【人教版】九年级物理 20.3 电磁铁 电磁继电器（课件+同步练习含解析版）

第三节 电磁铁 电磁继电器第二十章 电与磁人教版九年级物理一根条形磁体，它的周围存在着磁场。这种磁体是一种永磁体。螺线管通电后，也会成为一个磁体。这样的磁体与永磁体相比，有哪些优点？这些优点在实际中有哪些应用？教学重点对电磁铁磁性强弱的认识。教学难点电磁继电器的工作原理。 1. 电磁铁2. 电磁继电器3. 课堂总结4. 练习与应用5. 提升训练 第3节 电磁铁 电磁继电器一、电磁铁1. 电磁铁（1）电磁铁：把导线绕成螺线管，再在螺线管内插入铁芯，当有电流通过时，它会有较强的磁性。我们把这种磁体叫作电磁铁。（2）工作原理 电磁铁是利用电流的磁效应来工作的。在螺线管的内部插入铁芯通电后，铁芯在螺线管的磁场中被磁化，两磁场叠加，使电磁铁的磁性大大增强。一、电磁铁（3）电磁铁磁极极性的判断 电磁铁的磁极极性与通电螺线管的磁极极性是一致的，可运用安培定则来判定。一、电磁铁（4）电磁起重机在工地、码头，以及一些车间、货场，人们常常可以看到电磁起重机在工作。电磁起重机的主要部件之一是电磁铁，电磁铁安装在吊车上，通电后吸起大量钢铁，移动到另一个位置后切断电流，钢铁被放下。大型电磁起重机一次可以吊起几吨钢材。一、电磁铁【提出问题】电磁铁磁性的强弱与哪些因素有关?【猜想与假设】①电磁铁只有在线圈中通有电流时才有磁性，猜想电流的大小应该会影响电磁铁磁性的强弱。怎样改变线圈中电流的大小？需要什么器材？②构成电磁铁的主要部件是线圈，猜想线圈的形状和匝数可能会影响电磁铁的磁性强弱。对于外形相同的线圈，电磁铁磁性的强弱跟线圈的匝数会有怎样的关系？2. 制作简易的电磁起重机一、电磁铁【实验器材】电源、绕有不同线圈匝数的两个电磁铁、电流表、开关、滑动变阻器、曲别针及导线。【实验电路】将电源、电磁铁、电流表及滑动变阻器串联起来。一、电磁铁【进行实验】（1）闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，改变电路中的电流，观察“起重机”吊起了多少曲别针。（2）接着调节滑动变阻器的滑片到某一位置，将外形相同、绕有不同线圈匝数的两个电磁铁串联在电路中，闭合开关，观察两个“起重机”分别吊起了多少曲别针。一、电磁铁（3）各组展示自己制作的“起重机”，并说明制作的流程，看看哪个小组的“起重机”吊起的曲别针多，再提出改进措施，让自制“起重机”能吸引更多的曲别针。【分析论证】从实验现象可以看出，匝数一定时，通入的电流越大，电磁铁的磁性越强；电流一定时，外形相同的螺线管，匝数越多，电磁铁的磁性越强。一、电磁铁线圈匝数一定时，通入的电流越大，电磁铁的磁性越强；电流一定时，外形相同的螺线管，线圈匝数越多，电磁铁的磁性越强。【实验结论】一、电磁铁演示实验——《探究影响电磁铁磁性强弱的因素》一、电磁铁2. 电磁铁的优点 （1）可以通过电流的通断来控制其磁性的有无。（2）可以通过改变电流的方向来改变其磁极的极性。（3）可以通过改变电流的大小或线圈匝数的多少来控制其磁性的强弱。一、电磁铁3. 电磁铁的应用（1）电磁铁可以直接对磁性物质有吸引力的作用 主要应用在电铃、电磁起重机、电磁刹车装置和许多自动控制装置上。全自动洗衣机的进水、排水阀门，卫生间里感应式冲水器的阀门，也都是由电磁铁控制的。一、电磁铁（2）电磁铁的另一个应用是产生强磁场。现代技术上很多地方需要的强磁场都是由电磁铁提供的，如磁悬浮列车、电动机、发电机、磁疗设备、测量仪器、研究微观粒子用的加速器等。一、电磁铁视频欣赏——《电磁起重机》一、电磁铁【例题1】图甲是一种磁悬浮地球仪摆件，地球仪内部装有磁铁，底座内部装有如图乙所示的电磁铁。下列说法正确的是（　　）A．电磁铁周围存在着磁场B．