吴永明——专题 电磁感应与电路的分析

专题电磁感应与电路的分析
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考点预测
本专题包含以“电路”为核心的三大主要内容：一是以闭合电路欧姆定律为核心的直流电路的相关知识，在高考中有时以选择题的形式出现，如2009年全国理综卷Ⅱ第17题、天津理综卷第3题、江苏物理卷第5题，2007年上海物理卷第3(A)题、宁夏理综卷第19题、重庆理综卷第15题等；二是以交变电流的产生特点以及以变压器为核心的交变电流的知识，在高考中常以选择题的形式出现，如2009年四川理综卷第17题、广东物理卷第9题，2008年北京理综卷第18题、四川理综卷第16题、宁夏理综卷第19题等；三是以楞次定律及法拉第电磁感应定律为核心的电磁感应的相关知识，本部分知识是高考中的重要考点，既有可能以选择题的形式出现，如2009年重庆理综卷第20题、天津理综卷第4题，2008年全国理综卷Ⅰ第20题、全国理综卷Ⅱ第21题、江苏物理卷第8题等，也有可能以计算题的形式出现，如2009年全国理综卷Ⅱ第24题、四川理综卷第24题、北京理综卷第23题，2008年全国理综卷Ⅱ第24题、北京理综卷第22题、江苏物理卷第15题等．
在2010年高考中依然会出现上述相关知识的各种题型，特别是电磁感应与动力学、功能问题的综合应成为复习的重点．
要点归纳
一、电路分析与计算
1．部分电路总电阻的变化规律
(1)无论是串联电路还是并联电路，其总电阻都会随其中任一电阻的增大(减小)而增大(减小)．
(2)分压电路的电阻．如图5－1所示，在由R 1和R 2组成的分压电路中，当R 1串联部分的阻值R AP 增大时，总电阻R AB 增大；当R AP 减小时，总电阻R AB 减小．
图5－1
(3)双臂环路的阻值．如图5－2 所示，在由R 1、R 2和R 组成的双臂环路中，当AR 1P 支路的阻值和AR 2P 支路的阻值相等时，R AB 最大；当P 滑到某端，使两支路的阻值相差最大时，R AB 最小．
图5－2 2．复杂电路的简化
对复杂电路进行简化，画出其等效电路图是正确识别电路、分析电路的重要手段．常用的方法主要有以下两种．
(1)分流法(电流追踪法)：根据假设的电流方向，分析电路的分支、汇合情况，从而确定元件是串联还是并联．
(2)等势法：从电源的正极出发，凡是用一根无电阻的导线把两点(或几点)连接在一起的，这两点(或几点)的电势就相等，在画等效电路图时可以将这些点画成一点(或画在一起)．等电势的另一种情况是，电路中的某一段电路虽然有电阻(且非无限大)，但无电流通过，则与该段电路相连接的各点的电势也相等．
若电路中有且只有一处接地线，则它只影响电路中各点的电势值，不影响电路的结构；若电路中有两处或两处以上接地线，则它除了影响电路中各点的电势外，还会改变电路的结构，各接地点可认为是接在同一点上．另外，在一般情况下，接电流表处可视为短路，接电压表、电容器处可视为断路．
3．欧姆定律
(1)部分电路欧姆定律：公式I ＝U R
． 注意：电路的电阻R 并不由U 、I 决定．
(2)闭合电路欧姆定律：公式I ＝E R ＋r
或E ＝U ＋Ir ，其中U ＝IR 为路端电压． 路端电压U 和外电阻R 、干路电流I 之间的关系：R 增大，U 增大，当R ＝∞时(断路)，
I ＝0，U ＝E ；R 减小，U 减小，当R ＝0时(短路)，I ＝I max ＝E r
，U ＝0． (3)在闭合电路中，任一电阻R i 的阻值增大(电路中其余电阻不变)，必将引起通过该电阻
