法拉第圆盘发电机-上海第八中学.doc

第十一章 电磁感应 电磁波参考资料 1．我国三峡工程第一台发电机组定子 我国第一台70万kW发电机定子机座于2002年4月在上海诞生，它是三峡一期工程水电机组的主要设备。这台机座的直径有22m，占地面积380m2，酷似一个环状的音乐厅。机座落成典礼就是在这“音乐厅”里举行的一场交响音乐会，百余人组成的乐队奏起了雄伟的《红旗颂》，并跟500多名建设者一起高唱《咱们工人有力量》，抒发了我国民族工业奋发图强的豪情。 2．法拉第圆盘发电机 1831年，法拉第发现电磁感应现象后不久，他利用电磁感应原理发明了世界上第一台发电机——法拉第的圆盘发电机。这台发电机在磁场中转动的不是线圈，而是一个紫铜做的圆盘。图2是将教材中图11－1顺时针转动90°后画出的原理示意图。紫铜圆盘放置在蹄形磁铁的磁场中，盘的圆心处固定一个摇柄，圆盘的边缘和圆心处各与一个黄铜电刷紧贴，再用导线把电刷与电流表连接起来。我们把圆盘看作是由无数根长度等于圆半径的紫铜辐条组成，当转动摇柄使圆盘转动时，每根紫铜辐条都在切割磁感线。由于每时刻总有某辐条到达OA位置，跟外电路的电流表构成闭合回路，因此在闭合电路中就有持续不断的电流。 这台像儿童玩具般的发电机，发电能力很小，只相当于一节干电池。法拉第在英国皇家学会上演示他的发电机时，一位贵夫人问他：“这玩艺有什么用呢?”法拉第非常有礼貌地回答道：“夫人，新生的婴儿又有什么用处呢？”这一绝妙的回答道出了这个发明的发展潜力。 170多年过去了，正是这台简陋、不成熟的圆盘发电机，使人们看到了由磁生电的可能性，并把人类带入到了电气化时代。 3．麦克斯韦的科学贡献 英国物理学家麦克斯韦（J．C．Maxwell）生于1831年，1897年在剑桥逝世。麦克斯韦是19世纪伟大的物理学家，经典电磁理论的奠基人，在热力学、光学、分子物理学、弹性理论和液体性质理论等方面都作出了贡献。 麦克斯韦自幼聪颖，14岁时就发表过数学论文。在电磁学研究方面，他接受并创造性地发展了法拉第的基本思想，构想了电磁作用的力学模型，并引入了位移电流的概念。根据电磁场的相互关系，他以严谨的数学形式建立了电荷、电流和磁场相联系的基本微分方程组，即“麦克斯韦方程组”，从而奠定了经典电动力学的基础。由此，麦克斯韦预见了电磁波的存在，并被赫兹的实验所证实，且测出电磁波在真空中传播速度为光速。麦克斯韦电磁场理论被认为是人类在认识光的本性方面的一大进步，并推动了无线电通信的发展。1873年，麦克斯韦出版了他的著作《电磁理论》，这部科学名著内容丰富，形式完善，体现了理论与实验的一致性，成为经典物理学的重要支柱之一。 在分子动理论方面，麦克斯韦首次利用统计方法得出了气体分子的速度分布规律，即 “麦克斯韦速度分布律”。 1871年，麦克斯韦在剑桥大学负责筹建了该校第一所物理学实验室——卡文迪什实验室，在他和以后几位主任的领导下，该实验室发展成为名闻全世界的学术中心之一。 4．“学习包”体现了科学的教育思想和方法 在高中基础型物理课程中，“学习包—电磁波”是第四次出现的特殊的教材编写形式。“学习包”体现了一种科学的教育思想和方法。它的主要特点是要求学生建立自主学习的意识，通过资料自己找、实验自己做、问题自己答、小结自己写、效果自己评，达到增强主动探究知识能力的目的，使学生终身受用。 由于对“电磁波”的学习要求了解麦克斯韦的电磁场理论的基本思想，但更重要的是它跟社会发展和人类生活是密切相关的，因此可以充分地让学生进行自主学习。“学习包”强调培养学习方法、思维方法和学习态度三者的结合，这种方法也称为“hands—on”（动手活动）方案。这种方案的特点是：①强调动手实践活动，并从生活中取材；②强调主动学习；③不仅强调学习知识，更重要的是强调学习方法、思维方法、学习态度三者的结合；④提倡合作交流；⑤围绕一定的主题进行探索和交流。其基本过程是：提出问题→动手做实验→观察记录→解释讨论→得出结论→表达陈述；学习方法是：行动、提问、研究和实验，而不是死记硬背某些知识。所以，在“学习包”的教学中，教师要从多角度给学生以指点和鼓励，促进学生自主学习能力的发展。 5．介绍几个使用“电磁学实验箱”的实验 （1）部分导体切割磁感线产生感应电流的方向 【实验器材】 ①铜棒（长10cm、直径3mm）；②强磁铁；③支架；④导线；⑤电流表（微安表）。 【实验装置】 如图3所示。 【实验步骤】 实验装置图安装器材（支架、磁铁、导线和电流表）。 将铜棒放在支架上。 用手沿支架推动铜棒向图3所示方向运动，同时观察电流表，其指针会发生偏转，说明有感应电流产生。 根据电流方向、磁场方向、铜棒运动方向验证右手定则。 （2）话筒原理 【实验器材】 强磁铁； 线圈（在直径2.5cm、高15cm的圆纸筒上绕0.2mm的漆包线30匝）； 细砂纸；