磁现象、电生磁、电磁铁及应用
一、知识回顾
知识点1 磁现象
1.磁性：磁铁能够吸引铁、钴、镍及铁、钴、镍的合金、铁和其他金属的氧化物---铁磁性材料的性质叫磁性。
2.磁体：具有磁性的物体叫磁体（按来源分为天然磁体、人造磁体；按保持磁性时间长短分为：永磁体、软磁体；按现状分为条形、针形、环形、梯形等磁体）。
3.磁极：磁体上磁性最强的部分叫磁极。每个磁体都有且只有两个磁极，一个是南极(S极)，一个是北极(N极)。
①磁体的指向性：将可自由转动的永磁体悬挂起来，静止时，总有一端指南、另一端指北，指南的一端是磁体的南极，指北的一端是磁体的北极。
②磁极间的相互作用规律是：同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。
③判断物体是否具有磁性的方法：
a.根据吸铁性判断；
b.根据指向性判断；
c.根据磁极间相互作用规律判断---让被测物体的一端分别靠近小磁针的两极，如与一极发生排斥则有磁性，如与两极均表现为吸引或不吸引则没有磁性；
d.根据磁极的磁性最强判断。
4.磁化：使原来没有磁性的物体在永磁体或电磁场的作用下获得磁性的过程叫磁化。铁或钢制的物体都能被磁化。
知识点2 磁场
1.磁场：磁场是磁体周围存在的一种特殊的物质。
①磁场的基本性质是对放入其中的磁体产生磁力的作用，磁体间的相互作用是通过磁场发生的；
②磁场是有方向的，在磁场中的某一点，小磁针静止时北极指的方向规定为该点的磁场方向。
2.磁感线：在磁场中画一些有方向的曲线，曲线上任何一点的方向都跟放在该点的小磁针静止时北极的指向一致，即跟该点磁场方向一致，这样的曲线叫磁感线(它是人们为了形象地描述磁场而假想的线---模型法)。（磁感线分布图如图1）
①磁感线充满整个空间，是永远也不会相交的封闭曲线。磁体外部空间的磁感线总是从北极出来，回到南极，而磁体内部的磁感线则从南极到北极；
②磁感线的密疏程度表示磁场的强弱；
③某点磁感线的切线方向表示该点的磁场方向；
3.地磁场：地球是一个天然大磁体，地球周围存在着磁场，称为地磁场。地磁的北极在地理的南极附近，
地磁的南极在地理的北极附近（如图2）。
知识点3 电流的磁场
1.电流的磁效应：通电导体和磁体一样，周围存在着磁场，能使小磁针发生偏转，这种现象叫做电流的磁效应。奥斯特实验表明，通电导体周围存在磁场，并且该磁场的方向与电流的方向有关（如图3）。
2.通电螺线管的磁场：通电螺线管外部的磁场和条形磁体的磁场一样，其两端相当于条形磁体的两个磁极，其极性与电流的方向有关，可用安培右手定则来判定。
3.安培定则：用右手握住螺线管，让四指弯向螺线管中的电流方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的北极（如图4）。 活用安培右手定则可以绕制螺旋管。
知识点4 电磁铁及其应用
1.电磁铁：内部带铁芯的通电螺线管叫做电磁铁。其原理是，利用电流的磁效应来工作的，铁芯被磁化后的磁场与螺线管的磁场叠加，使磁性大大增强。
①电磁铁的特点：通电时有磁性，断电时没有磁性；
②磁场的方向由线圈的绕向和电流的方向控制；
③磁性的强弱可以由：a.电流的大小控制；b.线圈匝数控制---电流一定时，外形相同的螺线管，线圈匝数越多，磁性越强。 c.有无软铁芯
2.电磁铁的应用：一方面电磁铁可以直接对铁质物体产生力的作用，主要用在电铃、电磁起重机、电磁刹车装置和如全自动洗衣机的进、排水阀、感应冲水装置，还有磁悬浮列车、电动机、发电机等。另一方面应用于各种自动感应装置和控制装置里用到的电磁继电器。
