《电能与磁》全章复习与巩固——电与磁(提高) 知识讲解

《电能与磁》全章复习与巩固——电与磁（提高）
【学习目标】
1.知道磁感线可用来形象地描述磁场，知道磁感线的方向是怎样规定的。

2.知道通电导体周围存在着磁场；通电螺线管的磁场与条形铁相似；电磁铁的特性和工作原理；了解电磁继电器和扬声器的结构和工作原理。

3.了解磁场对通电导线的作用。

4.知道电能的获得途径；知道电能是二次能源。

5.知道电磁感应现象；知道产生感应电流的条件；知道发电机的原理；能说出发电机为什么能发电；知道什么是交流电；知道发电机发电过程是能量转化的过程。

6.知道远距离输电采用高压的目的，知道高压输电的全过程以及电网的作用和安全运行的重要性。

7.知道无线电波可以在真空中传播，它的速度等于光速；知道无线电波的波长、频率以及它们之间的定性关系。

【知识网络】
【要点梳理】
要点一、电流的磁场
1.磁现象：
(1)磁性：物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫做磁性。

(2)磁体：具有磁性的物体叫做磁体。

(3)磁极：磁体上磁性最强的部分叫做磁极。

任何磁体都有两个磁极（磁北极和磁南极），将磁体水平悬挂起来，当它静止时，指北的一端叫做磁北极（N极），指南的一端叫做磁南极（S极）。

(4)磁极间的相互作用：同名磁极之间相互排斥，异名磁极之间相互吸引。

(5)磁化：使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫做磁化。

一根没有磁性的大头针，在接近条形磁体下端的N极时，大头针上端就出现了S极，下端出现了N极，也就是说大头针具有了磁性。

2.磁场：
(1)磁场的存在：在磁体的周围和通电导体的周围存在着磁场，这可以利用小磁针来检验。

小磁针在一般情况下是指南、北的，若小磁针指向忽然发生变化，则小磁针的周围必定有其它的磁场存在。

(2)磁场的方向:磁场具有方向性，当小磁针放在磁场各点不同处，小磁针N极的指向不同，这说明磁场各点方向是不同的，我们规定：在磁场中的某一点，小磁针静止时北极所指的方向就是这一点的磁场方向。

(3)磁场的性质:磁场的基本性质是它对放入其中的磁体产生磁力的作用，磁体间的相互作用就是通过磁场而产生的。

放在磁场中的小磁针能发生偏转，就是因为磁针受到了磁场的作用。

磁场虽然看不见、摸不着，但我们可以根据它对放在其中的磁体所产生的作用来感知它、认识它。

(4)磁感线:磁感线是形象地研究磁场的一种方法。

在磁场中画一些有方向的曲线，任何一点的曲线方向都是跟放在该点的小磁针北极所指的方向一致的，这样的曲线叫磁感线，磁体周围的磁感线都是从磁体的N极出来回到磁体的S极。

利用这些曲线可以形象地表示磁场中各点的磁场方向和磁场的强弱。

(5)地磁场：地球本身就是一个巨大的磁体，地球周围空间存在的磁场叫做地磁场。

地磁场的N极在地理南极附近，S极在地理北极附近。

地磁的两极与地理的两极并不重合。

3.电生磁：
(1)奥斯特实验：
①意义：揭示了电现象和磁现象之间的密切联系。

②结论：a.通电导体周围存在磁场；b.电流的磁场方向与电流方向有关。

(2)通电螺线管的磁场：
①螺线管：用导线绕成的螺旋形线圈叫做螺线管。

②右手螺旋定则：假设用右手握住通电导线，大拇指指向电流方向，那么弯曲的四指就表示导线周围的磁场方向。

假设用右手握住通电螺线管，弯曲的四指指向电流方向，那么大拇指的指向就是通电螺线管内部的磁场方向。

4、电磁铁及其应用：
（1）电磁铁：内部有铁心的螺线管叫做电磁铁。

电磁铁在电磁起重机、电铃、发电机、电动机、自动控制上有着广泛的应用。

（2）电磁铁的特点：
①电磁铁磁性的有无，完全可以由通断电来控制。

②电磁铁磁性的强弱可以由电流的大小、线圈匝数控制。

③电磁铁产生的磁场方向是由通电电流的方向决定的。

（3）电磁继电器：
①结构：具有磁性的电磁继电器由控制电路和工作电路两部分组成。

控制电路包括低压电源、开关和电磁铁，其特点是低电压、弱电流的电路；工作电路包括高压电源、用电器和电磁继电器的触点，其特点是高电压、强电流的电路。

②原理：电磁继电器的核心是电磁铁。

当电磁铁通电时，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。

要点诠释：
1.通电螺线管的磁场方向与电流方向满足安培定则即表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则，也叫右手螺旋定则。

