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　習　目　標 知　識　脈　絡 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) 2.了解發(fā)電機、電動機對能源利用方式、工業(yè)發(fā)展所起的作用．了解電能的使用對于社會進步、經(jīng)濟發(fā)展的貢獻． 3.了解歷史上超距作用與近距作用之爭，知道場是物質(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理論的基本思想，體會其在物理學發(fā)展中的意義．(重點、難點) 5.了解赫茲證實電磁波存在的實驗，體會實驗驗證在物理理論發(fā)展中的地位和作用. 電 能 的 生 產(chǎn)、輸 送、利 用 與 社 會 發(fā) 展 1．生產(chǎn)電能的常用方法：利用一次能源產(chǎn)生動力驅(qū)動渦輪機(如汽輪機、水輪機等)，渦輪機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(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、風力發(fā)電、核能發(fā)電等．另外還有地熱能、太陽能、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，有電流通過時會發(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，當輸送功率一定時，提高電壓可以減小輸電電流． 5．電能的利用與社會發(fā)展 蒸汽機的廣泛使用使全社會的生產(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，人類社會跨入了電氣時代． 1．輸電線路存在電阻，就一定會有電能的損耗．(√) 2．減小輸電損耗的最好方法是提高輸電電壓．(√) 目前我國最大的供電工程三峽工程，已經(jīng)正常運行了，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途徑： 第一，減小輸電導線上的電阻R.根據(jù)R＝ρ知，在實際輸電線路中，輸電導線的長度不能減小，可以用電阻率ρ小的導體材料，像銅和鋁等．金、銀屬貴重金屬，做輸電導線不現(xiàn)實，但在大規(guī)模集成電路里是要用這種金屬導體的，最后一點是增大導體的橫截面積，這又給架線工作帶來困難，同時也會耗費大量的金屬材料． 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，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)濟的措施． 2．遠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．遠距離輸送交流電都采用高壓輸電，我國正在研究用比330 kV高得多的電壓進行輸電，采用高壓輸電的優(yōu)點是(　　) 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＝，當輸送功率P一定，采用高壓輸電，U變大時I減小，輸電線中的電流就減小，由P損＝I2R得，在距離一定時，輸電線電阻越小，損耗越少，但銅價高，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)，輸電的速度不會由于電壓升高而變快，故選項B、D不正確． 【答案】　C 2．(多選)遠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(　　) 【導學號：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】　當輸電電壓升高為原來的n倍時，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，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，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，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，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，U升高到原來的10倍，P損減為原來的，A項錯，B項對．P、U一定時，P損與R線成正比，R線減半，P損也減半，故C對，D錯． 【答案】　BC 在分析這類問題時，要注意輸送功率一定時，電壓、電流、電阻和功率的關(guān)系. 場 的 概 念、麥 克 斯 韋 的 預 言 1．隨著電磁學的發(fā)展，英國科學家法拉第根據(jù)實驗事實，提出了電磁作用是“近距作用”的學說，認為在電荷或磁體周圍存在著“場”，場是一種物質(zhì)，又不同于實物，它可以相互滲透．現(xiàn)代生活中，人們已經(jīng)接受了“場”這種物質(zhì)，它就存在于我們生活的空間，電視、手機、電腦等都在利用著這種物質(zhì)． 2．麥克斯韋電磁場理論 (1)變化的磁場在周圍產(chǎn)生電場，磁場變化快，產(chǎn)生的，磁場變化慢，產(chǎn)生的電場弱．均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場；不均勻變化的磁場產(chǎn)生的電場． (2)變化的電場在周圍產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，非均勻變化的電場在周圍產(chǎn)生變化的磁場． 3．電磁場 變化的電場在周圍空間產(chǎn)生磁場，變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生電場……于是，變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，構(gòu)成一個完整的整體，這就是電磁場． 4．電磁波 變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，并由發(fā)生區(qū)域向周圍空間傳播，由電磁場的傳播形成的波就是電磁波． 電場具有電場能，磁場具有磁場能，電磁場具有電磁能，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 麥克斯韋通過計算得出電磁波的傳播速度等于光速，從而預言光是電磁波的一種． 1．均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場．() 2．周期性變化的磁場周圍空間一定產(chǎn)生周期性變化的電場．(√) 3．變化的磁場周圍產(chǎn)生電場跟閉合電路的存在有關(guān)．() 麥克斯韋在建立電磁場理論的過程中，提出了什么假說？運用了哪些物理思想？ 【提示】　麥克斯韋提出了“變化的磁場產(chǎn)生電場”、“變化的電場產(chǎn)生磁場”兩個假說，研究中麥克斯韋采用了聯(lián)想、推理、類比、對稱等物理學的思想方法． 1.變化的磁場產(chǎn)生電場 如圖432所示，麥克斯韋認為在變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路(導體環(huán))是否存在無關(guān)．導體環(huán)的作用只是用來顯示電流的存在． 圖432 2．變化的電場產(chǎn)生磁場 (1)運動的電荷產(chǎn)生變化的電場：一個靜止的電荷，它產(chǎn)生的是靜電場，即空間各點的電場強度不隨時間而變化．