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第3讲　电与磁培优讲座
　　一、磁场的基本特性及其方向的规定是怎样的
　　我们知道，磁体有吸引铁、钴、镍等物质的性质，而且它们之间不接触就可以产生作用力，这种作用力也可称为非接触力，是通过磁场来传递的。要了解磁场，就要了解哪些物质会产生磁场、磁场的基本特性及其方向的规定等知识。现归纳如下：
　　(1)磁体或电流的周围存在着磁场，它是一种特殊形态的物质。磁场不同于实体物质，它看不见、摸不着，但却是客观存在的。
　　(2)磁场的基本特性之一就是对处于其中的磁极或者电流有磁场力的作用。磁场力与磁极之间、磁极与电流之间、电流与电流之间的作用，都是通过自己的磁场作用于对方的。
　　(3)磁场中某点的磁场方向规定为置于该点的小磁针N极受力方向(或者是与小磁针S极受力方向相反的方向)，也就是小磁针静止时N极所指的方向，但不能将它误认为小磁针转动的方向。
　　例1　 一根电缆埋藏在一堵南北走向的墙里，在墙的西侧处，放一指南针时，其指向刚好比原来旋转180°，由此可以断定，这根电缆中电流的方向为(　D　)
　　A.可能是向北
　　B.可能是竖直向下
　　C.可能是向南
　　D.可能是竖直向上
　　解题思路 指南针的N极原来指向北方，旋转180°，知N极指向南，知该处的磁场方向向南，根据右手螺旋定则，知墙中的电缆电流方向竖直向上，故D正确，A、B、C错误。故选D。
　　 点评解决本题的关键是掌握右手螺旋定则，会根据右手螺旋定则判断电流与其周围磁场方向的关系。
　　二、磁感线的性质及特点
　　(1)磁感线是一系列用来描述磁场方向和强弱空间分布情况的假想的有向曲线，曲线上任意一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致。小磁针静止时，其N极指向永远和过该点处的磁感线方向一致。
　　(2)磁场强与弱的分布情况由磁感线的疏密程度直接反映，密处磁场强，疏处磁场弱。
　　(3)磁场中任意两条磁感线是不会相交的。如果相交，那么在交点处曲线具有两个方向， 而实际上在稳定的磁场中放置于任何一点的小磁针N极的取向是唯一的，不可能具有两个方向，所以磁感线是不会相交的。
　　(4)在磁体外部的磁感线都是从N极出发，通过空间进入S极，在磁体内部则是从S极指向N极，磁感线出来多少根，进去也多少根。它是连续不中断、无头无尾的闭合曲线。
　　例2　 如图所示为一种利用电磁原理制作的充气泵的结构示意图，其工作原理类似打点计时器。当电流从电磁铁的接线柱b流入，吸引小磁铁向下运动时，以下选项中正确的是(　C　)
　　A.电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为N极
　　B.电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为S极
　　C.电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为S极
　　D.电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为N极
　　解题思路 由安培定则判断电磁铁上端的磁极，再根据同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引判定小磁铁的极性。电磁铁实际为通电螺线管，当电流从接线柱b流入电磁铁时，上端为N极，由异名磁极相互吸引知小磁铁下端为S极，故A、B、D错误，C正确。故答案为C。
　　三、怎样判定通电导体在磁场中的受力和运动方向
　　我们已经知道通电的导体在磁场中会受到安培力，而安培力的受力方向可用左手定则来判断，为了得到正确的判断结论，必须了解和熟悉常见的几种电流方向和磁感线方向的表示方法。
