版块19 专题19 电与磁 （教师版） 初中物理尖子生自主招生培优讲义83讲

第 1 页 / 共 28 页 专题19 电与磁 知识·解读 一、磁现象 1、磁性：磁铁能够吸引铁、钴、镍等物质的特性叫磁性。 2、磁体：具有磁性的物体叫磁体，常见的磁体有条形磁体、蹄形磁体(也叫U 形磁体)、小磁针等。 3、磁极：磁体上磁性最强的部分叫磁极。每个磁体都有两个磁极，一个是南极(也叫S 极)，一个是北极 (也叫极)。磁极间的相互作用规律是：同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。 4、磁化：使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫磁化。铁或钢制的物体都能被磁化。铁棒被磁化后， 磁性很容易消失，称为软磁体；钢棒被磁化后，磁性能够长期保持，称为硬磁体或永磁体。 5、磁体的指向性：将可自由转动的永磁体悬挂起来，静止时，总有一端指南、另一端指北，指南的一端 是磁体的南极，指北的一端是磁体的北极。 二、磁场 1、磁场：磁场是磁体周围存在的一种物质。磁场的基本性质是对放入其中的磁体产生磁力的作用。磁场 是有方向的，在磁场中的某一点，小磁针静止时北极指的方向就是该点的磁场方向。 2、磁感线：磁场中实际并不存在一条条的线——磁感线，它是人们为了形象地描述磁场而假想的线(就 像光线一样)； 3、磁感线的特征： （1）磁感线充满整个空间，是永远也不会相交的闭合曲线； （2）磁场中任何一点的磁感线的切线方向跟放在该点的磁体北极的受力方向一致； （3）磁体外部空间的磁感线总是从北极出来，回到南极；而磁体内部的磁感线则从南极到北极； （4）磁感线的疏密程度表示磁场的强弱，某点磁感线的切线方向表示该点的磁场方向。 4、地磁场：地球是一个天然大磁体，地球周围存在着磁场，称为地磁场。地磁的北极在地理的南极附近， 地磁的南极在地理的北极附近。 第 1 页 / 共 28 页 三、电流的磁场 1、电流的磁效应 通电导体和磁体一样，周围存在着磁场，能使小磁针发生偏转，这种现象叫做电流的磁效应。奥斯特 实验表明，通电导体周围存在磁场，并且该磁场的方向与电流的方向有关。 2、通电螺线管的磁场 通电螺线管外部的磁场和条形磁体的磁场一样，其两端相当于条形磁体的两个磁极，其极性与电流的 方向有关，可用安培定则来判定。 3、安培定则 用右手握住螺线管，让四指弯向螺线管中的电流方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的北极。 4、电磁铁及其应用 (1)构造：内部带铁芯的通电螺线管叫做电磁铁。 (2)电磁铁的特点：通电时有磁性，断电时没有磁性；磁场的方向由线圈的绕向和电流的方向控制；磁性 的强弱可以由电流的大小控制，电流一定时，外形相同的螺线管，线圈匝数越多，磁性越强。 (3)电磁继电器是利用电磁铁制成的，利用电磁继电器可以实现各种自动控制。 四、电动机 1、通电导体在磁场中要受到力的作用（力的方向判断依据左手定则，高中学习内容）。从能的转化观点 来看，这是将电能(通电)转化为机械能(导体受力而运动)，这正是制造电动机的基础。 2、通电导体在磁场中受力的方向跟电流的方向和磁感线的方向有关，导体受力的方向既跟电流方向垂直， 又跟磁感线方向垂直。 3、电动机是利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的。 ①如图所示是直流电动机的工作原理图。 第 1 页 / 共 28 页 ②电动机的构造：电动机由能够转动的线圈和固定不动的磁体两部分组成。在电动机里，能够转动的 部分叫转子，固定不动的部分叫定子。 ③换向器的作用：当线圈到达平衡位置时能自动地改变线圈中电流的方向，使线圈连续转动。 