1、电磁场与电磁波电磁场与电磁波 模块三 磁场与电磁感应 课题一 磁的基础知识 一、磁场与磁感线 （一）磁场 1概念：在磁体周围存在的一种人眼看不到的物质，它虽然看不见，摸不到，但确实是实际存在的。 【验证】我们就是通过磁体间有相互作用力而得出的结论。如果没有这种物质，两磁体靠近时根本不会产生力的作用。 2磁场的基本性质 【结论】磁场对放入其中的磁体产生磁力的作用。 【应用】利用磁场的基本性质我们可以判断某一空间是否存在磁场。如果将小磁针放到某空间，它的偏转方向没有改变，则该空间没有磁场，如果发生了改变，则这个空间一定存在磁场。 3磁场方向 【规定】这个力使得小磁针的N极与S极的受力方向正好相反，
2、所以我们规定小磁针的N极所受力的方向为磁场方向。 （二）磁感线 1、【磁感线的概念】为了形象地描述磁场，在物理学中，用一些有方向的曲线把磁场的分布情况描述下来，这些曲线就是磁感线。 磁感线也可直观地反映磁场的强弱和方向，磁感线的疏密程度表示磁场的强弱，磁感线上每一点的切线方向与改点的磁场方向相同。表示越密处，磁感应强度大、磁场强若磁感应强度大小和方向处处相同，称为匀强磁场 2、条形、蹄形磁休的磁场分布 参见P65页图3-8 3、画磁感线时应注意的问题】 （1）磁感线只是帮助我们描述磁场，是假想的，实际并不存在； （2）磁感线存在于磁体周围的整个空间里； （3）任何两条磁感线都不能相交； （4）
3、磁感线可以用虚线画，也可以用实线画，但必须有方向。 二、电流的磁场 （一）奥斯特实验： 1、实验： 2、表明：通电导体周围存在着磁场 3、电流磁场的方向与导线上电流的方向有关。 （二）通电螺线管的磁场： 1、通电螺线管外部的磁场和条形磁体的磁场一样，即通电螺线管的两端相当于条形磁体的两个磁极。 2、通电螺线管两端的极性跟螺线管中电流方向有关，磁性的强弱与电流的大小有关。 （三）安培定则： 1、作用：可以判定通电螺线管的磁性与电流方向的关系。 2、内容：用右手握住螺线管，让四指弯向螺线管中电流的方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的北极。 3、判断方法： （1）标出螺线管上电流的环绕方向。 （2）
4、用右手握住螺线管，让四指弯向电流的方向。 （3）则大拇指所指的那端就是通电螺线管的北极。 （四）电磁铁： 1、定义：内部插有铁芯的通电螺线管叫做电磁铁。 2、工作原理：电磁铁是根据电流的磁效应和通电螺线管中插入铁芯后磁场大大增强的原理工作的。 3、特点： （1）可以通过电流的通断，来控制其磁性的有无。 （2）可以通过改变电流的方向，来改变其磁极的极性。 （3）可以通过改变电流的大小或匝数的多少来控制其磁性的强弱。 教学参考 奥斯特 丹麦物理学家，电流磁效应的发现者。1777年8月14日生于丹麦鲁兹克宾城的一个药剂师家庭，1794年考入哥本哈根大学，1799年获哲学博士学位。18011803年间
5、他先后到德国和法国游学，1806年他担任哥本哈根大学物理学教授，1824年，他倡议成立丹麦自然科学促进会，1829年出任哥本哈根理工学院院长，直到1851年3月9日在哥本哈根逝世。奥斯特从事物理学和化学许多方面的研究，主要贡献是发现电流磁效应。自从库仑根据电荷可以传导，磁荷不能传导的事实断定电和磁是不相同的实体以后，当时的一些物理学家都认为电和磁不会有任何联系。奥斯特在康德的哲学思想引导下，坚信电力和磁力有着共同的根源。他从1807年开始研究电和磁的关系，受1751年富兰格斯所证明的莱顿瓶放电使钢针磁化的事实启发，认识到电向磁转化不是不可能的，他决心要把这种可能变为现实。 1820年4月的一天
