物理九年级全册第5节 磁生电优质导学案

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1. 通过实验，探究并了解导体在磁场中运动时产生感应电流的条件。
2. 了解电磁感应在生产、生活中的应用。
3. 了解发电机的原理，知道发电机工作过程中的能量转化。
【学习重点】
通过探究实验来认识电磁感应现象，并发现磁生电的条件。
【学习难点】
产生感应电流的条件。
【自主预习】阅读教材，完成以下问题：
1. 英国物理学家法拉第1831年首先用实验的方法发现了电磁感应现象，这一重大发现使人类实现了将机械能转化为电能的愿望。
2. 电磁感应现象
（1）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，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。
（2）导体中产生感应电流的条件
①导体是闭合电路的一部分；②导体在磁场中做切割磁感线运动。
3. 发电机
发电机是根据电磁感应现象原理制成的，发电机的诞生实现了机械能向电能的转化。交流发电机主要由定子和转子两部分组成，线圈不动磁极旋转的发电机叫做旋转磁极式发电机。
4. 直流电和交流电
从电池得到的电流的方向不变，通常叫做直流电（DC）。电流方向周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流电（AC）。在交变电流中，电流在每秒内周期性变化的次数叫做频率，频率的单位是赫兹，符号为Hz。我国家庭电路使用的交流电，电压是220V，周期是0.02s，频率是50Hz，电流方向1s改变100次.
【合作探究】
探究一、什么情况下磁能生电
1. 实验探究：什么情况下磁能生电
【提出问题】什么情况下磁场里的导线中能够产生电流？
【猜想与假设】
（1）能够产生电流，导线要连成闭合电路。
（2）通电导线在磁场中受力运动，那么反过来，让导线在磁场中运动，可能会产生电流。
【设计实验】
（1）用蹄形磁体提供磁场。
（2）用灵敏电流表检验电路中是否有电流。
（3）产生电流的条件可能有多个，采用控制变量法进行探究。
（4）实验器材：蹄形磁体、导线、灵敏电流表。
（5）在蹄形磁体的磁场中放置一根导线，导线的两端跟电流表连接，如图所示。进行如下操作，注意观察电流表指针是否发生偏转。
【进行实验】
（1）闭合开关，让导线ab在磁场中静止，发现指针不偏转（选填“偏转”或“不偏转”，下同）；
（2）闭合开关，让导线ab在磁场中沿竖直方向上下运动（与磁感线平行），发现指针不偏转；
（3）闭合开关，让导线ab在磁场中沿水平方向里外运动（与ab平行），发现指针不偏转；
（4）闭合开关，让导线ab在磁场中沿水平方向左右运动（切割磁感线），发现指针偏转；
（5）闭合开关，让导线ab在磁场中斜向上运动（或斜向下），发现指针偏转；
（6）断开开关，让导线ab在磁场中沿水平方向左右运动（切割磁感线），发现指针不偏转。
【探究分析】
如果把磁感线想象成一根根实实在在的线，把导线想象成一把刀，表达起来可能会方便些。
（1）由实验（1）、（2）、（3）可知，电路闭合，导体在磁场中不做切割磁感线运动时，电流表的指针不偏转，表明没有产生电流。
（2）由实验（4）、（5）可知，电路闭合，导体在磁场中做切割磁感线运动时，电流表的指针偏转，表明产生了电流。
