初中物理 20 电与磁：磁现象、磁场、电动机

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一、磁现象——磁体的基本性质

磁现象是物质磁性的表现，从生活中的磁铁到工业中的电磁铁，均基于磁体的基本性质，需先明确磁体的定义、分类及核心特性。

（1）磁体的定义与分类

定义：具有磁性（能够吸引铁、钴、镍等物质的性质）的物体称为磁体。

分类：

按来源分：① 天然磁体（如铁矿石“磁铁矿”，天然具有磁性）；② 人造磁体（如条形磁铁、蹄形磁铁、磁针，由人工加工制成，磁性更强且形状规则）。

按磁性保持时间分：① 永磁体（如钢制成的磁体，磁性长期保持，常用于指南针、扬声器）；② 软磁体（如铁制成的磁体，磁性易消失，常用于电磁铁的铁芯）。

（2）磁体的两个核心特性

1. 磁性与磁极：

磁体两端磁性最强的部分称为磁极（中间磁性最弱，几乎没有磁性）；任何磁体都有两个磁极，即N极（北极） 和S极（南极）（类比电荷的正、负极，且不能单独存在——即使将磁体摔碎，每一小块仍有N极和S极）。

磁极的相互作用规律：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引（这是磁现象的核心规律，如指南针指南、磁铁吸铁钉均基于此）。

2. 磁化与去磁：

磁化：使原来没有磁性的物体获得磁性的过程（如用条形磁铁摩擦铁钉，铁钉会被磁化，能吸引小铁钉）；磁化的本质是使物体内部分子电流的取向变得一致，从而表现出磁性。

去磁：使原来有磁性的物体失去磁性的过程（方法：① 加热磁体至高温；② 敲击磁体；③ 让磁体长时间处于反向磁场中——这些方法会打乱分子电流的取向，导致磁性消失）。

（3）生活中的磁现象应用

指南针（利用地磁场指示方向）；

冰箱门磁条（利用异名磁极吸引，使门密封）；

扬声器（利用磁体对电流的作用力，将电信号转化为声音）；

磁卡（利用磁性记录信息，如银行卡、公交卡）。

二、磁场——磁体间相互作用的“媒介”

磁体之间不直接接触也能产生相互作用（如两个磁铁隔空相吸），其原因是磁体周围存在磁场——磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，是传递磁相互作用的媒介。

（1）磁场的基本性质

磁场对放入其中的磁体产生磁力的作用（这是判断磁场是否存在的依据，如小磁针放入磁场中会发生偏转，说明周围有磁场）；

磁场具有方向性：物理学中规定，小磁针静止时N极所指的方向为该点磁场的方向（如在条形磁铁外部，磁场方向从N极指向S极；在内部从S极指向N极）。

（2）磁场的描述——磁感线

为了直观地描述磁场的分布和方向，引入“磁感线”（假想的曲线，实际不存在），其特点如下：

1. 磁感线是闭合的曲线（在磁体外部从N极出发，回到S极；内部从S极出发，回到N极）；

2. 磁感线的疏密程度表示磁场的强弱（磁感线越密，磁场越强；如磁体两极附近磁感线密集，磁性强；中间稀疏，磁性弱）；

3. 磁感线上任意一点的切线方向，就是该点磁场的方向（与小磁针静止时N极指向一致）；

4. 磁感线不相交（若相交，交点处会有两个磁场方向，与磁场方向性矛盾）。

（3）地磁场——地球的“巨型磁场”

