2018版高中物理 第4章 揭開電磁關(guān)系的奧秘 第3節(jié) 電能的生產(chǎn)與利用 第4節(jié) 電和磁的完美統(tǒng)一學(xué)案 魯科版選修1 -1.doc

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第3節(jié)　電能的生產(chǎn)與利用 第4節(jié)　電和磁的完美統(tǒng)一 學(xué)　習(xí)　目　標(biāo) 知　識(shí)　脈　絡(luò) 1.知道電能的生產(chǎn)方法，了解生產(chǎn)電能的各種方式．了解電能輸送的過程，知道為什么要高壓輸電．(重點(diǎn)) 2.了解發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)對(duì)能源利用方式、工業(yè)發(fā)展所起的作用．了解電能的使用對(duì)于社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)． 3.了解歷史上超距作用與近距作用之爭(zhēng)，知道場(chǎng)是物質(zhì)存在的形式之一． 4.知道什么是電磁波．了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本思想，體會(huì)其在物理學(xué)發(fā)展中的意義．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 5.了解赫茲證實(shí)電磁波存在的實(shí)驗(yàn)，體會(huì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在物理理論發(fā)展中的地位和作用. 電 能 的 生 產(chǎn)、輸 送、利 用 與 社 會(huì) 發(fā) 展 1．生產(chǎn)電能的常用方法：利用一次能源產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)(如汽輪機(jī)、水輪機(jī)等)，渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能，再通過電線將電能輸送出去． 2．產(chǎn)生電能的方式：根據(jù)使用的一次能源的不同，電能生產(chǎn)可分為火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電等．另外還有地?zé)崮?、太?yáng)能、潮汐能等都可以用來發(fā)電． 3．輸電線路上的能量損失 輸電線路上有電阻，有電流通過時(shí)會(huì)發(fā)熱，損失能量．損失的電能跟輸電線上的電阻成正比，跟電流的二次方成正比． 4．降低輸電損耗的兩個(gè)途徑 (1)減小輸電線的電阻． (2)減小輸電線中的電流，由P＝UI可知，當(dāng)輸送功率一定時(shí)，提高電壓可以減小輸電電流． 5．電能的利用與社會(huì)發(fā)展 蒸汽機(jī)的廣泛使用使全社會(huì)的生產(chǎn)力得以飛躍發(fā)展，引發(fā)了第一次產(chǎn)業(yè)革命．電能的使用又一次使得全社會(huì)的生產(chǎn)力得到了飛躍發(fā)展，引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命，人類社會(huì)跨入了電氣時(shí)代． 1．輸電線路存在電阻，就一定會(huì)有電能的損耗．(√) 2．減小輸電損耗的最好方法是提高輸電電壓．(√) 目前我國(guó)最大的供電工程三峽工程，已經(jīng)正常運(yùn)行了，你知道三峽發(fā)出來的電是怎么供到千家萬戶的嗎？ 【提示】　發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電壓通過升壓變壓器，使電壓升高，通過輸電線向外輸送到用戶時(shí)使用降壓變壓器使電壓降低． 1．采用高壓輸電的原因 線路中的電阻是要消耗電能的，電阻越大，流過的電流越大，線路中的損耗就越多，根據(jù)功率公式P損＝I2R可知，減小線路上功率損失的方法有兩個(gè)途徑： 第一，減小輸電導(dǎo)線上的電阻R.根據(jù)R＝ρ知，在實(shí)際輸電線路中，輸電導(dǎo)線的長(zhǎng)度不能減小，可以用電阻率ρ小的導(dǎo)體材料，像銅和鋁等．金、銀屬貴重金屬，做輸電導(dǎo)線不現(xiàn)實(shí)，但在大規(guī)模集成電路里是要用這種金屬導(dǎo)體的，最后一點(diǎn)是增大導(dǎo)體的橫截面積，這又給架線工作帶來困難，同時(shí)也會(huì)耗費(fèi)大量的金屬材料． 第二，減小輸電電流I.根據(jù)公式I＝知，要減小電流，不能以減小輸送功率為代價(jià)，在輸送功率一定、輸電線電阻一定的條件下，輸電電壓提高到原來的n倍，根據(jù)公式P損＝()2R可以推算，輸電線上的功率損失將降為原來的. 根據(jù)以上分析，采用高電壓輸電是減小輸電線上功率損耗最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施． 2．遠(yuǎn)距離輸電過程的示意圖(如圖431所示) 圖431 理想變壓器P1＝P2，P3＝P4，P2－P3＝P耗． 1．遠(yuǎn)距離輸送交流電都采用高壓輸電，我國(guó)正在研究用比330 kV高得多的電壓進(jìn)行輸電，采用高壓輸電的優(yōu)點(diǎn)是(　　) A．可節(jié)省輸電線的銅材料 B．可根據(jù)需要調(diào)節(jié)交流電的頻率 C．可減少輸電線上的能量損失 D．可加快輸電的速度 【解析】　由P＝IU得I＝，當(dāng)輸送功率P一定，采用高壓輸電，U變大時(shí)I減小，輸電線中的電流就減小，由P損＝I2R得，在距離一定時(shí)，輸電線電阻越小，損耗越少，但銅價(jià)高，且密度大，架線成本太高，一般不用，減小電流可以減少輸電線上的能量損失，故選項(xiàng)C正確，交流電的頻率是固定的，不需調(diào)節(jié)，輸電的速度不會(huì)由于電壓升高而變快，故選項(xiàng)B、D不正確． 