通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向。

通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

2.电磁铁是根据电流的磁效应和通电螺线管中插入铁芯后磁场大大增强的原理来工作的。

3.电磁铁的优点是：磁性强弱可控（电流大小、线圈匝数），磁性有无可控（通断电），磁极方向可控，因此把它用在一些自动控制电路中。

4.电磁铁的铁芯是用软铁制成的，而不是用钢制成的，这是因为软铁容易磁化，也容易失去磁性，而钢磁化后不易去磁。

要点二、电能的获得和输送
1、电能的获得：
（1）电池
①伏打电堆：1800年，意大利物理学家伏打发明了伏打电堆，这是人类历史上第一个能持续提供电能的电源。

伏打电堆是将化学能转化为电能的电池。

②各种电池的缺点：都很难提供大功率电动机、电器以及照明所需的电能。

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

a.产生感应电流的条件：第一，导体是闭合电路中一部分，第二，导体在磁场中做切割磁感线的运动，当导体平行于磁感线运动时，不产生感应电流；当导体放入磁场中不运动时，也不会产生感应电流（导体不动、磁场动也能切割—理解运动的相对性）。

b.产生感应电流的方向和磁场方向、导体运动方向有关。

磁场方向、感应电流方向、导体运动方向三者应互相垂直，同时改变其中两个方向另一个方向不变，若首先改变其中一个方向而另一个方向不变，则第三者方向一定改变。

c.在电磁感应现象中，机械能转化为电能。

②发电机的原理：利用了电磁感应现象；
③直流电动机的工作过程，就是把电能转化为机械能的过程。

从能量转化的角度看，发电机和电动机的运转互为反过程。

2.电能的输送:
（1）高压输电:高压输电可以保证在输送功率不变，减小输电电流来减小输送电的电能损失。

（2）变压器：能把交流电的电压升高或降低
发电站都安装了用来升压的变压器，实现高压输电。

但是我们用户使用的是低压电，所以在用户附近又要安装降压的变压器。

高压电输到用电区附近时，要把电压降下来目的：一是为了安全，二是用电器只能用低电压。

(3)家庭电路:由火线和零线组成的双芯电缆把电能引入住户。

下图是一个典型的家庭电路布线图，在供电箱的每一条支路上都装有不同电流大小的自动断路器。

一旦电流超过定值，断路器便会自动切断电
路，故障排除后只要重新合上开关便可恢复供电。

(4)输送电能的高压输电线路要连接成电网。

大型发电站都必须并网运行，这样电能可以通过电网相互调剂，从而平衡电网中不同区域的用电负荷。

3.电动机:
通电直导线在磁场中受到力的作用。

力的方向与磁场方向、导线电流方向有关。

磁场对通电导线和通电线圈作用而运动过程中，把电能转化为机械能，电动机就是从这一理论设计制造出来的。

(1)磁场对电流的作用中磁场方向、电流方向、导体受力方向三者应互相垂直，同时改变其中两个方向另一个方向不变，若首先改变其中一个方向而另一个方向不变，则第三者方向一定改变。

(2)当通电直导线的方向与磁感线的方向平行时（如图甲所示），磁场对通电直导线（图甲中直导线ab ）没有力的作用。

当通电直导线的方向与磁感线的方向不平行（斜交）时，磁场对通电直导线（图乙中直导线ab ）有力的作用（垂直纸面向内）。

当通电直导线的方向与磁场的方向垂直时，磁场对通电导线（图丙中直导线ab ）的作用力最大（方向垂直纸面向内）。

在图丙中，保持磁感线B 的方向不变，而使直导线ab 内电流方向相反时，ab 受力的方向也相反；保持直导线内电流方向不变，而使磁感线B 的方向相反时，ab 受力的方向也相反。

但如果在图丙中，同时使磁感线B 的方向及ab 内电流方向都变为相反，则直导线ab 的受力方向不发生变化。

要点诠释：
说明：判定方法中的右手定则和左手定则，在初中物理暂不做要求。

三种电磁现象的重要应用对比如下：
要点三、无线电波和无线电通信
1.无线电波：无线电波是电磁波的一种，电磁波是由变化的磁场产生的，它的频率范围为30HZ ～1019HZ 。