3.电磁继电器是利用电磁铁制成的，其实质就是由电磁铁控制工作电路一种的开关。
①利用电磁继电器可以实现有低电压、弱电流控制高电压、强电流及各种自动控制和远距离操控（如图5）；
②提示：电磁铁的铁芯是软铁，主要是因为在有电流时，铁芯很容易被磁化，断电后其磁性又可以马上消失。
二、精讲精练
考点1 磁极与磁极间的相互作用规律
例1.为了得出条形磁铁的磁性两端强、中间弱的特性，某同学设计了以下四个实验，其中不能达到目的的是( )
A.将甲实验中的条形磁铁平移靠近三颗小铁球 B.将乙实验中的两根磁铁相互平移靠近
C.将丙实验中的条形磁铁从挂有铁块的弹簧测力计下向右移动 D.将丁实验中放在一堆大头针上的条形磁铁提起
练习：1.有三个形状完全相同的磁铁或铁棒悬挂在细线下，已知标有N、S的是磁铁，它们的相互作用如图所示，由此可以判断（ ）
A. AB是磁铁，CD是铁棒 B.AB是铁棒，CD是磁铁
C.AB可能是磁铁，也可能是铁棒 D.CD可能是磁铁，也可能是铁棒
2.磁铁都有两极，小敏想用实验证明，断磁铁A、B端必有磁极。设计了如图四个方案，并进行了实验操作。其中的现象不可能观察到的是（ ）
A.甲和乙 B.乙和丙 C.丙和丁 D.丁和甲
3.如图所示，在水平地面上的磁体上方，有挂在弹簧测力计上的小磁体（下部N极）．小辉提着弹簧测力计向右缓慢移动，挂在弹簧测力计上的小磁体下端，沿图示水平路线从A缓慢移到B．则图乙中能反映弹簧测力计示数F随位置变化的是（ ）
考点2 磁场和磁感线
例2.下列说法中正确的是（ ）
A.磁感线是磁场中真实存在的一些曲线，还可以通过实验来模拟
B.磁体周围的磁感线从磁体的S极出来，回到磁体的N极，构成闭合曲线
C.磁感线上某一点的切线方向与放在该点的小磁针静止时南极所指的方向相反
D.磁感线分布越密的地方，其磁场越弱
练习：1.对于磁场和磁感线，下列说法中错误的是（ ）
A.磁场的基本性质是对放入其中的磁体产生磁力的作用
B.磁场看不见摸不着，但我们可以借助小磁针的偏转和指向来判断
C.磁感线是磁体周围空间实际存在的曲线 D.在磁体的外部，磁感线都是从磁体的北极出发回到南极
2.如图所示，是小宇同学画出的几种磁体周围的磁感线分布情况，其中正确的是（多选）（ ）
3.地球是一个巨大的球体，下列图中有关地磁体的示意图正确的是（ ）
考点3 安培定则及其应用
例3.如图所示，开关闭合后，下列判断正确的是( )
A.可自由转动的小磁针不发生偏转 B.通电螺线管右端为N极
C.在通电螺线管中插入铜棒后磁性增强 D.通电螺线管外部的磁场与蹄形磁体的磁场相似
变式练习：1.如图所示，闭合开关S后，小磁针静止时N极指向正确的是( )
2.请在图中标出通电螺线管磁感线方向，在括号中标出电源的正负极。
绵阳中考：1.矩形线圈放在蹄形磁铁的两极之间，刚通电时在磁场作用下扭转方向如图甲所示。现将该线圈放在图乙所示的蹄形螺线管间，a、b为螺线管与电源的接口。某同学进行了如下四次操作：①a接正极b接负极，线圈中通与图甲电流方向相同的电流；②b接正极a接负极，线圈中通与图甲电流方向相同的电流；③a接正极b接负极，线圈中通与图甲电流方向相反的电流；④b接正极a接负极，线圈中通与图甲电流方向相反的电流。线圈刚通电时扭转方向与图甲所示的扭转方向相同的是（ ）。