（3）由实验（6）可知，电路断开，导体在磁场中做切割磁感线运动时，电流表的指针不偏转，表明没有产生电流。
【实验结论】
（1）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，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。
（2）导体中产生感应电流的条件
①导体是闭合电路的一部分；②导体在磁场中做切割磁感线运动。
2. 注意理解产生感应电流的条件
（1）产生感应电流的两个条件缺一不可。如果电路不闭合，导体做切割磁感线运动时，能产生感应电压，不会产生感应电流。
（2）理解“切割磁感线运动”：导体运动方向与磁感线方向垂直或有一定的角度，但不能平行。
（3）磁体不动，导体ab左右运动能产生感应电流；若ab不动，磁体左右运动，仍能切割磁感线产生感应电流。
3. 电磁感应现象中的能量转化
在电磁感应现象中，消耗了机械能，得到了电能，即机械能转化为电能。
4. 实验探究：影响感应电流方向的因素
【进行实验】
（1）闭合开关，让导体AB向左运动，观察实验现象，发现电流表指针向右偏转。
（2）闭合开关，让导体AB向右运动，观察实验现象，发现电流表指针向左偏转。
（3）将磁体的N、S极对调，闭合开关，让导体AB向左运动，电流表指针向左偏转。
（4）将磁体的N、S极对调，闭合开关，让导体AB向右运动，电流表指针向右偏转。
【探究分析】
（1）比较实验（1）与（2）或（3）与（4）的实验可知，在磁场方向不变时，导体做切割磁感线运动的方向相反，感应电流的方向相反，说明感应电流的方向与导体切割磁感线运动的方向有关。
（2）比较（1）与（3）或（2）与（4）的实验可知，在导体做切割磁感线运动的方向相同时，调换磁体N、S极的位置，感应电流的方向相反，说明感应电流的方向与磁场的方向有关。
（3）比较（1）与（4）或（2）与（3）的实验可知，磁极和导体切割磁感线的方向均发生了改变，但感应电流的方向不变，说明同时使磁场方向和导体做切割磁感线运动的方向反向时，感应电流方向不变。
【实验结论】
在电磁感应中，感应电流的方向跟导体在磁场中做切割磁感线运动的方向和磁场的方向有关。
只改变磁场的方向或导体做切割磁感线运动的方向，感应电流的方向改变；若同时将磁场的方向和导体做切割磁感线运动的方向改变，则感应电流的方向不变。（均选填“改变”或“不变”）
【例题1】如图所示，小明和小刚利用蹄形磁体、灵敏电流计、开关、导体AB和若干导线等器材来探究感应电流产生的条件。闭合开关，他们完成操作，将观察到的现象记入表格：
序号
导体AB的运动情况
有无感应电流
①
左右运动
有
②
上下运动
无
③
前后运动
无
④
斜向上、斜向下运动
有
（1）分析①、②两次实验现象，小明说：“闭合电路的一部分导体在磁场中的运动方向与磁场方向垂直时，电路中就会产生感应电流。”小刚认为不准确，因为导体AB 运动时，其运动方向也与磁场方向垂直，但无感应电流；
（2）采纳小刚意见后，小明又说：“闭合电路的一部分导体在磁场中垂直切割磁感线时，电路中才会产生感应电流”，小刚认为不全面，因为导体AB 运动时，也有感应电流；
（3）从能量的角度来分析，感应电流的产生过程是将 能转化为电能；如果将图中的灵敏电流计换成 ，可以探究磁场对电流的作用。
【答案】（1）前后；（2）斜向上/斜向下；（3）机械，电源.