地球仪利用异名磁极间相互排斥的原理工作C．图乙中，利用安培定则可判断电磁铁上端是N极D．图乙中，将电源正、负极对调后，电磁铁磁极方向不变A 【解析】A．通电导线周围存在磁场，电磁铁就是将通电导线绕成线圈，在线圈内部插入铁芯制成的，所以电磁铁周围也存在磁场，故A正确；B．磁悬浮地球仪能悬浮在空中，利用了同名磁极相互排斥的原理，故B错误；C．由安培定则可知，电磁铁上端为S极，故C错误；D．乙图中，将电源正负极对调后，电流的方向发生了改变，电磁铁磁极方向随之改变，故D错误。所以选A。一、电磁铁【例题2】小华想用自制电磁铁探究影响电磁铁磁性强弱的因素。（1）他用相同的漆包线和____（选填“钢钉”或“铁钉”）绕制成两个电磁铁A和B，B钉上绕有更多匝数的线圈，实验装置如图所示；（2）如图甲，闭合开关，将滑动变阻器的滑片P向右移动，能吸引 的大头针_____（选填“更多”“不变”或“更少”），说明在线圈匝数一定时，电磁铁的磁性强弱与__________有关；（3）如图乙，把电磁铁A和B串联。闭合开关，多次移动滑动变阻器的滑片P，发现电磁铁B总比A能吸引更多的大头针，通过比较，得出的结论是______ 。见解析更少铁钉电流大小 一、电磁铁【解析】（1）钢是硬磁性材料，铁是软磁性材料。硬磁性材料磁化后不易退磁，软磁性材料磁化后很少保留磁性。因此用相同的漆包线和铁钉绕制成两个电磁铁A和B，实验装置如图所示。（2）图甲中，闭合开关，将滑动变阻器的滑片P向右移动，滑动变阻器连入电路的电阻变大，电路电流变小，电磁铁磁性变弱，能吸引更少的大头针，根据控制变量法可知，在线圈匝数一定时，电磁铁的磁性强弱与电流大小有关。（3）图乙中，电磁铁A和B串联。闭合开关后，电磁铁A和B通过的电流相等，但电磁铁B比电磁铁A的线圈匝数多，多次移动滑动变阻器的滑片P，发现电磁铁B总比A能吸引更多的大头针，根据控制变量法，可得出的结论是在电流大小一定时，线圈匝数越多，电磁铁的磁性越强。一、电磁铁 第3节 电磁铁 电磁继电器二、电磁继电器驱动巨大机器的电流可能有几十安、几百安。在工厂里，我们常常看到工人师傅利用按钮来控制机器，难道强大的电流就在按钮下面流过？不，用手直接控制强大的电流或操作高压电路是很危险的。我们能否利用电磁铁的吸引力来控制高电压、强电流电路的通断呢？1. 电磁继电器概念电磁继电器是利用低电压、弱电流电路的通断，来间接地控制高电压、强电流电路通断的装置。实质是利用电磁铁来控制工作电路的一种开关。二、电磁继电器2. 电磁继电器的结构与工作电路电磁继电器的结构如图所示，它由电磁铁、衔铁、弹簧、触点等组成。工作时的电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。 （1）低压控制电路：电磁铁、衔铁、弹簧、低压电源、开关等.（2）高压工作电路：高压电源、电动机、动、静触点.二、电磁继电器3. 电磁继电器的工作原理闭合低压控制电路中的开关S，电流通过电磁铁的线圈产生磁性，把衔铁B吸下来，使动触点D与静触点E接触，受控的高压电路闭合，电动机M工作。断开开关S，线圈中的电流消失，电磁铁的磁性消失，衔铁B在弹簧的作用下与电磁铁分离，使触点D、E脱开，受控电路断开，电动机停止工作。二、电磁继电器视频欣赏—《电磁继电器》二、电磁继电器 4. 电磁继电器的一些应用（1）利用电磁继电器可以通过控制低电压、弱电流电路的通断来间接地控制高电压、强电流工作电路的通断，使人远离高压环境；（2）利用电磁继电器可以使人远离高温、有毒等环境，实现远距离控制；（3）在电磁继电器控制电路中接入对温度、压力或光照敏感的元件，利用这些元件操纵控制电路的通断，可以实现对温度、压力或光的自动控制，如电铃、防盗报警、防汛报警、温度自动控制、空气开关自动控制等。