6、晚上，他在做讲座快要结束时，发现接上电池的导线附近的磁针发生大的振动，他感到十分震惊，他把电流方向倒过来，磁针朝相反方向偏转。他完全 楞住了，并紧紧抓住了这一现象，苦苦进行了连续3个多月的研究，做了60多个实验，终于在1820年7月21日发表了题为关于磁针上电流碰撞的实验的论文。他向科学界宣布了“电流的磁效应“：一根通电的导线会绕磁极旋转；反之，一个磁铁会绕一根固定的导线旋转。奥斯特发现的这种向旋转力，与当时已知的诸如万有引力、静电力和磁力都沿纵向直线进行的作用方式截然不同。他的发现为制造电动机奠定了理论基础。 奥斯特20年前的信念，终于靠一次偶然的发现在一夜之间得到证实。对此拉格朗日说过：“
7、这样的偶然性仅仅被那些理应得到它们的人碰上。”机遇属于有准备的头脑。 什么是电磁铁 人们在通电螺线管中插入铁芯，发现通电螺线管的磁性加强，这种带铁芯的通电螺线管叫电磁铁.电磁铁使用很广泛。人们根据需要制造出各种型号的电磁铁，有的利用它自动控制电路的接通和断开；有的利用它自动控制电器的工作；有的利用它自动控制磁性的强弱，有的利用它自动改变磁场的方向 三、安培力和磁感应强度 （一）安培力 1、磁场对电流的作用-安培力 用条形磁铁可以在一定的距离内吸起较小质量的铁块，巨大的电磁铁却 能吸起成吨的钢块，表明磁场有强有弱，如何表示磁场的强弱呢？我们利用磁场对电流的作用力安培力来研究磁场的强弱 2、安培力
8、的大小 利用演示实验装置，研究安培力大小与哪些因素有关 （1）与电流的大小有关 保持导线在磁铁中所处的位置及与磁场方向不变，通过移动滑动变阻器触头改变导线中电流的大小 请学生观察实验现象导线摆动的角度大小随电流的改变而改变，电流大，摆角大；电流小，摆角小 实验结论：垂直于磁场方向的通电直导线，受到磁场的作用力的大小眼导线中电流的大小有关，电流大，作用力大；电流小，作用力也小 （2）与通电导线在磁场中的长度有关 保持导线在磁铁中所处的位置及方向不变，电流大小也不变，改变通电电流部分的长度学生观察实验现象导线摆动的角度大小随通电导线长度而改变，导线长、摆角大；导线短，摆角小 实验结论：垂直于磁场方
9、向的通电直导线，受到的磁场的作用力的大小限通电导线在磁场中的长度有关，导线长、作用力大；导线短，作用力小 （3）与导线在磁场中的放置方向有关 保持电流的大小及通电导线的长度不变，改变导线与磁场方向的夹角，当夹角为0时，导线不动，即电流与磁场方向平行时不受安培力作用；当夹角增大到90的过程中， 导线摆角不断增大，即电流与磁场方向垂直时，所受安培力最大；不平行也不垂直时，安培力大小介于 和最大值之间 总结归纳以上实验现象，用L表示通电导线长度，I表示电流，保持电流和磁场方向垂直，通电导线所受的安培力大小F=BIL 3、安培力的方向 安培力的方向如何呢？还过前面的演示实验现象可知，通电导线在磁场中受
10、到的安培力方向跟导线中的电流方向、磁场方向都有关系人们通过大量的实验研究，总结出通电导线受安培力方向和电流方向、磁场方向存在着一个规律左手定则 左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且跟手掌在同一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线穿入手心，并使伸开的四指指向电流方向，那么，拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向 （二）磁感应强度 由F=BIL变形可得到B的物理意义为：通电导线垂直置于磁场同一位置，B值保持不变；若改变通电导线的位置，B值随之改变表明B值的大小是由磁场本身的位置决定为对于电流和长度相同的导线，放置在B值大的位置受的安培力F也大，表明磁场强放在B值小的位置受的安