【解析】（1） 闭合电路的一部分导体在磁场中的运动方向与磁场方向不垂直，只要切割磁感线时，如导体AB前后运动时，电路中也会产生感应电流。所以小明的说法错误。
（2）根据表格现象发现，导体AB在磁体中斜向上或斜向下运动时，此时虽然不是垂直切割磁感线，但也有感应电流，小明说：“闭合电路的一部分导体在磁场中垂直切割磁感线时，电路中才会产生感应电流”是不全面的。
（3）闭合电路的一部分导体在磁场切割磁感线运动时，从而产生感应电流，从能量的角度来分析，感应电流的产生过程是将机械能转化为电能。
要探究磁场对电流的作用，电流中需要有电源，所以可将图中的灵敏电流计换成电源。
探究二、发电机
【想一想】发电机怎样发电？以手摇发电机为例学习发电原理。
1. 实验探究：手摇发电机的发电情况
（1）观察模型式手摇发电机的构造
【想想议议】磁极是什么形状的？线圈是通过哪些装置和灯泡连接起来的？摇把是通过什么带动线圈转起来的？
【观察结果】磁铁形状是蹄形磁铁；线圈是通过电刷与灯泡（或二极管）串联的；摇把是通过皮带带动线圈转动起来的。

（2）观察手摇发电机转速对小灯泡亮度的影响
用不同的转速摇动转轮，观察灯泡亮度的变化情况。发现转轮的转速越大，灯泡发光越亮。
（3）检验手摇发电机电流方向的变化

①用两个发光二极管极性相反地并联起来，并与发电机串联。转动摇把，观察二极管的发光情况。
②实验现象与分析：二极管交替发光，说明产生的电流方向不停在改变。
（4）探究结论
手摇发电机产生的电流的大小和方向是变化的；电流的大小与发电机的转速有关，转速越快，电流越大。
2. 交变电流
（1）电流方向周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流。实际上，在前面探究什么情况下磁可以生电的实验中，导线左右往复运动，电流表指针来回摆动，电路中产生的就是交变电流。
（2）交变电流的频率在数值上等于电流在每秒内周期性变化的次数。我国电网以交流供电，频率为50Hz。
3. 交流发电机
（1）发电机主要构造：磁铁、线圈abcd、铜环K与L、电刷A与B等。
（2）主要部件作用
①磁铁：用来产生磁场；
②线圈abcd转动时，切割磁感线，产生感应电流；
③铜环：两个铜环随线圈一起转动，与外部电路组成一闭合回路；
④电刷：感应电流通过电刷流出。
（3）交流发电机工作原理示意图
①图甲和图丙中导线运动方向和磁感线方向平行，不切割磁感线，没有电流产生。
②图乙和丁中导线切割磁感线，有电流产生，但切割磁感线的方向相反，所以电流方向相反。每当经过磁感线与线圈平面垂直的位置时，线圈中的电流方向改变一次；线圈转一周，电流方向改变两次。
③线圈不停转动，产生的电流交替往复，形成持续的电流。
4. 实际发电机的构造与能量转化
（1）构造
主要有磁体、线圈、铜环和电刷四个基本组成部分。概括地讲是由定子（固定部分）和转子（转动部分）两部分组成。实际上大型发电机多采用线圈不动、磁极旋转的方式来发电，叫旋转磁极式发电机。
转子
定子
（2）发电机发电的过程是能量转化的过程
实际的发电机靠内燃机、水轮机、汽轮机等机械的带动，把燃料中的化学能或者水库中水流的动能转化为电能。
①水电站
水力发电是利用水从高处流下推动水轮机转动，水轮机再带动发电机工作，把水的机械能转化为电能。
②火电站
火力发电是利用可燃物在燃烧时产生的内能，通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。
【例题2】把一台手摇发电机跟灯泡连接起来，使线圈在磁场中转动，我们可以通过__________这一现象来判断电路中有电流，如图甲所示，手摇发电机的工作原理是_________。把两个发光二极管极性______地并联起来（填“相同”或“相反”），并与发电机串联，如图乙所示。转动摇把，发现两个二极管交替发光，说明电路中产生的是_______电流，简称交流。
【答案】小灯泡发光；电磁感应现象；相反；交变.