　　例如，如图所示的各图中，我们已知通电导线中电流方向、磁感线方向和所受安培力方向三个中的任意两个方向，请判断出另一个未知物理量的方向。
　　首先必须理解图中各种画法所表示的含义。均匀强度的磁场的磁感线通常可用一组平行线来表示，如图(a)和(b)所示。小圆圈表示直导线，小圆圈中画“ ”表示电流从纸内流出，反之小圆圈中画“×”则表示电流从纸外流入纸内，如图(c)所示。而出现一组“ ”就表示磁感线从纸内射向纸外，反之出现一组“×”就表示磁感线从纸外射向纸内，如图(d)和(f)所示。
　　我们可根据左手定则来判断图中的电流方向、安培力的方向或磁感线方向。判断结果可用画图的形式表示。图(a)中应在小圆圈中画“×”。图(b)中安培力的方向应垂直磁感线向右下方。图(c)应画与图(b)相同的一组磁感线。图(d)应在直导线中标出垂直于直导线向右下方的力的方向。图(e)应画一组“×”来表示磁感线的方向。图(f)电流的方向应该指向右上方。
　　分析在安培力作用下通电导体运动情况的一般步骤为：
　　(1)画出通电导线所在处的磁感线方向及分布情况。
　　(2)用左手定则确定各段通电导线所受安培力。
　　(3)根据初速度方向结合牛顿定律确定导体的运动情况。
　　例3　 如图所示，蹄形磁铁用悬线悬于O点，在磁铁正下方，固定一水平放置的长直导线，当导线中通以自左向右的电流时，蹄形磁铁发生的运动将是垂直纸面向外还是向里偏转(　C　)
　　A.N、S极同时向外偏转
　　B.N、S极同时向里偏转
　　C.N极转向外，S极转向里
　　D.N极转向里，S极转向外
　　解题思路假设磁体不动，导线运动，则可以利用微元法，在导线两侧取两段，根据左手定则判断出安培力的方向，当转过90度时，再根据左手定则判断出安培力的方向，从而确定导线的运动情况。从而根据相对运动来确定磁体运动情况。假设磁体不动，导线运动，则有：根据右手螺旋定则可知，通电导线左边的磁场斜向下，而右边的磁场是斜向上，那么在导线两侧取两小段，根据左手定则可知，左侧一小段所受的安培力方向垂直纸面向里，右侧一小段所受安培力的方向垂直纸面向外，从上往下看，知导线顺时针转动，当转动90度时，导线所受的安培力方向向上，所以导线的运动情况为，顺时针转动，同时上升。如今导线不动，磁体运动，根据相对运动，则有磁体逆时针转动(从上向下看)，即N极向纸外转动，S极向纸内转动。故C正确，ABD错误；故答案为C。
　　 点评解决本题的关键是掌握左手定则判断安培力的方向，以及掌握微元法、特殊位置法的运用，同时巧用相对运动。
　　例4　 如图所示，一根细弹簧，一端固定在铁架台上，另一端和放在铁架台上面木块上的光亮铜板相接触，弹簧固定在铁架台上的一端与电源正极相连接，木块上的铜板和电源的负极相接，调节弹簧使其自然下垂时，正好碰到铜板。问：开关闭合时，将会看到什么现象？解释此现象产生的原因。
　　 答案当开关合上时，会发现弹簧上下跳动。原因：当开关闭合时，弹簧中有电流流过，每相邻的两匝都流过同方向的电流。根据前面的分析可知，匝与匝之间存在着相互引力，使弹簧收缩，弹簧下端和铜板脱离，电源被切断，弹簧间的引力消失，在重力作用下，弹簧又被拉长，弹簧下端又和铜板接触，电源又接通，如此反复下去就产生了我们看到的现象。
　　四、怎样设计和使用电磁继电器来控制电路
　　要设计和使用电磁继电器来控制电路，就必须弄清电磁继电器(核心是电磁铁)的工作原理，使用时是通过控制电磁铁的电流来达到控制工作电路的目的。当电磁铁通电时，会把衔铁吸过来，使动触点和静触点接触(或分离)，工作电路闭合(或断开)。当电磁铁断电时失去磁性，衔铁在弹簧的作用下脱离电磁铁，切断(或接通)工作电路，从而由低压控制电路的通断， 间接地控制高压工作电路的通断，实现远距离操作和自动化控制。电磁继电器的作用相当于一个电磁开关。电磁继电器的工作电路和控制电路的组成和特点如图所示。
