12-13电生磁电磁铁的应用2

1.21.3电生磁电磁铁的应用【思维导图】【知识点全掌握】电流的磁效应（奥斯特实验）（1）1820年，丹麦的科学家奥斯特第一个发现电与磁之间的联系。（2）由甲、乙可知：通电导体周围存在磁场。（3）由甲、丙可知：通电导体的磁场方向跟电流方向有关。2.直线电流的磁场直线电流的磁场的分布规律：以导线上各点为圆心的一个个同心圆，离直线电流越近，磁性越强，反之越弱。3.通电螺线管（1）磁场跟条形磁体的磁场是相似的。（2）通电螺线管的磁极方向跟电流方向有关。（3）电磁线圈的匝数越多，通过线圈的电流越大，线圈的磁性越强；插入铁芯，线圈的磁性大大增强。4.右手螺旋定则（安培定则）（1）通电直导线：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。（2）通电螺线管：用右手握螺线管，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。5.电磁铁（1）定义：电磁铁是一个内部插有铁芯的螺线管。（2）结构：（3）判断电磁铁磁性的强弱（转换法）：根据电磁铁吸引大头针的数目的多少来判断电磁铁磁性的强弱。（4）影响电磁铁磁性强弱的因素（控制变量法）：①电流大小；②有无铁芯；③线圈匝数的多少结论①：在电磁铁线圈匝数相同时，电流越大，电磁铁的磁性越强。结论②：电磁铁的磁性强弱跟有无铁芯有关，有铁芯的磁性越强。结论③：当通过电磁铁的电流相同时，电磁铁的线圈匝数越多，磁性越强。（5）电磁铁的优点①电磁铁磁性有无，可由电流的有无来控制。②电磁铁磁性强弱，可由电流大小和线圈匝数的多少来控制。③电磁铁的磁性可由电流方向来改变。6.电磁铁的应用：电磁起重机、磁悬浮列车、电磁选矿机、电铃、电磁自动门等。电铃工作原理：电路闭合，电磁铁具有磁性，吸引弹性片，使铁锤向铁铃方向运动，铁锤打击铁铃而发出声音，同时电路断开，电磁铁失去磁性，铁锤又被弹回，电路闭合。上述过程不断重复，电铃发出了持续的铃声。电磁选矿机工作原理：磁铁矿被吸引，其余杂质不被吸引，分开落入不同的收集装置；磁悬浮列车：利用同名磁极相排斥托起列车，利用磁极间相互作用，使列车前进。7.电磁继电器（1）概念及作用：电磁继电器是由电磁铁控制的自动开关。使用电磁继电器可用低电压和弱电流来控制高电压和强电流，还可以实现远距离操纵和自动控制。（2）工作原理：电磁继电器的结构如图所示，它由电磁铁A、衔铁B、弹簧C和触点D组成。当低压电源开关闭合时，控制电路中有电流通过，电磁铁A产生磁性，吸引衔铁B，使动触点与红灯触点分离，而与绿灯触点接通，故红灯熄灭，绿灯亮起，电动机开始工作。当低压电源开关断开时，电磁铁失去了磁性，衔铁B在弹簧C的作用下拉起，使动触点与绿灯触点分离，而与红灯触点接通，故红灯亮起，绿灯熄灭，电动机停止工作。（3）应用①水位自动报警装置：工作原理——水位没有到达金属块A时，电磁铁不通电无磁性，绿灯亮，显示水位正常；当水位到达金属块A时，电磁铁通电有磁性，将衔铁吸下来，红灯亮，表示水位不正常。②温度自动报警装置：工作原理——温度升高时，水银面上升，当水银面上升到与金属丝接触时，电磁铁线圈中有电流通过，产生磁性吸引衔铁，工作电路就形成了一个回路，电铃就响起来了。【例题精析】（2022•丽水）按如图电路进行实验，每次总观察到电磁铁A吸引大头针的数目比电磁铁B多。此现象说明影响电磁铁磁性强弱的一个因素是（）A．电流大小 B．线圈匝数 C．电流方向 D．电磁铁极性【解答】解：由图知，A、B两电磁铁串联，所以通过A、B两电磁铁的电流相等；A的线圈匝数明显比B的线圈匝数多，实验观察到电磁铁A吸引大头针的数目比乙多；所以此实验说明电磁铁的磁性强弱与线圈匝数有关。