【解析】若电路中有电流，则电流通过灯泡时会使灯泡发光，故可以通过灯泡发光来判断电路中有电流。
手摇式发电机是根据闭合回路中的一部分在磁场中做切割磁感线运动来产生感应电流的，即为电磁感应现象。
发光二极管有单向导电性，两个发光二极管极性相反地并联后再与发电机串联，交替发光说明电路中的电流方向时刻在发生改变，即产生的是交流电流。
探究三、磁记录
1. 软磁性材料和硬磁性材料
【回忆】
（1）磁化：铁棒和钢棒本来不能吸引钢铁，当磁体靠近它或者与它接触时，它便有了吸引钢铁的性质，也就是被磁化了。
（2）软磁性材料：软铁磁化后，磁性很容易消失，称为软磁性材料。
（3）硬磁性材料：钢等物质在磁化后，磁性能够保持，称为硬磁性材料。硬磁性材料可以做成永磁体，还可以用来记录信息。
2. 录音机的原理
录音机的磁带上附有一层硬磁性材料制成的小颗粒。
录音时，声音先转变成强弱变化的电流，这样的电流通过录音磁头，产生了强弱变化的磁场。磁带划过磁头时，磁带上的小颗粒被强弱不同地磁化，于是记录了一连串有关磁性变化的信息。
放音时，磁带贴着放音磁头运动，磁性强弱变化的磁带使放音磁头中产生变化的感应电流，电流经放大后使扬声器发声，这便“读”出了录音带中记录的信息。
3. 磁记录的应用
随着技术的不断进步，磁记录与人们的关系越来越密切。录音带、录像带，电脑中的磁盘，打电话的磁卡，银行的信用卡，还有磁卡式车票等等，都是用磁来记录信息的。磁记录技术提高了工作效率，给生活带来了很大的方便。
4. 交流回答
通过上面的学习，你能回答下面的问题吗？
（1）磁带上的什么物质记录了声音、图像等信息？
答：一层硬磁性材料制成的小颗粒。
（2）录音机在把声信号变成磁信号的过程中，要先把声信号变成什么信号？
答：强弱变化的电流。
（3）录音机怎样把磁信号变成声信号？
答：放音时，磁带贴着放音磁头运动，磁性强弱变化的磁带使放音磁头中产生变化的感应电流，电流经过放大后使扬声器发声，这便“读”出了录音带中记录的信息。
（4）观察磁带、磁卡，找出涂有磁性物质的部位。
（5）分组收集资料：人类在使用磁带录音之前，是用什么方法记录声信号的？写出小论文，在全班交流。
【例题3】如图是动圈式话筒内部结构图，对着话筒说话时，声带振动发出声音，使膜片带动线圈做切割磁感线运动，产生的__________进入扬声器，将声音放大；话筒的工作原理是_________。线圈切割磁感线运动的过程中，将_______能转化为电能。
【答案】感应电流，电磁感应现象，机械。
【解析】对着话筒说话时，声带振动产生声音，产生的声音使膜片振动，与膜片相连的线圈也跟着一起振动，线圈做切割磁感线运动，产生的感应电流进入扬声器，将声音放大。话筒的工作原理是电磁感应现象。线圈切割磁感线运动的过程中，消耗机械能，产生电能，将机械能转化为电能。
【精讲点拨】
1. 理解磁生电的条件
电路是闭合的；一部分导体在磁场中做切割磁感线运动。
（1）做切割磁感线运动的导体必须是闭合电路的一部分，而不是整个电路。
（2）只要导体运动的方向与磁感线有一定角度，不是与磁感线平行，导体就会切割磁感线。
（3）“切割磁感线运动”是指导体与磁场的相对运动。当磁场不动，导体运动时能切割磁感线；当导体不动，碰场运动时也能切割磁感线。
2. 区分“探究什么情况下磁可以生电”和“磁场对通电导线的作用”两种现象的实验装置
要能正确区分两实验装置，关键是找出两套实验装置的不同之处。它们的不同之处是探究什么情况下磁能生电的实验装置中，没有电源，有一个灵敏电流计用来观察是否产生了感应电流；在观察磁场对通电导线的作用的实验中，有电源，但没有灵敏电流计。
3. 感应电流大小的影响因素
导体切割磁感线运动的速度、磁场的强弱、切割磁感线运动的导体的有效长度和线圈的匝数等。
4. 电动机和发电机是两种不同的装置，其对比如表:
【归纳整理】
第5节 磁生电
【课堂练习】
1．关于如图所示的实验，下列说法正确的是（ ）
A．该装置是用于探究“磁场对通电导线的作用”
B．导线ab运动时将电能转化为机械能
C．导线ab竖直向上运动时，灵敏电流计指针一定偏转
D．导线ab水平向左运动时，灵敏电流计指针一定偏转
【答案】D。
【详解】该装置是研究电磁感应现象，产生感应电流的过程是机械能转化为电能的过程，电流计是否发生偏转反映了是否有感应电流产生；
闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，电路中会产生感应电流。当ab棒水平左右运动时，切割磁感线，电路中有感应电流产生，灵敏电流计的指针发生偏转；当ab棒竖直上下运动时，不切割磁感线，不会产生感应电流，电流表指针不会发生偏转；故D正确，C错误。
故选D。
2. 图示是一种手摇发电的手电筒，内有线圈、磁铁等，当沿图中箭头方向来回摇动时，灯泡就能发光，其发电的工作原理是（ ）
A．电磁感应 B．磁场对通电导体有力的作用
C．电流的热效应 D．电流的磁效应
【答案】A。
【详解】手摇发电机内的线圈在切割磁感线时，线圈中有电流产生，电流经过灯泡时，灯泡就能发光，所以其发电的工作原理是电磁感应现象，故A符合题意，BCD不符合题意。
所以选A.