　　工作电路由用电器M(如电动机)、(高压)电源和电磁继电器的触点组成，主要特点是高电压、强电流；控制电路由电磁继电器的线圈、(低压)电源和开关组成，主要特点是低电压、弱电流。
　　例5　 如图所示为水位报警装置原理图，其中A、B为两个金属杆。当水位达到或超过警戒线时，绿灯、红灯和电铃的工作状态分别是什么？
　　答案 水是导体，当水位达到或超过警戒线时，电磁铁部分的电路被接通，电磁铁吸引衔铁，使原来接通的绿灯断开，同时接通了电铃和红灯的电路，因此出现绿灯灭、红灯亮、电铃响的状态。
　　例6　 在甲流高发期，为做好高考期间的防控工作，某市考试中心决定在所有高考考场门口安装红外线测温仪，红外线测温仪的基本功能是对通过它的考生能自动测量体温。现有如下器材：“220 V　15 W”的红灯(一盏)，“220 V　15 W”的绿灯(一盏)，“220 V　100 W”的电铃(一个)，导线若干。根据以上器材，设计一个电路：要求当正常体温的人通过或无人通过红外线测温仪时，安装在校门口传达室里的绿灯亮；当有体温超过38 ℃的人通过红外线测温仪时，安装在校门口传达室里的绿灯熄灭同时红灯亮、电铃响。(在电路中红外线测温仪相当于一个自动开关)请在图中完成该电路，使其满足上述要求(电路图连线不得交叉)。在你完成的电路中，电磁继电器的上端相当于条形磁体的　N　(填“N”或“S”)极。
连接图如图所示　
　　解题思路 当正常体温的人通过或无人通过红外线测温仪时，要使安装在校门口传达室里的绿灯亮，表明无异常情况，从图中可以看出，电磁继电器上方触点为常闭触点，电磁铁无磁性时接通，所以接绿灯；中间触点为电源触点，应接电源的一端；下方触点为常开触点，当有体温超过38 ℃的人通过红外线测温仪(异常情况)时，电磁铁有磁性，接通下方触点，红灯和电铃同时工作，所以下方触点应接红灯和电铃。根据安培定则，不难判断出电磁铁的上端为N极。
　　故答案为：连接图如图所示　N
　　五、产生感应电流的条件及如何改变感应电流的方向
　　在学习电磁感应现象及产生感应电流时，要首先领会产生感应电流的条件，才能在解题时会判断是否有感应电流产生。
　　(1)产生感应电流必须同时满足三个条件：①电路是闭合的；②导体要在磁场中做切割磁感线的运动；③切割磁感线运动的导体只能是一部分。三者缺一不可。这里要注意的是闭合电路的“一部分导体”而不是“整个电路”，还要注意“做切割磁感线的运动”，所谓切割磁感线就是把磁感线“切断”，也就是说导体的运动方向一定要与磁感线成一定的角度，而不是与磁感线平行，否则磁感线是“切不断”的。另外，电路必须是闭合的，而不是断开的，即组成电路的各个元件连接成一个电流的通路。如果不是闭合电路，即使导体做切割磁感线运动，导体中也不会有感应电流产生，只是在导体的两端产生电压。当我们把整个闭合回路等效成电路来进行分析时，做切割磁感线运动的这部分导体就相当于这个等效电路中的“电源”。
　　(2)如何改变感应电流的方向？感应电流的方向跟导体运动方向和磁感线方向有关，可用右手定则来判断，右手定则可以反映它们之间方向上的关系。因此要改变感应电流的方向，可以从两方面考虑：一是改变导体的运动方向，即与原运动方向相反；二是使磁感线方向反向。但是若导体运动方向和磁感线方向同时改变，则感应电流的方向不发生改变。
　　例7　 金属圆环的圆心为O，金属棒Oa、Ob可绕O在环上转动，垂直环面向内有一匀强磁场，如图所示。当外力使Oa逆时针方向转动时，Ob将(　C　)
　　A.不动　　B.顺时针转动
　　C.逆时针转动　　D.无法确定
　　解题思路 根据右手定则来确定Oa棒的感应电流的方向； 左手定则判定Ob棒的安培力的方向，当外力使Oa逆时针方向加速转动时，根据右手定则可以判断出导体棒中的电流的方向从a向O，该电流又从O流向b再流到环上，Ob受到的安培力的方向根据左手定则可得：安培力的方向向右上，所以Ob棒沿逆时针方向转动。故答案为C。第3讲　电与磁培优讲座