二、电磁继电器（4）应用实例电磁铁衔铁触点 制作水银温度计时在玻璃管中封入一段金属丝，当温度达到金属丝下端所指的温度时，电铃就响起来，发出报警信号。这就是一种温度自动报警器。二、电磁继电器工作原理：温度升高时，水银柱上升，与上方金属丝连通，使左侧形成通路，电磁铁中有电流通过，电磁铁吸引衔铁，使触点接触，右侧电路接通，电铃发出报警信号。二、电磁继电器当水位上涨时，水与金属A接触，水（不纯净）是导体，使控制电路接通，电磁铁吸引衔铁，使动触点与下面的静触点接触，工作电路接通，红灯发光；当水位下降时，控制电路断开，电磁铁失去磁性，弹簧拉着衔铁使动触点与上面的静触点接触，工作电路接通，则绿灯亮。二、电磁继电器【例题3】感应照明灯可以在天暗时自动发光，天亮时自动熄灭；控制电路如图所示，电源电压恒定，R1为定值电阻，R2为光敏电阻，其阻值随光照强度而变化。（1）如图，圆形虚线框内为本电路的核心部件，它是通过低电压、弱电流来控制高电压、强电流的电路通断的装置，其名称为__________，它的原理是______________；（2）在本图中，当控制电路电流增大到一定程度时，受控电路将_______（选填“接通”或“断开”）；（3）光照强度增大时，光敏电阻R2的阻值______，电压表示数______（选填“增大”“减小”或“不变”）.电流的磁效应 电磁继电器断开减小减小二、电磁继电器【解析】（1）电磁继电器功能是利用控制电路的低电压、弱电流来控制工作电路的高电压、强电流，其主要部件是电磁铁，电磁铁是利用电流的磁效应原理工作的。（2）控制电路电流增大到一定程度时，电磁铁磁性增强，将衔铁吸下，受控电路断开，灯L熄灭；（3）感应照明灯可以在天暗时自动发光，天亮时自动熄灭，说明光照强度增大时，光敏电阻R2的阻值减小，控制电路电流增大，电磁铁磁性增强，将衔铁吸下，受控电路断开，灯L熄灭；控制电路电流增大，定值电阻R1两端的电压增大，电源电压不变，光敏电阻R2两端的电压变小，即电压表的示数减小。 三、课堂总结 第3节 电磁铁 电磁继电器三、课堂总结 电磁继电器磁性强弱电磁铁 内部带铁芯的通电螺线管称为电磁铁.利用电流的磁效应来工作的.电磁铁线圈的匝数越多、电流越大，电磁铁的磁性就越强.①可通过电流的通断来控制其磁性的有无.②可通过改变电流方向来改变其磁极的极性.③可通过改变电流的大小或线圈匝数的多少 来控制其磁性的强弱.①概念：继电器是利用低电压、弱电流电路的通断， 来间接地控制高电压、强电流电路通断的装置.②构成：电磁铁、衔铁、弹簧、动触点、静触点.③工作原理：靠电磁铁和弹簧的共同作用 实现工作电路状态的转换.电磁铁电磁铁电磁继电器优点 四、练习与应用 第3节 电磁铁 电磁继电器四、练习与应用1. 为探究影响电磁铁磁性强弱的因素，用相同的细导线和铁钉绕制成两个电磁铁A、B，铁钉下方的盒子内有足够多的大头针。（1）如图甲所示，把铁钉下端插入大头针盒中，闭合开关，提起铁钉，铁钉下端将吸附很多大头针。把滑动变阻器的滑片逐渐向右移动，能观察到什么现象？说明了什么？（2）如图乙所示，闭合开关后移动滑动变阻器的滑片，无论滑片移到哪个位置，电磁铁B总能比电磁铁A吸附更多的大头针。这说明了什么？【解析】 （1）吸引的大头针数量减少。说明在线圈匝数一定时，电流越小，电磁铁的磁性越弱。（2）说明在电流相同的情况下，匝数越多，电磁铁的磁性越强。四、练习与应用【解析】当水位没有到达金属块A时，AB之间断路，电磁继电器中没有电流，衔铁被弹簧拉起与上面的触点接通，绿灯所在电路构成通路，绿灯亮；当水位到达金属块A时，由于水能导电，AB之间形成通路，电磁继电器中有电流经过，衔铁被电磁铁吸下与下面的触点接通，红灯所在电路构成通路，红灯亮。四、练习与应用 2. 图是一种水位自动报警器的原理图。