅速接收發送端發送的能量，所以，兩端的阻抗不會被兩個共振端之間的距離影響。因而即使在一個變化的環境中，磁共振仍能夠獲得很高的傳輸效率。即使能量兩端之間有障礙物，也不會對傳輸效率有任何影響，并且電磁輻射水平低，對人體基本無任何影響。
微波充電技術是目前主要的應用方式之一，也是人們較早探索的方式之一。由微波發射裝置和微波接收裝置組成，通過天線接收后獲得穩定的直流電壓。發射裝置主要實現能量以電能功率轉化為射頻功率并且以一種被控制的和低損耗的方式將功率輻射出去。微波傳輸技術的特點在于能量以光速進行傳輸，并且可以迅速轉變傳輸方向。在真空中傳輸能量無損耗，微波電能傳輸的距離遠，且頻率越高，傳播的能量越大。目前微波技術被普遍應用于遠距離大功率無線輸電上。
激光電能傳輸原理在于用激光發生器將電能轉換成激光能，然后發射出去。激光接收裝置用來接收激光發射裝置發出的激光并將其轉化為電能，這是激光發生過程的逆過程。激光技術的優點在于對電氣和電磁的絕緣性都沒有什么要求，而其缺點也很明顯，激光束的能量場強度高，匯聚能力強，接收端會產生很大的熱量，而且激光的產生程中也會伴隨著電磁輻射的產生，其產生的高強度能量會瞬間對人類產生不可修復的傷害。
空中取電
空中取電（Power from the Air）是華盛頓大學的最新研究成果，它是讓Wi-Fi設備從Wi-Fi信號中獲取能量，實現電力自給自足，變為無源設備（passive device），從此擺脫電力束縛。同時將這類無源Wi-Fi設備整合入智能手機中，將大大增加電池的續航能力。基于這些應用前景，無源Wi-Fi設備被評為《麻省理工科技評論》2016年度10大突破技術之一。
讓設備不用常規電源進行通信是很難的，因為產生無線電信號甚是耗電，同時因為無線電傳播時能量衰減的很快，因此從廣播、電視和其他通信方式攝取的空氣波含的能量很少。
Shyamnath Gollakota 和他的同事Joshua Smith 也已證明微弱的無線電信號確實能滿足一個互聯網裝置的電能需求，他們的一個裝置利用所稱的后向散射（backscattering）原理，不是發送原信號，而是選擇性地反射進入的無線電波，建立新信號。采用該技術的祖航志能從它改造過的信號中吸取部分能量為自身供電。
無源Wi-Fi（passive Wi-Fi）通過向后散射（backscattering）Wi-Fi信號，讓無電池裝置與傳統設備（如手機等）連接。在測試中，無源Wi-Fi設備原型機成功地把數據傳到了100英尺之外，實現了穿墻連接。這樣做需要改變Wi-Fi接入點的軟件，以產生一個額外的信號供無源Wi-Fi設備使用，這會略微增加一些功耗。
根據最新的研究結果來看，無源Wi-Fi設備能夠依靠后向散射的原理實現802.11b Wi-Fi信號的發射，在傳輸速率為1Mbps 和11Mbps時的能耗分別為14.5和59.2微瓦。這個功耗是當前的Wi-Fi芯片組的萬分之一，是一些采用藍牙LE和ZigBee通信標準的小型連接設備的千分之一，并且覆蓋范圍更遠。
應用領域
智能電網
智能電網的基礎是大量傳感器，此項技術可以減小傳感器體積，延長傳感器工作時長。同時還能降低布線的復雜度，提高傳感器密度，促進了智能電網的發展。
機場安全
由于無需專門布線的特點，此類無線無源傳感器可以大大降低監控設備的安裝成本，減少相關限制，因此可以建立一個更加密集的無死角監控網絡，進一步加強安全線。
智能家居
無源傳感器的出現和普及，會進一步推動智能家居產品的發展。這些無源設備可以24小時不間斷地監控室內的溫度和濕度狀況，反饋到人工智能設備中，作為判斷進行何種配置與操作的依據。
食品質量監控
食品上廉價的傳感器可以根據某個或者某組化學物質的濃度判斷食物是否變質腐敗，并發出預警。
可穿戴式生物檢測設備
此類技術也可用于身體狀況的監控和觀察，廣泛應用于醫療和運動等領域。
閱讀感悟
【方法導引】
選定一種生活中的家電，分析該家電工作中涉及到的電磁感應知識
進一步分析該家電的工作原理
嘗試動手制作簡易版應用電磁感應原理工作的家電
【成果展示】
利用電磁感應知識完成一樣家電制作并分享實踐體會。

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