余坦造

浙江省溫州市平陽(yáng)縣第三中學(xué) 325400

關(guān)鍵字：反電動(dòng)勢(shì) 電池充電 電動(dòng)機(jī) 功率 效率

人教版《高中物理 選修3-1》的第十三章《法拉第電磁感應(yīng)定律》的這一節(jié)在最后部分出現(xiàn)了“反電動(dòng)勢(shì)”這個(gè)名詞。本來(lái)這是大學(xué)課本《電磁學(xué)》的內(nèi)容，并且高中課本中講得不清不楚，還讓學(xué)生去探究，讓我們老師很為難。特別是最后一段文字的解釋，有待商討，無(wú)法向?qū)W生解釋。

在課文中出現(xiàn)這樣一句“它的作用是阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)”，這句話在這里有些科學(xué)錯(cuò)誤。首先，根據(jù)牛頓第二定律，“阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)”的是阻力，是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶時(shí)，皮帶產(chǎn)生對(duì)線圈的阻力，而不是“反電動(dòng)勢(shì)”。反電動(dòng)勢(shì)實(shí)際是電勢(shì)差，它只能是產(chǎn)生電流的條件，或是阻礙電流的因素。通過(guò)百度查詢，反電動(dòng)勢(shì)是這樣定義的：

所以，這句話應(yīng)該改成“反電動(dòng)勢(shì)是阻礙電動(dòng)機(jī)上電流的通過(guò)”，實(shí)際上反電動(dòng)勢(shì)在自感、互感、對(duì)電池充電等現(xiàn)象中都出現(xiàn)，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中也可以用反電動(dòng)勢(shì)解釋這些問(wèn)題。

下面是我按高中知識(shí)把這里的邏輯過(guò)程進(jìn)行一次梳理，也是我對(duì)學(xué)生解釋的過(guò)程，可能牽涉的知識(shí)和大學(xué)課本知識(shí)有些沖突，但根據(jù)交流電的有效值方法進(jìn)行計(jì)算，具有很強(qiáng)的科學(xué)性和有效性。

一、電池充電中的能量計(jì)算

現(xiàn)在手機(jī)充電，我們每天必做的事情。在對(duì)充電電池充電時(shí)，有兩個(gè)電源。電池實(shí)際上是用電器，它的E2=3.7V 電動(dòng)勢(shì)，在這里是反電動(dòng)勢(shì)，它的內(nèi)阻大約r2=0.5Ω。而市面上充電器的充電電壓E1=4.2V，是電源，充電器內(nèi)阻大約r1=1Ω，具有：

閉合電路歐姆定律 E1=I(r1+r2)+E2

充電電流 I=0.33A

現(xiàn)在的手機(jī)電池的容量大概為2000mAH，充電時(shí)間約為6 小時(shí)。

二、電動(dòng)機(jī)的歐姆定律和效率

我們?cè)诮o學(xué)生講解歐姆定律時(shí)往往寫(xiě)了下面的一段文字：

在電動(dòng)機(jī)電路中U>IR 這條公式在物理上是不科學(xué)的，物理上講究是嚴(yán)密，是多少就是多少，不能大于小于。所以公式可以改為：

對(duì)于最常見(jiàn)的交流異步電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的角速度和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度相同，U=E反電動(dòng)勢(shì)，電流理論上是零。電動(dòng)機(jī)輸出功率為零，機(jī)械效率為零。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)卡住時(shí)，U=IR，電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于純電阻電路。電動(dòng)機(jī)輸出功率為零，機(jī)械效率為零。輸出功率什么時(shí)候最大呢，計(jì)算方式和閉合電路歐姆定律一樣，當(dāng)I=U/2R 時(shí)，輸出功率最大，機(jī)械效率為50%。

在實(shí)際的電動(dòng)機(jī)中，效率應(yīng)該在90%～50%之間。上面圖表中的電動(dòng)機(jī)。

電功率 Pin=UI=110V×1.04A=111.2W

輸出功率 Pout=60W

效率 η=53.5%

電動(dòng)機(jī)功率越大，效率越高，特別是三相交流電機(jī)。而家用的兩相電動(dòng)機(jī)由于利用電容器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)效果不好，效率可能會(huì)少于50%。

三、變壓器中的反電動(dòng)勢(shì)

課本中要求是知道變壓比：U1/n1=U2/n2就可以了。

但是如果學(xué)生有問(wèn)起，可以解釋為：副線圈的電動(dòng)勢(shì)來(lái)源為原線圈的電流引起的磁通量變化。

r2為副線圈內(nèi)阻，

R 為用電器電阻，副線圈的電流變化在原線圈上產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流通過(guò)：

r1 為原線圈內(nèi)阻

作為理想變壓器，原線圈內(nèi)阻r1=0，副線圈內(nèi)阻r2=0，

所以 U1/n1=U2/n2

這樣可以既讓學(xué)生把變壓器電路的邏輯知識(shí)搞清楚，還可以加深學(xué)生對(duì)閉合電路歐姆定律的理解。

反電動(dòng)勢(shì)不是一個(gè)真正的物理概念，是在自感、互感中出現(xiàn)的阻礙電流通過(guò)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，只是為了讓人們好理解，按照效果命名的物理量。它的地位相當(dāng)與力學(xué)里面力的分類(lèi)中，按效果分中的阻力。