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第十六章　电和磁
第二节　电流的磁场
预习清单
1.通电导线周围存在______,其方向与______方向有关。电流周围存在磁场的现象称为电流的______效应。该现象在1820年被丹麦物理学家______发现。
2.通电螺线管外部的磁场与___________周围的磁场相似,其两端的极性跟螺线管中______的方向有关。
磁场
电流
磁
奥斯特
条形磁体
电流
预习清单
电流方向
3.用右手握住螺线管,让弯曲的四指所指的方向与螺线管中的_________一致,则拇指所指的那端就是通电螺线管的______极。这种判断方法称为安培定则,也叫右手螺旋定则。
4.电磁铁由______和______组成。电磁铁工作时利用了电流的______效应。
N
铁芯
线圈
磁
预习清单
强
5.电磁铁磁性的强弱与电流大小和线圈匝数有关。线圈匝数一定时,通入的电流越大,电磁铁的磁性越______;电流一定时,外形相同的螺线管,线圈匝数越多,电磁铁的磁性越______。
6.电磁继电器是利用低电压、弱电流的控制电路来控制______电压、______电流的受控电路的装置。电磁继电器实质上是利用电磁铁来控制工作电路的一种______。
强
高
强
开关
课程导入
19世纪初,科学界有一个共识——电和磁是完全独立的两种现象,就像水和火一样,没有任何联系。当时的科学家研究电就只关注电流、电压,研究磁就只关注磁体、磁场,从没人想过把它们放在一起研究。
课程导入
1820年,丹麦物理学家奥斯特给学生上课时,当他把一根通电导线放在了小磁针旁边时,意外发现小磁针突然转动了起来。奥斯特当时以为是偶然,后来他又换了电池、换了导线、换了小磁针,重复做了几十次实验。发现只要导线通电,小磁针就会偏转;断电后,小磁针就恢复原状。这个发现让他又惊又喜,因为它打破了电和磁无关的传统认知。
课程导入
(1)如果你们是当时的奥斯特,看到小磁针因为通电导线而转动,第一反应会是什么
(2)奥斯特的实验为什么能颠覆科学界的认知
(3)它证明了什么关键问题呢
任务一：探究通电直导线周围的磁场
1.再现奥斯特实验
(1)探究电与磁是否存在联系。
任务一：探究通电直导线周围的磁场
实验分析:小磁针发生偏转,说明小磁针受到磁场力的作用,表明通电导线和磁体一样,周围存在磁场。小磁针又回到原位,说明导线周围的磁场消失,表明导线周围的磁场是由电流产生的。电流方向改变时,小磁针的偏转方向发生改变,说明磁场方向发生
了改变,进一步说明电流的磁场方向跟电流的方向有关。
任务一：探究通电直导线周围的磁场
(2)归纳总结。
①电流周围存在磁场。
②电流的磁场方向跟电流的方向有关。
任务一：探究通电直导线周围的磁场
2.电流的磁效应
通电导线周围存在磁场,其方向与电流方向有关。电流周围存在磁场的现象称为电流的磁效应。
任务一：探究通电直导线周围的磁场
奥斯特的故事:
1820年,丹麦物理学家奥斯特通过实验首先发现了电流周围存在磁场,从而将原来认为毫无关联的电与磁联系起来,这是科学史上具有重大意义的事件。
任务一：探究通电直导线周围的磁场
研究表明,通电直导线周围的磁场分布如图所示,在垂直于通电直导线的平面内,它的磁感线是以电流为中心的一系列同心圆。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
思考:
(1)电能生磁,为什么手电筒在通电时连一根大头针都吸不动
(2)怎样才能使电流的磁场变强呢
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
1.螺线管
把导线绕在圆筒上就做成了螺线管。通电后各圈导线产生的磁场叠加在一起,磁场就会增强很多。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
2.探究通电螺线管的磁场特点
