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物理选修3-2普通高中课程标准实验教科书®人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心编著普通高中课程标准实验教科书物理选修3－2*出版发行（北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼 邮编：100081）网址：××××印刷厂印装全国新华书店经销*开本：890毫米×1240毫米1/16印张：4.75字数：1000002006年12月第2版年月第次印刷印数：00001～000000册著作权所有·请勿擅用本书制作各类出版物·违者必究如发现印、装质量问题，影响阅读，请与出版社联系调换。人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心编著ISBN978-7-107-20210-0G·13260（课）定价：元总主编副总主编主编执笔人员绘图责任编辑版式设计审读：张大昌：彭前程：张维善：刘彬生周誉蔼张颖：王凌波张傲冰张良：孙新彭征：马迎莺：王存志第四章电磁感应11划时代的发现22探究电磁感应的产生条件53楞次定律94法拉第电磁感应定律155电磁感应规律的应用196互感和自感227涡流电磁阻尼和电磁驱动26第五章交变电流301交变电流312描述交变电流的物理量343电感和电容对交变电流的影响364变压器395电能的输送44第六章传感器501传感器及其工作原理512传感器的应用（一）553传感器的应用（二）594传感器的应用实验64附一些元器件的原理和使用要点66课题研究怎样把交流变成直流69目录第四章电磁感应“法拉第先生，它(电磁感应)到底有什么用呢？”“啊，阁下，也许要不了多久你就可以对它收税了。”—英国财政大臣格拉斯与法拉第的对话朝辞白帝彩云间，千里江陵一日还。两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山。这首耳熟能详的唐诗，曾给我们带来多少愉悦和幻想呀！如今，诗人笔下的三峡，不仅风景秀丽依然，更在为祖国的建设做着巨大的贡献。三峡电厂共安装26台巨型发电机，总装机容量1820万千瓦。千年流淌的滚滚长江，正在焕发着青春。电厂里巨大的发电机怎么会发出电来？电网中电压的高低跟什么因素有关？如何控制？这些都是这一章我们要学习的内容。三峡电厂一台发电机的转子三峡电厂一台发电机的转子2高中物理选修3-211划时代的发现奥斯特梦圆“电生磁”电磁感应现象的发现是与电流磁效应的发现密切相连的。在19世纪20年代之前的漫长岁月里，电和磁的研究始终独立地发展着。尽管18世纪中叶人们就曾发现雷电能使刀叉、钢针磁化，莱顿瓶（最原始的电容器）放电可使缝衣针磁化等现象，但包括库仑在内的众多物理学家仍然认为电与磁是互不相关的。到了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的转化，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（I.Kant,1724—1804）等，提出了各种自然现象之间相互联系和相互转化的思想。深受其影响的奥斯特相信电与磁之间可能存在着某种联系。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其他现象的零散的罗列，我们将把整个宇宙纳在一个体系中。”然而，奥斯特寻找电与磁相互联系的实验研究并未很快成功。机遇总是青睐那些有准备的头脑。在1820年4月的一次讲演中，奥斯特碰巧在南北方向的导线下面放置了一枚小磁针。当电源接通时，小磁针居然转动了！听众中大概没有人注意到这个现象，但由于奥斯特一直惦记着电与磁的联系，这个现象使他振奋。随后的实验证明，电流的确能使磁针偏转。这种作用称为电流的磁效应。电流的磁效应显示了载流导体对磁针的作用力，揭示了电现象与磁现象之间存在的某种联系。奥斯特的思维和实践突破了人类对电与磁认识的局限性。