17.2 探究電動機轉動的原理知識點一探究磁場對電流的作用1.實驗探究：磁場對電流的作用設計并進行實驗實驗現象實驗現象分析按照如圖所示的裝置，讓直導線位于蹄形磁鐵兩極之間的磁場中，接通電源，觀察實驗現象金屬棒AB向右運動金屬棒AB通電后在磁場中受到力的作用移開磁鐵金屬棒AB不運動金屬棒AB受到的力是磁場施加的，即通電導體在磁場中受到力的作用，這就是磁場對電流的作用保持N極、S極位置不變，改變金屬棒AB中的電流方向，觀察實驗現象金屬棒AB向左運動電流方向改變后，金屬棒AB的受力方向也改變，即金屬棒AB的受力方向與金屬棒AB中的電流方向有關保持金屬棒AB中的電流方向與原來相同，把磁鐵的兩極對調，讓磁場方向與原來相反，觀察實驗現象金屬棒AB向左運動磁場方向改變后，金屬棒AB的受力方向也改變，即金屬棒AB的受力方向與磁場方向有關改變金屬棒AB中電流方向的同時把磁鐵兩極對調，即讓電流方向和磁場方向同時與原來相反，觀察實驗現象金屬棒AB向右運動電流方向和磁場方向同時改變時，金屬棒AB的受力方向保持不變2.規律總結：實驗表明，當放在磁場中的導體通有電流時，導體受到磁場的作用力。通電導體在磁場中受到的作用力有以下兩個特點。(1)通電導體在磁場中受力的方向，跟導體中的電流方向和磁場方向有關。若導體中的電流方向或磁場方向兩者有一個改變時，導體的受力方向也隨之改變；若二者同時改變，導體的受力方向不變。(2)通電導體中的電流方向與磁場方向相同或相反(即二者方向平行)時，導體不受磁場中力的作用；當通電導體中的電流方向與磁場方向垂直時，導體所受磁場中力的作用最大。溫馨提示：(1)磁場對通電導體的作用是“力”而不是“運動”，即通電導體在磁場中會受到力的作用，但不一定會運動。(2)該活動探究要注意以下兩點：一是想辦法增大導體運動的靈敏度。該活動中采用了“滾動法”，如圖所示采用的是“懸吊法”。二是要合理地控制變量。磁場對電流會有力的作用，力的方向跟電流方向、磁場方向有關，這是一個因素跟多個因素之間的關系，要探究這類問題，就要用到控制變量法。知識點二換向器的作用精練版P201.將一條直導線制成一個線圈放入磁場里通入電流，會怎樣？實驗探究：磁場對通電線圈的作用如圖甲所示，把一個線圈放在磁場里，接通電源讓電流通過線圈，觀察發生的現象。實驗現象：接通電源的線圈在磁場里發生轉動，但轉動不能持續下去，當轉到圖乙所示位置時，線圈來回擺動幾下便停在此位置上。探究分析：通電線圈的ab邊和cd邊在磁場里受到力的作用，而ab邊和cd邊中的電流方向相反，所以受到的力的方向相反且不在同一直線上(如圖甲)，在這兩個力的作用下線圈就會轉動起來。當轉到圖乙所示的位置時，這兩個力恰好在同一直線上，且大小相等，方向相反，相互平衡，線圈的這一位置叫做平衡位置。當線圈由于慣性越過平衡位置后，線圈的受力方向不變，故線圈會反方向轉動，所以線圈在平衡位置附近擺動幾次就停了下來。溫馨提示：平衡位置：線圈平面與磁場(磁感線)垂直時線圈平面所在的位置，如圖乙所示。2.換向器改變電流方向的裝置，可以使通電線圈連續轉動下去。(1)換向器的構造換向器由兩個彼此絕緣的銅制半圓環構成，如圖所示，其中F和E是兩個銅制半圓環。換向器的兩個半圓環分別與電動機中線圈的兩端相連接，并隨線圈一起轉動。A和B是電刷，它們跟半圓環接觸，使電源和線圈組合成閉合電路。(2)換向器的作用每當線圈剛越過平衡位置時，能自動地改變線圈中的電流方向，使線圈能連續轉動。即不論是線圈的哪個邊靠近S極，都能使這個邊中的電流沿著向紙內的方向流去，這時它的受力方向是不變的，同理，靠近N極的那個邊的受力方向也是不變的，線圈就可以不停地轉動下去。(3)換向器的“換向”原理：兩個銅制半圓環的開口處(即絕緣處)如圖所示安裝。當線圈由于慣性稍稍轉過平衡位置時，能交換電刷與換向器的半銅環接觸，從而改變線圈中的電流方向。知識點三電動機的工作原理精練版P201.電動機的構造我們所要研究的電動機是利用直流電源供電的電動機，叫做直流電動機。如圖是一個直流電動機的模型，它主要由磁體、線圈、換向器和電刷等構成。其中換向器由兩個銅制半環構成。在電動機里，能夠轉動的部分叫轉子，固定不動的部分叫定子。電動機工作時，轉子飛快地轉動。2.電動機的工作原理電動機是根據通電線圈在磁場中受力轉動的原理制成的，直流電動機的基本工作原理是：通電導體在磁場中受到力的作用使線圈轉動，同時通過換向器及時改變線圈中的電流方向，以保持線圈的持續轉動。電動機在工作時將電能轉化為機械能。3.