11、培力F也小，表明磁场弱因而我们可以用比值 来表示磁场的强弱把它叫做磁感应强度 （1）定义：磁感应强度 ，永磁铁磁极附近的磁感应（2）单位：特斯拉，符号为T 常见的地磁场磁感应强度大约是 强度大约是 课题二 电磁感应 一、电磁感应现象 1、只要穿过闭合回路的磁通量发生变化，闭合回路中就有电流产生，这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应现象。产生的电流叫做感应电流 2、产生感应电流的条件：只要闭合回路中磁通量发生变化即0，闭合电路中就有感应电流产生。 3、产生感应电动势的条件:无论回路是否闭合,只要穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中就有感应电动势产生,产生感应电动势的那部分导体相当于电源. 电磁感应现
12、象的实质是产生感应电动势,如果回路闭合,则有感应电流,如果回路不闭合，则只能出现感应电动势， 二、感应电流的方向 1.右手定则:伸开右手，使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，手掌所在平面跟磁感线和导线所在平面垂直，大拇指指向导线运动的方向, 四指所指的方向即为感应电流方向(电源). 用右手定则时应注意：主要用于闭合回路的一部分导体做切割磁感线运动时，产生的感应电动势与感应电流的方向判定。 2.楞次定律(判断感应电流方向)：感应电流具有这样的方向，感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的 磁通量的变化 楞次定律判定感应电流方向的一般步骤基本思路可归结为：“一原、二感、
13、三电流”， 明确闭合回路中引起感应电流的原磁场方向如何； 确定原磁场穿过闭合回路中的磁通量如何变化(是增还是减) 根据楞次定律确定感应电流磁场的方向 三、法拉第电磁感应定律 1、定律内容：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发生电磁感应现象的这部分电路就相当于电源，在电源的内部电流的方向是从低电势流向高电势。(即：由负到正) 2、表达式：E=-n/t 感应电动势取决于磁通量变化的快慢/t (即磁通量变化率)和线圈匝数nB/t是磁场变化率 课题三 交流电 一、交变电流的几个基本问题 （1）交变电流的意义 交变电流：大小和方向都随时间作周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流
14、电。 正弦式电流；随时间按正弦规律变化的电流叫做正弦式电流，正弦式电流的图象是正弦曲线，我国市用的交变电流都是正弦式电流。 （2）产生交变电流的基本原理 交变电流的产生，一般都是借助于电磁感应现象得以实现的。因此，可以说，产生交变电流的基本原理，就是电磁感应现象中所遵循的规律法拉第电磁感应定律。 （4）正弦式电流的产生 产生方法：如图所示，将一个平面线圈置于匀强磁场中，并使它绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线圈中就会产生正弦式电流。 中性面：中性面的特点是，线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零；线圈经过中性面时，内部的电流方向要发生改变。 （3）交变电流的规律
15、（以交变电动势为例） 函数形式：N匝面积为S的线圈以角速率转动，从某次经过中性面开始计时， Emei sin t。 则e=NBSsint，用Em表示峰值NBS，则e=Emsint，电流 图象表示如图所示 I-I 二、表征交变电流的物理量 1、周期和频率 交变电流的周期和频率都是描述交变电流变化快慢的物理量。 周期T：交变电流完成一次周期性变化所需的时间，单位是秒（S），周期越大，交变电流变化越慢，在一个周期内，交变电流的方向变化2次。 频率f:交变电流在1s内完成周期性变化的次数，单位是赫兹，符号为Hz，频率越大，交变电流变化越快。 f T关系：2 2、瞬时值、最大值、有效值和平均值 （1）感
