高中物理中的反电动势问题.doc

1、高中物理中的反电动势问题湖北省恩施高中陈恩谱尽管在高考考纲中已经明确说明不考反电动势,但是,高中物理中的电解槽、电池充电、电动机、通电自感、变压器等地方却涉及到了反电动势问题,而要对这些地方有清楚而正确的理解,就必须弄清楚反电动势的概念和反电动势在相关问题中的作用.一、电动势与反电动势概念1、电动势电动势是电源的一个重要参数,它反映的是电源中的非静电力做出史及募他形式.能量转W化为电能的本领,其定义式为E,即电动势的数值等于电源中非静电力移动电荷时所anwi-aqp_做的功与移动的电荷量的比值.该定义式上下都除以时间t,那么得E=,即有p非二正,I这就是非静电力将其它形式能量转化为电能的功率.

2、非静电力有不同的来源：在化学电池干电池、蓄电池中,非静电力是一种与离子的溶解和沉积过程相联系的化学作用；在温差电源中,非静电力是一种与温度差和电子浓度差相联系的扩散作用；在一般发电机中,非静电力起源于磁场对运动电荷的作用,即洛伦兹力；变化磁场产生的有旋电场对处于该电场中的导体内的自由电荷的电场力也是一种非静电力.电动势的方向为非静电力的方向,电动势导映电源-中顺着非静电力方向电势的升高TE是由于这点,导致接在电源两端的电路中形成了电场,从而驱动导体中的自由电荷定向移动形成电流.2、反电动势反电动势是和电动势正好相反的一个概念,产生反电动势的局部,在电路中不再是电源,而是消耗电能的元件；从能量转

3、化角度讲,这种元件内发生的过程是非静电力做负功路中的电能转化为其它用式能量 j 比方电解槽、电池充电问题中,非静电力一一化学作用做负功,将电能转化为化学能；电动机中,非静电力一一安培力洛伦兹力的一个分力做负功,将电能转化为机械能等等.反电动势的定义式为E反,反电动势的方向也就是非静电力的岁向：与电路中电q流方向相反即逆着电流方向电势升高,也就是说顺角电耳方向电势是降低的,它对电荷做负功,对电路中的电流有阻碍作用.=1=p该定义式上下都除以时间t,那么得非EPIEI转化为其他形式能量的功率,比方电动机输出的机械功率、电池充电时的有效功率、通电自感现象中电能转化为磁场能的功率.二、欧姆定律与电动势

4、、反电动势1、局部电路欧姆定律与反电动势2对于纯电阻电路,电路中消耗的电能全部转化为热能,即有IUI:以一个L得UIR,变形即可得到纯电阻电路中的欧姆定律表达式：槽、电池充电、电动机等非纯电阻电路,由于存在反电动势,电路中的电能只局部转化为内22乙、匕日右nTTDDnnTTTm,等式两边各除以一个I,得能,即有IUIRP其他,即IUIRIE反UF变形可得：I反,此即为非纯电阻电路中的欧姆定律表达式.,等式两边各除;但是在电解IRE反,开路时,i=o,那么有UE；基于此,有的中学教材将电动势定义为电源两端的开路电压.三、几个具体问题中的应用那么：2、闭合电路欧姆定律与电动势、反电动势设电源电动势

5、为E、内阻为r,假设外电路是纯电阻电路,那么由能量守恒定律,有2IKIR2,1r,等式两边各除以一个L得EIRIr,变形即可得到闭合电路欧姆定律表达式为:;假设外电路中有电解槽、电池充电、电动机等元件,由能量守恒定律,IE反2r,等式两边各除以一个I,得E欧姆定律表卷：I+.EE反=EIRr一IT,变形即得闭回电路假设定我回路总电动势为二EIR=RrIr联立UIRE反,可得EUIr,变形即有r电路是A.UiQ2D.WlW2,Q1Q2分析设电路用电流为1IRt；而电动机正常工作时,【例11电动机如下图,把电阻R和电动机M串联接在电路中,动机线圈的电阻相等,接通电路后,电动机能正常工作,设电阻R和

