高中物理课本中“反电动势”的理解

余坦造

浙江省温州市平阳县第三中学 325400

关键字：反电动势 电池充电 电动机 功率 效率

人教版《高中物理 选修3-1》的第十三章《法拉第电磁感应定律》的这一节在最后部分出现了“反电动势”这个名词。本来这是大学课本《电磁学》的内容，并且高中课本中讲得不清不楚，还让学生去探究，让我们老师很为难。特别是最后一段文字的解释，有待商讨，无法向学生解释。

在课文中出现这样一句“它的作用是阻碍线圈的转动”，这句话在这里有些科学错误。首先，根据牛顿第二定律，“阻碍线圈的转动”的是阻力，是电动机带动皮带时，皮带产生对线圈的阻力，而不是“反电动势”。反电动势实际是电势差，它只能是产生电流的条件，或是阻碍电流的因素。通过百度查询，反电动势是这样定义的：

所以，这句话应该改成“反电动势是阻碍电动机上电流的通过”，实际上反电动势在自感、互感、对电池充电等现象中都出现，我们在教学过程中也可以用反电动势解释这些问题。

下面是我按高中知识把这里的逻辑过程进行一次梳理，也是我对学生解释的过程，可能牵涉的知识和大学课本知识有些冲突，但根据交流电的有效值方法进行计算，具有很强的科学性和有效性。

一、电池充电中的能量计算

现在手机充电，我们每天必做的事情。在对充电电池充电时，有两个电源。电池实际上是用电器，它的E2=3.7V 电动势，在这里是反电动势，它的内阻大约r2=0.5Ω。而市面上充电器的充电电压E1=4.2V，是电源，充电器内阻大约r1=1Ω，具有：

闭合电路欧姆定律 E1=I(r1+r2)+E2

充电电流 I=0.33A

现在的手机电池的容量大概为2000mAH，充电时间约为6 小时。

二、电动机的欧姆定律和效率

我们在给学生讲解欧姆定律时往往写了下面的一段文字：

在电动机电路中U>IR 这条公式在物理上是不科学的，物理上讲究是严密，是多少就是多少，不能大于小于。所以公式可以改为：

对于最常见的交流异步电动机，在电动机空转时，转子的角速度和旋转磁场的角速度相同，U=E反电动势，电流理论上是零。电动机输出功率为零，机械效率为零。

当电动机卡住时，U=IR，电动机相当于纯电阻电路。电动机输出功率为零，机械效率为零。输出功率什么时候最大呢，计算方式和闭合电路欧姆定律一样，当I=U/2R 时，输出功率最大，机械效率为50%。

在实际的电动机中，效率应该在90%～50%之间。上面图表中的电动机。

电功率 Pin=UI=110V×1.04A=111.2W

输出功率 Pout=60W

效率 η=53.5%

电动机功率越大，效率越高，特别是三相交流电机。而家用的两相电动机由于利用电容器产生的旋转磁场，转动效果不好，效率可能会少于50%。

三、变压器中的反电动势

课本中要求是知道变压比：U1/n1=U2/n2就可以了。

但是如果学生有问起，可以解释为：副线圈的电动势来源为原线圈的电流引起的磁通量变化。

r2为副线圈内阻，

R 为用电器电阻，副线圈的电流变化在原线圈上产生反电动势，阻碍电流通过：

r1 为原线圈内阻

作为理想变压器，原线圈内阻r1=0，副线圈内阻r2=0，

所以 U1/n1=U2/n2

这样可以既让学生把变压器电路的逻辑知识搞清楚，还可以加深学生对闭合电路欧姆定律的理解。

反电动势不是一个真正的物理概念，是在自感、互感中出现的阻碍电流通过的感应电动势，只是为了让人们好理解，按照效果命名的物理量。它的地位相当与力学里面力的分类中，按效果分中的阻力。