高二物理 (人教大纲版)第二册 第十六章 电磁感应 二、法拉第电磁感应定律──感应电动势的大小(备课

高二物理（人教大纲版）第二册第十六章电磁感应二、法拉第电磁感应定律──感应电动势的大小(备课资料)
一、法拉第生平简介
法拉第(Faraday,Michael， 1791年9月22日~1867年8月25日,英国)出生于英国伦敦一个贫寒的铁匠家庭,小时候难得温饱,只受过一点点“读、写、算的启蒙教育”，便没有机会上学.据他自己后来说：“1804年我十三岁时，进入一家售书兼装订书的商店，在那里待了八年，主要时间是装订书籍.我就是在工作之余，从这些书里开始找到我的哲学.这些书中有两部对我特别有帮助，一是《大英百科全书》，我从它那里第一次得到电的概念；另一部是马塞夫人（Mrs Marcet)的《化学谈话》，它给了我这门科学基础.”他甚至省吃俭用，买点器具自己做简单的化学和电学实验.
1810年，他经人介绍参加“市哲学会”，该会领导人塔特姆（Tatum,J.)每周讲一次自然哲学，内容包括电学、力学、光学、化学、天文学、实验…等,并向与会者开放他的图书.法拉第共听了十二讲,在此受到了初步的科学教育.有一次,店里的顾客给了他一张票,去听皇家研究院主任戴维(Davy,H.1778~1829,英)教授讲化学,他仔细听讲、做笔记,并整理出来向市哲学会传达.
1812年10月,他学徒期满,给人做装订工,试用时关系不好,不久就失业.这时,戴维因做化学实验炸伤了眼睛,法拉第被推荐给他当了一段时间的抄写员.一方面因为生活困难,另一方面也由于向往科学,他把他听戴维演讲时整理的笔记,送给戴维,请求戴维帮他在皇家研究院安排一个工作.戴维对他很满意,但一时无法帮助他.到次年2月,皇家研究院空出一个助手职位,戴维立即派人去找法拉第.于是在1813年3月1日,法拉第就开始做戴维的助手,在实验室干杂事.
1813年10月,戴维应邀到欧洲大陆各国作学术访问,带法拉第同行.在欧洲大陆一年半,戴维会见了当时很多著名科学家,谈到了科学各领域里的许多问题,使法拉第大开眼界,他如饥似渴地吸收各种新知识.1815年4月回到伦敦后,在戴维的指导和鼓励下,法拉第专心致志地工作和学习,很快就成长起来,能独立地在科学前线做研究工作，开始是研究化学.从1816年到1819年,共发表了三十七篇论文,到1820年,已是一位小有名气的化学家了.大约在1821年初,他开始研究电磁学,同年9月发明电动机;十年后发现电磁感应和发明发电机,并提出磁场的概念.
法拉第于1824年成为英国皇家学会会员,1825年任皇家研究院实验室主任,1833年升为教授.他在实验室工作了近五十年,在电磁学、光学和化学等领域里都做出了许多极为重要的贡献,曾两度获得英国皇家学会的奖章.从1820年9月起到1862年3月止,他对所从事的实验研究工作都有详细的记录;这些记录,他遗赠给皇家研究院,经后人整理出版,共七大卷,三千多页,这就是有名的《法拉第日记》，他在实验上的重要发现,都可以在其中找到.此外,他所发表的关于电磁学的论文,汇成三大卷《电学的实验研究》,是电磁学历史上的巨著.
法拉第还热心科学普及工作,从1825年开始,为了筹措研究经费和普及科学知识,他创办了星期五晚间的演讲,到他退休为止,他共讲了一百多次,对英国上层社会的科学教育起了重要作用.还有,他为青少年作的圣诞演讲,有些也很著名,如1860年~1861年讲的《蜡烛的故事》就曾被译成多种文字(我国上海少年儿童出版社于1962年出版了汉译本).
法拉第为人和蔼、文雅、谦虚而自尊,热爱大自然的美,过着简单而朴素的生活.他多次谢绝升官发财的机会,全心全意地把自己的一生奉献给科学研究事业.三十岁时,与市哲学会一位会员的妹妹结婚,夫人贤惠,婚姻美满,但没有孩子.由于他在科学上的伟大贡献,1858年,维多利亚女王赐给他一栋房子,他就在此安度晚年.