故选：B。（2021•杭州）如图所示，闭合电磁铁开关S，条形磁铁静止在水平桌面上。下列判断正确的是（）A．条形磁铁受到电磁铁对其向左的作用力 B．条形磁铁受到桌面对其向左的摩擦力 C．将滑动变阻器的滑片向右移动，条形磁铁受到的摩擦力不变 D．若只改变电源的正负极，条形磁铁受到的摩擦力变大【解答】解：A、由安培定则得，右手握住螺线管，四指指向电流的方向，大拇指指向电磁铁右端为N极，左侧为S极，同名磁极相互排斥，所以条形磁铁受到电磁铁对其向左的作用力，故A正确；B、条形磁铁处于静止状态，水平方向上受到平衡力的作用，水平向左的排斥力和桌面对条形磁铁的水平向右的摩擦力为一对平衡力，故B错误；C、将滑动变阻器的滑片向右移动，滑动变阻器接入电路的电阻变大，根据欧姆定律可知，电路中的电流变小，电磁铁的磁性变弱，排斥力变小，摩擦力和排斥力是一对平衡力，大小相等，所以摩擦力变小，故C错误；D、若只改变电源的正负极，电流的方向改变，大小不变，则电磁铁的磁性不变，条形磁体受到电磁铁的吸引力大小等于原来的排斥力大小，此时吸引力与摩擦力是一对平衡力，大小相等，则摩擦力不变，故D错误。故选：A。（2022•台州）铝箔轻巧，导电性好，能做许多科学实验。实验1：“铝箔小火箭”将铝箔卷成筒状，上端封闭并装入一截火柴头，下端开口并装上尾翼，制成小火箭。将小火箭套在发射架上，加热其上端，如图甲所示。稍后小火箭就会射到空中。（1）小火箭与发射架不能套得太紧，否则会因摩擦力太大，难以起飞；（2）火柴头燃尽后，空中的小火箭还能继续上升，这是因为小火箭具有惯性；实验2：“铝箔秋千”折一个U形铝箔框，其两端通过回形针与干电池两端相连，置于磁铁上方，如图乙所示。通电时，铝箔框就会朝一个方向摆动；（3）通电摆动时，电能转化为机械能和内能；（4）若要改变铝箔框通电时的摆动方向，请写出一种方法：改变电流的方向（或磁场的方向）。【解答】解：（1）小火箭与发射架不能套得太紧，否则火箭与发射架间的压力太大，火箭受到的摩擦力太大，难以起飞；（2）火柴头燃尽后，小火箭具有惯性，所以空中的小火箭还能继续上升；（3）铝箔框通电后摆动是因为通电铝箔框在磁场中受力的作用，且电流通过导体时会产生热量，则此过程中将电能转化为机械能和内能；（4）因为通电导体在磁场中受力运动的方向与电流的方向和磁场的方向有关，所以要改变铝箔框通电时的摆动方向，可以改变电流的方向或磁场的方向。故答案为：（1）摩擦；（2）惯性；（3）机械；（4）改变电流的方向（或磁场的方向）。（2022•舟山）1820年，丹麦物理学家奥斯特通过实验首次证实电和磁之间的联系。小舟用图甲所示装置来模仿该实验。（1）实验中得到通电直导线周围存在磁场的结论，那么他观察到的现象是小磁针会发生偏转。（2）早先听筒的结构如图乙所示，当变化的电流通过线圈时，电磁铁的磁性强弱发生变化，对薄铁片产生变化的吸引力，从而使薄铁片振动不同而发出不同的声音，这样就可以听到对方的讲话了。【解答】解：（1）当开关闭合时，通电导线的周围产生了磁场，则导线下方的小磁针在磁场的作用下会发生偏转；（2）电磁铁磁性的强弱与电流的大小有关，当变化的电流通过线圈时，电磁铁的磁性强弱发生变化，对薄铁片产生变化的吸引力，从而使薄铁片振动不同而发出不同的声音，这样就可以听到对方的讲话了。故答案为：（1）小磁针会发生偏转；（2）磁性。（2020•湖州）方方按图电路进行实验。闭合开关后，小磁针发生偏转。当小磁针静止时N极指向下方（选填上方或下方）。