認識實驗七：電學探究型實驗

實驗七：探究通電螺線管外部的磁場分布

【實驗目的】探究影響通電螺線管磁性強弱的因素。

【實驗器材】電源、滑動變阻器、導線若幹、電磁鐵、大頭釘、開關、鐵釘若幹。

【實驗方法】①控制變量法；②轉換法：通過比較螺線管吸引大頭針的多少反映磁性的強弱。

【實驗原理】電流的磁效應

【實驗猜想】①磁性強弱與線圈的匝數有關系；

②磁性強弱與電流有關系；

③磁性強弱與有無鐵芯有關系。

【實驗步驟】

（一）探究電磁鐵磁性強弱與電流大小的關系

方案：保持鐵芯、線圈匝數不變,改變通過電磁鐵的電流大小,觀察電磁鐵吸引大頭針的多少來判斷電磁鐵的磁性強弱。

現象：增大電流,電磁鐵吸引的大頭針數目增多.

結論：鐵芯、線圈匝數不變時，通過電磁鐵的電流越越大,，電磁鐵的磁性越強.

電磁鐵磁性強弱與電流大小有關.

（二）探究電磁鐵磁性強弱與線圈匝數的關系

方案：保持電流、鐵芯不變,改變線圈的匝數,觀察電磁鐵吸引大頭針的多少來判斷電磁鐵的磁性強弱。

現象：線圈匝數越多，電磁鐵吸引的大頭針數目增多.

結論：當電流和鐵芯不變時，線圈匝數越多，電磁鐵磁性越強.電磁鐵磁性強弱與線圈的匝數有關.

（三）探究通電螺線管的磁性強弱與有無鐵芯的關系

方案：保持電流、線圈匝數不變,比較不插入鐵芯和插入鐵芯時,觀察電磁鐵吸引大頭針的多少來判斷電磁鐵的磁性強弱。

數據記錄：

現象：插入鐵芯後，通電螺線管吸引的大頭針數目增多.

結論：當電流和線圈匝數不變時，插入鐵芯，通電螺線管磁性大大增強.電磁鐵磁性強弱與線圈的匝數有關.

【實驗結論】

①磁性強弱與線圈的匝數有關系：當電流和鐵芯不變時，線圈匝數越多，電磁鐵磁性越強；

②磁性強弱與電流有關系：鐵芯、線圈匝數不變時，通過電磁鐵的電流越越大,，電磁鐵的磁性越強；

③磁性強弱與有無鐵芯有關系：當電流和線圈匝數不變時，插入鐵芯，通電螺線管磁性大大增強。

【考點方向】

1.電磁鐵的優點：

電磁鐵磁性有無，可用電流的通斷來控制

電磁鐵磁性強弱，可用改變電流的大小來控制

電磁鐵的極性變換，可用改變電流的方向來實現。（或對調電源正負極）

2.實驗原理：電流的磁效應。

3.實驗涉及到的方法：控制變量法、轉換法。

4.電磁鐵是一個帶有鐵芯的通電螺線管。

5.實驗得到的結論：通電螺線管的磁性強弱與電流的大小、線圈的匝數、是否有鐵芯有關。

6.電磁鐵的應用有哪些？答：電磁起重機、電鈴、電話聽筒、話筒、電磁繼電器、磁懸浮列車。

7.實驗過程中，當插入通電螺線管後磁性大大增強的原因是什麼？

答：因為鐵芯在通電螺線管産生的磁場中被磁化後相當于一根磁鐵。

8.該實驗過程中改變電流的大小是通過改變滑動變阻器的阻值實現的

9.該實驗中滑動變阻器的作用是：保護電路、改變電流大小。

10.實驗過程中，記錄多組數據的目的：為了得出普遍規律，避免實驗的偶然性。

11.如果在實驗中為了探究電流對通電螺線管磁性的強弱的影響時，還可以增加一項儀器電流表。

12.實驗中用鐵棒而不用鋼棒的原因：鋼棒被磁化後成為永磁鐵，斷電後仍有磁性，大頭針不會掉下來。

【典例1】（2021·湖北宜昌市·中考真題）通電螺線管外部的磁場是怎樣分布的，我們通過以下實驗來進行探究：

（1）在硬紙闆上放置一個螺線管，周圍均勻地撒滿鐵屑，給螺線管通電後，鐵屑被_____。輕敲紙闆，觀察鐵屑的排列情況如圖甲所示，圖乙和圖丙分别是蹄形磁體和條形磁體的磁場分布情況，對比分析可知通電螺線管外部的磁場分布與______磁體的相似；

（2）我們要判斷通電螺線管外部的磁場方向，需要借助______；

（3）根據前面的實驗結果，把通電螺線管看成一個磁體，它的兩極如圖于所示，為了進一步探究通電螺線管的極性與環繞螺線管的電流方向之間有什麼關系我們下一步要做的是______，觀察______。

【答案】磁化；條形；小磁針；改變電流方向（調換電源正負極）；小磁針的指向。

【解析】（1）[1]通電螺線管周圍存在磁場，鐵钴鎳等物質是能夠被磁化的，所以把鐵屑撒在通電螺線管周圍，鐵屑會被磁化。

[2]對比甲、乙、丙三圖可知，通電螺線管外部的磁場分布與條形磁體的相似。

（2）[3]我們規定小磁針靜止時N極所指方向為該點的磁場方向，要判斷通電螺線管外部的磁場方向，需要借助小磁針。

（3）[4][5]要探究通電螺線管的極性與環繞螺線管的電流方向之間有什麼關系，就要改變導線中電流的方向，所以接下來我們需要對調電源的正負極，通過觀察小磁針的指向來判斷通電螺線管的N、S極。