无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线都电磁波，但它们处在不同的频率范围。

电磁波在真空中
的传播速度c=3×108m/s 。

电磁波与声波一样也有不同的频率，不同的频率(f)对应不同的波长(λ)，电磁
波的波长、波速和频率间的关系式为：c=λf ，因为波速一定，所以频率越高，波长越短，反之，频率越低，波长越长。

无线电波主要可分为四个波段：长波、中波、短波、微波。

2.不同频率范围的无限电波的传播特点和应用
以广播电视为例（如图，与运输货物进行类比）：
4.信息高速公路:现代“信息高速公路”是微波通信、卫星通信和光纤通信等高速、大容量信息传输通道的俗称。

【典型例题】
类型一、基础知识
1.要改变直流电动机线圈转动的方向，可行的办法是（ ）
A．改变电流的大小
B．改变磁场的强弱
C．只改变电流方向
D．同时改变电流方向和磁场方向
【答案】C
【解析】AB、改变电流的大小、改变磁场的强弱可以改变电机的转动速度，不能改变转动方向，不符合题意；C、磁场方向不变时，改变线圈中的电流方向可以改变电动机的转动方向，符合题意；D、同时改变电流方向和磁场方向，线圈转动的方向不改变，不符合题意。

故选C。

【点评】改变通电导体在磁场中的受力方向和转动速度的影响因素很相似，注意区分：通电导体在磁场中的受力方向跟电流方向和磁场方向有关；通电导体的转动速度跟电流大小和磁场强弱有关。

2.平时输送电能中，为了减少电能在线路中的损耗，通常采取的办法是（）
A．加大输送电流B．用高压输电C．用超导体输电D．减少输送功率
【答案】B
【解析】由焦耳定律Q=I2Rt可知：在R和t一定时，减小I，可以减小电能的损失，由公式I=P/U可知，当输送电功率一定时，输送电路的电压越大，输送导线的电流越小。

A、加大输送电流，会增大电能在线路中的损耗，故不能采用；
B、用高压输电，可以减小输送电线的电流，减少电能在线路中的损耗，也是我们现在采用的输电方式；
C、用超导体可以无损耗的输电，但超导材料是我们正在研究的新材料，还不能应用到生活中，故此方法还不现实；
D、减少输送功率，会增大输送导线的电路，增大电能的损耗，故此方法不能采用。

【点评】本题考查了学生对焦耳定律和电功率公式的应用，与生活相连，使学生觉得学了物理有用，有利于培养学生学习物理的兴趣。

3.广东音乐台发射无线电波的频率是96.9MHz，肇庆音乐台发射无线电波的频率是90.9MHz．关于
这两种无线电波在空中传播的波速和波长的关系，下列说法中正确的是（）
A．前者波速较大，波长较长
B．前者被波速较小，波长较短
C．两都波速和波长均相同
D．两者波速相同，前都波长较短
【答案】D
【解析】无线电波的波速跟无线电波的波长和频率大小无关，频率不同的无线电波在同种介质中传播速度是相同的；
根据波长跟频率的关系式c=λf知，波速c一定，当频率f越大时，波长λ越小，广东音乐台发射无线电波的频率是96.9MHz，肇庆音乐台发射无线电波的频率是90.9MHz，因为96.9MHz＞90.9MHz，所以广东音乐台发射的无线电波波长小于肇庆音乐台发射的无线电波波长，选D。

【点评】无线电波的种类不同，但是无线电波波速是相同的，并且波速=波长×频率，波长越长，频率越小。

举一反三：
【变式】微波在真空中的传播速度是m/s，这个速度与在真空中传播的速度相同。

在空气中的传播速度近似等于千米/秒。

【答案】3×108，光，3×105
类型二、知识应用
4.如图所示，电磁铁P和Q通电后（）
A．P的右端是N极，Q的左端是S极，它们相互吸引
B．P的右端是S极，Q的左端是S极，它们相互排斥
C．P的右端是N极，Q的左端是N极，它们相互排斥
D．P的右端是S极，Q的左端是N极，它们相互吸引
【答案】B
【解析】由安培定则可得螺线管P左侧为N极，右侧为S极；螺线管Q左侧为S极，右侧为N极，即两磁铁同名磁极相对，相互排斥。

