物理选修教学PPT课件

1、一、划时代的发现一、划时代的发现 奥斯特在1820年发现的电流磁效应，使整个科学界受到了极大的震动，它证实电现象与磁现象是有联系的。探究电与磁关系的崭新领域，突然洞开在人们面前，激发了科学家们的探索热情。一个接一个的新发现，象热浪一样冲击欧洲大陆，也激励着英国的科学界。 电能生磁，磁能生电吗？ 英国 科学家法拉第敏锐地觉察到，磁与电流之间应该有联系。他在1822年的日记中写下了“由磁产生电”的设想。他做了多次尝试，经历了一次次失败，但他坚信电与磁有联系，经十年努力，终于发现磁能生电。 这是一个划时代的发现第1页/共15页第2页/共15页第3页/共15页 电磁感应（Electromagnetic

2、 induction）现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感电磁感应应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）迈克尔法拉第是一般被认定为于1831年发现了感应现象的人，虽然Francesco Zantedeschi1829年的工作可能对此有所预见。 电磁感应是指因为磁通量变化产生感应电动势的现象。电磁感应现象的发现，乃是电磁学领域中最伟大的成就之一。 电磁感应基本简介第4页/共15页电磁感应现象 (1)电磁感应现象：闭合电路中的一部分导体做切割磁感线运动。 (2)感应电流：在电磁感应现象中产生的电流。 (3)产生电磁感

3、应现象的条件： 两种不同表述 a闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动 b穿过闭合电路的磁场发生变化 两种表述的比较和统一 a两种情况产生感应电流的根本原因不同第5页/共15页 闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动时，是导体中的自由电子随导体一起运动，受到的洛伦兹力的一个分力使自由电子发生定向移动形成电流，这种情况产生的电流有时称为动生电流。 穿过闭合电路的磁场发生变化时，根据电磁场理论，变化的磁场周围产生电场，电场使导体中的自由电子定向移动形成电流，这种情况产生的电流有时称为感生电流。 b两种表述的统一 两种表述可统一为穿过闭合电路的磁通量发生变化。 产生电磁感应现象的条件 不论用什么

4、方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。 条件：a闭合电路；b一部分导体 ； c做切割磁感线运动第6页/共15页第7页/共15页 第8页/共15页 对电磁感应现象的探索有着深厚的历史背景，首先它来自于社会对电力的需求。1800年意大利物理学家伏打（Volta,17451827年）发明了伏打电堆，使人们第一次获得稳定而持续的电流。1809年，戴维把由两千块铀锌片组成的伏打电堆的两极接上炭棒，当炭棒接近到一定程度时，产生了电火花，从而发明了弧光灯。但是伏打电池所取得的电价太昂贵而且功率太小。如何获得强大而廉价的电力是当时社会对物理学提出的一个十分紧迫的问题。后来法拉第回忆道

5、“我因为对当时产生电的方法感到不满意，因此急于想发现电磁与感应电流的关系，觉得电学在这一条路上一定可以有充分的发展。” 在法拉第之前的一些物理学家已经开始探索磁产生电的途径。安培于1821年到1822年间做了探求感应电流的实验，但他未能发现电磁感应现象。 1825年英国物理学家阿拉果设计了著名的圆盘实验。他偶然发现金属可以阻尼磁针的振动，他进一步联想：既然一个运动着的磁针可以被金属片吸引，那么一个静止的磁针了一定可被一个运动着的金属片带动。根据这一设想，1825年他设计一个园盘实验，在一个可以绕着垂直轴旋转的铜盘的正上方悬挂一根磁针,当铜盘旋转时,磁针跟着旋转。这一实验好像表明磁是因运动着的导

6、体而产生的,为物理学界提出了一个多年来悬而未决的问题。 1823年,瑞士物理学家科拉顿(Colladon,1802-1892年)曾企图用磁铁在线圈中运动获得电流,他用一个线圈与一个检流计连成一个闭合回路,为了使磁铁不至于影响检流计中的小磁针,特意将检流计放在隔壁的房间里,他用磁棒在线圈中插入或拔出,然后一次又一次跑到另一房间里去观察检流计是否偏转,当然他观察不到指针的偏转,未能发现电磁感应。 法拉第发现电磁感应现象并不是一帆风顺的，而是经过了十年的艰苦探索。1821年,法拉第开始转向电磁学研究,他发现了磁极绕着载流导线转动和载流导线绕磁铁转动的现象,这种现象称为电磁旋转现象。通过电磁旋转的实验

7、,使他想到,既然电对磁有作用,一定有磁对电的反作用；既然电流能产生磁,则磁也一定能产生电流。1822年,他在日记上写下了他的光辉思想：“磁能产生电流”，并以此作为自己研究的战略目标。电磁感应现象的发现过程第9页/共15页 从1824年到1831年他经历了一系列的失败,在法拉第日记中,明确记载的失败的实验就有三次。1824年12月28日,他把强磁铁放在接有检流计的电流线圈内期望会改变导线中的电流,结果没有发现检流计指针偏转。1825年11月28日,他将导线回路放在另一通电回路附近,期望在导线回路中能感应出电流,但也没有发现任何效应。1828年4月22日,他把磁铁穿入一个悬挂起来的铜线环内,期望环