实验一:用铜导线制成螺线管,穿过硬纸板,制成螺线管演示器。在纸板上均匀地撒满铁屑,闭合开关给螺线管通电后,轻敲纸板,观察铁屑的排列情况。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
实验现象与分析:可以看到铁屑有规则地排列起来。从铁屑的分布情况来看,通电螺线管外部的磁场与条形磁体周围的磁场相似。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
实验二:将小磁针放到通电螺线管周围不同的位置,通电后,记下小磁针在各个位置时N极的指向。
分析:由于磁感线是闭合曲线,可知通电螺管内部磁感线的方向与外部磁感线的方向相反。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
实验三:在实验二中,改变螺线管中的电流方向,对照实验二中的实验现象,观察小磁针N极的指向与原来是否相同。
实验现象与分析:小磁针N极的指向与实验二中刚好相反,说明磁场方向改变了,即通电螺线管两端磁极的极性改变了。由此可知,通电螺线管的磁场方向与电流方向有关。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
通电螺线管的磁场特点:
(1)通电螺线管外部的磁场与条形磁体周围的磁场相似,通电螺线管的两端相当于条形磁体的两个磁极。
(2)通电螺线管两端的极性与螺线管中电流的方向有关。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
3.探究通电螺线管两端的极性与螺线管中的电流方向之间的关系
(1)设计并进行实验:
取绕向不同的螺线管,向螺线管内通入不同方向的电流,用小磁针验证它的N、S极,实验现象如图所示。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
(2)观察实验现象并分析:
①甲、丁(或乙、丙)两个螺线管的绕线方法不同,螺线管中电流的方向相同,通电螺线管两端的极性相同。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
(2)观察实验现象并分析:
②甲、乙(或丙、丁)两个螺线管的绕线方法相同,螺线管中电流的方向不同,通电螺线管两端的极性不同。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
(3)归纳总结:通电螺线管两端的极性与螺线管中的电流方向有关。
(4)想一想:通过前面的学习,我们知道了通电螺线管两端的极性与螺线管中的电流方向有关。你能想出一些办法描述通电螺线管的极性与电流方向间的关系吗
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
4.安培定则(右手螺旋定则)——判断通电螺线管两端极性的方法
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
(1)蚂蚁的方法:如果蚂蚁沿着电流方向绕螺线管爬行,N极就在它的左边。
(2)猴子的方法:如果电流沿着猴子右臂的方向,N极就在它的前方。
(3)我们的方法——安培定则(右手螺旋定则):用右手握住螺线管,让弯曲的四指所指的方向与螺线管中的电流方向一致,则拇指所指的那端就是通电螺线管的N极。
任务二：探究通电螺线管外部磁场的方向
5.安培定则(右手螺旋定则)的应用
(1)根据通电螺线管中的电流方向,判断螺线管的极性。
(2)由通电螺线管两端的极性,判断螺线管中的电流方向。
(3)根据通电螺线管的N、S极以及电源的正、负极,画出螺线管的绕线。
任务三：电磁铁及其应用
1.电磁铁
(1)概念:内部插有铁芯的螺线管,在有电流通过时有磁性,没有电流通过时就失去磁性,这种装置叫作电磁铁。
任务三：电磁铁及其应用
(2)特点:有电流通过时有磁性,没有电流通过时就失去磁性。