　　一、磁场的基本特性及其方向的规定是怎样的
　　我们知道，磁体有吸引铁、钴、镍等物质的性质，而且它们之间不接触就可以产生作用力，这种作用力也可称为非接触力，是通过磁场来传递的。要了解磁场，就要了解哪些物质会产生磁场、磁场的基本特性及其方向的规定等知识。现归纳如下：
　　(1)磁体或电流的周围存在着磁场，它是一种特殊形态的物质。磁场不同于实体物质，它看不见、摸不着，但却是客观存在的。
　　(2)磁场的基本特性之一就是对处于其中的磁极或者电流有磁场力的作用。磁场力与磁极之间、磁极与电流之间、电流与电流之间的作用，都是通过自己的磁场作用于对方的。
　　(3)磁场中某点的磁场方向规定为置于该点的小磁针N极受力方向(或者是与小磁针S极受力方向相反的方向)，也就是小磁针静止时N极所指的方向，但不能将它误认为小磁针转动的方向。
　　例1　 一根电缆埋藏在一堵南北走向的墙里，在墙的西侧处，放一指南针时，其指向刚好比原来旋转180°，由此可以断定，这根电缆中电流的方向为( )
　　A.可能是向北
　　B.可能是竖直向下
　　C.可能是向南
　　D.可能是竖直向上
　　解题思路 指南针的N极原来指向北方，旋转180°，知N极指向南，知该处的磁场方向向南，根据右手螺旋定则，知墙中的电缆电流方向竖直向上，故D正确，A、B、C错误。故选D。
　　 点评解决本题的关键是掌握右手螺旋定则，会根据右手螺旋定则判断电流与其周围磁场方向的关系。
　　二、磁感线的性质及特点
　　(1)磁感线是一系列用来描述磁场方向和强弱空间分布情况的假想的有向曲线，曲线上任意一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致。小磁针静止时，其N极指向永远和过该点处的磁感线方向一致。
　　(2)磁场强与弱的分布情况由磁感线的疏密程度直接反映，密处磁场强，疏处磁场弱。
　　(3)磁场中任意两条磁感线是不会相交的。如果相交，那么在交点处曲线具有两个方向， 而实际上在稳定的磁场中放置于任何一点的小磁针N极的取向是唯一的，不可能具有两个方向，所以磁感线是不会相交的。
　　(4)在磁体外部的磁感线都是从N极出发，通过空间进入S极，在磁体内部则是从S极指向N极，磁感线出来多少根，进去也多少根。它是连续不中断、无头无尾的闭合曲线。
　　例2　 如图所示为一种利用电磁原理制作的充气泵的结构示意图，其工作原理类似打点计时器。当电流从电磁铁的接线柱b流入，吸引小磁铁向下运动时，以下选项中正确的是( )
　　A.电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为N极
　　B.电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为S极
　　C.电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为S极
　　D.电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为N极
　　解题思路 由安培定则判断电磁铁上端的磁极，再根据同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引判定小磁铁的极性。电磁铁实际为通电螺线管，当电流从接线柱b流入电磁铁时，上端为N极，由异名磁极相互吸引知小磁铁下端为S极，故A、B、D错误，C正确。故答案为C。
　　三、怎样判定通电导体在磁场中的受力和运动方向
　　我们已经知道通电的导体在磁场中会受到安培力，而安培力的受力方向可用左手定则来判断，为了得到正确的判断结论，必须了解和熟悉常见的几种电流方向和磁感线方向的表示方法。
　　例如，如图所示的各图中，我们已知通电导线中电流方向、磁感线方向和所受安培力方向三个中的任意两个方向，请判断出另一个未知物理量的方向。
