初中物理竞赛第14讲 磁场和电磁感应

第十四讲磁场和电磁感应一【知识梳理】14.1.1 简单磁现象（1）磁性：物体具有吸引铁、钴、镍等物质的性质叫做磁性。

（2）磁体：具有磁性的物体叫磁体。

磁体分天然磁体和人造磁体。

（3）磁极：磁体上磁性最强的部分叫磁极。

任何磁体都有两个磁极，一个是北极（N极），另一个是南极（S极）。

（4）磁极间的作用：同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。

（5）磁化：使原来没有磁性的物体带上磁性的过程。

软铁被磁化后，磁性很容易消失，称为软磁性材料；钢被磁化后，磁性能够长期保持，称为硬磁性材料，即为永磁体。

14.1.2 磁场和磁感线（1）磁场：磁体和电流周围存在着一种特殊的物质，叫做磁场。

（2）磁场的基本性质：对放入其中的磁体产生磁力的作用。

（3）磁场的方向：在磁场中的某一点，小磁针静止时北极所指的方向就是该点的磁场方向。

（4）磁感线：描述磁场的强弱和方向而假象的曲线。

磁体周围的磁感线是从北极出来，回到南极。

（5）地磁场及其分布：地球本身是一个巨大的磁体，地磁的北极在地理位置的南极附近；而地磁的南极则在地理位置的北极附近。

地磁的南北极与地理的南北极并不重合，它们的夹角称磁偏角。

14.1.3 电流的磁场（1）电流的磁效应：丹麦物理学家奥斯特通过实验首先发现，通电导体和磁体一样，周围存在着磁场，即电流具有磁效应。

（2）通电直导线的磁场：通电直导线周围的磁感线，是一些以导线上各点为圆心的不等距的同心圆，这些同心圆均在与导线垂直来的平面上，可用安培定则1（右手螺旋定则1）判定磁场的方向。

如图14-1所示。

（3）通电螺线管的磁场：螺线管线圈中环形电流产生的磁场相当于一个条形磁体。

在螺线管的外部，磁感线由N极出来，从S极进入螺线管；在螺线管的内部，磁感线由S极指N极。

可用安培定则2（右手螺旋定则2）判定磁场的方向。

如图14-2所示。

（4）环形电流的磁场方向既可以用安培定则1来判断，也可以用安培定则2来判断。

如图14-3所示。

14.1.4 电磁铁和电磁继电器（1）电磁铁：内部带有铁芯的螺线管就构成电磁铁。

通电螺线管内部插入软铁芯，磁性大大增强。

（2）电磁铁的特点：①磁性的有无可由电路的通断来控制。

②磁性的强弱可通过改变电流大小和线圈的匝数来调节；通过电流越大，磁性越强；线圈匝数越多，磁性越强。

③磁极可由电流方向来改变。

（3）电磁继电器：实质上是一个利用电磁铁来控制的开关。

它的作用可实现远距离操作，利用低电压、弱电流来控制高电压、强电流。

它在电磁起重机、电铃、发电机、电动机、自动控制上有着广泛的应用。

14.1.5 磁场对电流的作用（1）磁场对电流的作用：通电导线在磁场中要受到磁力的作用。

（2）通电导体在磁场中的受力（安培力）方向：跟电流方向和磁感线方向有关，可用左手定则判定。

方法如下：伸开左手，使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都在同一平面内，让磁感线垂直传入手心，并使四指指向电流方向，这时手掌所在平面跟磁感线和导线所在平面垂直，大拇指所指方向就是通电导线所受安培力方向。

（3）电动机原理：是利用通电线圈在磁场里受力转动的原理制成的，它能将电能转化为机械能。

14.1.6 电磁感应现象（1）电磁感应：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流，这种现象叫电磁感应，产生的电流叫感应电流。

电流感应现象是由英国物理学家法拉第发现的。

（2）感应电流的方向：跟导体运动方向和磁场方向有关，可用右手定则来判断。

方法如下：伸开右手，使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，大拇指指向导体运动方向，则其余四指指向感应电流的方向。

（3）发电机的原理：是根据电磁感应现象制成的，它能将机械能转化为电能。

14.2 释疑拓展14.2.1 怎样用小磁针判断磁体的磁性和通电螺线管的磁性及电流的方向在物理研究中，常常要遇到需要判断物体是否具有磁性的问题，那么判断物体是否具有磁性的方法有哪些？我们可根据磁体的一系列特性，得出以下几个方法：（1）根据磁体的吸铁性判断：将被测物体靠近铁类物质（如铁屑），若能吸引铁类物质，说明该物体具有磁性，否则没有磁性。

（2）根据磁体的指向性判断：在水平面内自由转动的被测物，静止时若总是指南北方向，说明该物体具有磁性，否则没有磁性。

（3）根据磁极间的相互作用规律判断：将被测物体分别靠近精致的小磁针的两极，偌发现有一端发生排斥现象，则说明该物体具有磁性。

若与小磁针的两极都表现为相互吸引，则该物体没有磁性。

（4）根据磁极的磁性最强判断：A、B两个外形相同的钢棒，已知其中一个具有磁性，另一个没有磁性，具体的区分方法是将A的一端从B的左端向右滑动，若发现吸引力的大小不变则说明A有磁性；若吸引力由大变小再变大，则说明B有磁性。

