湖北省2022届高三二模物理试卷中的感应式单相电能表的工作原理分析

1 引言

近日，在微信群看到网友分享的湖北省2022届高三二模物理试卷，发现其中有一道试题涉及到感应式单相电能表的工作原理，由于结构复杂，学生很难真正搞定。

2 试题回放与参考答案

参考答案：BD

一般而言，既然电能表能计算用户消耗的电能，电能表转盘的转速必然正比于用户消耗的功率，由于电压线圈中的电流有效值恒定，需要转盘中的感应电流受到的安培力指向圆盘切线方向即可。

对于该题，考生根据生活经验即可做出正确的选择，但是考生未必真正清楚电能表铝盘旋转的原因，因为高中物理教材中没有涉及到电能表，居家生活中也很少有机会拆解电能表。

考生解这道题，只能靠物理感觉。

3 感应式电能表的工作原理分析

从网上查阅到的感应式单相电能表的结构图可以发现，电压线圈与用户并联，电压为220V，磁感线通过自身铁芯和回磁极穿过铝盘构成回路。

而电流线圈与用户串联，电流线圈的铁芯是U型的，磁感线通过U型铁芯、孔隙、铝盘和电压线圈的底部铁芯构成回路。

为了分析出电压线圈磁场对电流线圈磁场所产生的的涡流的安培力，我凭着物理直觉，在几何画板中绘制了电流线圈磁场、电流线圈感应电流和电压线圈磁场的空间位置关系。

当蓝色区域内的电流线圈磁场增强时，电流线圈磁场在铝盘中感应出的涡流在中间同向，流经了电压线圈磁场所在的黄色区域，涡流受到电压磁场的安培力作用。

由于用户的电压和电流是同步的，电流磁场与电流同步，涡流与电流磁场相位差90°；电压线圈由于自感的原因，电压线圈中的电流相位与电压线圈中电压相位差90°，电压线圈中的电流与其产生的磁场同步；故铝盘中的涡流与电压线圈的磁场同步，铝盘中的涡流始终受到恒向的安培力；铝盘在涡流安培力与永磁体阻尼的共同作用匀速旋转，转速正比于电流线圈中的电流。

4 感悟

费了老鼻子劲，笔者终于把这个问题搞清楚了，也算是对自己有个交代，如果再能对读者有所帮助，那就更好不过了。