五、磁生电（发电机） (1)电磁感应：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生感应电流，这种现 象称为电磁感应；由电磁感应产生的电流叫做感应电流（感应电流的方向依据右手定则，高中学习）。 (2)感应电流的方向与导体的运动方向和磁感线的方向有关。 (3)在电磁感应现象里，通电导体在磁场中运动，将机械能(导体运动)转化为电能(产生电流)； (4)发电机：①发电机是根据电磁感应原理制成的； ②交流发电机发出的是大小和方向都发生周期性变化的电流，称交变电流； ③交变电流每秒内周期性变化的次数叫做频率，单位是赫兹，简称赫，符号是z，我国电交变电流供电频 率为50z。 典例·解读 类型一、磁场与磁感线的理解 例1、下列说法中错误的是( )。 、磁场是由无数条磁感线组成的 B、磁感线在磁体的外部从磁体极出发，最后回到S 极 、将条形磁铁分成若干段，每段磁体均有、S 极 D、大头针被磁铁吸引的同时也被磁化成小磁体 第 1 页 / 共 28 页 类型二、安培定则的应用——判断螺线管的极性 例2、在原子内部，核外电子绕原子核运动会形成一种环形电流，该环形电流产生的磁 场使物质微粒（原子）的两侧相当于两个磁极。若图中箭头表示的是电子绕原子核 运动的方向，则环形电流的左侧应为________（选填“”或“S”）极。 类型三、影响电磁铁磁性强弱的因素 例3、关于电磁铁，下列说法中正确的是（ ） 、电磁铁的磁性强弱跟通过它的电流大小无关 B、电磁铁中电流方向改变，其磁性强弱也改变 、在相同通电螺线管中，加铜芯比加铁芯磁性弱 D、电磁铁的磁性强弱跟线圈匝数无关 【答】 【解析】磁感线是为了形象描述磁场的空间分布而引入的假想的曲线，故选项错误；B 选项符合磁感 线的特点，所以B 选项正确；将条形磁铁分成若干段后，每段都是一个磁体，每个磁体有且 只有两个磁极，故选项正确；磁铁具有吸铁性，实际上吸铁的同时把物体磁化成一个磁体， 它们的靠近端为异名磁极，故D 选项正确。 【答】 S 【解析】本题考查的是右手螺旋定则。由于是核外电子绕核运动， 电子运动的方向与电流的方向相反， 再让四指与电流的方向一致，大拇指的指向就是极。所以环形电流的右侧为极，左侧为S 极。 已知电源的极性，判断螺线管两端的极性的方法：（1）标上螺线管上的电流方向；（2）用 右手握住螺线管，四指弯向电流方向；（3）大拇指所指的一端就是螺线管的极。 第 1 页 / 共 28 页 例4、小平同学利用如图所示装置研究电磁铁磁场的强弱与哪些因素有关。图中是悬挂在弹簧下的铁块， B 是电磁铁的铁芯，S 是转换开关(S 接1 时连入电路的线圈匝数多，S 接2 时连入电路的线圈匝数少) (1)实验过程中弹簧的伸长量越大，表示电磁铁的磁场越________； (2)保持滑片P 位置不变，先后让开关S 接1 和2，可以研究电磁铁磁场的强弱 与线圈________的多少是否有关； (3)请提出一个还可以用该装置验证的猜想并设计验证方。 猜想：电磁铁磁场的强弱还与________________有关； 验证方：______________________________________________________________ ___________________________________________________________________。 类型四、电磁继电器 例5、如图是直流电铃的原理图。下列关于电铃工作时的说法中错误的是( )。 、电流通过电磁铁时，电磁铁有磁性且端为S 极 B、电磁铁吸引衔铁，弹性片发生形变具有弹性势能 【答】 【解析】带有铁芯的螺线管称为电磁铁，它的磁性强弱与电流大小和线圈匝数的多少有关。