二【例题解析】例 1 如图14-4所示，带负电的金属环绕其轴'OO匀速转动，放在环顶部的小磁针的最后指向是( )A．N极竖直向上 B. N极竖直向下C. N极水平向左D. N极水平向右解析：我们知道，电流的方向为正电荷定向移动的方向，那么负电荷的运动方向一定与电流的方向OO匀速转动的图示方向相反方向的电流。

将金属环视为相反，因此可认为本题目金属环中有与绕其轴'通电螺线管的一圈，由安培定则2可知，内部的磁感线方向水平向右，而在环上方的磁感线方向为水平向左。

小磁针N极的指向应与环上方磁感线的方向一致，所以正确答案为C。

例2 为了使小磁针静止时指向如图14-5所示，试画出通电螺线管的绕法。

解析：首先可根据小磁针指向和磁感线走向或由磁极间相互作用规律，可以判断螺线管左端为N极，其次根据安培定则2确定电流流向，最后由电流流向确定绕制方式。

可画出如图14-6所示的两种绕线方式。

通过上述2道例题的分析解答，提醒我们对一些看似简单的问题一定要仔细审题，还要根据它们的OO匀速转动相当于怎样的电流？例2中绕线的方法物理规律来判断。

如例1中带负电的金属环绕其轴'只有一种吗？类似问题要多加思考。

【跟踪训练】【训练1】通电螺线管上方放一个小磁针，小磁针静止时的方向如图14-7所示，下列说法正确的是( )A.通电螺线管c端为N极，电源a端为正极B.通电螺线管c端为N极，电源a端为负极C.通电螺线管d端为N极，电源b端为正极D.通电螺线管d端为N极，电源b端为负极【答案】B【训练2】如图14-8所示，当电流流过弯曲导线时，线圈中心处的小磁针将 ( )A.N极垂直纸面向里转B. N极垂直纸面向外转C. N极平行纸面向上、下摆动D. 小磁针静止不动【答案】A14.2.2 磁场的基本特征及其方向的规定是怎样的我们知道，磁场有吸引铁、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，这种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。

磁场里与磁极之间、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3 小强在北京将一根质量分布均匀的条形磁铁用一条线悬挂起来，使它平很并呈水平状态，悬线系住磁体的位置应在（）A.磁体的重心处B. 磁体的某一磁极处C. 磁体重心的北侧D. 磁体重心的南侧解析：根据地理只是可知，我国处在北半球，故北京的地理位置离北极较离南极更近一些。

而地球是一个大磁体，地理的北极是地磁的南极。

将一根质量分布均匀的条形磁铁用一条线悬挂起来时，它就相当于一个此阵，其N极应指向地理的北极即地磁的南极，并且地磁的南极对磁铁N极的引力将比磁铁S极受到的引力稍大一些。

为使条形磁铁平衡并呈水平状态，悬线系住磁体的位置应在磁体重心的北侧。

所以正确答案为C。

例4 如图14-9所示，甲、乙之间用两根导线连成一直流回路，图中的此阵在电路接通时N极向纸外偏转。

将电压表正、负接线柱分别接A、B两点，则电压表正常工作，由此可以判断电源在_____中（填“甲”或“乙”）。

解析：电路接通时，两根通电导线周围存在磁场，磁针N极向纸外偏转，说明小磁针受力的作用。

由安培定则可确定上面一根导线中电流向左，下面一根导线中电流向右。

再根据电压表正接线柱接在A 点并能正常工作这个情况，可判断得出电源的正极应该接在A上，故电源一定在甲中。

通过以上例题可知，要全面了解磁场的基本特性，掌握怎样利用这些特性来判断各类相关问题。

【跟踪训练】【训练3】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，其指向刚好比原来旋转180°，由此可以判定，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. 可能事向南D. 可能是竖直向上【答案】D【训练4】 1820年，安培在科学院的例会上做了一个小实验，引起了与会科学家的极大兴趣。

如图14-10所示，把一通电螺线管沿东西方向悬挂起来，然后给导线通电，请你想一想会发生的现象是（）A.通电螺线管仍保持在原来位置上静止B.通电螺线管转动，直到A端指向南，B端指向北C.通电螺线管转动，直到A端指向北，B端指向南D.通电螺线管能在任意位置静止【答案】B14.2.3 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5 如图14-11所示，弹簧秤下端挂一条形磁铁，其中条形磁铁的N极位于未通电的螺线管内，下列说法中正确的是（）A.若将a接电源正极，b接负极，弹簧秤的示数将减小B.若将a接电源正极，b接负极，弹簧秤的示数将增大C.若将b接电源正极，a接负极，弹簧秤的示数将增大D.若将b接电源正极，a接负极，弹簧秤的示数将减小解析：若将a接电源正极，b接负极，则根据安培定则可知磁铁周围的磁感线如图14-12所示。