A．①和③； B．②和④； C．①和④； D．②和③。
2.丹麦物理学家奥斯特通过实验证实了电流周围存在着磁场，我市某校学生在实验室验证奥斯特实验，当水平导线中通有如图所示的电流时，S极将偏向 （选填“纸内”或“纸外”）；要使实验效果更加明显应使通电导线 （选填“东西”或“南北”）方向放置。
考点4 探究影响电磁铁磁性强弱的因素
例4.在探究“影响电磁铁磁性强弱的因素”实验中，小明制成简易电磁铁甲、乙，并设计了如图1所示的电路。
（1）当滑动变阻器滑片向左移动时，电磁铁甲、乙吸引大头针的个数__________（填“增加”或“减少”），说明电流越_______，电磁铁磁性越强。
（2）由图示情景可知，_______（填“甲”或“乙”）的磁性强，说明电流一定时，____________________，电磁铁磁性越强。
（3）观察图2中_____与______两个电磁铁可知：当通过线圈的电流、线圈的匝数相同时，有铁芯的电磁铁磁性强。 （4）根据右手定则可判断出A铁钉的上端是电磁铁的______极。
（5）电磁铁吸引的大头针下端分散的原因是 。
变式练习：如图，闭合开关，将滑片P向右移动时，弹簧测力计的示数变小。则下列分析正确的是( )
A.电磁铁的上端为S极 B.电源左端为“＋”极
C.断开开关，弹簧测力计示数为零 D.若滑动变阻器的滑片P不动，抽去电磁铁铁芯，弹簧测力计示数增大
考点5 电磁继电器
例5.学校教学楼里安装的应急照明灯，内部结构如图所示。分电器的作用是把220 V的交流高压转化为12 V的直流低电压，并且分两路输出。220 V的供电线路有电和停电时蓄电池、灯泡的工作状态分别是 。
练习：1.如图是汽车启动装置电路简图，当钥匙插入钥匙孔并转动时，电磁铁具有磁性，此时电磁铁上端为______极，触点B与C________（填“接通”或“断开”），汽车启动。
2.如图所示是小利设计的一种限流器原理图，当电流超过限制电流时，会自动切断电路。(1)当电流超过限制电流时，衔铁N被电磁铁M吸引过去，匀质的金属杆OA在弹簧拉力作用下绕O点转动，电路断开。刚转动时，OA属于________杠杆。(2)若要把限流器接入家庭电路中，从安全用电角度考虑，应该把它接在进户线的________线上。
(3)调试时，电流尚未达到设计的限制电流，限流器已经切断电路。为达到设计要求，应把滑动变阻器滑片P向____移动。
三、当堂训练
1.甲铁棒能吸引小磁针,乙铁棒能排斥小磁针,若甲、乙铁棒相互靠近,则两铁棒( )
A.一定互相吸引 B.一定互相排斥 C.可能无磁力的作用 D.可能互相吸引,也可能排斥
2.如图所示,磁性水雷是用一个可绕轴转动的小磁针来控制起爆电路的,军舰被地磁场磁化后就变成了一个浮动的磁体,当军舰接近磁性水雷时,就会引起水雷的爆炸,其依据是( )
A.磁体的吸铁性 B.磁极间的相互作用规律 C.电荷间的相互作用规律 D.磁场对电流的作用原理
3.橡皮泥具有很强的可塑性,深受小朋友们的喜爱。现在有一种爱吞磁铁的橡皮泥,把高强磁铁放在旁边,磁铁会被慢慢吞噬(如图所示)。磁铁会被吞噬的原因是( )
A.橡皮泥中含有磁性物质 B.橡皮泥有较强的粘连性 C.高强磁铁具有动能 D.橡皮泥受到磁铁的压
4.甲乙丙三个形状完全相同的磁体或铁棒悬挂在细线下,它们的相互作用情况如图,已知乙有磁性,由此可知( )
A.甲有磁性,丙没有磁性 B.甲没有磁性,丙有磁性
C.甲可能有磁性,也可能没有磁性 D.丙可能有磁性,也可能没有磁性
