2019_2020学年九年级物理全册第17章第3节科学探究：电动机为什么会转动考点手册新版沪科版.doc

第三节　科学探究：电动机为什么会转动

知识点一　磁场对通电导线的作用 精练版P11
1．实验探究：通电导体在磁场中的受力情况
提出问题：通电导体周围存在着磁场，通电导体在磁场中是否受力的作用？如果受力作用，力的方向又与什么因素有关？
制订计划与设计实验：取两根光滑的金属杆，组成一个金属导轨，将它水平放入磁场中，再取一根轻质金属杆，放在金属导轨上，将金属杆连入电路中，开关断开时，观察金属杆的运动情况；然后闭合开关，观察金属杆的运动情况；再改变电流的方向，观察金属杆的运动情况；之后改变磁场的方向，观察金属杆的运动情况，最后通过分析对比得出结论。
实验器材：电源、开关、滑动变阻器、U形磁体、导轨、金属杆、导线若干。

进行实验：①将所需器材按如图所示的电路连接好；②将金属杆横放在金属轨道上，观察金属杆是否运动并将现象记录在表格中；③闭合开关，观察并记录金属杆是否运动，运动方向如何；④改变电流的方向观察并记录金属杆是否运动，运动方向如何；⑤保持电流方向不变，改变磁场的方向，观察并记录金属杆的运动情况；⑥同时改变电流方向和磁场方向，观察并记录金属杆的运动情况。
实验现象：
电流方向
无
A→B
B→A
B→A
A→B
磁场方向
上→下
上→下
上→下
下→上
下→上
金属杆运
动情况　
不动
向左移动
向右移动
向左移动
向右移动
探究分析：由上表中的现象可以看出，金属杆AB中无电流时，金属杆不动，说明金属杆没有受到磁场力的作用；当有电流时，金属杆运动，说明它受到了磁场力的作用；当磁场方向不变而电流方向发生改变时，金属杆的运动方向发生改变，说明金属杆在磁场中的受力方向与电流方向有关；当电流方向不变而磁场方向发生改变时，金属杆的运动方向发生改变，说明金属杆在磁场中的受力方向与磁场方向有关，即金属杆的运动方向随电流方向和磁场方向的改变而改变。
探究结论：通电导体在磁场中受到力的作用，力的方向跟导体中的电流方向和磁场方向有关，当只改变电流方向或磁场方向时，通电导体受力的方向也随之发生改变；当电流方向和磁场方向同时反向时，通电导体受力的方向不变。
2．通电导体在磁场中受力的三个特点
实验表明，当放在磁场中的导体通有电流时，通电导体受到磁场的作用力，受到的作用力有以下特点：
(1)通电导体在磁场中受到的力的方向，跟导体中的电流方向有关，也跟磁场的方向有关，若导体中的电流方向或磁场的方向二者有一个改变时，导体的受力方向也随之改变；若二者同时反向，导体的受力方向不变。
(2)通电导体在磁场中的受力方向跟电流的方向垂直，也与磁场的方向垂直。
(3)通电导体中的电流方向与磁场方向相同或相反(即导体中的电流方向与磁场方向平行)时，导体不受磁场的作用力；当通电导体中的电流方向与磁场方向垂直时，导体所受磁场的作用力最大。
例1　如图所示，悬挂在细金属丝下方的金属棒AB处在蹄形磁铁的磁场中。

(1)当C、D两个接线头没有接到蓄电池的正、负极时，AB棒保持静止不动，而一旦使C、D两个接线头接触到电池的正、负极，AB棒立即运动起来，这一现象说明_________________________________________________________________
_______________________________________________________________________。
(2)细心的同学还会注意到，当C、D两个接线头分别接触电池的“＋”“－”两极时，金属棒相对于蹄形磁铁向里运动，而如果将两个接线头对调一下，再接触到电池两极时，会看到金属棒相对于蹄形磁铁向外运动，这一现象说明________________________________________________________________________。
(3)如果不对调C、D两个接线头，而把蹄形磁铁上下翻转一下(变为S极在上)，则金属棒也相对于蹄形磁铁向外摆动，这一现象说明________________________________________________________________________。
解析：通电导体在磁场中的受力方向同时取决于磁场方向和电流方向两个因素，因此在探究过程中应该用控制变量的实验方法。
答案：(1)通电导体在磁场中受到力的作用
(2)通电导体在磁场中的受力方向与导体中的电流方向有关
(3)通电导体在磁场中的受力方向与磁场方向有关
知识点二　电动机转动的原理 精练版P11
1．磁场对通电线圈的作用
把线圈放在磁场里，接通电源，会发现线圈在磁场里发生转动，但不能持续转动下去，摆动几下便停在图乙所示的位置上。