直流電動機的工作過程(1)直流電動機的工作過程甲：如圖，線圈處于此位置時，半環2跟電刷4接觸，半環1跟電刷3接觸，通電后線圈中的電流從半環2流向半環1，線圈的AB邊受到一個向上的力，CD邊中的電流與AB邊中的電流方向相反，磁場方向相同，故CD邊受到一個向下的力，所以線圈沿順時針方向轉動。乙：如圖，線圈轉至平衡位置時，兩電刷跟兩個半環間絕緣部分接觸，線圈中無電流，線圈不受力的作用，但線圈由于慣性會越過平衡位置。丙：如圖，線圈越過平衡位置后，半環1變為跟電刷4接觸，半環2變為跟電刷3接觸，線圈中電流變為從半環1流向半環2。與甲圖進行比較，磁場方向相同，但AB邊中的電流方向與甲圖中AB邊中的電流方向相反，故此時AB邊受到向下的力；同理，CD邊受到向上的力。線圈仍沿順時針方向轉動。丁：如圖，線圈又轉至平衡位置時，其情況跟乙圖相似。線圈由于慣性越過平衡位置后，線圈中的電流又從半環2流向半環1，其情況又和甲圖相同。電動機工作是不斷循環的過程，即(2)理解直流電動機的工作過程時還應注意的兩個問題：直流電動機在工作時，外部工作電路中的電流方向始終保持不變。依靠換向器與電刷的配合，通電線圈每轉過一周，線圈中的電流方向就改變兩次，這樣線圈就能夠連續不停地沿同一方向轉動下去。4.電動機的優點電動機構造簡單、控制方便、體積小、效率高、功率可大可小、污染小，廣泛地應用于日常生活、工農業生產中。例1如圖所示的直流電動機，線圈abcd沿順時針方向轉動。下列說法中不正確的是()A.線圈cd邊受的力始終向上B.對調N、S磁極，線圈將沿逆時針方向轉動C.對調電源正、負極，線圈將沿逆時針方向轉動D.每當線圈轉過平衡位置，換向器就改變線圈中的電流方向解析：通電導體在磁場中受力的方向跟電流方向和磁場方向有關，改變兩者中任何一個，通電導體的受力方向都發生改變。每當線圈轉過平衡位置時，換向器就改變線圈中的電流方向，因而線圈cd邊中的電流方向是變化的，則它的受力方向也會隨之改變。答案：A5.磁場對通電導體作用原理的應用：電動機、磁電式電流儀表、動圈式揚聲器(喇叭)、電動玩具和機器人等。如動圈式揚聲器。(1)主要結構收音機、電視機和其他音響設備中都裝有各種各樣的揚聲器(喇叭)，其結構示意圖如圖所示，它主要由固定的永久磁體、線圈和錐形紙盆構成。(2)工作原理當線圈中通以某方向電流時，線圈受到磁場的作用力而運動，當線圈中通過相反方向的電流時，線圈受到磁場的作用力而反方向運動，由于通過線圈的電流是交變電流，它的大小和方向不斷變化，線圈就不斷地來回振動，帶動紙盆也來回振動，于是揚聲器就發出了聲音。揚聲器是把電信號(強弱變化的電流)轉換成聲信號(機械振動)的一種裝置。例2如圖所示，揚聲器是把電信號轉化為聲信號的裝置，工作時線圈中通入攜帶聲音信息的時刻變化的電流。下列說法中錯誤的是()A.線圈中通入的是方向變化的電流，所以錐形紙盆來回振動，產生聲音B.錐形紙盆振動越快，產生的聲音音調越高C.錐形紙盆振幅越大，產生的聲音響度越大D.揚聲器工作過程中是把機械能轉化為電能解析：揚聲器的線圈中通過時刻變化的電流時，線圈會受到永久磁體的磁場力的作用，而帶動與線圈相連的紙盆振動，發出聲音，此過程中將電信號轉化成聲信號，故A選項正確。音調是指聲音的高低，它和物體振動頻率有關，物體振動頻率越快，音調越高；振動頻率越慢，音調越低，故B選項正確。聲音的強弱叫做響度，物體的振幅越大產生聲的響度越大，故C選項正確。揚聲器是利用通電導體在磁場中受到力的作用的原理工作的，是把電能轉化為機械能，故D選項錯誤。答案：D易錯點對換向器的作用理解有誤電動機有直流電動機和交流電動機兩種，直流電動機和交流電動機的工作原理相同，這里的“直流”和“交流”是相對外電路而言的，外電路為直流電源即為直流電動機，外電路為交流電源即為交流電動機，而內電路(即線圈)中的電流方向都改變。對直流電動機來說，每當線圈剛越過平衡位置時，換向器就自動改變線圈中的電流方向，使線圈能夠持續轉動。所以，在解題時要注意，換向器只改變線圈中的電流方向，不改變外電路中電流的方向。例3關于換向器的作用，下列說法中正確的是()A.直流電動機的換向器既可以改變線圈中的電流方向，又可以改變外部的電流方向B.直流電動機的換向器是將外部電路的直流電變成線圈中的交流電C.直流電動機的換向器是用來改變電流的大小和方向D.當直流電動機的線圈剛轉過平衡位置時，換向器能立即改變線圈中的電流方向解析：直流電動機的換向器只改變線圈中的電流方向，不能改變外部的電流方向。答案：D8 / 8