3. 下列四幅图中，应用了电磁感应原理的是（ ）
【答案】C。
【详解】A．扬声器应用的是通电导体在磁场中受力的作用，故A不符合题意；
B．该图演示了通电导体在磁场中受力的作用，故B不符合题意；
C．话筒是利用闭合电路的一部分在磁场中做切割磁感线运动产生感应电流，故C符合题意；
D．该图是电磁铁，利用了电流的磁效应，故D不符合题意。
所以选C.
4. 在“科技节”活动中，小明受到物理课上“电与磁”相关知识的启发，制作了如图所示的“小发明”。闭合两开关后电动机都能转动，小灯泡发光。下列说法不正确的是（ ）
A．甲电动机是利用通电线圈在磁场中受力转动原理工作的
B．对调电源正、负极，小灯泡将不发光
C．甲电动机相当于电路中的用电器
D．乙电动机是利用电磁感应原理工作的
【答案】B。
【详解】A．磁场对通电导体有力的作用。甲电动机是利用通电线圈在磁场中受力转动原理工作的，故A正确，不符合题意；
B．对调电源正、负极，小灯泡能够发光，故B错误，符合题意；
C．甲电动机是消耗电能的设备，相当于电路中的用电器，故C正确，不符合题意；
D．乙电动机此时相当于发电机给灯泡提供电能，是利用电磁感应原理工作的，故D正确，不符合题意。
所以选B.
5. 如图为电动机和发电机的模型，其中虚线框内的装置叫_________，乙图的工作原理是____________，甲图要加快线圈的转速，写出一种方法：___________。

【答案】换向器，电磁感应现象，增大电路中的电流。
【详解】根据甲图可知，有电源，是电动机模型，故虚线框内的装置是换向器，可以改变线圈中电流的方向；乙图中无电源，线圈转动过程中切割磁感线，产生感应电流，这是发电机的原理图，发电机的工作原理是电磁感应现象。
要使甲图中的线圈转速变快，可增大电路中的电流或增强磁体的磁性。
6. . 如图是“探究感应电流产生的条件”的实验装置。
（1）实验中，ab棒的材料可能是____（选填“塑料”或“铝”）；
（2）实验中是通过观察_______来判断电路中是否产生感应电流；
（3）磁体不动，使ab竖直向上或竖直向下运动，灵敏电流计指针________（选填“偏转”或“不偏转”）；
（4）实验中发现灵敏电流计指针偏转不明显，为了使指针偏转明显，可采取的措施是_________（写出一种措施）；
（5）如果将图中的灵敏电流计换成_____，可以探究磁场对通电导体的作用。
【答案】（1）铝；（2）灵敏电流计的指针是否偏转向；（3）不偏转；（4）见解析；（5）电源。
【详解】（1）在探究电磁感应现象的实验中，我们必须保证处于磁场中的这部分是导体。塑料是绝缘体，铝是导体，所以我们应选择铝棒。
（2）有电流通过灵敏电流计时，指针会发生偏转，所以可以通过观察灵敏电流计的指针是否偏转来判断电路中是否有电流。
（3）将悬挂的导体放入磁体中，闭合开关，导体在磁体中竖直上下运动，没有切割磁感线，没有感应电流产生，电流计指针不会偏转。
（4）电磁感应中，感应电流大小与磁场强弱、切割磁感线的速度等有关，实验中发现灵敏电流计指针偏转不明显，是电流过小，为了使指针偏转明显，可增加导体棒切割磁感线的速度或更换磁性更强的磁体。