的电流I i 的减小以及该电阻两端的电压U i 的增大，反之亦然；任一电阻R i 的阻值增大，必将引起与之并联的支路中电流I 并的增大，与之串联的各电阻两端电压U 串的减小，反之亦然．
4．几类常见的功率问题
(1)与电源有关的功率和电源的效率
①电源的功率P ：电源将其他形式的能转化为电能的功率，也称为电源的总功率．计算
式为P ＝EI (普遍适用)或P ＝E 2
R ＋r
＝I 2(R ＋r )(只适用于外电路为纯电阻的电路)． ②电源内阻消耗的功率P 内：电源内阻的热功率，也称为电源的损耗功率．计算式为P 内＝I 2r ．
③电源的输出功率P 出：是指外电路上消耗的功率．计算式为P 出＝U 外I (普遍适用)或P
出＝I 2R ＝E 2R (R ＋r )2
(只适用于外电路为纯电阻的电路)．电源的输出功率曲线如图5－3所示．当R →0时，输出功率P →0；当R →∞时，输出功率P →0；当R ＝r 时， P max ＝E 2
4r
；当R ＜r 时，R 增大，输出功率增大；当R ＞r 时，R 增大，输出功率反而减小．
图5－3
对于E 、r 一定的电源，外电阻R 一定时，输出功率只有唯一的值；输出功率P 一定时，一般情况下外电阻有两个值R 1、R 2与之对应，即R 1＜r 、R 2＞r ，可以推导出R 1、R 2的关系为R 1R 2＝r ．
④功率分配关系：P ＝P 出＋P 内，即EI ＝UI ＋I 2r ．
闭合电路中的功率分配关系反映了闭合电路中能量的转化和守恒关系，即电源提供的电能一部分消耗在内阻上，另一部分输出给外电路，并在外电路上转化为其他形式的能．能量守恒的表达式为EIt ＝UIt ＋I 2rt (普遍适用)或EIt ＝I 2Rt ＋I 2rt (只适用于外电路为纯电阻的电路)．
⑤电源的效率：η＝UI EI ×100%＝U E
×100% 对纯电阻电路有：
η＝I 2R I 2(R ＋r )×100%＝R R ＋r ×100%＝11＋r R
×100% 因此当R 增大时，效率η提高．
(2)用电器的额定功率和实际功率
用电器在额定电压下消耗的电功率叫额定功率，即P 额＝U 额I 额．用电器在实际电压下消耗的电功率叫实际功率，即P 实＝U 实I 实．实际功率不一定等于额定功率．
(3)用电器的功率与电流的发热功率
用电器的电功率P ＝UI ，电流的发热功率P 热＝I 2R ．对于纯电阻电路，两者相等；对于非纯电阻电路，电功率大于热功率．
(4)输电线路上的损耗功率和输电功率
输电功率P 输＝U 输I ，损耗功率P 线＝I 2R 线＝ΔUI ．
5．交变电流的四值、变压器的工作原理及远距离输电
(1)交变电流的四值
交变电流的四值即最大值、有效值、平均值和瞬时值．交变电流在一个周期内能达到的最大数值称为最大值或峰值，在研究电容器是否被击穿时，要用到最大值；有效值是根据电流的热效应来定义的，在计算电路中的能量转换如电热、电功、电功率或确定交流电压表、交流电流表的读数和保险丝的熔断电流时，要用有效值；在计算电荷量时，要用平均值；交
变电流在某一时刻的数值称为瞬时值，不同时刻，瞬时值的大小和方向一般不同，计算电路中与某一时刻有关的问题时要用交变电流的瞬时值．
(2)变压器电路的分析与计算
①正确理解理想变压器原、副线圈的等效电路，尤其是副线圈的电路，它是解决变压器电路的关键．
②正确理解电压变比、电流变比公式，尤其是电流变比公式．电流变比对于多个副线圈不能使用，这时求电流关系只能根据能量守恒来求，即P 输入＝P 输出．
③正确理解变压器中的因果关系：理想变压器的输入电压决定了输出电压；输出功率决定了输入功率，即只有有功率输出，才会有功率输入；输出电流决定了输入电流．
