電磁感應(yīng)與STS交匯試題賞析

崔方 傅明峰

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和高考考綱在關(guān)于試題的選擇上突出“一道好習(xí)題，就是一個科學(xué)問題”的理念，強(qiáng)調(diào)“應(yīng)多選擇有實際背景或以真實的生活現(xiàn)象為依據(jù)的問題，既訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維能力，又聯(lián)系科學(xué)、生產(chǎn)和生活實際（即英文縮寫STS）”。電磁感應(yīng)現(xiàn)象與我們的生活、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和航天科技等領(lǐng)域聯(lián)系密切，彼此交匯即可編制成鮮活的、綜合性很強(qiáng)的試題。下面選取幾道電磁感應(yīng)與STS交匯的試題來賞析。一、電磁感應(yīng)與日常生活相交匯

例1 如圖1所示是家庭用的“漏電保護(hù)器”的關(guān)鍵部分的原理圖，其中P是一個變壓器鐵芯，入戶的兩根電線（火線和零線）采用雙線繞法，繞在鐵芯的一側(cè)作為原線圈，然后再接人戶內(nèi)的用電器，Q是一個脫扣開關(guān)的控制部分（脫扣開關(guān)本身沒有畫出，它串聯(lián)在本圖左邊的火線和零線上，開關(guān)斷開時，用戶的供電被切斷），Q接在鐵芯另一側(cè)副線圈的兩端a、b之間，當(dāng)a、b間沒有電壓時，Q使得脫扣開關(guān)閉合，當(dāng)a、b間有電壓時，脫扣開關(guān)即斷開，使用戶的供電被切斷。

（1）用戶正常用電時，a、b之間

電壓（填“有”或“沒有”）。

（2）如果某人站在地面上，手誤觸火線而觸電，脫扣開關(guān)

斷開（填“會”或者“不會”），原因是

。

解析：電磁感應(yīng)在日常生活中有大量的應(yīng)用，如錄音機(jī)、話筒、電磁爐、延時繼電器、日光燈等。在解答與之相關(guān)的問題時，應(yīng)該先抽象出物理模型，再根據(jù)相應(yīng)的物理規(guī)律解答。求解本題需要先明確線路的繞法，再明確磁通量的變化情況。

（1）用戶正常用電時，a、b之間沒有電壓，因為雙線繞成的初級線圈兩根導(dǎo)線中的電流總是大小相等而方向相反的，穿過鐵芯的磁通量總為零，所以副線圈中不會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。

（2）人站在地面上手誤觸火線，電流通過火線和人體而流向大地，不通過零線，這樣變壓器的鐵芯中就會有磁通量的變化，從而使得副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，脫扣開關(guān)就會斷開。

點評：很多同學(xué)看不懂本題的線路繞法，導(dǎo)致無法解答。對于實際生活情景類的問題，需要先熟讀題意，看清圖形，再轉(zhuǎn)化為物理模型，從而應(yīng)用相關(guān)的物理規(guī)律解答。

二、電磁感應(yīng)與工業(yè)生產(chǎn)相交匯

例2 低頻電渦流傳感器可用來測量自動化生產(chǎn)線上金屬板的厚度。如圖2所示，在線圈L1中通以低頻交變電流，它周圍會產(chǎn)生交變磁場，其正下方有一個與電表連接的線圈L2，金屬板置于線圈L1、L2之間。當(dāng)線圈L1中產(chǎn)生的變化磁場透過金屬板時，線圈L2中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于金屬板的厚度不同，吸收電磁能量的強(qiáng)弱不同，導(dǎo)致線圈L2中，感應(yīng)電流的強(qiáng)弱不同，則（