水位没有到达金属块 A时，绿灯亮；水位到达金属块 A时，红灯亮。请说明它的工作原理。注意：虽然纯净的水是不导电的，但一般的水都能导电。四、练习与应用 3. 图20.3-9是直流电铃的原理图。衔铁B与弹性片A相连，自然情况下弹性片是和螺钉接触的。接通电源后电磁铁吸引衔铁，敲击铃碗发声，但同时弹性片与螺钉分离导致断电，电磁铁失去磁性后弹性片又和螺钉接触而通电，如此往复。弄懂原理后，请你在图20.3-5所示的电磁继电器上把电源连在电路里，使衔铁能上下振动。四、练习与应用4. 法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得 · 格林贝格尔由于发现了巨磁电阻（GMR）效应，荣获了2007年诺贝尔物理学奖。巨磁电阻效应是指某些材料的电阻在磁场中急剧减小的现象，这一发现大大提高了磁、电之间信号转换的灵敏度，从而引发了现代硬盘生产的一场革命。图20.3-10是说明巨磁电阻特性原理的示意图，图中GMR是巨磁电阻。如果闭合开关S1、S2并使滑片P向左滑动，指示灯亮度会有什么变化?【解析】闭合S1、S2，并使滑片向左滑动，左侧控制电路中的电阻减小，根据欧姆定律可知，左侧电路中的电流变大，电磁铁的磁性增强。巨磁电阻（GMR）与周围的磁场有关，且巨磁电阻的阻值随磁场的增强而明显减小，故GMR的电阻变小，所以工作电路中的电流变大，指示灯变亮。四、练习与应用 五、课堂练习 第3节 电磁铁 电磁继电器【解析】A．电磁铁具有吸引铁、钴、镍等磁性材料的性质，所以铝制的曲别针不会被电磁铁吸引，故A错误；B．电磁铁的磁场分布与条形磁体相似，两端磁性最强，中间磁性最弱，所以电磁铁两端吸引的曲别针比中间多，故B错误；C．电磁铁的磁场的方向与电流的方向有关，改变电流方向，电磁铁的磁场方向改变，故C正确；D．电磁铁的磁性强弱与线圈匝数有关，在电流和铁芯相同的情况下，线圈匝数越多，磁性越强，吸引曲别针的数量越多，减少线圈匝数，电磁铁磁性减弱，吸引曲别针数量减少，故D错误。 故选C。五、课堂练习1．同学们用一根导线和一枚铁钉制作了一个如图所示的电磁铁。在其周围放一些曲别针，通电后对有关现象分析正确的是（　　） A．铝制的曲别针会被电磁铁吸引B．电磁铁两端吸引的曲别针比中间吸引的少C．改变电流方向，可改变电磁铁的磁场方向D．减少线圈匝数，电磁铁吸引曲别针数量增加 C五、课堂练习2．全自动洗衣机的进水阀门是由电磁铁控制的，其构造示意图如图所示。线圈通电后产生磁场，对衔铁施加力的作用，使衔铁移动，阀孔打开，水流进洗衣机。下列关于线圈通电后的分析正确的是（　　） A．电磁铁的上端为N极B．衔铁的材料可能为铜C．电磁铁的工作原理为电流的磁效应D．线圈周围不仅产生磁场，同时也产生磁感线 C五、课堂练习【解析】A．由图可知，电流从电磁铁上端流入，从电磁铁下端流出，由安培定则判断，电磁铁的下端为N极，故A错误；B．电磁铁能吸引铁钴镍等材质，不能吸引铜材质，故B错误；C．当电流通过电磁铁的线圈时，会产生磁场，从而使电磁铁具有磁性，所以电磁铁的工作原理为电流的磁效应，故C正确；D．由于磁场是真实存在的，磁感线是为了研究磁场，人为建立的模型，磁感线是不存在的，故D错误。 故选C。【解析】滑动变阻器与灯泡串联，电流表测量电路中的电流，将滑片P从b端向a端移动的过程中，R阻值变大。电源电压一定，根据I=U/R可知，电路中的电流变小，电磁铁的磁性变弱，根据P＝I2R可知，灯泡的实际功率变小，灯L变暗；根据安培定则可知，电磁铁的上端为S极，根据同名磁极相排斥，由于斥力变弱，弹簧的长度变长。故C符合题意，ABD不符合题意。故选C。五、课堂练习3．如图所示，在电磁铁的正上方用弹簧挂着一根条形磁铁，闭合开关S，待条形磁铁静止后，再将滑片P从b端向a端移动的过程中，会出现的现象是（　　）A．