地球本身是一个巨大的磁体，周围存在的磁场称为地磁场，其特点与应用如下：

地磁场的磁极：地磁场的N极在地理南极附近，S极在地理北极附近（注意：与地理两极不重合，存在“磁偏角”——这是我国宋代科学家沈括首先发现的）；

地磁场的方向：在地球表面，磁场方向从地理南极附近（地磁场N极）指向地理北极附近（地磁场S极）；

应用：指南针的N极始终指向地理北极，本质是指南针N极在地磁场中受到磁力作用，指向地磁场的S极（地理北极附近）。

三、电流的磁效应与电磁铁

电与磁并非孤立，1820年奥斯特实验首次发现“电流能产生磁场”，即电流的磁效应，这是电生磁的基础，也是电磁铁、电动机的核心原理。

（1）奥斯特实验——电流磁效应的证明

实验装置：电源、开关、导线、小磁针（导线沿南北方向放置，小磁针平行于导线放置在下方）；

实验现象：闭合开关，导线中有电流通过时，小磁针会发生偏转；断开开关，电流消失，小磁针恢复到原来的南北指向；

实验结论：① 电流周围存在磁场（电流的磁效应）；② 磁场的方向与电流的方向有关（改变电流方向，小磁针偏转方向也会改变）。

（2）通电螺线管——电流磁场的集中体现

将导线绕成螺线管（类似弹簧的形状），通入电流后，其周围的磁场分布与条形磁铁相似，称为通电螺线管，其磁场特点与判断方法如下：

磁场分布：通电螺线管两端磁性最强（为N极和S极），中间磁性弱；外部磁场方向从N极指向S极，内部从S极指向N极（与条形磁铁一致）。

磁极方向判断——安培定则（右手螺旋定则）：

用右手握住通电螺线管，让四指弯曲的方向与电流的方向一致，那么大拇指所指的那端就是通电螺线管的N极（关键：四指对应电流方向，大拇指对应N极方向）。

例：若电流从螺线管的左端流入、右端流出，右手四指沿电流方向弯曲，大拇指指向右端，则右端为N极，左端为S极。

（3）电磁铁——可控制的“磁体”

在通电螺线管的内部插入铁芯（如软铁），就构成了电磁铁，其特点是“磁性可控制”，核心优势在于能通过改变电流来调节磁性，具体如下：

电磁铁的磁性强弱与哪些因素有关（控制变量法探究）：

1. 匝数：在电流和铁芯不变时，螺线管的匝数越多，电磁铁的磁性越强（如匝数翻倍，吸引的铁钉数量明显增多）；

2. 电流：在匝数和铁芯不变时，通过螺线管的电流越大，电磁铁的磁性越强（如增大电源电压，电流变大，吸引的铁钉数量增多）；

3. 铁芯：在匝数和电流不变时，插入铁芯的电磁铁磁性远强于无铁芯的（铁芯能被磁化，增强整体磁场）。

电磁铁的优点：① 磁性有无可控制（通电流有磁性，断电流无磁性）；② 磁性强弱可控制（改变电流或匝数）；③ 磁极方向可控制（改变电流方向）；

应用：电磁继电器（用低压电路控制高压电路）、电铃、电磁起重机、扬声器、电动机的定子（提供磁场）。

四、磁场对电流的作用与电动机

既然电流能产生磁场（电流的磁效应），那么磁场也能对电流产生作用力——这是电动机的工作原理，实现了“电能转化为机械能”。

（1）磁场对电流的作用（实验探究）

实验装置：电源、开关、导线（制成“金属棒”，可在导轨上自由滑动）、蹄形磁铁（提供磁场，磁场方向从N极到S极）；

实验现象：闭合开关，金属棒中有电流通过时，金属棒会在磁场中沿导轨运动（受到磁力作用）；

实验结论：① 通电导体在磁场中会受到磁力的作用（称为“安培力”）；② 磁力的方向与电流方向和磁场方向有关（改变电流方向或磁场方向，金属棒运动方向会改变；若同时改变两者方向，运动方向不变）。

注意：导体中的电流方向与磁场方向必须“不平行”（若平行，导体不受磁力作用，不会运动）。

（2）电动机的工作原理与结构

电动机是利用“通电线圈在磁场中受力转动”的原理工作的，核心是将电能转化为机械能，其结构与工作过程如下：

基本结构：

1. 定子：固定不动的部分，通常是永磁体（或电磁铁），提供稳定的磁场；

2. 转子：能够转动的部分，由线圈（绕在铁芯上）和换向器组成；

3. 换向器：由两个半环组成，与线圈两端相连，能通过电刷与外部电路连接（核心作用：当线圈转到“平衡位置”时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈持续沿同一方向转动）；

4. 电刷：固定在定子上，与换向器接触，用于给转子线圈输送电流（电刷与换向器之间能滑动，不影响线圈转动）。

工作过程：

1. 通电后，线圈在磁场中受到磁力作用，绕轴转动（电能转化为机械能）；

2. 当线圈转到“平衡位置”（线圈平面与磁场方向垂直，此时线圈两边受力大小相等、方向相反，作用在同一直线上，线圈受力平衡，速度为0）时，换向器自动改变线圈中的电流方向；

3. 电流方向改变后，线圈两边的受力方向也改变，线圈继续沿原方向转动（避免反向转动），如此循环，线圈持续转动。

电动机的优点与应用：

优点：效率高、污染小、噪音低、可通过改变电流调节转速；

应用：家用电器（如电风扇、洗衣机、空调的压缩机）、工业设备（如机床电动机）、交通工具（如电动汽车的驱动电机）。

例题1：磁体的磁极相互作用 题目：将两个条形磁铁的N极相互靠近，会发生的现象是（  ）

A. 相互吸引  B. 相互排斥  C. 无明显作用  D. 同时消失磁性

解析：磁极相互作用规律是“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”，两个N极是同名磁极，因此相互排斥。