向左移动滑动变阻器的滑片至某一位置时，硬币突然被吸起，此现象说明通电螺线管周围的磁场强弱与电流大小有关。【解答】解：（1）由图可知，螺线管中电流的方向是向右的，根据安培定则可知，通电螺线管的上端为N极，下端为S极；根据同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引可知，小磁针的下端为N极，即N极指向下方；（2）向左移动滑动变阻器的滑片至某一位置时，滑动变阻器的阻值变小，根据欧姆定律可知，螺线管中的电流变大，磁性变强，会把硬币吸起，此现象说明通电螺线管周围的磁场强弱与电流大小有关。故答案为：下方；电流大小。（2020•台州）磁控防盗装置内装有干簧管（如图甲），干簧管由两个软铁片和玻璃管组成，软铁片的触点在弹力的作用下处于断开状态。当磁体靠近干簧管时，软铁片触点状态会发生变化。把条形磁体分别放置在乙图中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个位置时，触点的开合状态和软铁片的极性情况如表。磁体位置竖直放置并靠近水平放置并靠近ⅠⅡⅢⅣ触点状态闭合断开闭合？软铁片的极性情况（1）铁片被磁化后，铁片与条形磁体相邻两端的磁极极性关系是互为异名磁极。（2）当条形磁体水平放置并靠近干簧管时（图乙Ⅳ位置），干簧管触点状态为闭合。（3）如图丙，门上磁控防盗装置内有一个竖直放置的干簧管，其内部简化电路如图丁，磁控防盗装置的工作原理是：夜间关上门，闭合开关S，启动防盗报警器，此时报警电铃不响；当盗贼打开门时，干簧管远离磁体，电铃响起。图丁虚线中四种磁体摆放方式能满足工作要求的有ACD（选填图中的字母）。【解答】解：（1）由图乙中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ位置的磁化情况可知：磁簧片靠近条形磁铁的N极的一端是S极，另一端是N极；所以铁片与条形磁体相邻两端的磁极极性关系是互为异名磁极。（2）当条形磁体水平放置并靠近干簧管时（图乙Ⅳ位置），条形磁铁对铁片磁化后的情况如下图：在两舌簧端面形成异名磁极，因相互吸引而吸合，所以干簧管触点为闭合状态；（3）由电路图可知：干簧管和电铃并联后与电阻串联，开关在干路上，夜间关上门，闭合开关S，由于此时报警电铃不响，则干簧管触点处于闭合状态，对电铃短路，所以报警电铃不响；当盗贼打开门时，干簧管远离磁体，干簧管退磁，触点在弹力作用下分开，干簧管触点处于断开状态，电流通过电铃，则电铃响起。由此可知：门处于关闭状态时，干簧管和磁体之间的距离最近，并且干簧管触点是处于闭合状态；由实验结果可知在干簧管和磁体靠近时，能使干簧管处于闭合状态的是磁体在ACD的位置。故答案为：（1）互为异名磁极；（2）闭合；（3）ACD。【习题巩固】一．选择题（共11小题）1．连接如图所示电路，提供足够数量的大头针，只通过控制开关和调节滑动变阻器滑片的位置，无法探究（）A．电流的有无对电磁铁磁性有无的影响 B．电流方向对电磁铁磁场方向的影响 C．电流大小对电磁铁磁场强弱的影响 D．线圈匝数对电磁铁磁场强弱的影响【解答】解：A、闭合开关，电路中有电流通过，大头针被吸引，说明电磁铁有磁性；断开开关，电路中无电流，大头针没有被吸引，说明电磁铁没有磁性，故可完成A的探究；B、只通过控制开关和调节滑动变阻器滑片P的位置，无法改变电流的方向，且磁场方向不便于判断，所以，无法探究电流方向对电磁铁磁场方向的影响，故无法完成B的探究；C、闭合开关，调节滑动变阻器滑片，电路电流大小改变，大头针被吸起的数目发生改变，说明电磁铁磁场强弱与电流大小有关，故可完成C的探究；D、两个线圈串联，通过的电流相等，但吸起大头针的数目不同，说明电磁铁磁场强弱与线圈匝数有关，故可完成D的探究。