法拉第心系“磁生电”奥斯特发现的电流磁效应，震动了整个科学界，它证实电现象与磁现象是有联系的。有关电与磁关系的崭新研究领域突然洞开在人们面前，激发了科学家们的探索热情。一个接一个的新发现，像浪潮一样冲击着欧洲大陆，也激励着英国的科学界。电流磁效应的发现引起了这种对称性的思考：既然电流能够引起磁针的运动，那么为什么不能用磁铁使导线中产生电流呢？法拉第（M.Faraday,1791—1867）图4.1-1小磁针一定受到载流导线对它的作用力！3第四章电磁感应图4.1-2法拉第用过的线圈人们早就认识了磁化现象，知道磁体能使附近的铁棒产生磁性。人们还知道，带电体能使它附近的导体感应出电荷来。英国科学家法拉第敏锐地觉察到：磁与电之间也应该有类似的“感应”，并在1822年的一篇日记中留下了“由磁产生电”这样闪光的思想。法国物理学家安培也曾将恒定电流或磁铁放在导体线圈附近，试图“感应”出电流，种种尝试均无所获。瑞士人科拉顿的实验研究也遗憾地与成功擦肩而过。只有法拉第依然魂牵梦绕，就像他后来所说的那样：“从通常的磁获得电的希望，曾在各个时期促使我通过实验进行考察……”然而道路并不平坦。他于1822年12月、1825年11月和1828年4月做过三次集中的实验研究，然而均以失败告终。原因在于，法拉第认为，既然奥斯特的实验表明有电流就会有磁场，那么有了磁场就一定会有电流。于是，他在这些实验中使用恒定电流产生的磁场，看看这样的磁场是不是会在某个电路中产生感应电流。多次失败后，1831年8月29日，他终于发现了电磁感应现象：把两个线圈绕在同一个铁环上（图4.1-2），一个线圈接到电源上，另一个线圈接入“电流表”，在给一个线圈通电或断电的瞬间，另一个线圈中也出现了电流。寻找10年之久的“磁生电”的效应终于被发现了。成功属于坚持不懈的有心人！法拉第从此茅塞顿开，立即领悟到，“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。于是他设计并动手做了几十个实验，深藏不露的各种“磁生电”的现象喷涌而出。法拉第把引起电流的原因概括为五类，它们都与变化和运动相联系，这就是：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。他把这些现象定名为电磁感应（electromagneticinduction），产生的电流叫做感应电流（inductioncurrent）。电磁感应的发现使人们对电与磁内在联系的认识更加完善，宣告了电磁学作为一门统一学科的诞生。当奥斯特发现电流的磁效应时，法拉第曾赞扬道：“它突然打开了科学中一个黑暗领域的大门，使其充满光明。”看来这样的荣誉应由他们共享。科学足迹一、科学发现的启迪诺贝尔奖获得者汤川秀树曾说，对以往知识的熟知和对新鲜事物及其发展前景的敏感，是一个人的创造力的源泉。奥斯特在18世纪末和19世纪初去德国、法国游学时，与当时欧洲的科学家进行了广泛的交流，这无疑使他扩展了科学视野。法拉第应《哲学杂志》之约，自1821年夏天开始撰写题为《电磁学的历史概要》的述评，于是他认真研究了奥斯特、安培等人的工作，阅读了大量文献。他正是从这时开始了寻求电磁感应的智力思考和实验探索。这不正是“对以往知识的熟知和对新鲜4高中物理选修3-2事物及其发展前景的敏感”吗？历史表明，科学研究的真正魅力在于它的非功利性，然而大多数具有社会责任感的科学家都会将自己的发现、发明与人类的利益和命运联系起来。法拉第发现电磁感应之后，曾为此举行一次科学普及讲座，当时在场的英国财政大臣问道：“它到底有什么用呢？”法拉第认真地回答说：“啊，阁下，也许要不了多久你就可以对它收税了。”这段话后来成为关于科学成就与经济发展、社会进步关系的千古美谈。科学史上许多重要的发现和发明，常被人们有意无意地罩上神秘的光环，似乎科学家都是能呼风唤雨的魔术师。但是我们在这里看到，具有闪光思维的奥斯特和法拉第，在做出伟大发现的过程中也受着历史局限性的束缚，也有过“可笑”的疏忽与失误。他们是伟大的，但并不是高不可攀的。麦克斯韦曾就法拉第的著作说道：“他既告诉我们成功的经验，也告诉我们不成功的经验；既告诉我们那些成熟的想法，也告诉我们那些粗糙的想法。