答案：B

例题2：磁场方向的判断（小磁针） 题目：在条形磁铁外部，将小磁针放在磁铁N极附近，小磁针静止时N极会指向（  ）

A. 条形磁铁的N极  B. 条形磁铁的S极  C. 水平向右  D. 水平向左

解析：磁场方向规定为小磁针静止时N极所指的方向，条形磁铁外部磁场方向从N极指向S极，因此小磁针N极会指向条形磁铁的S极。

答案：B

例题3：奥斯特实验的结论 题目：奥斯特实验中，闭合开关后小磁针发生偏转，说明（  ）

A. 磁体周围存在磁场  B. 电流周围存在磁场  C. 磁场对电流有作用力  D. 磁能生电

解析：奥斯特实验的核心是证明“电流的磁效应”，即电流周围存在磁场（电流产生的磁场使小磁针偏转）；A是磁体的基本性质，C是电动机原理，D是电磁感应（发电机原理）。

答案：B

例题4：安培定则的应用（通电螺线管磁极） 题目：通电螺线管的电流从右端流入、左端流出，用安培定则判断，螺线管的左端是（  ）

A. N极  B. S极  C. 无法判断  D. 既是N极也是S极

解析：用右手握住螺线管，四指弯曲方向与电流方向一致（电流从右端流入，四指在螺线管右侧向下、左侧向上弯曲），大拇指指向左端，因此左端为N极。

答案：A

例题5：电磁铁磁性强弱的影响因素 题目：在探究“电磁铁磁性强弱与电流关系”的实验中，需要控制不变的量是（  ）

A. 电流大小  B. 螺线管匝数  C. 铁芯有无  D. 螺线管匝数和铁芯有无

解析：探究“磁性强弱与电流的关系”需用控制变量法，控制“匝数”和“铁芯有无”不变，只改变电流大小，观察磁性强弱变化（如吸引铁钉的数量）。

答案：D

例题6：地磁场与指南针 题目：指南针静止时N极指向地理北极，原因是（  ）

A. 地理北极附近是地磁场的N极  B. 地理北极附近是地磁场的S极

C. 指南针N极不受地磁场作用  D. 地磁场方向与地理方向完全一致

解析：地磁场的N极在地理南极附近，S极在地理北极附近；指南针N极在地磁场中受力，指向地磁场的S极（地理北极附近），因此N极指向地理北极；地磁场与地理方向有磁偏角，不完全一致。

答案：B

例题7：磁场对电流的作用（方向判断） 题目：通电金属棒在磁场中向右运动，若保持磁场方向不变，只改变电流方向，金属棒会（  ）

A. 继续向右运动  B. 向左运动  C. 静止不动  D. 上下运动

解析：磁场对电流的作用力方向与电流方向、磁场方向有关；只改变电流方向，受力方向改变，金属棒运动方向也改变（从向右变为向左）。

答案：B

例题8：电动机的能量转化 题目：电动机工作时，主要的能量转化是（  ）

A. 机械能转化为电能  B. 电能转化为机械能  C. 电能转化为内能  D. 内能转化为电能

解析：电动机利用“通电线圈在磁场中受力转动”工作，消耗电能，获得机械能，因此能量转化是“电能→机械能”（少量电能转化为内能，属于损耗，非主要转化）。

答案：B

例题9：磁化现象的判断 题目：用条形磁铁的N极沿同一方向摩擦铁钉，铁钉会被磁化，磁化后铁钉的右端是（  ）

A. N极  B. S极  C. 无磁极  D. 无法确定

解析：磁化时，铁钉内部分子电流取向与磁铁磁场方向一致；磁铁N极摩擦铁钉，铁钉靠近磁铁N极的一端会被磁化为S极，另一端（右端）为N极。

答案：A

例题10：通电螺线管的磁场分布 题目：下列关于通电螺线管磁场的说法，正确的是（  ）

A. 螺线管内部磁场方向从N极指向S极  B. 螺线管两端磁性最强，中间最弱

C. 螺线管的磁场与蹄形磁铁相似  D. 改变电流大小，螺线管的磁极方向会改变

解析：通电螺线管内部磁场方向从S极指向N极（A错误）；磁场分布与条形磁铁相似（C错误）；改变电流大小只影响磁性强弱，不改变磁极方向（D错误）；两端磁性最强，中间最弱（B正确）。

答案：B

例题11：电磁铁的应用（电磁继电器） 题目：电磁继电器的核心是利用电磁铁控制高压电路，其优点是（  ）

A. 节约电能  B. 用低压、弱电流控制高压、强电流  C. 提高电路电压  D. 增强高压电路的电流

解析：电磁继电器的结构是“低压控制电路”（含电磁铁）和“高压工作电路”（含用电器）；通过控制低压电路的通断，使电磁铁吸合或释放，从而控制高压电路的通断，实现“低压控高压、弱电流控强电流”，保障人身安全。

