第八讲 电磁转化
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电流的周围存在着磁场,利用磁场也可以获得电流,电和磁的关系与人类的生活、生产关系非常密切.本讲涉及简单的磁现象、磁场、电磁铁、发电机等诸多方面,其中不少问题已是中考命题的热点.
一、热点扫描
1.磁体具有指向性(将磁体悬挂后,在地磁场作用下能指南北方向);吸铁性(能吸引铁、钴、镍等物质);存在相互作用(同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引)等.利用这些性质我们可以解决一些类似于判断物体是否具有磁性等实际问题.
2.磁体及通电导线周围都存在磁场.磁感线是物理学家形象描述磁场的一种手段.某点磁场的方向、磁感线的方向和放在该点小磁针北极所受磁力的方向是一致的.磁体外部磁感线的方向都是从磁体北极出来,回到磁体南极(简称“北出南回”);而磁体内部,包括通电螺线管内部磁感线则是从磁体的南极回到磁体的北极.
3.在通电螺线管中插入一个铁芯,铁芯被磁化,也产生磁场,于是通电螺线管的周围既有电流产生的磁场,又有磁铁产生的磁场,因而磁场大大增强了.插入铁芯的通电螺线管就构成了一个电磁铁.电磁铁磁性的强弱与电流大小、线圈的匝数等有关.
如图8-1所示,电磁继电器主要是由电磁铁A、衔铁B、弹簧C、动触点D、静触点E等几部分组成.电磁继电器的电路主要由控制电路和工作电路两大电路组成,其中控制电路主要由低压电源、开关和电磁铁串联组成;工作电路主要由高压电源、用电器和电磁继电器的触点串联组成.当低压控制电路的开关闭合时,电磁铁A有了磁性,将衔铁B吸引下来,使动触点D与静触点E相接触,高压工作电路接通,电动机开始工作.当低压控制电路的开关断开时,电磁铁A失去了磁性,衔铁B在弹簧C的作用下向上移动,使动触点D与静触点E分开,高压工作电路断开,电动机停止工作.利用电磁继电器我们可以设计许多种控制电路.
4.电流能产生磁场,反过来利用磁场也能获得电流.英国物理学家法拉第于1831年发现:闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时,导体中就产生电流,这种现象叫电磁感应现象,产生的电流叫感应电流.
理解电磁感应现象时必须注意:(1)产生电磁感应的条件是电路中一部分导体在磁场中做切割磁感线运动,而不是做相对运动;(2)电路必须是闭合的;(3)感应电流方向与导体切割运动方向和磁感线方向有关;(4)在电磁感应现象中,机械能转化为电能.
5.“电磁感应”和“磁场对电流的作用”都是反映电与磁之间的联系,但这是两种不同的现象,我们可以从以下三个方面来进行区分:(1)从因果关系来看,在电磁感应现象中,闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动是原因,在导体中产生电流是结果;在磁场对电流的作用中,通电导体在磁场中是原因,导体受力的作用运动是结果.(2)从能量转化来看,在电磁感应现象中,消耗机械能产生了感应电流,是机械能转化为电能;在磁场对电流的作用中,消耗了电能得到了机械能,是电能转化为机械能.(3)从应用来看,利用电磁感应现象制成了发电机,利用磁场对电流的作用制成了电动机.
6.当导体中有迅速变化的电流时,导体周围就会产生电磁波.电磁波虽然看不见摸不着,但确实是客观存在的,光就是一种电磁波.电磁波的传播速度与光速相同,在真空中是3×108m/s.对于某一电磁波,它的波速、波长和频率三者的关系是:波速=波长×频率.电磁波可以帮助我们传递各种信息,同时也给我们造成电磁干扰和电磁污染.
二、典例讲析
例1某兴趣小组在研究扬声器结构时,发现扬声器中有一个环形磁体,他们不知道环形磁体的磁极分布情况,于是几位同学提出了以下三种猜想:
猜想1:磁极呈横向分布(例如图8-2甲,左侧为N极,右侧为S极).
猜想2:磁极呈轴向分布(例如图8-2乙,上面为N极,下面为S极).
猜想3:磁极呈上中下分布(例如图8-2丙,上下面为N极,中部为S极).
(1)根据所学知识,他们经过讨论,断定猜想3是错误的.你认为他们判断的依据是.
