第三节 磁场对通电导线的作用（培优教学课件）物理沪科版2024九年级全一册

义务教育教科书 第十八章 磁及其相互作用 第三节 磁场对通电导线的作用 上海科学技术出版社 思考： 磁浮列车行驶时，为何能悬浮于轨道之上?为什么能达到那么大的速度? 导入新课 想一想 在如图所示的用电器中，它们内部都有一个重要的部件——电动机。你知道电动机为什么会转动吗？ 学习目标 能通过实验，认识通电导线在磁场中会受到力的作用，知道力的方向与哪些因素有关；能将相关知识与直流电动机等若干实际应用联系起来。 1. 通电导线在磁场中的受力情况 2. 直流电动机 3. 课堂总结 4. 综合提升训练 目录导航 一、通电导线在磁场中的受力情况 第三节 磁场对通电导线的作用 一、通电导线在磁场中的受力情况 【设计并进行实验】 （1）按照图组装实验器材。给金属杆（铝棒）通电，观察它的运动情况。 （2）保持磁场方向不变，改变电流方向，金属杆的运动方向是否发生变化？ （3）保持电流方向不变，改变磁场方向时，金属杆的运动方向又会怎样变化？ 1. 探究通电导线在磁场中的受力情况 一、通电导线在磁场中的受力情况 闭合开关后，金属杆由静止开始向左运动。 为什么通电金属杆会由静止变成运动？ 因为通电金属杆受到了蹄形磁体的磁场对它的力的作用。 结论：磁场对通电导线有力的作用. （1）给金属杆通电，观察它的运动情况。 【现象与分析】 一、通电导线在磁场中的受力情况 （2）保持磁场方向不变，改变金属杆中的电流方向，观察金属杆的运动情况。 实验现象：改变金属杆中的电流方向，通电金属杆的运动方向也随之改变。 结论：通电导线在磁场中受力的方向与电流方向有关. 一、通电导线在磁场中的受力情况 （3）保持电流方向不变，改将磁极对调，改变磁场的方向，再次观察运动情况。 实验现象：改变磁场方向，通电导线的运动方向也随之改变。 结论：通电导线在磁场中受力的方向与磁场方向有关. 一、通电导线在磁场中的受力情况 实验结论： ①如图所示， 导线向左运动 S N 电流I F ②改变电流方向， 导线向右运动 S N 电流I F ③改变磁场方向， 导线向左运动 N S 电流I F 磁场对通电导线有力的作用，其作用的方向与磁场的方向、电流的方向有关。 一、通电导线在磁场中的受力情况 （1）扬声器 扬声器俗称喇叭，是一种将电信号转换成为声音的器件。 如图所示，动圈式扬声器主要由线圈、永久磁体、锥形纸盆等构成。 线圈处在永久磁体的磁场中，当线圈中有电流通过时，就会受到磁场的作用力而运动。由于扬声器工作时通过线圈的电流是随声音而变化的, 所以线圈受到的力也是变化的，从而带动纸盆来回振动发出声音。 2. 通电导线在磁场中受力原理的应用 通电导线在磁场中会受到力的作用。这一 物理学原理在生活、生产、科技中的应用非常广泛。 动圈式扬声器结构示意图 一、通电导线在磁场中的受力情况 （2）电磁弹射技术 电磁弹射技术利用通电导体在磁场中受力使物体加速，只要保证足够的电流输入，便能在发射装置内产生足够大的推力，使物体达到更高的速度。 我国自主设计和建造的航空母舰 我国完全自主设计建造的首艘弹射型航空母舰— 福建舰，采用了先进的电磁弹射技术，比传统的蒸汽弹射系统更加先进，使舰载机的起飞更加高效和可靠。 福建舰 铝棒在磁场中，闭合开关，铝棒通电，铝棒由静止向左运动，说明磁场对通电导体有力的作用。电动机就是利用了通电导体在磁场中受到力的作用这一原理制成的。 