一个出身很苦,没有受过正规教育的人,经过自己的努力,登上了当时科学的最高峰,创造了丰功伟绩,对人类做出了巨大贡献,这在历史上是少有的.法拉第是不朽的.
为了纪念他对电磁学做出的贡献,1881年在巴黎召开的第一届国际电学会议决定,用他的姓氏作为电容的单位.
二、韦伯
威廉·爱德华·韦伯（Wilhelm Eduard Weber)1804年10月14日生于德国维藤堡大学的一位神学教授家庭.1828年在一次德国科学大会上由于宣读题为“风琴拍频的补偿”的文章，受到科学家洪堡和高斯的注意.1831年被洪堡和高斯推荐担任格丁根大学物理教授，接替即将病故的迈耶教授职务，并从此开始与高斯合作研究电磁学.1832年，高斯在韦伯协助下提出了磁学量的绝对单位.1833年，他们发明了第一台有线电报机.
韦伯在电磁学上的贡献是多方面的.为了进行研究,他发明了许多电磁仪器.1841年发明了既可测量地磁强度又可测量电流强度的绝对电磁学单位的双线电流表;1846年发明了既可用来确定电流强度的电动力学单位又可用来测量交变电流功率的电功率表;1853年发明了测量地磁强度垂直分量的地磁感应器.
韦伯在建立电学单位的绝对测量方面卓有成效.他提出了电流强度、电荷量和电动势的绝对单位和测量方法；根据安培的电动力学公式提出了电流强度的电动力学单位；还提出了电阻的绝对单位.韦伯与柯尔劳施合作测定了电荷量的电磁单位对静电单位的比值,发现这个比值等于3×108 m/s,接近于光速.但是他们没有注意到这个联系.
1891年6月23日,韦伯在格丁根去世.
三、感应电动势的本质
在电磁感应现象中,由于引起磁通量变化的原因不同,产生的感应电动势的机理也不同,按非静电力的本质分为两种:一种是磁场不变,导体运动引起磁通量变化而产生的感应电动势,这种电动势叫做动生电动势.另一种是导体不动,由于磁场变化引起磁通量变化而产生的感应电动势,这种电动势叫做感生电动势.
(1)动生电动势
导线在磁场中运动时产生的动生电动势,是由于导体中自由电子受到洛伦兹力的作用引起的.
如图所示,在匀强磁场B中,一段直导线CD以速度v做平动运动.这时导线带动其中的自由电子以速度v运动,导线中每个电子受到的洛伦兹力为
F=evB
F的方向竖直向下.在力F的作用下,自由电子沿导线向下运动,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.结果导体上端的电势高于下端的电势,形成由上端D指向下端C的静电场.这个电场对导体中电子的静电力F′向上,与洛伦兹力的方向相反.这两个力互相平衡时,电子不再向下运动,这时导体两端就有了一定的电势差,这就是感应电动势.
如果用另外的导线把CD两端连接起来,连接导线中的自由电子便在静电力的作用下定向移动形成电流,这就是感应电流.自由电子沿连接导线的定向移动使CD两端积累的电荷减
少,洛伦兹力又不断地使电子向下移动,从而在CD两端维持一个稳定的电动势.这里,形成电动势的非静电力是洛伦兹力.
(2)感生电动势
导线不动,磁场随时间变化时在导线中产生的感应电动势叫感生电动势.
由于导线不动,不可能有洛伦兹力作用于导体中的电子.但是麦克斯韦指出,变化的磁场在周围空间产生涡旋电场.涡旋电场对电荷也有力的作用,正是这种涡旋电场使导体中产生感生电动势.也就是说,涡旋电场产生的电场力作为一种非静电力在导体中产生感生电动势.
(3)动生电动势与感生电动势
一般情况下的感应电动势既有动生电动势也有感生电动势.
我们利用洛伦兹力的概念,动生电动势的现象得到了满意的解释.感生电动势是一种新的现象,电磁感应现象中特别重要的是发现感生电动势,发现随时间变化的磁场能产生涡旋电场.
动生电动势与感生电动势本质不同,但有时把感应电动势区分为动生和感生两类与参考系的选择有关.一个常见的例子是:条形永磁体插入闭合线圈,线圈出现感应电动势.以线圈为参考系(实验室参考系),则感应电动势是由于线圈中的磁场随时间变化产生涡旋电场所致，这是感生电动势.以永磁体为参考系(运动参考系),则观察到线圈向永磁体运动,线圈中的感应电动势是洛伦兹力产生的, 这是动生电动势.。