【答案】　C 2．(多選)遠(yuǎn)距離輸送一定功率的交流電，若輸送電壓升高到原來的n倍，關(guān)于輸電線上的電壓損失和功率損失正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18152090】 A．輸電線上的功率損失是原來的 B．輸電線上的功率損失是原來的 C．輸電線上的電壓損失是原來的 D．輸電線上的電壓損失是原來的 【解析】　當(dāng)輸電電壓升高為原來的n倍時(shí)，輸電電流減小為原來的，輸電線上損失的功率為P損＝I2R，所以輸電線上的功率損失降低到原來的；因輸電線上的電壓損失U損＝IR，所以電壓損失是原來的，故B、C正確． 【答案】　BC 3．(多選)某電站向遠(yuǎn)處輸送一定功率的電能，則下列說法中正確的是(　　) A．輸電線不變，將送電電壓升高到原來的10倍時(shí)，輸電線損耗的功率減為原來的 B．輸電線不變，將送電電壓升高到原來的10倍時(shí)，輸電線損耗的功率減為原來的 C．送電電壓不變，將輸電線的電阻減半時(shí)，輸電線損耗的功率減為原來的一半 D．送電電壓不變，將輸電線的電阻減半時(shí)，輸電線損耗的功率增為原來的4倍 【解析】　輸電線上功率損失P損＝I2R線＝()2R線，則R線、P一定時(shí)，U升高到原來的10倍，P損減為原來的，A項(xiàng)錯(cuò)，B項(xiàng)對(duì)．P、U一定時(shí)，P損與R線成正比，R線減半，P損也減半，故C對(duì)，D錯(cuò)． 【答案】　BC 在分析這類問題時(shí)，要注意輸送功率一定時(shí)，電壓、電流、電阻和功率的關(guān)系. 場(chǎng) 的 概 念、麥 克 斯 韋 的 預(yù) 言 1．隨著電磁學(xué)的發(fā)展，英國(guó)科學(xué)家法拉第根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，提出了電磁作用是“近距作用”的學(xué)說，認(rèn)為在電荷或磁體周圍存在著“場(chǎng)”，場(chǎng)是一種物質(zhì)，又不同于實(shí)物，它可以相互滲透．現(xiàn)代生活中，人們已經(jīng)接受了“場(chǎng)”這種物質(zhì)，它就存在于我們生活的空間，電視、手機(jī)、電腦等都在利用著這種物質(zhì)． 2．麥克斯韋電磁場(chǎng)理論 (1)變化的磁場(chǎng)在周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，磁場(chǎng)變化快，產(chǎn)生的，磁場(chǎng)變化慢，產(chǎn)生的電場(chǎng)弱．均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)；不均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)． (2)變化的電場(chǎng)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，均勻變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，非均勻變化的電場(chǎng)在周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)． 3．電磁場(chǎng) 變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng)……于是，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，構(gòu)成一個(gè)完整的整體，這就是電磁場(chǎng)． 4．電磁波 變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，并由發(fā)生區(qū)域向周圍空間傳播，由電磁場(chǎng)的傳播形成的波就是電磁波． 電場(chǎng)具有電場(chǎng)能，磁場(chǎng)具有磁場(chǎng)能，電磁場(chǎng)具有電磁能，電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程，電磁波在空間傳播，電磁能就隨之一起傳播． 5．電、磁、光的統(tǒng)一 麥克斯韋通過計(jì)算得出電磁波的傳播速度等于光速，從而預(yù)言光是電磁波的一種． 1．均勻變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)．() 2．周期性變化的磁場(chǎng)周圍空間一定產(chǎn)生周期性變化的電場(chǎng)．(√) 3．變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)跟閉合電路的存在有關(guān)．() 麥克斯韋在建立電磁場(chǎng)理論的過程中，提出了什么假說？運(yùn)用了哪些物理思想？ 【提示】　麥克斯韋提出了“變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)”、“變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)”兩個(gè)假說，研究中麥克斯韋采用了聯(lián)想、推理、類比、對(duì)稱等物理學(xué)的思想方法． 1.變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng) 如圖432所示，麥克斯韋認(rèn)為在變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路(導(dǎo)體環(huán))是否存在無關(guān)．導(dǎo)體環(huán)的作用只是用來顯示電流的存在． 圖432 2．