16、应电动势瞬时值表达式： 若从中性面开始，感应电动势的瞬时值表达式：e msin t（伏）。 sin t（安） 感应电流瞬时值表达式：i Im 若从线圈平面与磁力线平行开始计时，则感应电动势瞬时值表达式为： e mcos t（伏）。 cos t（安） 感应电流瞬时值表达式：i Im 在计算通电导体或线圈所受的安培力时，应用瞬时值。 （2）交变电流的最大值（以交变电动势为例）。 m交变电动势最大值：当线圈转到穿过线圈的磁通量为0的位置时，取得此值。应强调指出的是， m与线形状无关，与转轴位置无关，其表达式为 m NBS 。在考虑交流电路中电容器耐压值时，应采用最大值。 （3）交变电流的有效值 有效
17、值是根据电流的热效应来规定的，在周期的整数倍时间内（一般交变电流周期较短，如市电周期仅为0，02s，因而对于我们所考察的较长时间来说，基本上均可视 为周期的整数倍），如果交变电流与某恒定电流流过相同电阻时其热效应相同，则将该恒定电流的数值叫做该交变电流的有效值。注意：这是在三个相同下的等效。 正弦交流电的有效值与最大值之间的关系为： m 2 ,Um 2U,Im 2I。 上述关系式只适用于线圈在匀强磁场中相对做匀速转动时产生的正弦交变电流，对于用其他方式产生的其他交变电流，其有效值与最大值间的关系一般与此不同，其它形式的交流电按热效应相同进行计算，利用分阶段计算效变电流一个周期内在某电阻上产生的
18、热量，然后令其与直流电在相同时间内在同一电阻上产生的热量相等，此时直流电的值为交变电流的有效值。这是根据有效值的定义作具体分析。 一般交变电流表直接测出的是交变电流的有效值，一般用电器铭牌上直接标出的是交变电流的有效值，一般不作任何说明而指出的交变电流的数值都是指有效值。 （4）交变电流的平均值 交变电流图象中图象与t轴所围成的面积与时间的比值叫做交变电流的平均值， 平均值是利用 三、变压器 1、是根据电磁感应的原理来改变交流电的电压,变压器工作的基础为互感现象， 2、理想变压器的构造、作用、原理及特征。 构造：两组线圈（原、副线圈）绕在同一个闭合铁心上构成所谓的变压器。 作用：在输送电能的过
19、程中改变电压。 原理：其工作原理是利用了电磁感应现象。 特征：正因为是利用电磁感应现象来工作的，所以变压器只能在输送交变电流的电能过程中改变交流电压。 E n t来进行计算的，计算电量时只能用平均值， 3、理想变压器的基本关系式: 变压比:U12 n12， 电流关系: I1I2 n2n1， 4、理想变压器的理想化条件 理想变压器的理想化条件一般指的是：忽略原、副线圈内阻上的分压，忽略原、副线圈磁通量的差别，忽略变压器自身的能量损耗（实际上还忽略了变压器原、副线圈电路的功率因素的差别）。 理想变压器的规律实质上就是法拉第电磁感应定律和能的转化与守恒定律在上述理想化条件下的新的表现形式。 四、远距
20、离输电 1、关键:减少电功率损失和电压损失 功率损失：远距离输送电能，由于输电线上的电流热效应，电能转化为热能。出 2现功率损失。 P IR。 电压损失：远距离输送电能，线路中电阻R上消耗部分电压。 U IR。 2、方法: a，减小输电导线的电阻,如采用电阻率小的材料;加大导线的横截面积， b，提高输电电压,减小输电电流， 课题四 安全用电 引导学生阅读教材讨论回答下面的问题 （1）触电 问：你们知道触电是怎么回事吗？ 引导学生看课本上的第一个问和答然后教师指出因为人体是导体，人体触及带电体时，有电流通过人体这就是触电 电流对人体的危险性跟电流的大小，通电时间的长短等因素有关 （2）安全电压
