九年级物理第十二章 电和磁(三)人教四年制版知识精讲

九年级物理第十二章电和磁（三）人教四年制版
【同步教育信息】
一. 本周教学内容：
第十二章电和磁（三）
二. 重难点：
1. 理解磁场对电流的作用，掌握左手定则的判定方法。

2. 了解直流电动机的结构和工作原理。

理解换向器的作用。

三. 知识点分析：
电流通过电动机，电动机的轴就转动起来。

电动机的原理是什么？原来通电导线在磁场中要受到力的作用，电动机就是利用这种现象制成的。

实验1：
图1通电直导线在磁场中受到力
如图1所示，把一根直导线AB放在蹄形磁体的磁场里，接通电源，让电流通过原来静止的导体AB。

观察发生的现象。

实验表明：电流通过在磁场中的导体AB时，导体AB就运动起来，这说明通电导体在磁场里受到力的作用，在上述实验中，这个力的方向既跟电流的方向垂直，又跟磁感线的方向垂直。

实验2：
在上述实验中，使电流的方向相反，或者使磁感线的方向相反，观察导体AB的运动情况。

实验表明：使电流的方向相反，或者使磁感线的方向相反，导体AB的运动方向也相反。

这说明通电导体在磁场里受力的方向，跟电流方向和磁感线方向有关。

把一个通电线圈放在磁场里，你推测会发生什么现象？你是怎样进行推测的？
实验3：
甲乙
图2通电线圈在磁场里转动
如图2甲所示，把一个线圈放在磁场里，接通电源，让电流通过线圈，观察发生的现象。

我们看到，接通电源的线圈在磁场里发生转动，但转动不能持续下去，摆几下便停在在图2乙所示的位置上。

怎样解释这个现象呢？原来通电线圈的ab边和cd边在磁场里受到力的作用，而ab边和cd边中的电流方向相反，所以受到的力的方向相反且不在同一直线上（见图甲），在这两个力的作用下线圈就转动起来。

当转到图乙所示的位置时，这两个力恰好在同一直线上，而且大小相等，方向相反，相互平衡，所以线圈在这个位置上可以保持平衡。

通电导体和通电线圈在磁场里受到力的作用而发生运动时，消耗了电能，得到了机械能，在这种现象里，电能转化为机械能。

在上一节所示的现象里，我们看到电能可以转化成机械能。

怎样才能实际利用上述现象呢？从发现磁场对电流的作用，到发明电动机，还有一段路要走，实际的电动机要能够持续地转动，而图2中的通电线圈却不能持续转动，怎么办？
甲：未改变电流方向
乙：改变了电流方向
图3通电线圈刚转过平衡位置时的受力情况
图3表示图2中的通电线圈刚转到平衡位置时的受力情况，对比图3的甲和乙可以知道：如果在线圈刚转到平衡位置时，立即改变线圈中的电流方向，则，由于受力方向改变，线圈就可以按原来的方向继续转动。

这样，每当线圈刚转到平衡位置，就改变一次电流方向，线圈就可以不停地转动下去。

怎样具体实现电流方向的改变呢？
换向器
图4是直流电动机的原理图。

这种电动机用直流电源供电，所以叫直流电动机。

线圈的两端各连一个铜制半环E和F，它们彼此绝缘，并随线圈一起转动。

A和B是电刷，它们跟半环接触，使电源和线圈组成闭合电路。

两个半环E和F叫做换向器。

每当线圈刚转过平衡位置，换向器就能自动改变线圈中电流的方向。

仔细研究图4，就会了解这一点。

甲：电流方向和力的方向如图所示，线圈顺时针转动。

乙：线圈转到平衡位置时，两电刷恰好接触两半环间的绝缘部分：线圈由于惯性继续转动，转过平衡位置后，电流即改变方向。

丙：ab和cd中的电流方向与图甲相反，受力方向也相反，线圈仍顺时针转动。

丁：线圈又转到平衡位置，换向器又自动改变电流方向。

图4直流电动机的原理
【典型例题】
[例1] 通电导体在磁场中受力的方向跟什么有关系？有什么关系？怎样来判定？
解题思路：
通电导体在磁场中受力的方向跟电流方向和磁场方向有关系，这三者关系是彼此互相垂直，可以用左手定则来判定。

借题发挥：
左手定则：伸开左手，让四指和大拇指都和手掌在一个平面内，且大拇指和四指互相垂直，将左手放入磁场中，让磁感垂直穿过掌心，让四指所指的方向与电流方向相同，则
大拇指所指的方向就是导体受力的方向。

[例2] 如图1所示，线圈为什么在甲图可旋转，而转到乙图时就不能继续旋转？
图1
解题思路：
通电线圈的ab边和cd边在磁场里受到力的作用，而ab边和cd边中的电流方向相反，所以受力方向也相反，ab边向上受力，cd边向下受力，且两力不在同一条直线上，如图甲。

在两个力的作用下线圈就转动起来。

当转到乙图的位置时，这两个力恰好方向相反，作用在同一条直线上，而且大小相等，方向相反且互相平衡，所以线圈在这个位置上可以保持平衡，就不再转动。

借题发挥：
通电线圈在磁场中转动消耗了电能，得到了机械能，这是电能转化机械能的过程。

[例3] 如图2所示，有两闭合铝环，挂在一根水平光滑的绝缘杆上，当条形磁铁N极向左插向圆环时，两个铝环（）
A. 有感应电流但无相互作用
B. 有感应电流且有相互作用
C. 无感应电流和相互作用
D. 无感应电流有相互作用
图2
解题思路：
当条形磁铁的N极插向圆形铝环时，则闭合的铝环部分在做切割磁感线运动的铝环中会有感应电流产生，当铝环中有电流通过时，此时它们又都在磁场中。

