鲁科版物理选修11 第4章 第3节 电能的生产与利用 第4节 电和磁的完美统一.docx

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鲁科版物理选修11第4章第3节电能的生产与利用第4节电和磁的完美统一

第3节　电能的生产与利用

第4节　电和磁的完美统一

学　习　目　标

知　识　脉　络

1.知道电能的生产方法，了解生产电能的各种方式．了解电能输送的过程，知道为什么要高压输电．（重点）

2.了解发电机、电动机对能源利用方式、工业发展所起的作用．了解电能的使用对于社会进步、经济发展的贡献．

3.了解历史上超距作用与近距作用之争，知道场是物质存在的形式之一．

4.知道什么是电磁波．了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，体会其在物理学发展中的意义．（重点、难点）

5.了解赫兹证实电磁波存在的实验，体会实验验证在物理理论发展中的地位和作用.

电能的生产、输送、利用与社会发展

1．生产电能的常用方法：

利用一次能源产生动力驱动涡轮机（如汽轮机、水轮机等），涡轮机带动发电机转子转动产生电能，再通过电线将电能输送出去．

2．产生电能的方式：

根据使用的一次能源的不同，电能生产可分为火力发电、水力发电、风力发电、核能发电等．另外还有地热能、太阳能、潮汐能等都可以用来发电．

3．输电线路上的能量损失

输电线路上有电阻，有电流通过时会发热，损失能量．损失的电能跟输电线上的电阻成正比，跟电流的二次方成正比．

4．降低输电损耗的两个途径

（1）减小输电线的电阻．

（2）减小输电线中的电流，由P＝UI可知，当输送功率一定时，提高电压可以减小输电电流．

5．电能的利用与社会发展

蒸汽机的广泛使用使全社会的生产力得以飞跃发展，引发了第一次产业革命．电能的使用又一次使得全社会的生产力得到了飞跃发展，引发了第二次产业革命，人类社会跨入了电气时代．

1．输电线路存在电阻，就一定会有电能的损耗．（√）

2．减小输电损耗的最好方法是提高输电电压．（√）

目前我国最大的供电工程三峡工程，已经正常运行了，你知道三峡发出来的电是怎么供到千家万户的吗？

【提示】　发电机组产生的电压通过升压变压器，使电压升高，通过输电线向外输送到用户时使用降压变压器使电压降低．

1．采用高压输电的原因

线路中的电阻是要消耗电能的，电阻越大，流过的电流越大，线路中的损耗就越多，根据功率公式P损＝I2R可知，减小线路上功率损失的方法有两个途径：

第一，减小输电导线上的电阻R.根据R＝ρ

知，在实际输电线路中，输电导线的长度不能减小，可以用电阻率ρ小的导体材料，像铜和铝等．金、银属贵重金属，做输电导线不现实，但在大规模集成电路里是要用这种金属导体的，最后一点是增大导体的横截面积，这又给架线工作带来困难，同时也会耗费大量的金属材料．

第二，减小输电电流I.根据公式I＝

知，要减小电流，不能以减小输送功率为代价，在输送功率一定、输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，根据公式P损＝（

）2R可以推算，输电线上的功率损失将降为原来的

.

根据以上分析，采用高电压输电是减小输电线上功率损耗最有效、最经济的措施．

2．远距离输电过程的示意图（如图431所示）

图431

理想变压器P1＝P2，P3＝P4，P2－P3＝P耗．

1．远距离输送交流电都采用高压输电，我国正在研究用比330kV高得多的电压进行输电，采用高压输电的优点是（　　）

A．可节省输电线的铜材料

B．可根据需要调节交流电的频率

C．可减少输电线上的能量损失

D．可加快输电的速度

【解析】　由P＝IU得I＝

，当输送功率P一定，采用高压输电，U变大时I减小，输电线中的电流就减小，由P损＝I2R得，在距离一定时，输电线电阻越小，损耗越少，但铜价高，且密度大，架线成本太高，一般不用，减小电流可以减少输电线上的能量损失，故选项C正确，交流电的频率是固定的，不需调节，输电的速度不会由于电压升高而变快，故选项B、D不正确．