故选B。

【总结升华】本题考查安培定则及磁极间的相互作用，应熟练掌握此类题型。

举一反三：
【变式】如图所示，电路图未画完整，请根据所画出的磁感线，在通电螺线管上方B处填人电池组的符号，并标出通电螺线管A端的极性（选填“N”或“S”）。

【答案】
【解析】磁感线在磁体外部是从N极发出，回到S极知，A端为S极，右端为N极，再由右手螺旋定则知，电源的左端为正极，右端为负极。

5.如图所示，条形磁铁置于水平桌面上，电磁铁的右端固定，当电磁铁电路中滑动变阻器滑片向右
移动时，条形磁铁仍保持静止，在此过程中条形磁铁受到的摩擦力的方向和大小变化情况是（）
A．方向水平向左，逐渐增大
B．方向水平向左，逐渐减小
C．方向水平向右，逐渐增大
D．方向水平向右，逐渐减小
【答案】D
【解析】由右手螺旋定则可知，螺线管左侧为N极；因同名磁极相互排斥，故条形磁铁所受排斥力向左；因条形磁铁处于平衡状态，即条形磁铁所受摩擦力应与排斥力大小相等方向相反，故摩擦力的方向水平向右；当滑片向右移动时，滑动变阻器接入电阻变大，由欧姆定律得螺线管内的电流减小，则可知螺线的磁性减弱，条形磁铁所受到的排斥力减小；因条形磁铁仍处于平衡状态，所以条形磁铁所受摩擦力也减小。

【点评】本题将力学与电磁学知识巧妙地结合起来考查了右手螺旋定则、滑动变阻器的使用、二力平衡等内容，考查内容较多，但只要抓住受力分析这条主线即可顺利求解，是一道典型的好题。

举一反三：
【变式】(多选)在如图所示的电路中，当电压表示数逐渐减小时，说明（）
A.滑片在向A端移动
B.滑片在向B端移动
C.电磁铁磁性在增强
D.电磁铁磁性在减弱
【答案】BD
6.根据下图回答问题：
（1）如图是几个重要的电磁学实验，其中甲图装置是研究；乙图装置是研究；这是的发现；丙图装置是研究。

（2）小明将微风电风扇的插头插入插座，接通电源看到风扇转动送风．这时风扇工作原理与上述实验（选填：“甲”、“乙”或“丙”）相同；
（3）小明接着拔下插头，接风扇与小灯泡按如图所示的电路连接并进行实验，用手拨动风扇叶片，发现小灯泡发光但发光暗淡，微风电风扇居然变成了“发电机”．要使灯泡变亮，你认为小明可以怎样做？请提供一个简单可行的方法
【答案】（1）电流周围存在着磁场；电磁感应；法拉第；研究磁场对电流作用（2）丙(3) 让电风扇的转速加快
【解析】（1）甲图中小磁针在电流周围受到磁场的作用，这个实验称为奥斯特实验；是演示电流周围存在着磁场的装置；乙图中导体棒与电流表相连，无供电装置，故为演示电磁感应的装置；是法拉第首先发现的；丙图中有电源供电，而无电流表，但能看到通电导线在磁场中的运动，故本实验是研究磁场对电流作用的装置；
（2）微风电风扇的插头插入插座，接通电源看到风扇转动送风，是利用通电导体在磁场中能运动是受磁场力作用来工作，是电能转化为机械能，则原理与实验丙相同；
（3）接风扇与小灯泡连接成电路后实验，用手拨动风扇叶片，发现小灯泡发光但发光暗淡，微风电风扇变成了“发电机”。

是机械能转化为电能，用要使灯泡变亮，应增加转化为电能的机械能故让电风扇的转速越快，电流越大，灯泡就越亮。

【点评】本题需注意电磁感应为因为运动而产生了电流，导体在磁场中受力是因为有了电流而发生了运动．实验装置是不同的．而风扇内部的线圈当外部接电源时，风扇能转动，是电动机；当用外力转动风扇时，就成了发电机。

举一反三：
【变式】如图所示是探究电磁感应现象的实验装置，装置中的直铜线ab通过导线接在灵敏电流计的两接线柱上，当让ab迅速向上运动时，电流表指针；将ab改为向左运动时，电流表指针（填“偏转”或“不偏转”）；实验时开关应该，实验结果表明。

【答案】不偏转；偏转；闭合；闭合电路的一部分导体，在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流。

【解析】根据产生感应电流的条件：闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动。

当让ab迅速向上运动时，导体运动方向与磁感线方向平行，所以导体不切割磁感线，电路中没有感应电流，因此电流表指针不偏转。

将ab改为向左运动时，ab将向左切割磁感线，因此电路中有感应电流产生，电流表的指针偏转。

在整个过程中，开关要闭合。

实验结果表明，闭合电路的一部分导体，在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生感应电流。