變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) (1)運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生變化的電場(chǎng)：一個(gè)靜止的電荷，它產(chǎn)生的是靜電場(chǎng)，即空間各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度不隨時(shí)間而變化．這個(gè)電荷一旦運(yùn)動(dòng)起來，電場(chǎng)就發(fā)生變化，即空間各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度將隨著時(shí)間而變化． (2)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)：運(yùn)動(dòng)的電荷在周圍空間要產(chǎn)生磁場(chǎng)．這個(gè)磁場(chǎng)是由變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的．例如：在電容器充、放電的時(shí)候，不僅導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且在電容器兩極板間周期性變化的電場(chǎng)也產(chǎn)生磁場(chǎng)(如圖433所示)． 圖433 4．關(guān)于電磁場(chǎng)，下列說法中不正確的是(　　) A．在一個(gè)磁鐵旁放一帶電體，則兩者周圍空間就形成了電磁場(chǎng) B．電磁場(chǎng)既不同于靜電場(chǎng)，也不同于靜磁場(chǎng) C．電磁場(chǎng)中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是不可分割的一個(gè)統(tǒng)一體 D．電磁場(chǎng)中的電場(chǎng)的變化頻率和磁場(chǎng)的變化頻率是相同的 【解析】　電磁場(chǎng)是變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)形成的不可分割的統(tǒng)一場(chǎng)，而不是靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)簡(jiǎn)單的復(fù)合．所以A選項(xiàng)錯(cuò)． 【答案】　A 5．(多選)按照麥克斯韋電磁理論，以下說法中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18152091】 A．恒定的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，恒定的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的電場(chǎng) B．變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng) C．均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生均勻變化的電場(chǎng) D．均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng) 【解析】　對(duì)此理論全面正確的理解為：不變化的電場(chǎng)周圍不產(chǎn)生磁場(chǎng)；變化的電場(chǎng)周圍可以產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，也可以產(chǎn)生不變化的磁場(chǎng)；均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)；周期性變化的電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場(chǎng)．變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)的規(guī)律與以上類似，故正確答案為B、D. 【答案】　BD 6．關(guān)于電磁場(chǎng)理論，下列說法正確的是(　　) A．在電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生電場(chǎng) B．在變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng) C．均勻變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) D．周期性變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng) 【解析】　根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，只有變化的電場(chǎng)周圍才產(chǎn)生磁場(chǎng)，所以A錯(cuò)；而非均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，所以B、C錯(cuò)．故選D. 【答案】　D 注意電場(chǎng)的變化是均勻的還是不均勻的是解決此類題的關(guān)鍵，只有交替變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)才能產(chǎn)生電磁波. 赫 茲 的 求 證、 電 磁 場(chǎng) 理 論 的 含 義 1．赫茲的求證 在麥克斯韋建立電磁場(chǎng)理論后20多年，年輕的德國(guó)物理學(xué)家赫茲第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在．