(2)为了验证其他猜想,他们用细线将环形磁体水平悬挂起来(如图8-2丁所示),结果观察到磁体在任意位置都能保持静止.这说明猜想是错误的.
(3)请设计一个简单实验,验证剩下的一个猜想是否正确,简述你的实验方案.
主要器材:;简要做法:;如何判断:.
讲析本题是一道涉及磁体基本性质的探究性试题,重点考查对猜想的判断、实验方案的设计等探究能力.在第(1)问中,关键是要认识到任何一个磁体只有南、北两个磁极.在第(2)问中,观察到水平悬挂起来的环形磁体能在任意位置保持静止,根据磁体具有指南北方向的性质可知,磁体在水平面上不可能分布有两个磁极,因此猜想1是错误的.试题的第(3)问是一道开放性问题,解决的办法很多,如利用指向性,将磁体竖直悬挂,观察磁体是否指南北方向;将一个磁体的磁极靠近该环形磁体周围,感受在上下两个面上是否是排斥或吸引力最大的区域,从而判断出环形磁体的磁极;将一个小球置于水平桌面,用磁体的不同侧面靠近小球,能从最远处将球吸引过来的一面可断定为磁体的一个磁极,找到磁体磁极后即可判断磁极的分布情况是否与猜想2一致等.
例2一位同学自己绕制了一个U形电磁铁,并用它制作了一个电铃,接线如图8-3甲所示,但试用时却不响,请你帮他找出原因.
讲析这个电铃有两处错.一处是电磁铁的绕线错了,这样绕制的电磁铁,通电后两端不能产生较强的磁性.因为U形电磁铁两个通电螺线管产生的磁性相互削弱了.应该改成如图8-3乙所示的绕线才行.另一处是连接电路时,将一根导线接在了衔铁上.这样连接的电铃,当闭合开关后,螺线管中总有电流通过,电磁铁总有磁性,会吸住衔铁不放,电铃只要敲击一下就不响了.正确的接法是将这根导线接在螺钉上.通常情况下,衔铁与螺钉相接触.闭合开关时,电磁铁吸引衔铁,铃锤敲打铃盖.此时衔铁与螺钉离开,使得电路断开,电磁铁失去磁性,衔铁在簧片弹力的作用下回到原位置,并与螺钉接触,使电路接通,电磁铁又吸引衔铁.如此往复,即发出铃声.
例3图8-4是小明同学为了探究闭合电路的一部分导体在磁场中运动时,产生感应电流方向与哪些因素有关的实验情景(图中箭头表示导体的运动方向).下列分析比较,结论正确的是().
A.比较图(1)和(2),说明感应电流方向与磁场方向有关
B.比较图(2)和(3),说明感应电流方向与导体运动方向有关
C.比较图(1)和(3),说明感应电流方向与磁场方向和导体运动方向均无关
D.由图(4)可得出结论:感应电流方向与导体是否运动无关
讲析图(1)显示当导体在磁场中做切割磁感线的运动时,电流表指针偏转,说明电路中有感应电流;图(2)与图(1)相比,导体运动方向相同,磁场方向不同,电流表指针偏转方向不同,说明感应电流方向不同;图(3)与图(2)相比,磁场方向相同,导体运动方向不同,电流表指针偏转方向不同,说明感应电流方向不同,感应电流方向也会改变;图(3)与图(1)相比,导体运动方向和磁场方向都不同(没有用控制变量法),不能用此说明感应电流方向与磁场方向和运动方向均无关;图(4)中导体在磁场中运动时没有切割磁感线,电流表指针不偏转,说明电路中没有感应电流.应选A、B.
例4将小电动机与小灯泡按如图8-5所示的电路连接,在小电动机转轴上绕线,然后用力拉线,使电动机转动.在电动机转动过程中,小灯泡发光,下列对该现象的描述中正确的是().
①电生磁,使电动机转动
②磁生电,使小灯泡发光
③电动机是电源
④电动机转速越快,灯泡越亮
A.①②③B.①③④
C.①②④D.②③④
讲析直流发电机和直流电动机的结构相同,同一个装置可以作为直流发电机使用,也可以作为直流电动机使用,究竟作何用途,可以从能量转化的角度进行分析.直流电动机工作时将电能转化为机械能,而直流发电机工作时将机械能转化为电能.设计此题意在提醒同学们从能量转化的角度去区分发电机和电动机.本题应选D.