读者的能力可能远不及他，但是感到的共鸣却常常多于钦佩，并且会引起这样一种信念：如果自己有这样的机会，也会成为一个发现者。”二、伟大的科学家法拉第法拉第出生于英国的一个铁匠家庭，曾经在装订工厂当过学徒。他利用这个条件，读了很多科学书籍，从中获得了丰富的知识。他喜欢做实验，还积极参加科学报告会。1813年，22岁的法拉第毛遂自荐，成了著名化学家戴维的助理实验员。法拉第生活的时代，正值第一次工业革命完成。蒸汽机的应用催生了资本主义大工业，人类进入了工业文明时代，电力应用的前景已经初见端倪。这是一个需要巨人并产生巨人的时代。法拉第看到，伏打电池昂贵、产生的电流小，而自然界中的天然磁石比较丰富。如果可以由磁产生电，就能获得廉价的电力。他说：“我因为对当时产生电的方法感到不满意，因此急于发现磁与感应电流的关系，觉得电学在这条路上一定可以充分发展”。法拉第能够发现电磁感应现象，是因为他坚信各种自然现象是相互关联的，各种自然力是统一的、“不可毁灭的”、可以互相转化的。法拉第通过广泛的实验研究，寻找电与磁、电与化学、光与磁、电磁场与物质等的可能联系，试图描绘一幅统一的物理世界的图画。法拉第还几次试图从实验上发现重力与电、重力与热之间可能存在的关系。他指出：“有一个古老而不可改变的信念，即自然界的一切力都彼此有关，有共同的起源，或者是同一种基本力的不同表现形式。这种信念常常使我想到在实验上证明重力与电力之间联系的可能性。”在类似思想的指引下，现代物理学家仍在不懈地探索自然界不同相互作用的统一的规律。法拉第还认为，电磁相互作用是通过介质来传递的，并把这种介质叫做“场”，他以惊人的想像力创造性地用“力线”（即现代物理学说的磁感线和电场线）形像地描述“场”的物理图景。法拉第在一生的探索中遭遇了多次失败。在他当年的日记中，“未显示作用”“毫无反应”“不行”等词语，记录着艰苦的探索历程。几十年的经历使他在晚年感叹道：“……就是最有成就的科学家，得以实现的建议、5第四章电磁感应图4.2-2磁铁插入、抽出或停在线圈中时，电流表指针如何动作？猜想、愿望和初步判断，也不到十分之一”。法拉第谢绝了皇家学会会长、皇家研究院院长、伦敦大学教授等职位和头衔，也不肯接受贵族爵位。1867年8月25日，法拉第坐在书房的椅子上平静地离开了人世。他的学生和朋友丁铎尔（J.Tyndall，1820—1893）在《作为一个发现者的法拉第》一书中感慨地写道：“在他的眼中，华丽的宫廷和布拉顿高原上的雷雨比起来，算得了什么？皇家的一切器具，和落日比较起来，又算什么？我之所以说出雷雨和落日，因为这些现象在他的心里，都可以挑起一种狂喜……”法拉第把一生献给了科学事业。生活在电气化时代的我们，应该永远缅怀他。阅读这篇文章后，可以谈谈你对以下问题的看法。1.科学家对自然现象、自然规律的某些“信念”，在科学发现中起着重要作用吗？2.教科书、科学论文等，是不是应该把科学发现中的失败与挫折也表现出来？问题与练习1.学习初中物理时，你做过的哪些实验说明电现象与磁现象之间是有联系的？2.通过初中物理的学习，你认为电路中产生感应电流的条件是什么？22探究电磁感应的产生条件我们在初中已经学过，当闭合电路的一部分做切割磁感线的运动时，电路中会产生感应电流（图4.2-1）。还有哪些情况可以产生感应电流？实验观察1.向线圈中插入磁铁，把磁铁从线圈中抽出如图4.2-2，把磁铁的某一个磁极向线圈中插入、从线圈中抽出，或静止地放在线圈中。图4.2-1导体切割磁感线，产生感应电流。ABv←←←←←6高中物理选修3-2磁铁的动作表针的摆动方向磁铁的动作表针的摆动方向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N极从线圈中抽出S极从线圈中抽出图4.2-3用开关或变阻器控制一个线圈中的电流，能够在另一个线圈中产生感应电流吗？AＢ观察电流表的指针，把观察到的现象记录在下面的表格中。开关和变阻器的状态线圈B中是否有电流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，迅速移动滑动变阻器的滑片在这个实验中，什么情况下能够产生感应电流？2.模仿法拉第的实验如图4.2-3，线圈A通过变阻器和开关连接到