這個電荷一旦運動起來，電場就發(fā)生變化，即空間各點的電場強度將隨著時間而變化． (2)變化的電場產(chǎn)生磁場：運動的電荷在周圍空間要產(chǎn)生磁場．這個磁場是由變化的電場產(chǎn)生的．例如：在電容器充、放電的時候，不僅導體中的電流產(chǎn)生磁場，而且在電容器兩極板間周期性變化的電場也產(chǎn)生磁場(如圖433所示)． 圖433 4．關(guān)于電磁場，下列說法中不正確的是(　　) A．在一個磁鐵旁放一帶電體，則兩者周圍空間就形成了電磁場 B．電磁場既不同于靜電場，也不同于靜磁場 C．電磁場中的電場和磁場是不可分割的一個統(tǒng)一體 D．電磁場中的電場的變化頻率和磁場的變化頻率是相同的 【解析】　電磁場是變化的電場和變化的磁場形成的不可分割的統(tǒng)一場，而不是靜電場和靜磁場簡單的復合．所以A選項錯． 【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(　　) 【導學號：18152091】 A．恒定的電場周圍產(chǎn)生恒定的磁場，恒定的磁場周圍產(chǎn)生恒定的電場 B．變化的電場周圍產(chǎn)生磁場，變化的磁場周圍產(chǎn)生電場 C．均勻變化的電場周圍產(chǎn)生均勻變化的磁場，均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生均勻變化的電場 D．均勻變化的電場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場 【解析】　對此理論全面正確的理解為：不變化的電場周圍不產(chǎn)生磁場；變化的電場周圍可以產(chǎn)生變化的磁場，也可以產(chǎn)生不變化的磁場；均勻變化的電場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場；周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場．變化的磁場產(chǎn)生電場的規(guī)律與以上類似，故正確答案為B、D. 【答案】　BD 6．關(guān)于電磁場理論，下列說法正確的是(　　) A．在電場周圍一定產(chǎn)生磁場，磁場周圍一定產(chǎn)生電場 B．在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場 C．均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場 D．周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場 【解析】　根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，只有變化的電場周圍才產(chǎn)生磁場，所以A錯；而非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，均勻變化的電場周圍產(chǎn)生恒定的磁場，所以B、C錯．故選D. 【答案】　D 注意電場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或磁場才能產(chǎn)生電磁波. 赫 茲 的 求 證、 電 磁 場 理 論 的 含 義 1．赫茲的求證 在麥克斯韋建立電磁場理論后20多年，年輕的德國物理學家赫茲第一次用實驗證實了電磁波的存在．他還測定了電磁波的波長、頻率，得到電磁波的傳播速度，證實了這個速度等于光速，還進一步證明，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，充分證實了麥克斯韋的電磁場理論． 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，所以我們說場是一種物質(zhì)． 3．電磁波理論的研究，開創(chuàng)了“弱電”利用的新領(lǐng)域，推動了無線電技術(shù)的發(fā)展．電報、廣播、電視、電腦的發(fā)明和應用，使人們在瞬息間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，知識迅速普及． 1．電磁波是變化的電磁場．(√) 2．赫茲的電磁場理論是物理學發(fā)展史上一個重要的里程碑．() 3．變化的磁場可以產(chǎn)生電場，一定能產(chǎn)生電磁波．() 電磁波是如何形成的？ 【提示】　振蕩的電場產(chǎn)生振蕩的磁場，振蕩的磁場產(chǎn)生振蕩的電場，這種振蕩的電場、磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地向周圍空間傳播，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，那么這個變化的電場就在空間引起變化的磁場，這個變化的磁場又會引起新的變化的電場……于是變化的電場和磁場就會交替產(chǎn)生，由近及遠地傳播，就形成電磁波． 2．電磁波的特點 (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)電磁場中以電場和磁場的形式貯存著能量——電磁能，電磁波的傳播過程是能量傳播的過程． (3)麥克斯韋預言了電磁波的存在，赫茲證實了電磁波的存在，測出了波長、頻率，證實了真空中電磁波的傳播速度等于光速，驗證了電磁波的反射、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．只要電場和磁場發(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】　對電磁波的產(chǎn)生機制及傳播途徑要搞清，如果電場(或磁場)是均勻變化的，產(chǎn)生的磁場(或電場)是恒定的，就不能產(chǎn)生新的電場(或磁場)，也就不能產(chǎn)生電磁波．電磁波不同于機械波，它的傳播不需要介質(zhì)，故應選C、D. 【答案】　CD 8．電磁波與機械波相比較有(　　) 【導學號：18152092】 A．電磁波、機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，機械波在同一介質(zhì)中的傳播速率都相同 C．電磁波與機械波都不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象 D．電磁波與機械波都能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象 【解析】　電磁波傳播不需要介質(zhì)，A錯誤．電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，B錯誤．電磁波和機械波都能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象，故D正確，C錯誤． 【答案】　D 9．某電路的電場隨時間變化的圖象如圖所示，能發(fā)射電磁波的電場是(　　) 【解析】　圖A中的電場不隨時間變化，不產(chǎn)生磁場．圖B和圖C中的電場都隨時間均勻變化，只能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，不會產(chǎn)生和發(fā)射電磁波，圖D中的電場隨時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．變化的磁場又會產(chǎn)生變化的電場，電磁場由近及遠傳播，形成電磁波，故D選項正確． 【答案】　D