6、电动机两端的电压分别为U1和U2,经过时间R与电D-)W1,产生的电热为Qi,电流通过电动机做功为W2,产生的电热为Q2,电阻/?t,电流通过电阻R做功为线圈转动切割磁感线产生了反电动势2其中机械功WIEt,电热Q2I机反选Ao1,QIRtE,因此TTW反U2,WIRE2反Rto此分析可知,UiU2,W1池充电,等效电路如下图,充电器电源的输出电压【例2电池充电锂电池因能量高环保无污染而广泛使用在等电子产品中.现用充电器为一锂电2IUtIEtIRt反,2W2,Ql=Q2O此题为U,输出电流为L电池的电动势为E,内阻为r,那么充电器输出的电功率为电能转化为化学能的功率为,充电效率为分析此题的参考

7、答案为：充电器输出的电功率为IU,电能转化为化学能的功率为图中给ab棒一个初速度后,两棒的速度随时间的变化规律.两图中导轨均为不计电阻的水平光滑导轨.UIr2_IU-Ir,充电效率为-X100%O这个答案依据的是能量守恒_U22P热Ir,故电能转化为化学能的功率为IUIr内阻上的热功率为其实,此题中,电池放电过程和充电过程是互逆过程,充电的化学反响过程中相应电量增加的化学能,与放电的化学反响过程中相应电量减少的化学能数值相等,即电池充电反电动势E反等于放营电动势Eo所以,此题还有另一组答案,即：电能转化为花学能的功率为IE,F2=+=+充电效率为100%.这两组答案是一杳的,由于庇时有IUIr

8、IE至值得顺便指出的是充电电压UIrIr是大于电池电动势E的,只有这样,才能够形成充电电流从而充电;同时假设充电电压增大,充电功率会增大;但是充电效率会降低；而且,由于电池内阻小,充电电压超出电动势也不能太多.很多锂电池的充电电压是4.2V,放电电压电动势为3.7V,充电电压大于放电电压就是这个道理；这种锂电池在额楚二充=电电压=下的充电效率为E3.7V100%88.1%U4.2V【例3电磁感应单双棒问题试分析如甲图所示MX_txzxIX导体棒由静止释放后的速度随时间的变化规律；试分析乙XXXQEEE那么电路中的电流为反IR总d以 看出,随着导体棒的速度的危加,BLv,从这个表达式可R总=导体

9、棒中电流会逐渐减小,Vm时,分析图甲所示问题中,开关闭合后,导体棒中产生电流,它受到安培力而向右运动,这时就会由于切割磁感线产生一个电动势,由右手定那么可知,这个电动势向上,其作用是将电能转化为导体棒的到能是反电动势,LV0【例4通电自感试分析通电自感现象中线圈中电流I随时间t的变化规律,并作出It图象.分析当开关闭合时,线圈中电流会增大,进而引起线圈中磁通量的增大,产生自感电,1自的作用是将电能转换为线圈内的磁场能,其万向与电流方向相反,为反E自万屋,E电动势,它阻碍电流的增大,使得电路中的电流只能逐渐增大,那么电路中的电流为_E_红自RI.EL/,随着总Rta 总I臧小,也就是电流增加越来

10、越慢；当=AiE自L4I的善渐增大,由该式可知,tI=0时,电流小冉增大,到达最大,为必然减小,即EImR总其I-t图象如图所示.越小,当V1=V2时,V相对=0,回路中电流为零,两棒加速度均变为零,两棒此后以共同速度做匀速运动.其v-t图象如图所示.图图图211,E2n,输出电压为U2,那么有U2E212r2；忽略漏磁时,有i2,那么有口2En22tUn忽略原副线圈的电阻时,有UiE,U2E2,可得11.1Un22备注：对电动机模型,请参考如下分析.P非IE反,证实如下：在电动机模型中,安培力做正功,将电能转化为机械能,安培力做功功率为化为机械能的功率.2、电动机模型中,导体棒中自由电荷受到电场力F从而形成电流,其沿导体棒运动时速度为VI,受到垂直导体棒的