　　首先必须理解图中各种画法所表示的含义。均匀强度的磁场的磁感线通常可用一组平行线来表示，如图( )和( )所示。小圆圈表示直导线，小圆圈中画“ ”表示电流从纸内流出，反之小圆圈中画“×”则表示电流从纸外流入纸内，如图( )所示。而出现一组“ ”就表示磁感线从纸内射向纸外，反之出现一组“×”就表示磁感线从纸外射向纸内，如图( )和( )所示。
　　我们可根据左手定则来判断图中的电流方向、安培力的方向或磁感线方向。判断结果可用画图的形式表示。图( )中应在小圆圈中画“×”。图( )中安培力的方向应垂直磁感线向右下方。图( )应画与图( )相同的一组磁感线。图( )应在直导线中标出垂直于直导线向右下方的力的方向。图(e)应画一组“×”来表示磁感线的方向。图( )电流的方向应该指向右上方。
　　分析在安培力作用下通电导体运动情况的一般步骤为：
　　(1)画出通电导线所在处的磁感线方向及分布情况。
　　(2)用左手定则确定各段通电导线所受安培力。
　　(3)根据初速度方向结合牛顿定律确定导体的运动情况。
　　例3　 如图所示，蹄形磁铁用悬线悬于O点，在磁铁正下方，固定一水平放置的长直导线，当导线中通以自左向右的电流时，蹄形磁铁发生的运动将是垂直纸面向外还是向里偏转( )
　　A.N、S极同时向外偏转
　　B.N、S极同时向里偏转
　　C.N极转向外，S极转向里
　　D.N极转向里，S极转向外
　　解题思路假设磁体不动，导线运动，则可以利用微元法，在导线两侧取两段，根据左手定则判断出安培力的方向，当转过90度时，再根据左手定则判断出安培力的方向，从而确定导线的运动情况。从而根据相对运动来确定磁体运动情况。假设磁体不动，导线运动，则有：根据右手螺旋定则可知，通电导线左边的磁场斜向下，而右边的磁场是斜向上，那么在导线两侧取两小段，根据左手定则可知，左侧一小段所受的安培力方向垂直纸面向里，右侧一小段所受安培力的方向垂直纸面向外，从上往下看，知导线顺时针转动，当转动90度时，导线所受的安培力方向向上，所以导线的运动情况为，顺时针转动，同时上升。如今导线不动，磁体运动，根据相对运动，则有磁体逆时针转动(从上向下看)，即N极向纸外转动，S极向纸内转动。故C正确，ABD错误；故答案为C。
　　 点评解决本题的关键是掌握左手定则判断安培力的方向，以及掌握微元法、特殊位置法的运用，同时巧用相对运动。
　　例4　 如图所示，一根细弹簧，一端固定在铁架台上，另一端和放在铁架台上面木块上的光亮铜板相接触，弹簧固定在铁架台上的一端与电源正极相连接，木块上的铜板和电源的负极相接，调节弹簧使其自然下垂时，正好碰到铜板。问：开关闭合时，将会看到什么现象？解释此现象产生的原因。
　　 答案当开关合上时，会发现弹簧上下跳动。原因：当开关闭合时，弹簧中有电流流过，每相邻的两匝都流过同方向的电流。根据前面的分析可知，匝与匝之间存在着相互引力，使弹簧收缩，弹簧下端和铜板脱离，电源被切断，弹簧间的引力消失，在重力作用下，弹簧又被拉长，弹簧下端又和铜板接触，电源又接通，如此反复下去就产生了我们看到的现象。
　　四、怎样设计和使用电磁继电器来控制电路
　　要设计和使用电磁继电器来控制电路，就必须弄清电磁继电器(核心是电磁铁)的工作原理，使用时是通过控制电磁铁的电流来达到控制工作电路的目的。当电磁铁通电时，会把衔铁吸过来，使动触点和静触点接触(或分离)，工作电路闭合(或断开)。当电磁铁断电时失去磁性，衔铁在弹簧的作用下脱离电磁铁，切断(或接通)工作电路，从而由低压控制电路的通断， 间接地控制高压工作电路的通断，实现远距离操作和自动化控制。电磁继电器的作用相当于一个电磁开关。电磁继电器的工作电路和控制电路的组成和特点如图所示。
　　工作电路由用电器M(如电动机)、(高压)电源和电磁继电器的触点组成，主要特点是高电压、强电流；控制电路由电磁继电器的线圈、(低压)电源和开关组成，主要特点是低电压、弱电流。