通电导体在磁场中会受力的作用，根据左手定则它们之间相互作用，所以答案为B。

借题发挥：
根据电磁感应可知有感应电流产生，这一点容易理解，可它们之间是否有相互作用很多同学不理解。

可进一步思考通电导体在磁场中会受到力的作用，所以它们之间有相互作用。

[例4] 一台电直流电动机接在6V电源上，线圈卡住不转时电流为5A，排除故障后电动机正常转动时，线圈中的电流为1A，求：
（1）电动机总功率是多少？
（2）电动机有用功率是多少？
（3）这台电动机的机械效率是多少？ 解题思路： 图3是电路图。

图3
（1）电动机的总功率就是电动机正常运转时电压与电流的乘积。

W A V I U P 616=⨯=⋅=总
（2）电动机在运转过程，因为电动机的线圈内有电阻，通电时电阻因发热而消耗电能，所以有用功率应该等于总功率减去发热功率。

而发热功率就是正常运转时线圈内阻（R ）与电流平方（2
I ）的乘积，而线圈内阻要利用线圈通电不转的电压与电流的比值。

Ω=='=
2.156A V I U R W A R I P 2.12.1)1(22
=Ω⨯==热
∴ W W W P P P 8.42.16=-=-=热总有用
（3）电动机的机械效率就是有用功与总功之比，而有用功和总功可以用公式： t P W t P W ⋅=⋅=总总有用有用表示， 其中时间t 是相同的，所以
%8068.4==
=
=
=
W
W
P P t
P t P W W 总
有用总有用总
有用η 答：电动机总功率为6W ，有用功率为4.8W ，它的机械效率为80%。

借题发挥：
本题可能会出现以下几种错误的解法：一是W A V UI P 3056=⨯==总二是
热P R I 2=W A 302.1)5(2=Ω⨯=，这也是错误的，三是电动机的电阻：A
V
I U R 16=
=
Ω=6，
这时电动机正在运转，只有部分电能转为热能，而大部分电能转化为机械能。

I U
R =只适用部分电路，另外有的同学容易将电功率和机械效率混为一谈。

[例5] 用电池组向一台电动起重机模型通电，使它匀速吊起一个砝码。

（1）用哪些仪器，什么方法可以测电动机输入功率。

（2）用哪些仪器和什么方法，可测出起重机的输出功率。

（3）写出起重机工作效率的表达式。

解题思路：
（1）用电压表测出输入到电动机的电压U ，用电流表测出输入到电动机中的电流，即可求出输入功率，UI P =输入。

（2）用米尺测出砝码上升的高度h ，用天平测出砝码的质量m ，用秒表测出砝码上升的时间t ，即可求出输出功率。

t
mgh
t Gh t
W P ==
=
有用
出
（3）机械效率：UIt
mgh
t P Gh W W =
⋅=
=
入总
有用η 借题发挥：
某同学用小电动机做竖直提升钩码的实验：（1）已知加在电动机两端的电压为2.5V ，通过的电流强度是0.4A ，这台电动机消耗的功率是多少W ？
（2）这台电动机把质量为200g 的钩码提升1m 用了4s ，电动机对钩码做功的功率是多少W ？（kg N g /10=）
（3）这台电动机的机械效率是多少？ 解：
（1）W A V UI P 14.05.2=⨯==
（2）J m kg N g mgh Gh W 21/1024.0=⨯⨯===
W s
J t W P 5.042===
' （3）%50412=⨯===s W J
Pt W W W 总有用η
答：
（1）这台电动机的消耗功率为1W 。

（2）电动机对钩码做功功率为0.5W 。

（3）这台电动机的机械效率为50%。

【模拟试题】
一. 填空题：
1. 磁场对通电导体有 作用。

2. 通电导体在磁场中受力的方向与 方向和 方向有关，三者关系用 来判定。

3. 通电导体在磁场中受到力的作用而发生运动的时候，消耗了 能，得到 能。

4. 图1是直流电动机的示意图，abcd 分别表示电动机的某一部分：a b c d 。

图1
5. 电动机是把 能转化为 能的机器。

6. 用 电源供电的电动机叫直流电动机，直流电动机是利用 原理制成的。

二. 选择题：
1. 直流电动机中的换向器的作用是（ ） A. 改变磁场的N 极和S 极
B. 改变线圈中的电流方向和磁场的N极，S极
C. 改变线圈中的电流方向
D. 改变线圈中电流的大小
三. 简答题：
1. 说明图2中各通电导体的受力方向。

图2
甲向；乙向；丙向；丁向。

2. 如图3所示，通电导线a在磁场中受到力的作用，试根据磁场的受力方向，判断导体中的通电方向。

图3
四. 计算题：
10，求这台电动机的1. 一台电动机上标有“220V 2.5A”，正常工作时线圈的内阻为
额定功率和机械效率。

2. 利用电动机抽水时加在电动机上的电压是380V，通过电动机的电流是10A，求：（1）电动机工作1h电流做功多少？（2）如果它抽水的效率为80%，则它1h把大约多少立方米的水抽到5m高的地方？
【试题答案】
一. 填空题：
1. 力
2. 电流；磁场；左手定则
3. 电；机械
4. 线圈；磁铁；换向器；电刷
5. 电；机械
6. 直流；通电导线在磁场中受力
二. 选择题：
1. C
三. 简答题：
1. 上；左；左；上
2.
四. 计算题：
1. 550W；88.6%
2.（1）13680000J （2）218.9m3。