(3)工作原理:电磁铁是利用电流的磁效应来工作的。在螺线管的内部插入铁芯,通电后,铁芯在螺线管的磁场中被磁化,两磁场叠加,使电磁铁的磁性大大增强。
(4)极性的判断:电磁铁的极性与通电螺线管的极性是一致的,可运用安培定则来判定。
任务三：电磁铁及其应用
2.探究影响电磁铁磁性强弱的因素
电磁铁磁性的强弱与哪些因素有关
【作出猜想】
(1)电磁铁只有在线圈中通有电流时才有磁性,猜想电流的大小应该会影响电磁铁磁性的强弱。
(2)构成电磁铁的主要部件是线圈,猜想线圈的匝数可能会影响电磁铁磁性的强弱。
任务三：电磁铁及其应用
【实验探究】
(1)实验方法:
①控制变量法:控制电磁铁线圈的匝数不变,改变线圈中电流的大小;控制电磁铁线圈中的电流不变,改变线圈的匝数。
②转换法:根据电磁铁吸引小铁钉或大头针数量的多少来判断电磁铁磁性的强弱。
任务三：电磁铁及其应用
(2)组装实验器材与电路:把电磁铁、电源(带开关)、滑动变阻器、电流表等组成如图所示的串联电路。
任务三：电磁铁及其应用
(3)进行实验:
①把滑动变阻器、电流表和电磁铁串联起来,改变滑动变阻器的滑片P的位置(如图甲、乙所示),改变电路中的电流,观察电磁铁吸引大头针的数目有什么变化。
任务三：电磁铁及其应用
②把两个匝数不同的电磁铁串联在电路中,闭合开关,观察电磁铁吸引大头针的数目有什么变化。
任务三：电磁铁及其应用
(4)分析论证:实验①中,通过电磁铁乙的电流较大,吸引大头针的数目较多,说明电磁铁乙的磁性较强;实验②中,线圈匝数较多的电磁铁B吸引大头针的数目较多,说明电磁铁B的磁性比电磁铁A的磁性强。
任务三：电磁铁及其应用
(5)实验结论:线圈匝数一定时,通入的电流越大,电磁铁的磁性越强;电流一定时,外形相同的电磁铁,线圈匝数越多,电磁铁的磁性越强。
任务三：电磁铁及其应用
3.电磁铁的优点
(1)可以通过电流的通断来控制其磁性的有无。
(2)可以通过改变电流的方向来改变电磁铁的极性。
(3)可以通过改变电流的大小或线圈匝数的多少来改变电磁铁磁性的强弱。
任务三：电磁铁及其应用
4.电磁铁的应用及其实例
(1)电磁铁可以直接对磁性物质有吸引力的作用。如电铃、电磁起重机、电磁刹车装置和许多自动控制装置中都用到了电磁铁。
(2)电磁铁的另一个应用是产生强磁场。现代技术中很多地方需要的强磁场都是由电磁铁提供的,如磁悬浮列车、电动机、发电机、磁疗设备、测量仪器、研究微观粒子用的加速器等。
任务三：电磁铁及其应用
5.电磁继电器
(1)电磁继电器的概念:电磁继电器是利用低电压、弱电流的控制电路来控制高电压、强电流的受控电路的装置。电磁继电器实质上是利用电磁铁来控制工作电路的一种开关。
任务三：电磁铁及其应用
(2)电磁继电器的工作电路:如图所示,电磁继电器主要由电磁铁、衔铁、弹簧、动触点、静触点等组成。
任务三：电磁铁及其应用
(3)电磁继电器的工作原理:闭合低压控制电路中的开关S,电流通过电磁铁的线圈产生磁性,把衔铁吸下来,使动触点与静触点接触,受控的高压工作电路闭合,电动机M 工作。断开开关S,线圈中的电流消失,电磁铁的磁性消失,衔铁在弹簧的作用下与电磁铁分离,使动、静触点脱离,受控电路断开,电动机停止工作。
任务三：电磁铁及其应用
(4)电磁继电器的作用:
①利用电磁继电器可以通过低电压、弱电流的控制电路的通断来间接地控制高电压、强电流的工作电路的通断,使人远离高压环境。
任务三：电磁铁及其应用
②利用电磁继电器可以使人远离高温、有毒等环境,实现远距离控制。
③在电磁继电器的控制电路中接入对温度、压力或光照敏感的元件,利用这些元件操纵控制电路的通断,可以实现对温度、压力或光照的自动控制。
任务三：电磁铁及其应用
(5)电磁继电器的应用实例:
①温度自动报警器。
工作原理:温度升高时,水银柱上升,与上方金属丝连通,使左侧形成通路,电磁铁中有电流通过,电磁铁吸引衔铁,与下触点接触,电铃所在电路接通,发出报警信号。
任务三：电磁铁及其应用
②机械电铃。