电磁铁的 磁性强弱与通过它的电流有关，匝数一定时，电流越大，磁性越强，选项错；电磁铁中电流 方向改变时，其磁极也会发生改变，但它的磁性强弱不会改变，选项B 错；通电螺线管中加 入铁芯后磁性增强，主要是因为铁芯被磁化后也具有了磁性，如果在螺线管中加入铜芯，铜 芯不会被磁化，因而螺线管中的磁性不会增强，选项正确；电磁铁的磁性强弱与线圈的匝数 有关，在电流一定的情况下，匝数越多，磁性越强，选项D 错。 【答】(1)强；(2)匝数；(3)通过线圈的电流大小；保持开关接在1 或2 处不变，移动滑片P，观察弹 簧伸长的情况 【解析】磁铁具有吸铁性，从图示装置可知，电磁铁磁性越强，对铁块的吸引力越大，则弹簧的伸长 量越长；滑片位置不变，即控制电流不变，让开关先后置于1 和2 是改变了线圈的匝数，所 以是研究电磁铁磁场的强弱与线圈匝数的关系；电路中的滑动变阻器可以改变电路中的电流 将开关置于1 或2 不动，移动滑动变阻器滑片，改变通过电磁铁线圈的电流大小，观察弹簧 的伸长情况。这样可以验证电磁铁磁场的强弱是否与通过线圈的电流的大小有关。 第 1 页 / 共 28 页 、小锤击打铃碗发出声音，是由于铃碗发生了振动 D、小锤击打铃碗时，电磁铁失去磁性 例6、电梯为居民出入带来很大的便利， 出于安全考虑，电梯都设置超载自 动报警系统，其工作原理如图甲所 示．已知控制电路的电源电压 U=6V ，保护电阻R1=100Ω ，压 敏电阻R2 的阻值随压力F 大小变化 如图乙所示，电梯底架自重和电磁铁线圈的阻值都忽略不计。 （1）当压敏电阻R2受到的压力F 增大时，其阻值减小，控制电路中的电流增大，从而使电磁铁的磁 性增强．电梯超载时，衔铁被电磁铁吸住，触点K 与触点_____接触，电铃发出警报声。 （2）若电梯在20s 内将一位重600 的乘客匀速提升20m，求电梯对乘客做功的功率。 （3）当电磁铁线圈电流达到20m 时，衔铁刚好被吸住．若该电梯厢内站立总质量为800kg 的乘客时， 试通过计算说明电梯是否超载。（g 取10 Ｎ/kg） 【答】 【解析】电磁铁通电时有磁性，断电时没有磁性，当电流通过电磁铁时，由安培定则可知端为极，选 项错；电磁铁吸引衔铁使弹性片发生形变而具有弹性势能，选项B 正确；声音是由物体的振 动产生的，小锤击打铃碗使铃碗振动发出声音，选项正确；小锤击打铃碗时，电路断开，电 磁铁失去磁性，选项D 正确。 第 1 页 / 共 28 页 类型五、磁场对电流的作用 例7、如图所示，线圈bd 位于磁场中K 与1 接通时，b 段导线受磁场力F 的方向向上；当K 改为与2 接 通时，b 段导线受磁场力( ) 、方向向下 B、方向向上 、为零，因为电源反接 D、为零，因为电路一定是断路 【答】 （1）B；（2）600；（3）否 【解析】（1）电梯超载时，压敏电阻R2受到的压力F 增大时，其阻值减小，控制电路中的电流增大， 从而使电磁铁的磁性增强，磁性达到一定程度时，衔铁被电磁铁吸住，触点K 与触点B 接触， 电铃报警，电梯不工作．故答为：B； （2）∵电梯克服乘客的重力做功，在20 秒内将一位重600 牛的乘客匀速提升20 米， ∴做功的功率为p=W t =Gh t =600 N ×20 M 20 S =600w； （3）方法一、电梯厢内站立总质量为800 千克的乘客时，电梯受到的压力等于乘客的重力， 即 F=G=mg=800kg×10/kg=8000 由图乙，当压力F=8000，对应的压敏电阻阻值R2=300Ω ∴控制电路中的电流为I= U R1+R2 = 6V 100Ω+300Ω=15m A 20m ∵ ＞15m； ∴此时电梯不超载． 方法二、电梯厢内站立总质量为800 千克的乘客时，电梯受到的压力等于乘客的重力，即 F=G=mg=800kg×10/kg=8000 R1两端的电压U1=R1=002×100Ω=2V； 第 1 页 / 共 28 页 类型六、电磁感应现象 例8、为了解释地球的磁性，19 世纪安培假设：地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流引起的。