8、内产生感应电流,但把其它磁铁靠近导线,却没有任何效应产生。 实验没有得到他预想的结果。虽然经受了这一系列的失败,但1动摇不了他对自然力的统一性怀有的坚定的信念。他坚信电与磁的相互转化,磁一定可以转化为电。他说：“一方面,各种电流都伴随有相应强度的磁作用,它的方向与电流的方向呈直角；而另一方面,若将电流良导体放入有磁作用的环境中,在导体内竟然完全不会引起感应电流,也不产生可觉察的等效于这种电流的作用，这是很不平常的。”“对这些问题及其后果的考虑,再加上想从普通磁中获得电的希望,时时激励着我从实验上去探求电流的感应效应。”正在此时,英国物理学家斯特金发明了电磁铁。他在一块原来没有磁性的软铁上绕以导

9、线,通电以后,软铁就变成具有了强磁性的磁铁。这一发明对法拉第的进一步研究有一定的启发和帮助。 1831年8月29日,法拉第在日记中记述了他第一次成功的实验。他在软铁环的A边绕了三个线圈,可以串联起来使用,也可以分开使用。在B边以同样的方向绕两个线圈。他把B边的线圈接到检流计上,把A边的线圈接到电池组上(见图)。当电路接通时,法拉第看到检流计的指针立即发生明显的偏转、振荡,然后停止在原来的位置上。这表明线圈B中出现了感应电流。当电路A断开时,他又看到指针向相反方向偏转。把A边的三个线圈串联成一个线圈重做以上实验,对磁针产生的效应比以前更加强烈。他看到B边的感应电流是明显的,又是瞬时的,只在A边断

10、开和接上电源时的瞬间产生。 在第一次发现之后,法拉第继续进行了大量的实验,探讨电磁感应产生的条件。他提出这样的问题：是否可以用其它方法产生同样的效应?铁环是必需的吗?线圈A是必需的吗? 9月24日,法拉第在两条磁棒的N、S极之间放上一条带有线圈的圆铁棒,线圈与一检流计连接见下左图。他发现当圆铁棒接触N、S极和脱离N、S极时,检流计的指针就会偏转。他指出.这一效应不是永恒的而是瞬时的,“因此,在这里磁转化为电是清楚的。” 10月1日,他把两条长203英寸的丝包铜线绕在木筒上。其中一个线圈和检流计相连接,另一个线圈和电池相连接(见上右图)。他发现当电流接通和断开的瞬间,“对电流计的指第10页/共1

11、5页 针有影响,但是如此之小,以至于很难感觉到。因此在没有铁心的情形下也有感应效应。” 10月17日,法拉第用另一种方式得到了感应效应。他在直径为 0.75 英寸长为 8.5 英寸的空心纸筒上绕了8层螺旋线,把8层线圈并联后再接到检流计上(见下左图)。当他把磁铁棒迅速地插入螺线管时,检流计的指针就偏转了,然后又迅速地拉出来，指针在相反的方向上发生了偏转。他说：“每次把磁棒插进或拉出时,这效应都会重复,因此电的波动只是从磁铁的接近而不是磁铁停止在那里产生的。 10月28日,他把一个空心螺线管迅速送入一对大的磁极之间(见上右图),检流计的磁针受到强烈的影响，然后又迅速的取出，磁针同样受到强烈影响。

12、这是在磁铁与线圈有相对运动时所产生的一种效应。 1831年10月24日,法拉第在提交给皇家学会的一篇论文中,把产生感应电流的情况概括成5类：变化着的电流,变化着的磁场,运动的稳恒电流,运动的磁铁,在磁场中运动的导体。他在电学的实验研究第19节中还讲到感应电流的方向。他写道：“当一条载流导线与另一条与之平行的导线相互接近时，感应电流方向与施感电流的方向相反,它们彼此排斥,反抗互相接近；当两线离开时,感应电流的方向与施感电流的方向相同,它们彼此吸引,反抗互相分离。”但这只是确定感应电流方向的一个特例,还没有提出确定感应电流方向的普遍法则。他在电学的实验研究第119节中指出：当一块金属通过磁极前面或两极之间时,所产生的电流与运动方向成直角。据此理由他解释了阿拉果实验,当圆盘在磁场中旋转时,感应电流的方向近似沿半径方向,在盘内形成闭合的感应电流,即涡电流,这个电流趋向于阻止磁针和圆盘的相对运动,因此磁针就随着圆盘转动起来。 第11页/共15页 与此同时,法拉第还用磁感应线概念来解释电磁感应现象。他在电学的实验研究第231节中指出：“相对于磁铁运动的金属中存在的感应电流取决于金属横切的磁感应线。” 1832年,法拉第发现在相同条件下不同金属导体中产生的感应电流与导体的导电能力成正比