5.如图所示,重力为G的小铁块在水平力F的作用下,沿条形磁铁的表面从N极滑到S极,下列说法正确的是( )
A.小铁块受到的重力始终不变 B.小铁块对磁铁的压力始终不变
C.小铁块受到的摩擦力始终不变 D.小铁块对磁铁的压强始终不变
6.1820年,安培在科学院的例会上做了一个小实验,引起与会科学家的极大兴趣。如图所示,把螺线管沿东西方向水平悬挂起来,然后给导线通电,看到的现象是:通电螺线管( )
A.转动后停在任意位置 B.转动后停在南北方向上 C.不停地转动下去 D.仍保持在原来位置上
7.如图，自由转动的小磁针静止后的指向正确的是（ ）
8.如图所示电路,开关S闭合后,下列说法正确的是( )
A.小磁针静止时,A端为N极 B.小磁针静止时,B端为N极
C.电磁铁左端为N极 D.向左移动滑片P,电磁铁磁性减弱
9.开关S闭合后,小磁针静止时的指向如图所示。由此可知( )
A.a端是通电螺线管的N极,c端是电源正极 B.a端是通电螺线管的N极,c端是电源负极
C.b端是通电螺线管的N极,d端是电源正极 D.b端是通电螺线管的N极,d端是电源负极
10.对于通电螺线管极性的标注,下图中正确的是 ( )
11.图中，螺线管通电后（导线中电流方向如箭头所示），小磁针静止时指向正确的是（ ）
12. 如图所示,是一根锰铜丝制成的软质弹簧,B是水银槽,槽内盛有水银,A的上端通过接线柱与电源相连,A的下端恰好与水银表面接触,开关S闭合时发生的现象是( )
A.弹簧伸长,灯持续发光 B.弹簧上下振动,灯忽亮忽灭
C.弹簧缩短,灯熄灭 D.弹簧静止不动,灯持续发光
13.如图所示是“探究电磁铁磁性强弱与哪些因素有关”的实验,想让电磁铁吸引更多的大头针,可行的做法是( )
A.将滑片P向a端移动 B.将滑片P向b端移动
C.用铜芯替换铁芯 D.减少线圈匝数
14.法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔由于巨磁电阻(GMR)效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖。如图是研究巨磁电阻特性的原理示意图。实验发现,在闭合开关S1、S2且滑片P向右滑动的过程中,指示灯明显变暗。这说明( )
A.电磁铁的左端为S极 B.流过灯泡的电流增大
C.巨磁电阻的阻值随磁场的减弱而明显增大 D.巨磁电阻的阻值与磁场的强弱没有关系
15.如图所示是直流电铃的原理图。关于电铃工作时的说法不正确的是( )
A.电流通过电磁铁时,电磁铁有磁性且A端为N极 B.电磁铁吸引衔铁,弹性片发生形变具有弹性势能
C.小锤击打铃碗发出声音,是由于铃碗发生了振动 D.小锤击打铃碗时,电磁铁仍具有磁性
16.如图所示是一种水位自动报警器的原理图,当水位到达金属块A时(一般的水能导电),电路中( )
A.绿灯亮,红灯不亮 B.红灯亮,绿灯不亮 C.红灯和绿灯都亮 D.红灯和绿灯都不亮
17.陈华在课外活动实验中,用导线绕成一个线圈自制成一个电磁铁,实验中,他希望获得更强的磁性,设计了以下几种方案,不可能实现的是( )
A.增加电路中电池的节数 B.增加线圈匝数 C.将电源的正、负极对调 D.在线圈中插入一根铁钉
18.图所示的四个选项中,应用到电磁铁的是( )
A.指南针 B.光盘 C.电铃 D.磁卡
19.如图所示的是用来描绘某一磁体周围磁场的部分磁感线，由磁感线的分布特点可知,a点的磁场比b点的磁场