（5）探究磁场对通电导体的作用必须有电源通电，因此，需要在电路中添加电源，即将灵敏电流计换成电源。
7. 实验装置如图所示，探究感应电流的方向与导体运动方向和磁场方向的关系。在实验中采取控制变量法。
（1）控制磁场方向不变，改变________方向，观察灵敏电流计的指针偏转方向；
（2）控制导体ab的运动方向不变，改变______方向，观察灵敏电流计的指针偏转方向。
（3）实验结论： 感应电流的方向与_________方向和______方向有关。只改变其中一个方向，感应电流的方向_____；若同时改变两个方向，感应电流的方向_______。
【答案】（1）导体运动；（2）磁场；（3）导体切割磁感线运动，磁场，改变，不变。
【详解】（1）感应电流的方向与导体运动方向和磁场方向有关。实验中，探究感应电流方向与导体运动方向的关系时，应控制磁场方向不变，改变导体运动方向。
（2）探究感应电流方向与磁场方向的关系时，应控制导体运动方向不变，改变磁场方向。
（3）感应电流方向与磁场的方向和导体切割磁感线的运动方向有关，只改变其中一个方向，感应电流的方向会发生改变，若同时改变影响感应电流方向的两个因素，则感应电流的方向不改变。
8. 小明学习了磁现象的知识后，深受物理学家奥斯特和法拉第科学探索精神的影响，怀着极大的兴趣利用如题图所示装置，探究电磁感应现象。
（1）他应在M、N之间接入________ ；
（2）闭合开关，让导体棒AB从图示位置上下运动时，电路中______（选填“有”或“没有”）感应电流产生；若导体棒AB不动，左右移动磁铁，电路中_____（选填“有”或“没有”）感应电流产生；
（3）在仪器和电路连接都完好的情况下，某小组的实验现象不太明显，在不增加器材的前提下，请提出一条改进措施：_________；
（4）从能量的角度分析，产生感应电流的过程就是机械能转化为电能的过程，生活中利用电磁感应原理的实例有________（列举1个）。
【答案】（1）灵敏电流计；（2）没有，有；（3）增大导体AB切割磁感线的速度；（4）动圈式话筒。
【详解】（1）为显示电路中有无电流，他应在M、N之间接入灵敏电流计。
（2）闭合开关，让导体棒AB从图示位置上下运动时，因此时导体没有切割磁感线，故感应电路中没有感应电流产生；若导体棒AB不动，左右移动磁铁，相当于磁铁不动，导体棒AB向右向左移动，导体切割切割磁感线，电路中有感应电流产生。
（3）在仪器和电路连接都完好的情况下，某小组的实验现象不太明显，说明产生的感应电流过小，为增大感应电流，在不增加器材的前提下，改进措施：可以增大导体AB切割磁感线的速度。
（4）动圈式话筒：线圈随声音的振动在磁场中做切割磁感运动时产生感应电流，将声信号转化为电信号，工作原理是电磁感应现象。生活中利用电磁感应原理的实例有动圈式话筒。
【课后反思】
本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？
直流电动机
交流发电机
原理
通电线圈在磁场中受力而转动
电磁感应现象
构造
与电刷接触的是换向器
与电刷接触的是两个滑环
能量转化
电能→机械能
机械能→电能
在电路中的作用
用电器
电源