【答案】　C

2．（多选）远距离输送一定功率的交流电，若输送电压升高到原来的n倍，关于输电线上的电压损失和功率损失正确的是（　　）【导学号：

18152090】

A．输电线上的功率损失是原来的

B．输电线上的功率损失是原来的

C．输电线上的电压损失是原来的

D．输电线上的电压损失是原来的

【解析】　当输电电压升高为原来的n倍时，输电电流减小为原来的

，输电线上损失的功率为P损＝I2R，所以输电线上的功率损失降低到原来的

；因输电线上的电压损失U损＝IR，所以电压损失是原来的

，故B、C正确．

【答案】　BC

3．（多选）某电站向远处输送一定功率的电能，则下列说法中正确的是（　　）

A．输电线不变，将送电电压升高到原来的10倍时，输电线损耗的功率减为原来的

B．输电线不变，将送电电压升高到原来的10倍时，输电线损耗的功率减为原来的

C．送电电压不变，将输电线的电阻减半时，输电线损耗的功率减为原来的一半

D．送电电压不变，将输电线的电阻减半时，输电线损耗的功率增为原来的4倍

【解析】　输电线上功率损失P损＝I2R线＝（

）2R线，则R线、P一定时，U升高到原来的10倍，P损减为原来的

，A项错，B项对．P、U一定时，P损与R线成正比，R线减半，P损也减半，故C对，D错．

【答案】　BC

在分析这类问题时，要注意输送功率一定时，电压、电流、电阻和功率的关系.

场的概念、麦克斯韦的预言

1．随着电磁学的发展，英国科学家法拉第根据实验事实，提出了电磁作用是“近距作用”的学说，认为在电荷或磁体周围存在着“场”，场是一种物质，又不同于实物，它可以相互渗透．现代生活中，人们已经接受了“场”这种物质，它就存在于我们生活的空间，电视、手机、电脑等都在利用着这种物质．

2．麦克斯韦电磁场理论

（1）变化的磁场在周围产生电场，磁场变化快，产生的

，磁场变化慢，产生的电场弱．均匀变化的磁场产生恒定的电场；不均匀变化的磁场产生

的电场．

（2）变化的电场在周围产生磁场，均匀变化的电场在周围空间产生稳定的磁场，非均匀变化的电场在周围产生变化的磁场．

3．电磁场

变化的电场在周围空间产生磁场，变化的磁场在周围空间产生电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，构成一个完整的整体，这就是电磁场．

4．电磁波

变化的电场和变化的磁场交替产生，并由发生区域向周围空间传播，由电磁场的传播形成的波就是电磁波．

电场具有电场能，磁场具有磁场能，电磁场具有电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程，电磁波在空间传播，电磁能就随之一起传播．

5．电、磁、光的统一

麦克斯韦通过计算得出电磁波的传播速度等于光速，从而预言光是电磁波的一种．

1．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场．（×）

2．周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场．（√）

3．变化的磁场周围产生电场跟闭合电路的存在有关．（×）

麦克斯韦在建立电磁场理论的过程中，提出了什么假说？

运用了哪些物理思想？

【提示】　麦克斯韦提出了“变化的磁场产生电场”、“变化的电场产生磁场”两个假说，研究中麦克斯韦采用了联想、推理、类比、对称等物理学的思想方法．

1.变化的磁场产生电场

如图432所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路（导体环）是否存在无关．导体环的作用只是用来显示电流的存在．

图432

2．变化的电场产生磁场

（1）运动的电荷产生变化的电场：

一个静止的电荷，它产生的是静电场，即空间各点的电场强度不随时间而变化．这个电荷一旦运动起来，电场就发生变化，即空间各点的电场强度将随着时间而变化．

（2）变化的电场产生磁场：

运动的电荷在周围空间要产生磁场．这个磁场是由变化的电场产生的．例如：

在电容器充、放电的时候，不仅导体中的电流产生磁场，而且在电容器两极板间周期性变化的电场也产生磁场（如图433所示）．

图433

4．关于电磁场，下列说法中不正确的是（　　）

A．在一个磁铁旁放一带电体，则两者周围空间就形成了电磁场

B．电磁场既不同于静电场，也不同于静磁场

C．电磁场中的电场和磁场是不可分割的一个统一体

D．电磁场中的电场的变化频率和磁场的变化频率是相同的

【解析】　电磁场是变化的电场和变化的磁场形成的不可分割的统一场，而不是静电场和静磁场简单的复合．所以A选项错．

【答案】　A

5．（多选）按照麦克斯韦电磁理论，以下说法中正确的是（　　）

【导学号：

18152091】

A．恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场

B．变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场

C．均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场

D．均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场

【解析】　对此理论全面正确的理解为：

不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场周围可以产生变化的磁场，也可以产生不变化的磁场；均匀变化的电场周围产生稳定的磁场；周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．变化的磁场产生电场的规律与以上类似，故正确答案为B、D.