故选：B。2．法国科学家阿尔贝和德国科学家彼得由于发现了巨磁电阻（GMR）效应，荣获诺贝尔物理学奖。如图是研究巨磁电阻特性的原理示意图。实验发现，巨磁电阻的阻值随磁场的增强而减小。当闭合开关S1，S2，使滑片P向左滑动过程中，关于指示灯亮度的变化，下列判断正确的是（）A．逐渐变暗 B．逐渐变亮 C．亮度不变 D．无法判断【解答】解：滑片向左滑动的过程中，滑动变阻器接入电路的阻值减小，电路中的电流增大，灯泡的亮度逐渐变亮。故选：B。3．如图所示，闭合电磁铁开关S，条形磁铁受到斥力，下列判断正确的是（）A．电磁铁的左端为N极 B．电源的左端是正极 C．将滑动变阻器的滑片向右移动，条形磁铁受到的斥力不变 D．若只改变电源的正负极，条形磁铁受到的排斥力将变大【解答】解：AB、根据同名磁极相互排斥可知，图中电磁铁的左端应为S极，则由安培定则可知，电流从电磁铁的左端流入，右端流出，电路中的电源的左端为正极，故A错误，B正确；C、将滑动变阻器的滑片向右移动，滑动变阻器接入电路的电阻变大，根据欧姆定律可知，电路中的电流变小，电磁铁的磁性变弱，排斥力变小，故C错误；D、若只改变电源的正负极，电流的方向改变，大小不变，则电磁铁的磁极改变，磁性强弱不变，条形磁体受到电磁铁的吸引力大小等于原来的排斥力大小，条形磁铁受到的排斥力将变小，故D错误。故选：B。4．图甲是某科学兴趣小组制作的“磁悬浮地球仪”。在地球仪中装入条形磁铁，底座中的电磁铁就能使它稳定地“悬浮”在空中，其工作原理如图乙所示。下列判断正确的是（）A．电源的左端为正极 B．该磁悬浮地球仪的原理是同名磁极相互吸引 C．向左移动滑片P可增加地球仪“悬浮”的高度 D．增加电磁铁的线圈匝数可降低地球仪“悬浮”的高度【解答】解：AB、磁浮玩具稳定地“漂浮”起来，其利用的工作原理是同名磁极互相排斥，根据同名磁极相互排斥可知，图中电磁铁的上端应为S极，则由安培定则可知，电流从电磁铁的上端流入，下端流出，电路中的电源的左端为正极，故A正确，B错误；C、滑片P向左移动，滑动变阻器接入电路的电阻变大，总电阻变大，根据欧姆定律可知，电流变小，电磁铁磁性减弱，可降低地球仪“漂浮”的高度，故C错误；D、在电流不变的情况下，增加电磁铁的线圈匝数，电磁铁的磁性增强，排斥力变大，可提高地球仪“漂浮”的高度，故D错误。故选：A。5．在昼夜明灯的地下停车场，驾驶员根据车位入口上方的红绿灯入停。如图是小吴设计的自动控制电路图，将光控开关（遮光时开关闭合）装在每个车位地面中央，红绿灯装在车位入口上方。当车位未停车时绿灯亮，当车位已停车时红灯亮，则图中L1、L2（）A．都是红灯 B．都是绿灯 C．分别是红灯、绿灯 D．分别是绿灯、红灯【解答】解：由题当车位已停车时，光控开关被遮光而闭合，由图可知，此时左侧控制电路连通，电磁继电器中的电磁铁产生磁性，吸下衔铁，L2灯泡电路被接通，所以L2为红灯；当车位未停车时，光控开关有光照而断开，电磁铁中无磁性，弹簧将衔铁拉起，L1电路接通而发光，所以L1为绿灯。故ABC错误，D正确。故选：D。6．如图是小敏设计的汽车尾气中CO排放量的检测电路。当CO浓度高于某一设定值时，电铃发声报警。图中气敏电阻R1阻值随CO浓度的增大而减小。下列说法正确的是（）A．电铃应接在A和C之间 B．当CO浓度升高，电磁铁磁性减弱 C．用久后，电源电压U1会减小，报警时CO最小浓度比设定值高 D．