高中物理電磁感應(yīng)在生活中的應(yīng)用

摘 要：電磁感應(yīng)是一項非常偉大的發(fā)現(xiàn)，其揭示了電與磁之間的關(guān)系與規(guī)律，在人們的生產(chǎn)生活中有著廣泛地應(yīng)用.高中物理教學(xué)實踐中注重為學(xué)習(xí)者講解電磁感應(yīng)在生活中的應(yīng)用，不僅能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，而且能使學(xué)習(xí)者認(rèn)識到電磁感應(yīng)的重要性，激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性.

關(guān)鍵詞：高中物理;電磁感應(yīng);生活;應(yīng)用

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2022）22-0098-03

人教版高中物理有關(guān)電磁感應(yīng)方面的知識，分別在必修第三冊和選擇性必修第二冊進(jìn)行講解.其中必修第三冊主要講解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，主要對電磁感應(yīng)進(jìn)行定性描述.而選擇性必修第二冊中主要講解了電磁感應(yīng)的定量知識.在進(jìn)行電磁感應(yīng)知識教學(xué)中，為更好地激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，更加牢固地掌握該部分內(nèi)容，應(yīng)注重聯(lián)系生活，多講解電磁感應(yīng)在生活中應(yīng)用的案例.

1 變壓器

變壓器在人們的生活中非常常見，是升降電壓的重要設(shè)備，其以電磁感應(yīng)為工作原理.教學(xué)實踐中為使學(xué)習(xí)者更好地理解變壓器的作用及其工作原理，并能夠運(yùn)用電磁感應(yīng)知識分析一些變壓器問題.一方面，為學(xué)習(xí)者認(rèn)真講解電能輸送的整個過程，使其認(rèn)識到電能輸送過程中進(jìn)行變壓的必要性，而后自然的引出變壓器.同時，運(yùn)用多媒體課件為學(xué)習(xí)者展示生活中不同類型的變壓器，給其帶來似曾相識的感覺，更好地吸引其注意力，調(diào)動其學(xué)習(xí)熱情.另一方面，對變壓器進(jìn)行理想化的抽象，即，理想變壓器.為學(xué)習(xí)者介紹理想變壓器的核心部件，而后與學(xué)習(xí)者一起剖析變壓器工作原理，推導(dǎo)變壓器原副線圈電壓、電流之間的關(guān)系.如圖1所示，理想變壓器的核心部件.

從電磁感應(yīng)視角對變壓器的工作原理進(jìn)行剖析，既鞏固了學(xué)習(xí)者所學(xué)，又認(rèn)識到電磁感應(yīng)在人們生活中發(fā)揮的重要作用.為更好地鍛煉學(xué)習(xí)者的學(xué)以致用能力，創(chuàng)設(shè)以下問題要求學(xué)習(xí)者思考、分析：若發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率為1×105W，輸出電壓為250V，準(zhǔn)備向遠(yuǎn)處輸電.輸電示意圖如圖2所示，若輸電線的總電阻為8Ω，要求輸電線上的電功率損失不能超過輸電功率的5%，用戶獲得的電壓為220V，則應(yīng)選用匝數(shù)比多大的升壓變壓器和降壓變壓器？

該問題要求學(xué)習(xí)者基于對變壓器工作原理地理解，運(yùn)用所學(xué)解決實際問題，能很好地檢驗學(xué)習(xí)者理解以及應(yīng)用變壓器知識的程度，促使其養(yǎng)成使用電磁感應(yīng)知識分析生活問題的意識與習(xí)慣.

2 電磁爐

電磁爐是電磁感應(yīng)知識應(yīng)用于生活中的又一具體實例.電磁爐的發(fā)明給人們更加方便地應(yīng)用電能提供了極大的便利.電磁爐通電后通過電磁感應(yīng)鍋體自己發(fā)熱，在不使用明火的情況下將食物做熟，具有熱量損失小，能量利用率高，安全可靠等優(yōu)點.高中物理電磁感應(yīng)知識教學(xué)中可圍繞電磁爐設(shè)計相關(guān)問題，要求學(xué)習(xí)者思考、討論，進(jìn)一步澄清對電磁感應(yīng)知識的認(rèn)識與理解，激發(fā)對電磁感應(yīng)知識的熱情.

顯然電磁爐以電磁感應(yīng)為工作原理，聯(lián)系電磁感應(yīng)知識可知要想形成渦流，達(dá)到一定的熱效應(yīng)需要材料能夠有效匯聚磁感線.同時，為獲得預(yù)期的加熱效果，增大渦流電流，電磁爐的鍋體應(yīng)使用導(dǎo)電性能良好的金屬.

另外，為使學(xué)習(xí)者靈活地應(yīng)用電磁感應(yīng)知識解答與電磁爐相關(guān)的定量計算問題，進(jìn)一步拓展其視野，可設(shè)計如下問題要求學(xué)習(xí)者分析：電磁爐是由安裝在鍋底的一系列半徑不同的同心導(dǎo)電圓環(huán)發(fā)揮加熱作用的.若導(dǎo)環(huán)所用的材料電阻為R0=0.125πΩ/m，最內(nèi)的圓環(huán)的半徑r1=1cm.電磁爐工作后產(chǎn)生垂直于過濾方向的變化磁場，若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化率為1002πsin100πtT/s，不考慮同心導(dǎo)電圓環(huán)感應(yīng)電流之間的影響，忽略電磁輻射.求最內(nèi)圓環(huán)的感應(yīng)電動勢e的瞬時表達(dá)式以及電功率P（π2≈10）.