例5看电视节目时,如果附近有汽车通过或有人使用冲击钻时,电视屏幕上会出现成串的不规则雪花点,使电视图像受到干扰,请你利用所学知识简要分析其中的原因.
讲析汽车发动机靠火花塞点燃汽油,而火花塞是用蓄电池点火的,电流时断时通,故行驶中的汽车会产生电磁波.冲击钻是用电动机带动工作的,电钻高速旋转时,电动机的电刷与换向器接触,时通时断,使电流迅速变化,从而产生电磁波.这些不同频率的电磁波,被附近的电视机接收,就会对正常的电视图像形成干扰.
三、创新题选
1.下列说法中正确的是().
A.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S极出发,最后回到N极
C.若将条形磁铁分成两段,每段磁体只有一个磁极
D.大头针被磁铁吸引的同时也被磁化成小磁体
2.法国和德国的科学家费尔和格林贝格尔由于发现了巨磁电阻(GMR)效应,荣获了2007年诺贝尔物理学奖,图8-6是研究巨磁电阻特性的电路示意图,当闭合S1、S2后使滑片P向左滑动过程中,指示灯明显变亮,则下列说法中正确的是().
A.滑片P向左滑动过程中电磁铁的磁性减弱
B.滑片P向左滑动过程中电磁铁的磁性增强
C.巨磁电阻的阻值随磁场的增强而明显减小
D.巨磁电阻的阻值随磁场的增强而明显增大
3.小明将微风电风扇与小灯泡按如图8-7所示的电路连接并进行实验,用手快速拨动风扇叶片,这时发现小灯泡发光,微风电风扇居然变成了“发电机”.关于该实验,下列说法正确的是().
A.电风扇发电的原理是电磁感应
B.电风扇发电的原理是通电导线在磁场中受到力的作用
C.电风扇发电过程是把电能转化为机械能
D.小灯泡发光是把光能转化为电能
4.下列器物与电磁波的应用有关的是().
A.无线电收音机
B.磁悬浮列车
C.电磁起重机
D.交流发电机
5.图8-8是电磁选矿的示意图.当电磁选矿机工作时,铁砂将落入(选填“A”或“B”)坑.
6.请在图8-9中用笔画线代替导线将汽车的启动原理图连接完整.
说明:当钥匙插入仪表板上的钥匙孔并转动(相当于闭合开关),电动机工作,启动轿车;电磁铁的工作电压小于电动机的工作电压.
7.为了探究影响电磁铁磁性强弱的因素,小华以电池(电压一定)、滑动变阻器、数量足够的大头针、铁钉以及较长的导线为主要器材,进行了如图8-10所示的简易实验.
(1)要改变电磁铁电流的大小,可以通过来实现;要判断电磁铁磁性强弱,可以通过观察来确定.
(2)在与同组同学交流讨论时,一个同学提出问题:当线圈中的电流和匝数一定时,电磁铁的磁性强弱会不会还与线圈内的铁芯大小有关?
①你对此的猜想是:;
②现有大小不同的两根铁芯,利用本题电路说出你验证的办法:.
8.阅读短文,回答问题.
磁记录
如图8-11是磁带录音机磁头工作原理图.
录音机的磁带上附有一层硬磁性材料的小颗粒.录音时,动圈话筒将声音转变成强弱变化的电流,这样的电流通过录音磁头线圈,产生了强弱变化的磁场.磁带划过磁头时,磁带上的小颗粒被强弱不同地磁化,于是记录了一连串有关磁性变化的信息.
放音时,磁带贴着放音磁头运动,磁性强弱变化的磁带使磁头中产生变化的感应电流,电流经放大后使扬声器发声,便“读”出了录音带中记录的信息.
(1)在图中标出此时录音磁头线圈中电流的方向;
(2)说出录音和放音过程主要运用了哪些物理原理;
(3)请你再列举一个用磁来记录信息的生活实例.
第八讲参考答案
1.D2.BC3.A4.A5.B
6.见图8-12
7.(1)改变滑动变阻器的电阻吸引大头针数量的多少;(2)①铁芯越大,电磁铁的磁性越强;②将大小不同的铁芯分别插入同一线圈中,保持其他条件不变,观察这个线圈两次吸引大头针的数目.
8.(1)线圈中的电流方向见图8-13.(2)录音过程中运用了电流的磁效应和磁化现象在放音过程中运用了电磁感应现象(3)磁盘、磁卡、银行卡、电话卡、信用卡等(答出其中1项即可)