对调电源正、负两极，改变了导体中电流的方向，再次闭合开关，铝棒将向与之前相反的方向运动，故铝棒向右运动，说明通电导体在磁场中受力的作用与电流的方向有关，电动机工作时，消耗电能，主要得到机械能，因此主要是电能转化为机械能。 【例题1】如图所示的实验中，闭合开关，观察到铝棒向左运动，实验现象说明磁场对_________有力的作用，利用这一原理可以制成_______机；断开开关，对调电源正、负两极，重新接入电路，再次闭合开关，观察到铝棒向_____运动。电动机工作过程中是_____能转化为机械能。 电 一、通电导线在磁场中的受力情况 通电导体 电动 右 二、直流电动机 第三节 磁场对通电导线的作用 二、直流电动机 【提出问题】电动机内部结构怎样？它由哪些部件组成，它们各起什么作用？电动机是怎样转起来的？ 【进行观察】电动玩具通常是由小电动机驱动的，观察玩具中的小电动机。 1. 观察并研究电动机的结构 试一试：怎样使小电动机转动起来? 看一看：小电动机是由哪些部件组成的? 想一想：小电动机为什么会转动? （1）观察电动机的结构 二、直流电动机 【观察结果】 小电动机的一些部件：外壳、磁体、线圈、轴等。 二、直流电动机 ①将学生实验用的电动机接入电路，改变电流的方向或磁场方向或电流的大小，观察电动机的转动情况。 ②拆开这台直流电动机，观察它由哪几部分组成。 （2）研究电动机的转动情况 二、直流电动机 进行实验 （3）将蹄形磁体的两个磁极对调，改变线圈所在处的磁场方向，线圈的转动方向是否改变? （4）移动滑动变阻器的滑片，改变通过线圈的电流大小，线圈转动的速度是否改变?怎样改变? （1）把电动机、滑动变阻器、电源、开关串联起来，接通电路，观察线圈的转动情况。 （2）改变通过线圈的电流方向，线圈的转动方向是否改变? 二、直流电动机 收集证据 （1）当通过直流电动机线圈的电流方向发生改变时，电动机转动的方向发生改变； （2）将蹄形磁体的两个磁极对调，改变线圈所在处的磁场方向，电动机转动的方向发生改变； （3）当通过直流电动机电流的大小发生变化时，电动机的转速发生改变。电流越大，转速越快。 当通过直流电动机的电流方向发生改变或线圈所处的磁场方向发生改变时，电动机转动的方向发生改变； 当通过直流电动机电流的大小发生变化或线圈所处的磁场强弱发生变化时，电动机转动的速度改变. 二、直流电动机 学生实验用电动机的主要部件有： 想一想：电动机通电后为什么能够转动呢？ 下面研究它的转动原理。 （3）观察这台电动机的结构 ①蹄形磁体；②弧形铁片；③线圈； ④转轴； ⑤支架； ⑥换向器；⑦电刷； ⑧底座。 二、直流电动机 【实验】用漆包线绕成线圈，将线圈两端的漆全部刮去后放入磁场，如图所示。闭合开关，线圈将怎样运动？你观察到什么现象？ 【现象】通电线圈在磁场中会发生转动，但是当线圈的平面与磁场垂直时，就会停止转动。 2. 观察磁场对通电线圈的作用 线圈平面与磁感线垂直时，这个位置叫平衡位置. 【想一想】 磁场中的通电线圈为什么会这样运动？ ①在图所示位置时，通电线圈ab边受力方向竖直向上，cd边受力方向竖直向下， 方向相反，发生顺时针转动。 ②当通电线圈转到平衡位置时，ab边与cd边受到的磁场力相互平衡。这时由于惯性，线圈还会继续转动。 【分析】通电矩形线圈在磁场中不能持续转动的原因 二、直流电动机 ③线圈靠惯性越过平衡位置后，ab边受力方向向上，cd边受力方向向下，磁场力会使线圈逆时针旋转。 ④ 通电线圈最后静止在平衡位置。 二、直流电动机 【想一想】通电线圈在磁场中可以转过一个角度，但不能持续转动。怎样才能使通电线圈持续地转动下去？ 