21、问：人触电一定会死亡吗？发生触电事故的原因是什么？安全电压值是多少？ 引导学生看课本上的第二个问和答然后让学生讨论下列问题： (a)根据欧姆定律知道，导体中的电流大小跟什么有关？ (b）通过人体的电流大小决定于什么？ (c)安全电压值是多少？ 教师小结： 通过人体的电流大小决定于外加电压和人体的电阻； 安全电压：只有不高于36伏的电压才是安全的； 触电事故是由于过大的电流通过人体而引起的，且通过人体的电流越大，通电的时间越长，越危险 （3）触电的方式：（触电的四种形式） 引导学生看课本的第三个问和答 明确家庭带内陆种的触电事故，都是人体直接或间接跟火线连通造成的 再引导学生观察课本图，并请学生
22、指出图甲和图乙种电流的回路，然后教师指出触电的两种形式： 单线触电（图甲）：站在地上的人触到火线，则电流由火线进入人体到地，经地线形成 回路，造成触电事故 双线触电（图乙）：站在绝缘体上的人若同时触到两根电线时，电流将由火线进入人体到另一根线（零线）而形成回路，造成触电事故 接触触电：触摸带电体而导致的触电 跨步电压触电: 在高压线接触的地面附近，产生了环形的电场。人踩到不同两点电压时引起的触电。 （4）触电后的急救原则 引导学生看课本 1、要使触电者迅速脱离电源。在未切断电源或触电者未脱离电源时，切不可触摸触电者。 2、使触电者迅速脱离电源的方法：拉、切、挑、拽、 垫教师适当做示范 （5）触
23、电后的急救措施 A：人工呼吸法 B：心脏挤压法 （6）安全用电的原则 通过案例分析总结安全用电的注意事项引导出安全用电的原则 不接触：低压带电体 不靠近：高压带电体 （7）发生电气火灾时 引导学生看课本知道 1.立即切断电源。 2. 无法切断电源时，不要用水及泡沫灭火器，应该使用干黄沙和二氧化碳、干粉灭火器进行灭火。 3.迅速拨打119火警电话。 模块四 电磁波 一、电磁波及其应用 1、电磁场与电磁波 （1）麦克斯韦关于电磁场的理论要点 a、变化的电场产生磁场 b、变化的磁场产生电场 按照麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一场，称为电磁场。 （2）电磁波
24、：变化的电场和变化的磁场交替产生，并由近及远地向周围传播就形成了电磁波。 注意：麦克斯韦根据他提出的电磁场理论预言了电磁波的存在以及在真空中波速等于光速c，后由赫兹用实验证实了电磁波的存在。 2、电磁波谱 电磁波的范围很广。我们通常所说的，无线电波、光波各种射线，如红外线、紫外线、X射线、射线等，都是电磁波。我们把各种电磁波按照波长或频率大小的顺序排列成谱，就叫电磁波谱。 3、电磁波的应用 广播、电视、雷达、无线通信等都是电磁波的具体应用。 （1）信息传输 （2）导航 （3）雷达 雷达是利用无线电波测定物体位置的无线电设备。 电磁波如果遇到尺寸明显大于波长的障碍物就要发生反射，雷达就是利用电磁
25、波的这个特性工作的波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，因此雷达用的是微波。 雷达的天线可以转动。它向一定的方向发射不连续的无线电波（叫做脉冲）。每次发射的时间不超过1ms，两次发射的时间间隔约为这个时间的100倍。这样，发射出去的无线电波遇到障碍物后返回时，可以在这个时间间隔内被天线接收。测出从发射无线电波到收到反射波的时间，就可以求得障碍物的距离，再根据发射电波的方向和仰角，便能确定障碍物的位置了。 实际上，障碍物的距离等情况是由雷达的指示器直接显示出来的。当雷达向目标发射无线电波时，在指示器的荧光屏上呈现一个尖形脉冲；在收到反射回来的无线电波时，在荧光屏上呈现第二个尖形脉冲，