【答案】　BD

6．关于电磁场理论，下列说法正确的是（　　）

A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场

B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围一定产生变化的电场

C．均匀变化的电场周围一定产生变化的磁场

D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场

【解析】　根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场周围才产生磁场，所以A错；而非均匀变化的电场产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，所以B、C错．故选D.

【答案】　D

注意电场的变化是均匀的还是不均匀的是解决此类题的关键，只有交替变化的电场或磁场才能产生电磁波.

赫兹的求证、电磁场理论的含义

1．赫兹的求证

在麦克斯韦建立电磁场理论后20多年，年轻的德国物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在．他还测定了电磁波的波长、频率，得到电磁波的传播速度，证实了这个速度等于光速，还进一步证明，电磁波和其他的波一样，能产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等，充分证实了麦克斯韦的电磁场理论．

2．电磁波是一种物质，这种物质和它具有的能量一起传播，电磁波是变化的电磁场，所以我们说场是一种物质．

3．电磁波理论的研究，开创了“弱电”利用的新领域，推动了无线电技术的发展．电报、广播、电视、电脑的发明和应用，使人们在瞬息间就能知道世界各地发生的任何事情．人类文明得到广泛传播，知识迅速普及．

1．电磁波是变化的电磁场．（√）

2．赫兹的电磁场理论是物理学发展史上一个重要的里程碑．（×）

3．变化的磁场可以产生电场，一定能产生电磁波．（×）

电磁波是如何形成的？

【提示】　振荡的电场产生振荡的磁场，振荡的磁场产生振荡的电场，这种振荡的电场、磁场交替产生，由近及远地向周围空间传播，形成电磁波．

1．电磁波的产生

如果空间某区域有不均匀变化的电场，那么这个变化的电场就在空间引起变化的磁场，这个变化的磁场又会引起新的变化的电场……于是变化的电场和磁场就会交替产生，由近及远地传播，就形成电磁波．

2．电磁波的特点

（1）在真空中电磁波的传播速度等于光速，光是一种电磁波．

（2）电磁场中以电场和磁场的形式贮存着能量——电磁能，电磁波的传播过程是能量传播的过程．

（3）麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，测出了波长、频率，证实了真空中电磁波的传播速度等于光速，验证了电磁波的反射、折射、衍射和干涉等现象．

（4）电磁波可以在介质中传播，也可以在真空中传播，且任何频率的电磁波在真空中的传播速度都是3×108m/s.

7．（多选）下列关于电磁波的说法中正确的是（　　）

A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波

B．电磁波传播需要介质

C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在

D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的

【解析】　对电磁波的产生机制及传播途径要搞清，如果电场（或磁场）是均匀变化的，产生的磁场（或电场）是恒定的，就不能产生新的电场（或磁场），也就不能产生电磁波．电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质，故应选C、D.

【答案】　CD

8．电磁波与机械波相比较有（　　）【导学号：

18152092】

A．电磁波、机械波传播都需要介质

B．电磁波在任何介质中的传播速率都相同，机械波在同一介质中的传播速率都相同

C．电磁波与机械波都不能产生干涉现象

D．电磁波与机械波都能产生衍射现象

【解析】　电磁波传播不需要介质，A错误．电磁波在不同介质中的传播速度不同，B错误．电磁波和机械波都能产生干涉、衍射现象，故D正确，C错误．

【答案】　D

9．某电路的电场随时间变化的图象如图所示，能发射电磁波的电场是（　　）

【解析】　图A中的电场不随时间变化，不产生磁场．图B和图C中的电场都随时间均匀变化，只能产生稳定的磁场，不会产生和发射电磁波，图D中的电场随时间做周期性的不均匀的变化，能在周围产生同频率周期性变化的磁场．变化的磁场又会产生变化的电场，电磁场由近及远传播，形成电磁波，故D选项正确．

【答案】　D