他還測(cè)定了電磁波的波長(zhǎng)、頻率，得到電磁波的傳播速度，證實(shí)了這個(gè)速度等于光速，還進(jìn)一步證明，電磁波和其他的波一樣，能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射、偏振等，充分證實(shí)了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論． 2．電磁波是一種物質(zhì)，這種物質(zhì)和它具有的能量一起傳播，電磁波是變化的電磁場(chǎng)，所以我們說場(chǎng)是一種物質(zhì)． 3．電磁波理論的研究，開創(chuàng)了“弱電”利用的新領(lǐng)域，推動(dòng)了無線電技術(shù)的發(fā)展．電報(bào)、廣播、電視、電腦的發(fā)明和應(yīng)用，使人們?cè)谒蚕㈤g就能知道世界各地發(fā)生的任何事情．人類文明得到廣泛傳播，知識(shí)迅速普及． 1．電磁波是變化的電磁場(chǎng)．(√) 2．赫茲的電磁場(chǎng)理論是物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑．() 3．變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)，一定能產(chǎn)生電磁波．() 電磁波是如何形成的？ 【提示】　振蕩的電場(chǎng)產(chǎn)生振蕩的磁場(chǎng)，振蕩的磁場(chǎng)產(chǎn)生振蕩的電場(chǎng)，這種振蕩的電場(chǎng)、磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍空間傳播，形成電磁波． 1．電磁波的產(chǎn)生 如果空間某區(qū)域有不均勻變化的電場(chǎng)，那么這個(gè)變化的電場(chǎng)就在空間引起變化的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)又會(huì)引起新的變化的電場(chǎng)……于是變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)就會(huì)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地傳播，就形成電磁波． 2．電磁波的特點(diǎn) (1)在真空中電磁波的傳播速度等于光速，光是一種電磁波． (2)電磁場(chǎng)中以電場(chǎng)和磁場(chǎng)的形式貯存著能量——電磁能，電磁波的傳播過程是能量傳播的過程． (3)麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲證實(shí)了電磁波的存在，測(cè)出了波長(zhǎng)、頻率，證實(shí)了真空中電磁波的傳播速度等于光速，驗(yàn)證了電磁波的反射、折射、衍射和干涉等現(xiàn)象． (4)電磁波可以在介質(zhì)中傳播，也可以在真空中傳播，且任何頻率的電磁波在真空中的傳播速度都是3108 m/s. 7．(多選)下列關(guān)于電磁波的說法中正確的是(　　) A．只要電場(chǎng)和磁場(chǎng)發(fā)生變化，就能產(chǎn)生電磁波 B．電磁波傳播需要介質(zhì) C．停止發(fā)射電磁波，發(fā)射出去的電磁波仍能獨(dú)立存在 D．電磁波具有能量，電磁波的傳播是伴隨著能量向外傳遞的 【解析】　對(duì)電磁波的產(chǎn)生機(jī)制及傳播途徑要搞清，如果電場(chǎng)(或磁場(chǎng))是均勻變化的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)(或電場(chǎng))是恒定的，就不能產(chǎn)生新的電場(chǎng)(或磁場(chǎng))，也就不能產(chǎn)生電磁波．電磁波不同于機(jī)械波，它的傳播不需要介質(zhì)，故應(yīng)選C、D. 【答案】　CD 8．電磁波與機(jī)械波相比較有(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18152092】 A．電磁波、機(jī)械波傳播都需要介質(zhì) B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速率都相同，機(jī)械波在同一介質(zhì)中的傳播速率都相同 C．電磁波與機(jī)械波都不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象 D．電磁波與機(jī)械波都能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象 【解析】　電磁波傳播不需要介質(zhì)，A錯(cuò)誤．電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，B錯(cuò)誤．電磁波和機(jī)械波都能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象，故D正確，C錯(cuò)誤． 【答案】　D 9．某電路的電場(chǎng)隨時(shí)間變化的圖象如圖所示，能發(fā)射電磁波的電場(chǎng)是(　　) 【解析】　圖A中的電場(chǎng)不隨時(shí)間變化，不產(chǎn)生磁場(chǎng)．圖B和圖C中的電場(chǎng)都隨時(shí)間均勻變化，只能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，不會(huì)產(chǎn)生和發(fā)射電磁波，圖D中的電場(chǎng)隨時(shí)間做周期性的不均勻的變化，能在周圍產(chǎn)生同頻率周期性變化的磁場(chǎng)．變化的磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，電磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)傳播，形成電磁波，故D選項(xiàng)正確． 【答案】　D