答案：B

例题12：电动机换向器的作用 题目：电动机中换向器的作用是（  ）

A. 给线圈提供电流  B. 改变线圈转动的方向  C. 当线圈转到平衡位置时，改变线圈中的电流方向  D. 增强线圈的磁性

解析：换向器由两个半环组成，当线圈转到“平衡位置”（受力平衡，即将反向转动）时，换向器自动改变线圈中的电流方向，使线圈持续沿同一方向转动；A是电刷的作用，B错误（换向器不改变转动方向，只避免反向），D是铁芯的作用。

答案：C

例题13：磁感线的特点 题目：下列关于磁感线的说法，正确的是（  ）

A. 磁感线是真实存在的曲线  B. 磁感线在磁体外部从S极指向N极  C. 磁感线越密的地方，磁场越强  D. 磁感线可以相交

解析：磁感线是假想的曲线，实际不存在（A错误）；磁体外部磁感线从N极指向S极（B错误）；磁感线不相交（D错误）；磁感线疏密表示磁场强弱，越密越强（C正确）。

答案：C

例题14：电流磁效应的应用（判断装置） 题目：下列装置中，利用电流的磁效应工作的是（  ）

A. 电动机  B. 电磁铁  C. 发电机  D. 动圈式扬声器

解析：电流的磁效应是“电流产生磁场”，电磁铁通电后产生磁场，利用此原理（B正确）；A、D利用“磁场对电流的作用”，C利用“电磁感应”（磁生电）。

答案：B

例题15：磁场对电流的作用条件 题目：通电导体在磁场中不受磁力作用的情况是（  ）

A. 导体与磁场方向垂直  B. 导体与磁场方向平行  C. 导体中有电流通过  D. 磁场方向改变

解析：磁场对电流的作用力产生的条件是“电流方向与磁场方向不平行”；若两者平行，导体不受力（B正确）；A、C时导体受力，D只改变受力方向，不影响受力是否存在。

答案：B

例题16：电磁铁磁性强弱的比较 题目：两个电磁铁A和B，A的螺线管匝数为100匝，通入电流2A；B的匝数为200匝，通入电流1A，两者均有铁芯。则磁性更强的是（  ）

A. A  B. B  C. 两者磁性相同  D. 无法比较

解析：电磁铁磁性强弱与匝数、电流均有关，匝数越多、电流越大，磁性越强；A的电流大（2A）但匝数少（100匝），B的匝数多（200匝）但电流小（1A），两者影响因素相反，且未明确“匝数与电流的权重关系”，因此无法比较磁性强弱。

答案：D

例题17：地磁场的磁偏角 题目：我国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中记载的“磁偏角”，指的是（  ）

A. 地磁场的N极与地理南极的夹角  B. 地磁场的S极与地理北极的夹角  C. 指南针指向与地理南北方向的夹角  D. 磁场方向与电流方向的夹角

解析：磁偏角是指“地磁场的南北极与地理的南北极不重合”，导致指南针静止时的指向与地理南北方向存在微小夹角，这是沈括首次发现的。

答案：C

例题18：电动机的转动条件 题目：要使电动机的线圈持续转动，必须满足的条件是（  ）

A. 有稳定的磁场  B. 线圈中有持续的电流  C. 有换向器改变电流方向  D. 以上都是

解析：电动机线圈持续转动需要三个条件：① 稳定的磁场（定子提供，A正确）；② 持续的电流（使线圈受力，B正确）；③ 换向器（避免线圈在平衡位置反向转动，C正确），因此三者均需满足。

答案：D

例题19：磁体的去磁方法 题目：下列方法中，能使永磁体失去磁性的是（  ）

A. 将磁体放在水平桌面上  B. 用磁体吸引铁钉  C. 加热磁体至高温  D. 将磁体放在磁场中

解析：去磁的方法包括加热、敲击、反向磁场；加热磁体会打乱磁体内部分子电流的取向，导致磁性消失（C正确）；A、B不会影响磁性，D若磁场方向与磁体一致，反而可能增强磁性。

答案：C

例题20：综合应用（通电螺线管与小磁针） 题目：如图所示（假设图中通电螺线管左端为S极，右端为N极），在螺线管右侧放置一个小磁针，小磁针静止时N极会指向哪个方向？为什么？

解析：通电螺线管外部磁场方向从N极指向S极，右侧的磁场方向是“从螺线管右端（N极）指向外部”（即水平向右）；根据磁场方向的规定，小磁针静止时N极所指的方向与磁场方向一致，因此小磁针N极会水平向右。

答案：小磁针N极水平向右。因为螺线管右侧的磁场方向从N极指向外部（水平向右），小磁针N极指向与磁场方向一致。

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