电流表示数变大，灯L变亮，弹簧的长度变长B．电流表示数变大，灯L变亮，弹簧的长度变短C．电流表示数变小，灯L变暗，弹簧的长度变长D．电流表示数变小，灯L变暗，弹簧的长度变短 C五、课堂练习 4．如图是某学校路灯的智能照明电路。S为光敏开关，天暗时S自动断开，天亮时S自动闭合；R为滑动变阻器。下列说法正确的是（ ）A．天亮时，电磁铁的上端是北极B．天亮时，将R的滑片P向上滑动，电磁铁磁性变强C．天暗时，衔铁被电磁铁吸引，触点c与a接触D．天亮时，电磁铁外部磁感线从上端出发回到下端B五、课堂练习【解析】AD．天亮时S自动闭合，控制电路为通路状态，由图可知，电流从螺线管的上端流入，下端流出，由安培定则可知，电磁铁的下端是北极，上端是南极，电磁铁外部的磁感线是从电磁铁的N极出发，回到S极。所以电磁铁外部磁感线从下端出发回到上端，故AD错误；B．天亮时S自动闭合，控制电路为通路状态，将R的滑片P向上滑动，滑动变阻器阻值减小，根据串联电路电阻的特点可知，电路中的总电阻阻值减小，电流增大，电磁铁磁性强弱与线圈匝数和电流有关，线圈匝数不变，电流增大，电磁铁磁性变强，故B正确；C．天暗时S自动断开，控制电路为断开状态，没有电流经过电磁铁，电磁铁没有磁性，衔铁不会被电磁铁吸引，故C错误。故选B。（3）冷库温度降低时，控制电路消耗的电功率______ （选填“变大”“不变”或“变小”），冷库温度为-18℃时，控制电路中电流为______ A。五、课堂练习 5．海鲜保存常要求温度低于-18℃。小枫为海鲜市场的冷库设计了温度自动报警器，其原理如图甲所示。控制电路和工作电路的电源电压均为3V保持不变，电磁铁线圈电阻忽略不计，乙图为热敏电阻R的阻值随温度变化的图像。冷库温度等于或高于-18℃时，工作电路报警。（1）电磁铁线圈下端为______ 极；（2）工作电路报警时， ___________ （选填“灯亮铃不响”或“铃响灯不亮”）；S铃响灯不亮变小0.03五、课堂练习【解析】 （1）电流从电磁铁线圈的下端流入，上端流出，根据安培定则可知，电磁铁线圈下端为S(南)极。（2）温度升高，热敏电阻阻值变小，控制电路电流变大，衔铁被吸下，工作电路中铃响灯不亮。（3）冷库温度降低时，控制电路中热敏电阻阻值变大，根据P=U2/R可得，控制电路消耗的电功率变小。由图乙知，冷库温度为-18℃时，热敏电阻阻值为100Ω，此时控制电路中的电流为I=U/R=3V/100Ω=0.03A五、课堂练习6．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A、B，并设计了甲图所示的电路。（1）实验中是通过电磁铁吸引大头针的多少来判定其磁性强弱的，所使用的物理研究方法是___________；（2）当滑动变阻器滑片向左移动时，电磁铁A、B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；强转换法 增加 大同名磁极相互排斥（3）根据图示的情境可知，说明电流一定时，线圈匝数多，电磁铁的磁性越______；（4）电磁铁吸引的大头针下端分散的原因是_________。【解析】（1）磁性的强弱是无法直接观察的，此题中是利用电磁铁吸引大头针数目的不同来反映磁性强弱的不同的，这是种转换的方法。（2）根据图示可知，滑动变阻器滑片向左移动时，变阻器连入电路中的电阻变小，由欧姆定律I=U/R可知，电路中的电流变大，电磁铁A、B吸引大头针的个数增加，说明线圈匝数相同时，电流越大，电磁铁磁性越强。（3）电磁铁B吸引的大头针数目多，说明B的磁性强；两电磁铁串联，电流相同，所以得出的结论是：电流一定时，线圈匝数越多，磁性越强。（4）大头针被磁化，同一端的极性相同，互相排斥，所以下端分散。五、课堂练习