在下 列四个图中，正确表示安培假设中环形电流方向的是 （ ） 、 B、 、 D、 例9、如图所示，将一对磁性材料制成的弹性舌簧密封于玻璃管中，舌簧端面互叠，但留有空隙，就制成 了一种磁控元件——干簧管，以实现自动控制。干簧管置于下列哪种通电导线的磁场中时，可以使舌 簧端面吸合（ ） 类型七、电动机和发电机 【答】 【解析】如图所示，线圈bd 位于磁场中，K 与1 接通时，b 段导线受磁场力F 的方向向上；当K 改 为与2 接通时，磁场方向不变，导体中电流方向相反了，则b 段导线受磁场力相反，方向向 下．故选． 【答】 B 【解析】要知道环形电流的方向首先要知道地磁场的分布情况：地磁的南极在地理北极的附近，故右 手的拇指必需指向南方，然后根据安培定则四指弯曲的方向是电流流动的方向从而判定环形 电流的方向．地磁的南极在地理北极的附近，故在用安培定则判定环形电流的方向时右手的 拇指必需指向南方；而根据安培定则：拇指与四指垂直，而四指弯曲的方向就是电流流动的 方向，故四指的方向应该向西．故B 正确． 【答】 B 【解析】根据电流产生磁场，用安培定则可判断直线电流在周围所产生磁场的方向。磁性材料制成的 弹性舌簧在磁场中磁化产生磁性吸合使电流导通，选项B 正确。干簧管是一种把磁信号转化 为电信号的传感器，要使磁性材料制成的弹性舌簧端面吸合，必须把干簧管的舌簧所在的直 线与磁场的磁感线方向在一直线上。 第 1 页 / 共 28 页 例10、如图所示为电动机和发电机模型，其中图______(选填 “甲”或“乙”)为电动机模型，其工作原理是____________ __________________；电动机工作时，能够使线圈平稳、连 续不停地转动下去是靠 实现的。 例11、微型电扇通电工作时，它是电动机，如图所示，在微型电扇的插头处连接小灯泡，用手快速拨动 风扇叶片时小灯泡发光，此时微型电扇变成了发电机，关于电动机和发电机的工作原理，下列说法中 正确的是( ) 、电动机的工作原理是电磁感应 B、电动机的工作原理是通电导线在磁场中受到力的作用 、发电机的工作原理是电流的磁效应 D、发电机的工作原理是通电导线在磁场中受到力的作用 电动机与发电机的比较 电动机 发电机 结构 【答】 甲； 通电导体在磁场中受力运动； 换向器 【解析】本题考查发电机、电动机的识别及电动机的原理。图甲中有电源，通电线圈在磁场中受力转 动，是电动机模型；图乙中没有电源，闭合电路的线圈在磁场中做切割磁感线运动时，线圈 中就会产生电流，利用了电磁感应现象，是发电机模型。换向器的作用是每当线圈刚转过平 衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，从而改变线圈的受力方向，使线圈持续转动下去。 【答】 B 【解析】本题考查电动机和发电机的原理。电扇里面小型电动机的工作原理是通电导体在磁场中受力 转动；电扇的内部有磁铁和线圈，当微型电扇的插头处接一只小灯泡，线圈转动时，做切割 磁感线的运动，故能产生电流，此时微型电扇是一台发电机，其原理是电磁感应，故选B。 第 1 页 / 共 28 页 工作原理 通电线圈在磁场中受力转动 (磁场对通电导线的作用) 电磁感应 能量转化 电能转化成机械能 机械能转化成电能 在电路中的作用 用电器 电源 判断是电动机原理图还是发电机原理图，方法是看电路中有电源还是有电流表或灯泡等用电器。如果 有电源说明是先有电而后动，所以是电动机原理图；若有电流表或小灯泡说明是动起来后才有了电流， 所以是发电机原理图。 