为使该检测电路在CO浓度更低时报警，可将R2的滑片向下移【解答】解：AB、图中气敏电阻R1阻值随CO浓度的增大而减小，由欧姆定律，控制电路的电流增大，电磁铁磁性增强，衔铁被吸下，因CO浓度高于某一设定值时，电铃发声报警，故电铃应接在B、D之间，AB错误；C、用久后，电源电压U1会减小，由欧姆定律，只有当R1阻值变小时，控制电路才能达到衔铁被吸下的最小电流，即报警时CO最小浓度比设定值高，C正确；D、在CO浓度越低电阻越大，因控制电路衔铁被吸下的最小电流不变，由欧姆定律和电阻的串联，I=UR气+R变故选：C。7．科学家已经发现了巨磁电阻（GMR）效应：微弱的磁场可以导致某种材料的电阻阻值急剧变化。如图所示的电路是研究巨磁电阻特性的原理示意图，实验发现：闭合开关S1、S2后，在向左轻轻地移动滑片P的过程中，指示灯明显变亮。则下列说法中正确的是（）A．滑片P向左轻轻移动过程中电磁铁的磁性增强 B．电磁铁右端为N极 C．该巨磁电阻的阻值随磁场的增强而明显减小 D．小磁针将顺时针旋转【解答】解：AC、当滑片P向左滑动时，滑动变阻器连入电路中的电阻变小，则电路中的电流变大，通电螺线管的磁性增强，右边电路中的指示灯明显变亮，则说明右边电路的电流变大了，巨磁电阻的电阻变小了，即巨磁电阻的阻值随磁场的增强而减小，故A、C正确；BD、电流从电磁铁的右端流入，左端流出，利用安培定则判断电磁铁的左端为N极、右端为S极，由磁极间的相互作用可知，小磁针将逆时针旋转，故B、D错误；故选：AC。8．如图所示，是某保密室的防盗报警电路，当有人闯入保密室时会使开关S闭合。下列说法正确的是（）A．电磁继电器与发电机工作原理相同 B．电磁继电器与电动机工作原理相同 C．电磁铁工作时，上端为S极 D．当有人闯入保密室时，b灯亮【解答】解：AB、电磁继电器是利用电流的磁效应工作的，发电机是利用电磁感应原理制成的，电动机是根据通电线圈在磁场中受力而转动工作的，故AB错误；C、根据安培定则可知，电磁铁工作时，上端为N极，故C错误；D、当有人闯入保密室时会使开关S闭合，电磁铁有磁性，吸引衔铁，电灯b所在电路接通，b灯亮，故D正确。故选：D。9．如图所示是某科技小组设计的一种温度自动控制报警装置电路图，关于它的说法正确的是（）A．当温度低于90℃时，报警装置就会响铃，同时绿灯亮 B．当温度低于90℃时，报警装置就会响铃，同时红灯亮 C．当温度达到90℃时，报警装置就会响铃，同时红灯亮 D．当温度达到90℃时，报警装置就会响铃，同时绿灯亮【解答】解：据图可知，该温度自动报警器的原理是：当温度达到90℃时，由于温度计内的液体是导体，这样控制电路会接通，电磁铁产生磁性，将衔铁吸引，将报警电路接通，电铃响，红灯亮，起到报警作用；故选：C。10．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，下列说法中正确的是（）A．电磁铁上端为S极，触点B与C断开，汽车启动 B．电磁铁上端为S极，触点B与C接通，汽车启动 C．电磁铁上端为N极，触点B与C断开，汽车启动 D．电磁铁上端为N极，触点B与C接通，汽车启动【解答】解：（1）当钥匙插入钥匙孔并转动时，电路接通，电磁铁中的电流是从下边导线流入的，根据安培定则可以判断出电磁铁的上端为N极；（2）当电磁铁电路接通时，电磁铁具有磁性，将上边的触点A吸下，使BC触点接通，电动机工作，进而汽车启动。故选：D。11．疫情期间只允许体温正常的师生进入校园。为此，小明设计了一款“智能门禁”，能检测体温并进行人脸识别。工作原理为：①若体温正常开关S1闭合，人脸识别成功开关S2闭合，电动机工作（门打开），警示灯不亮；②若体温异常S1不闭合，人脸识别成功S2闭合，电动机不工作且警示灯亮起；③不管体温是否正常，若人脸识别失败S2不闭合，电动机不工作且警示灯不亮。