3 無線充電手機(jī)

無線充電是當(dāng)前較為前沿的科技，已被應(yīng)用于手機(jī)以及新能源汽車上，大大提高了充電的便利度.高中物理教學(xué)中為學(xué)習(xí)者展示無線充電在人們生活中的應(yīng)用，而后要求學(xué)習(xí)者思考，為什么沒有導(dǎo)線能夠完成對手機(jī)的通電？激發(fā)其對電磁感應(yīng)知識學(xué)習(xí)的熱情.在此基礎(chǔ)上為學(xué)習(xí)者系統(tǒng)的講解無線充電依據(jù)的原理，展示如圖3所示的示意圖：

其中發(fā)射線圈安裝在充電底座上，而接受線圈安裝在手機(jī)中，交流電通過發(fā)射線圈產(chǎn)生可變磁場，可變磁場通過接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流.接收線圈與手機(jī)的電池連接，便可完成無線充電.課堂上為使學(xué)習(xí)者更好地理解電磁感應(yīng)在無線充電上地應(yīng)用，要求學(xué)習(xí)者思考以下問題：（1）在充電底座和手機(jī)之間放上幾張白紙能否完成充電？（2）若通電底座與恒定電流相連能否完成無線充電？（3）發(fā)射線圈與接收線圈中交變電流的頻率是否相同？由電磁感應(yīng)原理可知無線充電主要以磁場為媒介，磁場能夠穿過白紙因此充電底座和手機(jī)之間放上白紙也能完成無線充電.依據(jù)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的條件可知，恒定電流不能產(chǎn)生變化的磁場，也就無法完成無線充電.電磁感應(yīng)并不會改變電流的頻率.

4 延時繼電器

延時繼電器是一種常用的電氣設(shè)備，用于保護(hù)線路或其他設(shè)備.延時繼電器工作時無論是接通電源還是斷開電源，都無法使得線路及時斷開或閉合，而是過一段時間后才會動作.高中物理教學(xué)實踐中可結(jié)合生活實例為學(xué)習(xí)者講解，使學(xué)習(xí)者認(rèn)識到延時繼電器的重要作用.同時，通過對延時繼電器原理地分析，使其認(rèn)識到延時繼電器運(yùn)用了電磁感應(yīng)原理.可將延時繼電器簡化為如圖4所示的結(jié)構(gòu)：

A、B兩個線圈共同繞在同一鐵芯上，A線圈和電源相連.開關(guān)上連接一彈簧K，DC為觸頭.當(dāng)S閉合時A因有穩(wěn)定電流流過，產(chǎn)生穩(wěn)定磁場，吸引開關(guān)，DC將導(dǎo)線接通.此時通過B的磁通量未發(fā)生變化，因此不會產(chǎn)生感應(yīng)電流.當(dāng)斷開S的瞬間，通過線圈B的磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生感應(yīng)電流，使得產(chǎn)生的磁場維持一段時間，過一段時間后電流消失，開關(guān)被彈簧K拉起，DC彈起，線路斷開，以此實現(xiàn)延時功能.教學(xué)實踐中可設(shè)計如下問題與學(xué)習(xí)者互動，激活高中物理課堂的同時，使其更加深刻地理解延時繼電器的工作過程：（1）S閉合時鐵芯上端為哪一極？（2）斷開S的瞬間，鐵芯上端為哪一極？若B線圈斷開，其還是否具有延時功能？學(xué)習(xí)者回顧學(xué)過的安培定則容易判斷，S閉合時鐵芯上端為磁場的N極.當(dāng)S斷開的瞬間由楞次定律可知，其產(chǎn)生的感應(yīng)電流和開關(guān)斷開時線圈A的電流方向相同，因此鐵芯的上端仍為N極.當(dāng)B線圈斷開時因無法產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就不能產(chǎn)生磁場，無法起到延時作用.

5 動圈式話筒

動圈式話筒在人們的生活中非常常見.高中召開的各種會議中都能看到動圈式話筒的身影.動圈式話筒能夠?qū)⑷说穆曇艮D(zhuǎn)化為電信號并通過放大器放大，而后經(jīng)音響發(fā)出，使得聲音被更多的人聽到.課堂上為更好地激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)熱情，可要求學(xué)習(xí)者列舉生活中應(yīng)用動圈式話筒的場景，而后告知學(xué)習(xí)者動圈式話筒是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制成的，并使用多媒體技術(shù)為學(xué)習(xí)者展示如圖5所示的動圈式話筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與學(xué)習(xí)者一起分析動圈式話筒是怎樣使用電磁感應(yīng)原理的.

電磁感應(yīng)在高中物理中占有重要地位，需要學(xué)習(xí)者真正的搞清楚電磁感應(yīng)原理，并能夠靈活運(yùn)用相關(guān)公式進(jìn)行定量計算.實踐中為提高課堂教學(xué)效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗，激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的主動性應(yīng)積極聯(lián)系生活，認(rèn)真收集電磁感應(yīng)在生活中應(yīng)用的具體事物，積極查閱相關(guān)資料，搞清其工作原理.課堂上靈活運(yùn)用多種方法，與學(xué)習(xí)者一起剖析電磁感應(yīng)的具體應(yīng)用，進(jìn)一步加深學(xué)生印象，更好地理解與掌握電磁感應(yīng)知識，高效地完成課堂教學(xué)目標(biāo).

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[責(zé)任編輯：李 璟]

收稿日期：2022-05-05

作者簡介：呂煒（1975.9-），男，江蘇省泰興人，本科，中學(xué)高級教師，從事高中物理教學(xué)研究.