④理想变压器只能改变交流的电流和电压，却无法改变其功率和频率．
⑤解决远距离输电问题时，要注意所用公式中各量的物理意义，画好输电线路的示意图，找出相应的物理量．
二、电磁感应的规律
1．感应电流的产生条件及方向的判断
(1)产生感应电流的条件(两种说法)
①闭合回路中的一部分导体做切割磁感线运动．
②穿过闭合回路的磁通量发生变化．
(2)感应电流方向的判断
①右手定则：当导体做切割磁感线运动时，用右手定则判断导体中电流的方向比较方便． 注意右手定则与左手定则的区别，抓住“因果关系”：“因动而电”，用右手定则；“因电而动”，用左手定则．还可以用“左因右果”或“左力右电”来记忆，即电流是原因、受力运动是结果的用左手定则；反之，运动是原因、产生电流是结果的用右手定则．
②楞次定律(两种表述方式)
表述一：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化．
表述二：感应电流的作用效果总是要反抗引起感应电流的原因．
楞次定律是判断感应电流方向的一般规律．当磁通量的变化引起感应电流时，可用“楞次定律表述一”来判断其方向．
应用楞次定律的关键是正确区分涉及的两个磁场：一是引起感应电流的磁场；二是感应电流产生的磁场．理解两个磁场的阻碍关系——“阻碍”的是原磁场磁通量的变化．从能量转化的角度看，发生电磁感应现象的过程就是其他形式的能转化为电能的过程，而这一过程总要伴随外力克服安培力做功．
“阻碍”的含义可推广为三种表达方式：阻碍原磁通量的变化(增反减同)；阻碍导体的相对运动(来拒去留)；阻碍原电流的变化(自感现象)．
2．正确理解法拉第电磁感应定律
(1)法拉第电磁感应定律
①电路中感应电动势的大小跟穿过这一回路的磁通量的变化率成正比，即E ＝n ΔΦΔt
．此公式计算的是Δt 时间内的平均感应电动势．
②当导体做切割磁感线运动时，其感应电动势的计算式为：E ＝BL v sin θ，式中的θ为B 与v 正方向的夹角．若v 是瞬时速度，则算出的是瞬时感应电动势；若v 为平均速度，则算出的是平均感应电动势．
①长为L 的导体棒沿垂直于磁场的方向放在磁感应强度为B 的匀强磁场中，且以ω匀速转动，导体棒产生的感应电动势为：
当以中点为转轴时，E ＝0(以中点平分的两段导体产生的感应电动势的代数和为零)；
当以端点为转轴时，E ＝12BωL 2(平均速度取中点位置的线速度，即12
ωL )； 当以任意点为转轴时，E ＝12
Bω(L 12－L 22)(不同的两段导体产生的感应电动势的代数和)． ②面积为S 的矩形线圈在磁感应强度为B 的匀强磁场中以角速度ω绕线圈平面内的垂直于磁场方向的轴匀速转动，矩形线圈产生的感应电动势为：
线圈平面与磁感线平行时，E ＝BSω；
线圈平面与磁感线垂直时，E ＝0；
线圈平面与磁感线的夹角为θ时，E ＝BSωcos θ．
(3)理解法拉第电磁感应定律的本质
法拉第电磁感应定律是能的转化和守恒定律在电磁学中的一个具体应用，它遵循能量守恒定律．闭合电路中电能的产生必须以消耗一定量的其他形式的能量为代价，譬如：线圈在磁场中转动产生电磁感应现象，实质上是机械能转化为电能的过程；变压器是利用电磁感应现象实现了电能的转移．运用能量的观点来解题是解决物理问题的重要方法，也是解决电磁感应问题的有效途径．
三、电磁感应与电路的综合应用
电磁感应中由于导体切割磁感线产生了感应电动势，因此导体相当于电源．整个回路便形成了闭合电路，由电学知识可求出各部分的电学量，而导体因有电流而受到安培力的作用，从而可以与运动学、牛顿运动定律、动量定理、能量守恒等知识相联系．电磁感应与电路的综合应用是高考中非常重要的考点。