如图所示电路设计符合要求的是（）A． B． C． D．【解答】解：由题意可知，当S1、S2同时闭合时，电动机M才能工作；当S1断开、S2闭合时，警示灯才亮；只要S2不闭合，电动机和警示灯均不工作。A．当S1、S2均断开时，警示灯亮起，与以上分析不符，故A错误；B．当S1、S2同时闭合时，电动机M工作，警示灯不亮；当S1断开，S2闭合时，警示灯亮，电动机M不工作；只要S2不闭合，电动机和警示灯均不工作，与分析符合，故B正确；C．当S1、S2同时闭合时，电动机M工作，警示灯不亮；当S1断开，S2闭合时，警示灯不发光，电动机M不工作，与分析不相符，故C错误；D．当S1断开，S2闭合时，警示灯亮，与分析不符，故D错误。故选：B。二．作图题（共1小题）12．水位自动报警器是利用电磁继电器工作的装置，请按以下要求连接图示的水位自动报警器电路：当水位在安全位置A以下时，绿灯亮，水位到达安全位置A上限时，红灯亮。【解答】解：当水位在安全以下时，控制电路断开，电磁铁无磁性，衔铁被弹簧拉起，与上面的触头接触，此时绿灯亮，水位到达安全位置上限时，控制电路接通，电磁铁有磁性，衔铁被吸下，与下面的触头接触，此时红灯亮，则连接如图所示。故答案为：如图。三．计算题（共3小题）13．丽水市已经有旧小区加装了电梯，解决老年人的出行困难。出于安全考虑，电梯都设置超载自动报警系统，其工作原理如图甲所示。当压敏电阻R2受到的压力F增大时，其阻值减小（如图乙所示），控制电路中的电流增大，电磁铁的磁性增强，当电磁铁线圈电流增大至20毫安时，衔铁被电磁铁吸住，电铃发出警报声，电梯超载。（1）从乙图可知，当压敏电阻R2为800欧时，受到的压力F为5000牛；（2）根据要求将图甲的工作电路连接完整；（3）已知控制电路的电源电压U为8伏，保护电压R1为200欧。若该电梯厢内乘客总质量为800千克时，通过计算说明电梯是否超载。（电梯底架自重和电磁铁线圈的阻值都忽略不计）【解答】解：（1）从乙图可知，当压敏电阻R2为800欧时，其受到的压力F为5000N；（2）由题知，电梯超载时，衔铁被电磁铁吸住，电梯电机断路停止工作，电铃接通电源发出警报声，电路连接图如下：（3）控制电路中的设定电流为20mA，由欧姆定律得，控制电路超载时的总电阻为：R总=UI=8V0.02A=400Ω，控制电路中两电阻串联，由串联电路中的电阻规律知：R总＝R1+R2，则R2＝R总﹣R1＝400Ω﹣200Ω＝200Ω，由图乙知，R2＝200Ω时，电梯的载重为9000N，当该电梯厢内乘客总质量为800千克时，电梯厢内乘客总重力为：G＝mg＝800kg×故答案为：（1）5000；（2）见解析；（3）电梯没有超载。14．如图为某兴趣小组为学校办公楼空调设计的制冷自动控制装置，R是热敏电阻，其阻值随温度变化关系如下表所示，已知继电器的线圈电阻R0＝10Ω，左边电源电压为6V恒定不变.当继电器线圈中的电流大于或等于15mA时，继电器的衔铁被吸合，右边的空调电路正常工作。温度t/℃0510152025303540电阻R/Ω600550500450420390360330300（1）请说明该制冷自动控制装置的工作原理。（2）计算说明该空调的启动温度是多少？（3）为了节省电能，将空调启动温度设定为30℃，控制电路中需要再串联多大的电阻？（4）改变控制电路的电阻可以给空调设定不同的启动温度，除此之外，请你再提出一种方便可行的调节方案。【解答】解：（1）随室内温度的升高，热敏电阻的阻值减小，控制电路中电流增大，当电流达到15mA时，衔铁被吸合，右