例12、在一次物理探究活动中，小明把一个正在发光的白炽灯放到U 形磁铁中间，如图所示，他惊讶地 发现灯丝在晃动，关于这种现象，下列说法正确的是( ) 、灯丝晃动是一种电磁感应现象 B、灯丝晃动是内能转化成了机械能 、灯丝晃动是灯丝受到磁铁的吸引作用 D、灯丝晃动是由于磁场对通电灯丝产生力的作用 类型七、相关实验 例13、探究产生感应电流条件的实验步骤如图甲、乙、丙所示。 甲 B 棒垂直磁感线左右运动 乙 B 棒沿着磁感线上下运动 丙 B 棒垂直磁感线左右运动 (1)本实验中，我们通过观察什么现象来判断电路是否有感应电流？_______________。 (2)通过比较图________与图________可知，产生感应电流的一个条件是电路要闭合；通过比较图_______ _与图________可知，产生感应电流的另一个条件是导体要在磁场中做切割磁感线运动。 【答】 D 【解析】本题考查磁场对电流的作用。有电流通过的灯丝置于磁场中晃动，体现了通电导体在磁场中 受到力的作用；在这个过程中，电能转化为机械能。 第 1 页 / 共 28 页 (3)若图甲中B 棒不动，磁铁左右水平运动，电路________感应电流。(选择“有”或“无”) 培优·训练 一、选择题 1、图所示，将一柔软的导线弯成星形，并将其置于光滑水平桌面上，然 后将电键S 闭合，则该星形回路将 （ ） 、不会变形 B、会变形，所围面积增大 、会变形，所围面积减小 D、会变形，所围总面积不变 2、在地球赤道上空某处有一小磁针处于水平静止状态，突然发现该小磁针的极向东偏转，可能是 （ ） 、小磁针正西方向有一条形磁铁的S 极靠近小磁针 B、小磁针正北方向有一条形磁铁的S 极靠近小磁针 、小磁针正上方有电子流自东向西水平通过 D、小磁针正上方有电子流自南向北水平通过 3、如图所示，L 是电磁铁，在乙正上方用弹簧悬挂一条形磁铁，设电源电压不变， 闭合电键S 待电磁铁稳定后，当滑动变阻器R 的滑片p 由上向下缓缓地滑动过 程中，弹簧的长度将 ( )． 、变长 B、变短 【答】(1)电流表指针的偏转 (2)甲； 丙； 甲； 乙 (3)有 【解析】本题考查实验探究产生电磁感应的条件。通过观察电流表指针的偏转来判断电路是否有感应 电流；通过比较图甲与图丙可知，产生感应电流的一个条件是电路要闭合；通过比较图甲与 图乙可知，产生感应电流的另一个条件是导体要在磁场中做切割磁感线运动；若图甲中B 棒 不动，磁铁左右水平运动，导体同样会切割磁感线，电路中会产生感应电流。 解答此类问题时一定要注意：(1)闭合电路；(2)一部分导体在磁场中做切割磁感线运动。这 两个条件缺一不可。 第 1 页 / 共 28 页 、先变长后变短 D、先变短后变长 4、如图所示，在水平地面上的磁体上方，有挂在弹簧测力计上的小磁体(下部极)。小辉提着弹簧测力计 向右缓慢移动，挂在弹簧测力计上的小磁体下端沿图示水平路线从缓慢移到B。则下图中能反映弹簧 测力计示数F 随位置变化的是( ) 5、如图所示是条形磁体的磁场分布图，下列说法正确的是 ( ) 、该条形磁体的左端为极，右端为S 极 B、处的磁场强弱与b 处的磁场强弱相同 、置于点的小磁针，静止时南极指向左侧 D、磁感线是为了研究方便引入的假想曲线 6、法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔由于巨磁电阻(GMR)效应而荣获2007 年诺贝 尔物理学奖。如图是研究巨磁电阻特性的原理示意图。实验发现，在闭合开关S1、S2且滑片P 向右 滑动的过程中，指示灯明显变暗，这说明( ) 、电磁铁的左端为极 B、流过灯泡的电流增大 、巨磁电阻的阻值随磁场的减弱而明显减小 D、巨磁电阻的阻值与磁场的强弱没有关系 7、如下图所示，闭合开关后，四个小磁针指向(黑色为极)都正确的是（ ） 第 1 页 / 共 2