由上述分析可知，当线圈刚转过平衡位置时，如果立即改变其中的电流方向，那么通电线圈就能在磁场力的作用下继续转动。 实际的电动机是通过换向器来实现这一目的的。 二、直流电动机 3. 换向器 （1）换向器：在通电线圈的两端各连有一个半圆铜环E、F，称为换向器，它们随线圈一起转动。A、B是电刷，分别与一个半圆铜环接触，使电源和线圈组成闭合回路。当线圈每转到平衡位置时，自动改变线圈中电流方向。 二、直流电动机 （2）换向器的工作过程 当线圈每转到平衡位置时，自动改变线圈中电流方向。 换向器使靠近磁体S极一边线圈中的电流方向永远向里，从而使该边线圈的受力方向始终向上；而靠近磁体N极一边的受力方向始终向下，从而使线圈持续转动。 二、直流电动机 4. 直流电动机的工作原理 ①通电线圈ab、cd边电流方向相反，受力方向相反，顺时针转动. ②线圈转到平衡位置，无电流通过，依靠惯性转过平衡位置. ③线圈越过平衡位置后，电流方向发生改变，线圈在磁场力的作用下继续顺时针转动. ④线圈利用惯性转过平衡位置后，又改变了电流的方向和受力方向，继续转动. 二、直流电动机 二、直流电动机 视频欣赏——《换向器与电动机的工作过程》 二、直流电动机 （1）换向器的作用 当线圈每转到平衡位置时，自动改变线圈中电流方向（每半周改变一次），从而实现了线圈的持续转动。 （2）原理：利用了通电线圈在磁场中受力转动的原理来工作的。 （3）能量转化：电动机工作时将电能转化为机械能。 （4）电动机的优点：构造简单、控制方便、体积小、效率高，而且对环境污染很小。 总结——直流电动机 二、直流电动机 5. 实际的电动机 实际的电动机有多个线圈，每个线圈都接在一对换向片上，以保证每个线圈在转动过程中受力的方向都能使它朝同一方向转动。 换向器 转子 直流电动机的结构 二、直流电动机 6. 家用电器中的电动机 有一部分家用电器用到了电动机。 二、直流电动机 7. 制作简易电动机 把1m长的漆包线（或细导线）绕成小线圈，将两端线头的漆（或绝缘皮）刮去半边，注意两端刮去的漆应在同侧[图（a）］；把两个回形针折成图 （b）所示的形状，用胶带固定在纸板上 [图（c）]；把线圈搁在回形针上，使其可以转动。 按图 （d） 所示连接电路，拿一块条形磁体放在线圈上方，接通电源，线圈就会转动。想一下，线圈为什么会转动呢？如果它不转动，推一下，或检查一下，确保刮去半边漆后露出的铜线接触到了金属回形针。 二、直流电动机 ①利用如图甲所示的装置研究“磁场对电流的作用”时，应在“a”、“b”之间接入______，根据该原理可制成______； ②乙、丙两个图中，______图的线圈恰好处于平衡位置； ③丁图中的线圈可以持续转动，是因为它加装了______，该装置能在线圈______ （选填“刚转到”“即将转到”或“刚转过”）平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向。 【例题2】研究磁场对电流有力的作用。 电源 电动机 丙 换向器 刚转过 二、直流电动机 ①因为通电导体在磁场中受力会运动，观察图可知缺少一个电源，因此利用如图甲所示的装置研究“磁场对电流的作用”时，应在“a”、“b”之间接入电源，根据此原理制成了电动机。 ②当通电线圈所在平面与磁感线垂直时，线圈处于平衡状态，此时线圈受力平衡，所以图丙的线圈恰好处于平衡位置，另一个图中线圈左右两边所受力不满足二力平衡条件中的不在同一直线上。 ③丁图中加装了换向器，所以线圈可以持续转动，它能在线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向。 二、直流电动机 【例题3】如图所示是直流电动机的模型，闭合开关后线圈顺时针转动，下列分析正确的是（　　） A．电动机在转动过程中，消耗的电能全部转化为机械能 B．同时对调磁极和电源的正负极，电动机的转动方向会发生改变 C．当线圈在图示位置时，ab边所受力的方向与cd边所受力的方向相反 D．该装置所用到的实验原理为电磁感应 C 二、直流电动机 A．电动机工作过程中，消耗的电能大部分转化为机械能，少部分转化为内能，故A错误； B．同时对调磁极和电源的正负极，磁场方向和电流方向均改变，电动机的转动方向不变，故B错误； C．当线圈在图示位置时，ab边与cd边通过的电流方向相反，处在相同的磁场中，所以ab边所受力的方向与cd边所受力的方向相反，故C正确； D．该装置所用到的实验原理是通电导体在磁场中受力运动，故D错误。 所以选C。 三、课堂总结 第三节 磁场对通电导线的作用 课堂总结 磁场对电流的作用 ①磁场对通电导体有力的作用. ②力的方向与电流方向 和磁场方向有关. ①原理：通电线圈在磁场中受力而转动. ②基本组成：换向器、转子、定子. ③换向器作用：线圈转过平衡位置时， 自动改变线圈中电流的方向. ④能量转化：把电能转化为机械能. 直流 电动机 磁场对通电 导线的作用 四、综合提升训练 第三节 磁场对通电导线的作用 【解析】通电导体在磁场中受到力的作用。如图，扬声器中有磁体和线圈，线圈处在磁体周围的磁场之中；将扬声器的线圈一端连接电源负极，另一端 与电源正极不断碰触，线圈中会产生断断续续的变化的电流，变化的电流通过绕圈，使其在磁场中受到变化的力，从而带动锥形纸盆振动而发声。 综合提升训练 1．如图所示，将扬声器的线圈一端连接电源负极，另一端与电源正极不断碰触，会听到扬声器发出“咔咔”的响声，这是因为变化的电流通过绕圈，使其在______中受到变化的力，从而带动锥形纸盆_____而发声。 磁场 振动 综合提升训练 【解析】由题意可知：接通电源，发现导体ab向右运动，把电源正负极对调后接入电路，电流的方向改变了，发现导体ab向左运动。说明通电导线在磁场中受力方向跟电流方向有关。故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 2. 用如图所示的装置探究通电导线在磁场中的受力情况。接通电源，发现导体ab向右运动；把电源正负极对调后接入电路，发现导体ab向左运动。这个实验事实说明通电导线在磁场中受力（　　） A．方向与电流方向有关 B．方向与磁感线方向有关 C．大小与电流大小有关 D．大小与磁场强弱有关 A 综合提升训练 3. 在研究“磁场对通电导 体的作用”实验中： （1）利用如图甲所示的装置研究“磁场对电流的作用”时，应在a、b之间接入__________（选填“灵敏电流计”或“电源”）； （2）在乙图中，通电后cd段导线受磁场力F1的方向为竖直向下，此时，ab段导线所受磁场力F2的方向是竖直向_______（选填“上”或“下”）； （3）要使图乙中的线圈持续转动，应在其外部加装换向器，自动改变线圈中的________方向。图乙中的设备将电能转化为_______。 机械能 电源 上 电流 综合提升训练 【解析】（1）研究“磁场对电流的作用”时，即必须有电源，使得导体中先有电流，所以在a、b间应接电源。 （2）乙图中，ab段导线的电流方向与cd段导线的电流方向相反，所以ab段导线所受磁场力F2的方向与cd段导线受磁场力F1的方向相反，所以磁场力F2的方向是竖直向上的。 （3）要使图乙中的线圈可以持续转动，是在外部加装了换向器，当通电线圈所在平面与磁感线垂直时，它能自动改变线圈中的电流方向，从而使线圈持续转动，线圈转动的过程中，电能转化为机械能。 【解析】根据图中可以知道通电线圈在磁场中受力转动，这是一个电动机的工作模型。工作过程中，换向器起到关键作用，它能使线圈刚刚转过平衡位置时，改变线圈中的电流方向，这样线圈受力就改变了，就可以连续转动。工作时，电动机把电能转化为机械能。 综合提升训练 4. 如图所示装置是_______的工作模型，在工作过程中，_______起了关键的作用，它能使线圈刚刚转过_______位置时，就自动改变线圈中的_______ ，从而实现通电线圈在磁场中的连续转动，工作时它是把____能转化为_______ 能。 平衡 电动机 换向器 电流方向 电 机械 【解析】A．电动机通电后不转的可能原因： 电流太小、磁场磁性太弱、电路断路、线圈处于平衡位置，故A错误； B．换向器在线圈刚转过平衡位置时，能自动改变线圈中的电流方向，能使线圈连续转动下去，没有换向器无法实现持续转动，故B错误； C．对调磁极只会使线圈受力方向发生改变，不会改变线圈受力的大小，线圈转动的速度将不变，故C错误； D．线圈转动方向跟电流方向和磁场方向有关，改变其中一者，线圈转动方向改变；同时改变两者，线圈转动方向不变，故D正确。 综合提升训练 5. 如图所示为直流电动机工作原理图，下列分析正确的是（　　） A．电动机通电后不转，一定是电路断路 B．没有换向器也可实现持续转动 C．将磁体的磁极对调一下可以使电动机的转速增大 D．改变磁场方向可以改变线圈转动的方向 D （4）实际的电动机采用的是_____的结构。 6. 下图是与电动机有关的四幅图： （1）甲图中，通电后导线ab从静止变为运动的原因是： ______________ 。此时该装置将电能转化为_______能； （2）根据甲装置的原理，将导线ab改为线圈状，这样可以变导体的左右运动为线圈转动；同时还增加线圈匝数（如图乙），这样做是为了_______ ； （3）在乙、丙、丁三幅图中，通电后线圈不能持续转动的是____图；有换向器结构的是____图； 丁图 通电导体在磁场中受到力的作用 机械 增大线圈所受的磁场力 乙 丁 【解析】（1）图甲中，闭合开关后，导线ab有电流通过，有电流通过的导线ab在磁场中，受到力的作用，由静止变为运动，此过程将电能转化为导线ab的机械能。 （2）图乙中，增加线圈匝数，增强了电磁铁的磁性，可增大线圈所受的磁场力。 （3）图乙中，线圈由于惯性，转过平衡位置后，由于受力方向相反，转动减慢，到另一平衡位置时，由于受力受力平衡，线圈不能持续转动；图丙中，通电后，线圈有电流通过时，受到磁场作用力，开始转动，转到右端引线未刮漆皮处，线圈无电流通过，由于惯性，仍继续转动，转动漆皮刮掉处，线圈有电流通，又继续转动，图丙中的线圈可持续转动；图丁中，铜半环E和F及电刷A和B，组成换向器，通电后，线圈转动，平衡位置时，由于惯性，继续转动，转过平衡位置后，换向器将线圈中的电流方向改变，于是线圈获得相同方向的受力，于是持续转动。所以有换向器的是丁图。 （4）实际电动机有多个线圈，每个线圈都接在一对换向片上，可以保证每个线圈在转动过程中受力的方向都能使它朝同一方向转动。所以采用的是图丁的结构。 综合提升训练 Lavf59.27.100 $