通电线圈的ab和cd边在磁场里受到力的作用，ab和cd边中的电流方向相反，所以受到力的方向相反且不在同一直线上(如图甲所示)，在这两个力的作用下线圈转动起来。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，这个位置称为平衡位置。但由于惯性线圈会越过平衡位置，当转到图丙所示位置时，线圈ab边又受到向上的磁力作用，线圈cd边受到向下的磁力作用，线圈沿逆时针方向转动又回到图乙位置。如此反复，线圈在平衡位置左右摆动，无法实现连续转动。
2．换向器的结构和作用
(1)结构：最简单的换向器是由两个彼此绝缘的金属半环组成，如图中C、D。换向器的两个半环分别跟线圈的两端相连，并通过电刷接到电源的两极。

(2)作用：当线圈刚转过平衡位置时，就立即改变线圈中的电流方向，则线圈两边的受力方向就会改变，由于受力方向改变，线圈就可以按照原来的方向继续转动。
3．电动机的工作原理
(1)通电导体在磁场中受到力的作用使线圈转动，同时应用换向器及时改变电流的方向，以保持线圈的持续转动。
(2)工作原理图解如下
甲：

线圈处于此位置时，半环2跟电刷4接触，半环1跟电刷3接触，通电后线圈中电流从半环2流向半环1，线圈的AB边受到一个向上的力，CD边的电流与AB边的电流方向相反，磁场方向相同，故CD边受到一个向下的力，所以线圈沿顺时针方向转动。
乙：

线圈转至平衡位置时，两电刷跟两个半环间绝缘部分接触，线圈中无电流，线圈不受力的作用，但线圈由于惯性会越过平衡位置。
丙：

线圈越过平衡位置后，半环1变为跟电刷4接触，半环2变为跟电刷3接触，由于换向器的作用，线圈中电流变为从半环1流向半环2。与图甲进行比较，磁场方向相同，但AB边中的电流方向与图甲中AB边中的电流方向相反，故此时AB边受向下的力，同理，CD边受向上的力。线圈仍沿顺时针方向转动。
丁：

线圈又转至平衡位置时，其情况跟图乙所示相似。线圈由于惯性越过平衡位置后，线圈中的电流又从半环2流向半环1，其情况又和图甲所示相同。
工作流程甲、乙、丙、丁是一个循环工作过程。
例2　线圈abcd转动过程中经过图甲、乙位置时，ab边所受磁场力的方向(　　　)

A．相反，是由于磁场方向相反了
B．相反，是由于流过ab的电流方向相反了
C．相同，是由于磁场方向、流过ab的电流方向都改变了
D．相同，是由于磁场方向、流过ab的电流方向都没改变
解析：由题图可知，本题研究的是电动机的工作原理，在磁场方向一定时，通电线圈的受力方向与电流方向有关，ab边起初在甲图中受到向上的力，后由于换向器的作用，改变了ab边中的电流方向，因此乙图中受到向下的力，磁场力方向改变。故B选项正确。
答案：B

易错点1　对换向器在直流电动机中所起的作用理解不透彻
要透彻理解换向器在直流电动机中所起的作用，首先要清楚通电导体在磁场中的受力方向是由通电导体中的电流方向及磁场方向共同决定的；其次要清楚对一台直流电动机磁场方向是相对固定的，这样当线圈刚刚转过线圈平面与磁感线方向垂直的位置时，通过换向器及时改变线圈中的电流方向，线圈才能持续转动下去。
例3　为了使直流电动机的线圈持续转动，当线圈转过什么位置时，换向器改变其中的电流方向(　　　)
A．线圈平面与磁感线方向平行时
B．线圈平面刚转过与磁感线方向垂直时
C．线圈平面与磁感线方向成任意角度时
D．以上说法都不对
解析：通电导体在磁场中受力方向与磁感线方向是垂直的，线圈平面在磁场中受到力的作用转动，当线圈平面转过与磁感线垂直位置后，若不改变电流方向，线圈将不能持续转动。为了使线圈持续转动，当转过线圈平面与磁感线方向垂直位置时，立即由换向器改变电流方向。
答案：B
易错点2　误认为通电导体在磁场中一定会受力
有些同学认为将通电导体放在磁场中，由奥斯特实验可知通电导体周围也存在磁场，则两个磁场之间就会有力的作用。但要注意：并不是将通电导体任意放在磁场中导体都会受到力的作用，当通电导体与磁感线平行放置时，导体不受磁场力。
例4　下列说法中，错误的是(　　　)
A．通电导线在磁场里不一定受到力的作用
B．带有绝缘层的通电导线在磁场里一定不受力的作用
C．通电导线在磁场中的受力方向与导线中电流方向有关
D．通电导线在磁场中的受力方向与磁感线方向有关
解析：通电导线中的电流方向与磁感线方向平行时，不受磁场力的作用，故A选项正确，不符合题意。通电导线外面的绝缘层，不影响导线受力，故B选项错误，符合题意。通电导线在磁场中的受力方向与导线中的电流方向和磁感线方向都有关，故C、D选项都正确，符合题意。
答案：B

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