26、如图所示。根据两个脉冲的间隔可以直接从荧光屏上的刻度读出障碍物的距离现代雷达往往和计算机相连，直接对数据进行处理。 利用雷达可以探测飞机、舰艇、导弹等军事目标，还可以用来为飞机、船只导航。在天文学上可以用雷达研究飞近地球的小行星、慧星等天体，气象台则用雷达探测台风、雷雨云。 （4）加热 （5）医学用于消毒、诊疗疾病等 二、无线电波的发射和接收 1.无线电波的发射 问题1：如何有效地发射电磁波？ 发射电磁波的振荡电路，需满足： （1）要有足够高的频率. （2）要用开放电路，使振荡电路的电场和磁场（能量）分散到尽可能大的空间. 问题2：如何有效地传递人们所需要的信息？ 利用无线电波传递信号，要求发
27、射的无线电波随信号而改变，使无线电波随各种信号而改变叫调制。 常用的调制方法有调幅和调频两种。 使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变叫调幅；使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变叫调频。 经过调幅后发射出去的无线电波叫调幅波，经过调频以后发射出去的无线电波叫调频波。 2.无线电波的接收 问题3：空中存在着各种各样的电磁波，怎样才能接收到我们所需要电磁波呢？ （1）当接收电路的固有频率跟接收的无线电波的频率相等时，激起的振荡电流 最强，这就是电谐振现象. （2）使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐，能够调谐的电路叫调谐电路.收音机的调谐电路，是通过调节电容来改变电路的频率而实现调谐的. 问题4：我们
28、接收到感应电流是载有信号的高频电流，并不是我们所需要的信号，怎样才能得到我们所需要的信号？ （3）从高频振荡电流中“检”出所携带的低频信号电流的过程叫做解调（检波）. 发射要用开放电路（振荡电路演变为开放电路），尽可能使能量分散在空间。 发射电磁波的频率足够高，有利于辐射能量。 已调波：经过调制的电磁波（调幅波、调频波）。 调制过程的理解：画出调幅波的波形图。 发射电路、接收电路。 小节：话筒-电信号-调制-发射接收调谐-解调-放大音箱 学习小结 1、在普通LC振荡电路中，电场主要集中在电容器的极板之间，磁场主要集中在线圈内部。 在电磁振荡过程中，电场能和磁场能的相互转化主要是在电路内部完成的
29、，辐射出去的能量很少。不能有效地发射电磁波。要有效地向外发射电磁波，振荡电路要满足如下条件： （1）要有足够高的振荡频率。 （2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才能有效地把电磁场的能量传播出去。于是通常情况下无线电波都是由开放电路发射出去的。 2、发射电磁波是为了利用它传递某种信号。例如无线电报传递的是电码符号，无线电广播传递的是声音，电视广播传递的不仅有声音，还有图像。如果把这种电信号“加”到高频等幅振荡电流上，那么，载有信号的高频振荡电流产生的电磁波就载着要传送的信号一起发射出去。把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制。 进行调制的
30、装置叫做调制器。要传递的电信号叫做调制信号。 使高频振荡电流的振幅随调制信号而改变叫做调幅（AM）。 使高频振荡电流的频率随调制信号而改变叫做调频（FM）。 3、处在电磁波传播空间中的导体，会产生感应电流，导作中感应电流的频率与激起它的电磁波频率相同，因此，利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波，这样的导体就是接收天线。但是要听到声音，还必须从高频振荡电流中“检”出声音信号。从接收到的高频振荡电流中“检”出所携带的调制信号过程，叫做检波。检波 是调制的逆过程，因此也叫解调。由于调制的方法不同，检波的方法也不同。检波之后的信号再经过放大、重现，我们就可以听到或看到信号了。 课堂小节：让学生自己对本节课做总结。