　　例5　 如图所示为水位报警装置原理图，其中A、B为两个金属杆。当水位达到或超过警戒线时，绿灯、红灯和电铃的工作状态分别是什么？
　　答案 水是导体，当水位达到或超过警戒线时，电磁铁部分的电路被接通，电磁铁吸引衔铁，使原来接通的绿灯断开，同时接通了电铃和红灯的电路，因此出现绿灯灭、红灯亮、电铃响的状态。
　　例6　 在甲流高发期，为做好高考期间的防控工作，某市考试中心决定在所有高考考场门口安装红外线测温仪，红外线测温仪的基本功能是对通过它的考生能自动测量体温。现有如下器材：“220 V　15 W”的红灯(一盏)，“220 V　15 W”的绿灯(一盏)，“220 V　100 W”的电铃(一个)，导线若干。根据以上器材，设计一个电路：要求当正常体温的人通过或无人通过红外线测温仪时，安装在校门口传达室里的绿灯亮；当有体温超过38 ℃的人通过红外线测温仪时，安装在校门口传达室里的绿灯熄灭同时红灯亮、电铃响。(在电路中红外线测温仪相当于一个自动开关)请在图中完成该电路，使其满足上述要求(电路图连线不得交叉)。在你完成的电路中，电磁继电器的上端相当于条形磁体的　 　(填“N”或“S”)极。
　　解题思路 当正常体温的人通过或无人通过红外线测温仪时，要使安装在校门口传达室里的绿灯亮，表明无异常情况，从图中可以看出，电磁继电器上方触点为常闭触点，电磁铁无磁性时接通，所以接绿灯；中间触点为电源触点，应接电源的一端；下方触点为常开触点，当有体温超过38 ℃的人通过红外线测温仪(异常情况)时，电磁铁有磁性，接通下方触点，红灯和电铃同时工作，所以下方触点应接红灯和电铃。根据安培定则，不难判断出电磁铁的上端为N极。
　　故答案为：连接图如图所示　N
　　五、产生感应电流的条件及如何改变感应电流的方向
　　在学习电磁感应现象及产生感应电流时，要首先领会产生感应电流的条件，才能在解题时会判断是否有感应电流产生。
　　(1)产生感应电流必须同时满足三个条件：①电路是闭合的；②导体要在磁场中做切割磁感线的运动；③切割磁感线运动的导体只能是一部分。三者缺一不可。这里要注意的是闭合电路的“一部分导体”而不是“整个电路”，还要注意“做切割磁感线的运动”，所谓切割磁感线就是把磁感线“切断”，也就是说导体的运动方向一定要与磁感线成一定的角度，而不是与磁感线平行，否则磁感线是“切不断”的。另外，电路必须是闭合的，而不是断开的，即组成电路的各个元件连接成一个电流的通路。如果不是闭合电路，即使导体做切割磁感线运动，导体中也不会有感应电流产生，只是在导体的两端产生电压。当我们把整个闭合回路等效成电路来进行分析时，做切割磁感线运动的这部分导体就相当于这个等效电路中的“电源”。
　　(2)如何改变感应电流的方向？感应电流的方向跟导体运动方向和磁感线方向有关，可用右手定则来判断，右手定则可以反映它们之间方向上的关系。因此要改变感应电流的方向，可以从两方面考虑：一是改变导体的运动方向，即与原运动方向相反；二是使磁感线方向反向。但是若导体运动方向和磁感线方向同时改变，则感应电流的方向不发生改变。
　　例7　 金属圆环的圆心为O，金属棒Oa、Ob可绕O在环上转动，垂直环面向内有一匀强磁场，如图所示。当外力使Oa逆时针方向转动时，Ob将( )
　　A.不动　　B.顺时针转动
　　C.逆时针转动　　D.无法确定
　　解题思路 根据右手定则来确定Oa棒的感应电流的方向； 左手定则判定Ob棒的安培力的方向，当外力使Oa逆时针方向加速转动时，根据右手定则可以判断出导体棒中的电流的方向从a向O，该电流又从O流向b再流到环上，Ob受到的安培力的方向根据左手定则可得：安培力的方向向右上，所以Ob棒沿逆时针方向转动。故答案为C。

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