原理：衔铁B与弹性片A相连,电源断开时,弹性片是和螺钉接触的。接通电源后,电磁铁吸引衔铁,敲击铃碗发声,但同时弹性片与螺钉分离导致断电,电磁铁失去磁性后,弹性片又和螺钉接触而通电,如此往复。
任务三：电磁铁及其应用
③水位自动报警器原理。
原理：当水位上涨时,水与金属A接触,由于水(不纯净)是导体,使控制电路接通,电磁铁吸引衔铁,使动触点与下面的静触点接触,工作电路接通,则红灯发光;当水位下降时,使控制电路断开,电磁铁失去磁性,弹簧向下拉衔铁,使动触点与上面的静触点接触,工作电路接通,则绿灯发光。
核心总结
1.奥斯特实验:表明电流具有磁效应。
2.通电螺线管:通电螺线管外部的磁场与条形磁体周围的磁场相似,通电螺线管的两端相当于条形磁体的两个磁极。通电螺线管两端的极性与螺线管中电流的方向有关。
3.安培定则:用右手握住螺线管,让弯曲的四指所指的方向与螺线管中的电流方向一致,则拇指所指的那端就是通电螺线管的N极。
核心总结
4.电磁铁的特点:线圈匝数一定时,通入的电流越大,电磁铁的磁性越强;电流一定时,外形相同的电磁铁,线圈匝数越多,电磁铁的磁性越强。
核心总结
5.电磁铁的优点:
(1)可以通过电流的通断来控制其磁性的有无。
(2)可以通过改变电流的方向来改变电磁铁的极性。
(3)可以通过改变电流的大小或线圈匝数的多少来改变电磁铁磁性的强弱。
核心总结
6.电磁继电器:
(1)电磁继电器是利用低电压、弱电流的控制电路来控制高电压、强电流的受控电路的装置。电磁继电器实质上是利用电磁铁来控制工作电路的一种开关。
(2)电磁继电器在生活中的应用。
1.如图所示,闭合开关S,A、B、C、D四个小磁针静止时指向正确的是 ( )
A.小磁针A B.小磁针B C.小磁针C D.小磁针D
课堂评价
C
2.关于电磁铁,下列说法中正确的是 ( )
A.电磁铁内部的铁芯最好用钢制成
B.电磁铁的极性不能改变
C.电磁铁磁性的强弱与通入电流的方向有关
D.电磁铁磁性的强弱与通入电流的大小有关
课堂评价
D
3.某学校为了培养学生的科学素养,组织了科技创新大赛,小明在比赛中制作了水位自动报警器,原理图如图所示。当水位到达金属块A时,则 ( )
A.两灯都亮 B.两灯都不亮 C.只有绿灯亮 D.只有红灯亮
课堂评价
D
4.如图所示是著名的奥斯特实验。
(1)实验探究的是通电导线周围是否存在______。
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磁场
(2)实验前小磁针的N极应指向地磁场的_____极。
(3)接通电路后,观察到小磁针发生偏转,改变导线中的电流方向,小磁针的偏转方向也发生改变,这表明通电导线周围磁场的方向与_____的方向有关。
(4)实验中小磁针的作用是_________________。
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S
电流
检验磁场是否存在
5.在探究“通电螺线管外部磁场的方向”的实验中,如图所示,闭合开关,小磁针发生偏转,说明通电螺线管周围有_______,通过小磁针静止时_____极的指向确定该点磁场的方向,调换电源正、负极,小磁针的偏转方向改变,说明磁场方向与_________有关。
课堂评价
磁场
N
电流方向
6.在“探究通电螺线管外部磁场分布”的实验中,小明进行了如下操作:
(1)如图所示,在螺线管的两端各放一个小磁针,并在硬纸板上均匀地撒满铁屑。
课堂评价
①由图可知,通电螺线管外部的磁场与_________周围的磁场相似。
②放入小磁针的作用:_____________________。
课堂评价
确定通电螺线管的极性
条形磁体
(2)改变电流方向,小明发现铁屑的分布形状_________(选填“没有改变”或“发生改变”),小磁针的指向与原来______(选填“相同”或“相反”)。
课堂评价
没有改变
相反

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