(填“强”或“弱”)；若在b点放置一个可自由转动的小磁针,则小磁针静止时,其N极指向 (填“P”或“Q”)处。
20.如图，甲、乙为两根外形相同的钢棒,当乙从甲的左端水平向右移到右端,若两钢棒间吸引力的大小不变,则
棒有磁性；若两钢棒间吸引力先由大变小,然后由小变大,则 棒有磁性。
21.最早利用地磁场指示方向的装置是图甲所示“司南”，古文《论衡·是应篇》中记载：“司南之杓(用途)，投之于地，其柢(握柄)指南”。 则勺柄应为该磁体的________(填“N”或“S”)极；某物理研究所尝试利用一块天然磁石制作一具“司南”，图乙所示为天然磁石的磁感线分布情况，则应将磁石的________(填“A”“B”“C”或“D”)处打磨成勺柄。
22．如图甲所示，探究“通电直导线周围的磁场”时，将一根直导线放在静止小磁针的正上方，并与小磁针平行。
（1）闭合开关后，观察到小磁针发生偏转，说明通电直导线周围存在 。改变直导线中的电流方向，小磁针偏转方向 （不变/改变）。
（2）实验中小磁针的作用是 。若移走小磁针，通电直导线周围 （仍有/没有）磁场。
（3）进一步探究表明，通电直导线周围磁场分布情况如图乙所示。它的磁感线是以电流为中心的一系列同心圆。由乙图可知，若甲图中直导线的电流方向不变，将小磁针移到直导线的正上方平行放置，小磁针的偏转方向与原来 （相同/相反）。
23.科技小组的同学设计了如图甲所示的恒温水箱温控电路（设环境温度不高于20℃），由工作电路和控制电路组成。工作电路中的电热器上标有“220V 2000W”的字样；控制电路中热敏电阻Rt作为感应器探测水温，置于恒温水箱内，其阻值随温度变化的关系如图乙所示，R1为滑动变阻器。电磁铁产生的吸引力F与控制电路中电流I的关系如图丙所示，衔铁只有在不小于3N吸引力的作用下才能被吸下。闭合开关S（不计继电器线圈的电阻）。则正确的是（ ）
A．电磁铁上端为N极
B．用电热器给恒温箱中100kg的水加热，正常工作20min时，水温由20℃升高到25℃，那么此时电热器的加热效率为87.5%
C．调节滑动变阻器，使R1＝280Ω，为了把温度控制在25℃左右，设定在水温低于25℃时自动加热，在水温达到25℃时停止加热，那么控制电路的电源电压U应该是36V
D．设控制电路中电源电压U不变，将水箱中水温由25℃的恒温调节到30℃的恒温，应减小滑动变阻器接入电路中的阻值
24.某电热水器具有加热和保温功能，其工作原理如图甲所示。其中控制电路中的电磁铁线圈电阻不计，R为热敏电阻，热敏电阻中允许通过的最大电流Ig=20mA，其阻值R随温度变化的规律图象如图乙所示，电源电压U1恒为6V，当电磁铁线圈中的电流I>12mA时，电磁铁的衔铁被吸下，继电器下方触点a、b接触，加热电路接通：当电磁铁线圈中的电流I⩽12mA时，继电器上方触点c接触，保温电路接通，热敏电阻R和工作电路中的三只电阻丝R1、R2、R3,均置于储水箱中,U2=220V,加热时的功率P加热═2200W,保温时的功率P保温=110W,加热效率η=90%,R2=2R1,水的比热容,c水=4.2×103J/(kg⋅℃)，水箱内最低温度为0℃。
(1)为使控制电路正常工作,保护电阻R0的阻值至少为多大?若R0为该值，试求热水器刚开始保温时水的温度。
(2)电阻丝R1、R2、R3的阻值分别为多少欧姆?
(3)该热水器在加热状态下，将33kg、20℃的水加热到50℃需要多少时间?