）。

A.金屬板吸收電磁能量，是由于穿過金屬板的磁場發(fā)生變化，板中產(chǎn)生渦流

B.金屬板越厚，渦流越弱

C.線圈L2中產(chǎn)生的是直流

D.線圈L2中產(chǎn)生的是與線圈L1中同頻率的交變電流

解析：當(dāng)線圈L1中通有交變電流時，根據(jù)右手螺旋定則可知，穿過金屬板的磁場發(fā)生變化，從而…現(xiàn)變化的電場，導(dǎo)致金屬板中產(chǎn)生渦流，進(jìn)而吸收電磁能量，轉(zhuǎn)化成金屬板的內(nèi)能，故選項A正確。金屬板越厚，在變化的電場作用下，產(chǎn)生的渦流越強(qiáng)，故選項B錯誤。根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，線圈L2中產(chǎn)生的是與線圈L1中同頻率的交變電流，故選項C錯誤，D正確。答案為AD。

點評：本題考查電磁感應(yīng)現(xiàn)象的原理，同學(xué)們?nèi)裟苷莆债a(chǎn)生渦流的原理，注意板的厚度與渦流的大小關(guān)系，結(jié)合變壓器與電磁爐的工作原理，便能快速而準(zhǔn)確地解題。

三、電磁感應(yīng)與地磁場相交匯

例3 一個電阻為R的長方形線圈abcd沿著磁針?biāo)傅哪媳狈较蚱椒旁诒卑肭虻囊粋€水平桌面上，ab=L1，bc=L2，如圖3所示?，F(xiàn)突然將線圈翻轉(zhuǎn)180°，使ab與dc互換位置，用沖擊電流計測得導(dǎo)線中通過的電荷量為Q1。然后維持ad邊不動，將線圈繞ad邊轉(zhuǎn)動，使之突然豎直，這次測得導(dǎo)線中通過的電荷量為Q2，試求該處地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。四.電磁感應(yīng)與航天科技相交匯

例4 2013年12月15日4時35分，嫦娥三號著陸器 與巡視器分離，“玉兔號”巡視器順利駛抵月球表面。如圖4所示是嫦娥三號探測器攜“玉兔號”奔月過程中某階段的運

動示意圖，關(guān)閉動力的嫦娥三號探測器在月球引力作用下向月球靠近，并將沿橢圓軌道在B處變軌進(jìn)入半徑為r的圓軌道I，此時嫦娥三號探測器繞月做圓周運動的周期為T，此后經(jīng)多次變軌，嫦娥三號探測器停泊在圓軌道Ⅱ上待機(jī)著陸，12月11日嫦娥三號探測器從圓軌道Ⅱ上的D點實施變軌，進(jìn)入橢圓軌道Ⅲ，由近月點C成功落月。嫦娥三號探測器接觸月面瞬間的速度為vo，方向豎直向下，大于軟著陸速度v1，而月球上沒有空氣，嫦娥三號探測器在月面實現(xiàn)軟著陸非常困難。為此科學(xué)家們設(shè)計了多種緩沖裝置.解析：當(dāng)嫦娥三號探測器繞圓軌道I運行時，根據(jù)月球的萬有引力充當(dāng)向心力列式，可求出月球的質(zhì)量，進(jìn)而根據(jù)黃金代換公式可求出月球的半徑。當(dāng)探測器接觸月面時，滑塊K立即停止運動，線圈與軌道間的磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場對感應(yīng)電流產(chǎn)生的安培力阻礙磁場與線圈間的相對運動，為使得探測器做減速運動，其所受的安培力需大于其自身重力，從而實現(xiàn)緩沖。由功能關(guān)系可知，線圈產(chǎn)生的焦耳熱等于探測器機(jī)械能的變化量。

點評：該題考查的內(nèi)容可以分為兩部分。第一部分考查萬有引力與航天，求解這類問題的關(guān)鍵是明確萬有引力提供向心力，通過相關(guān)公式求得中心天體的質(zhì)量和半徑。第二部分考查線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，而磁場對感應(yīng)電流產(chǎn)生的安培力阻礙磁場與線圈間的相對運動，使得探測器做減速運動，從而實現(xiàn)緩沖。