【典例2】（2021·雲南昆明市·中考真題）為了探究磁場，小華做了如下實驗。

甲 乙 丙

（1）探究磁體周圍的磁場：

①在玻璃闆上均勻撒上一層鐵屑，再将玻璃闆放在條形磁體上方，然後______玻璃闆，觀察鐵屑的分布情況。鐵屑在磁場中被______成一個個小磁針，從而在磁場中有序地排列起來，如圖甲所示；

②再在玻璃闆上放一些小磁針，小磁針靜止時的情況如圖乙所示，黑色一端表示磁體的N極，某點小磁針______極所指的方向就是該點的______方向；

③人們仿照鐵屑在磁場中排列的情況和小磁針N極的指向畫出一些帶箭頭的曲線來形象、直觀地描述磁場，物理學中把這樣的曲線叫作______。

（2）探究通電螺線管周圍的磁場：

①把小磁針放在螺線管四周不同的位置，通電後發現小磁針的指向如圖丙所示，說明通電螺線管周圍的磁場跟______磁體的磁場相似，圖中_____（選填“左”成“右”）端是螺線管的N極；

②對調電源的正負極重複上述實驗，小磁針的指向與之前相反，說明通電螺線管的極性跟______有關，斷開開關後，小磁針靜止時______極指向南方。

【答案】輕敲；磁化；N；磁場；磁感線；條形；右；電流方向；S。

【解析】（1）[1]輕敲玻璃闆的目的是減小摩擦力對鐵屑的影響。

[2]鐵屑在磁場中會被磁體磁化，成為一個個小磁針，具有了磁性，從而在磁場中有序地排列起來。

[3][4]物理學規定，磁場中某點小磁針N極方向即為該點的磁場方向。

[5]為了形象地描述磁場，人們用一些帶箭頭的曲線來表示磁場的存在以及磁場的強弱，這樣的曲線叫做磁感線，磁感線不是實際存在的。

（2）[6][7]由圖丙從鐵屑的排列情況可以看出，通電螺線管的磁場分布與條形磁體相似，都是具有兩個磁性較強的磁極；電流左進右出，根據安培定則，右邊為N極。

[8][9]對調電源的正負極重複上述實驗，電流方向相反，小磁針的指向與之前相反，說明通電螺線管的極性跟電流方向有關；小磁針相當于指南針，靜止時S極指地理南方。

1．在“探究通電螺線管外部磁場的方向”實驗中：

（1）小磁針的作用：　 　。

（2）在螺線管外部A、B兩處放置小磁針，閉合開關，發現A處小磁針發生偏轉，而B處小磁針不偏轉，試說明B處小磁針不偏轉的可能原因：　 　

（3）将電池的正負極對調，重複上述實驗，是為了探究通電螺線管外部磁場的方向與　 　方向的關系。

（4）觀察實驗現象後，應立即斷開開關，是為了　 　。

【答案】（1）檢驗磁場的存在；（2）小磁針N極的指向與磁場方向相同；（3）電流；（4）保護電路，防止螺線管溫度過高。

【解析】（1）通電時螺線管周圍存在磁場，小磁針在磁場中受到力的作用會發生偏轉，所以小磁針能顯示磁場的存在；當電流方向改變時，産生的磁場方向也改變，所以小磁針的偏轉方向也改變，因此利用小磁針還可以判斷磁場的方向；

（2）在螺線管外部A、B兩處放置小磁針，閉合開關，發現A處小磁針發生偏轉，A處的小磁針會指示磁場的方向；B處小磁針不偏轉，可能原因是小磁針N極的指向與磁場方向相同；

（3）将電池的正負極對調，此時螺線管中電流的方向發生變化，磁場的方向發生變化，是為了探究通電螺線管外部磁場的方向與電流方向的關系；

（4）螺線管是由導線繞成的，其電阻較小，根據歐姆定律可知，通過螺線管的電流較大，産生的熱量較多，為了保護電路，觀察實驗現象後，應立即斷開開關。

2.在探究通電螺線管外部磁場的實驗中，采用了如圖1所示的實驗裝置。

（1）當閉合開關S後，小磁針________發生偏轉（填“會”或“不會”），說明通電螺絲管與小磁針之間是通過________發生力的作用。

（2）用鐵屑來做實驗，得到了如圖2所示的情形，它與________磁鐵的磁場分布相似。為描述磁場而引入的磁感線________真實存在的。

（3）為了研究通電螺線管的磁極性質，老師與同學們一起對螺線管可能的電流方向和繞線方式進行了實驗，得到了如圖所示的四種情況。實驗說明通電螺線管的磁極極性隻與它的________有關，且這個關系可以用________判斷。

（4）閉合開關S，通電螺線管周圍的小磁針N極指向如圖3所示，由圖可知：在通電螺線管外部，磁感線是從________極發出，最後回到________極。

【答案】（1）會；磁場；（2）條形；不是；（3）電流方向和繞線方法；安培定則；（4）北；南。

【解析】（1）由圖1，電源左端為正極，右端為負極，根據安培定則可以判斷通電螺線管右端為N極，左端為S極。根據異名磁極相吸引，由圖可知小磁針會發生逆時針偏轉；通電螺線管和小磁針之間的作用是通過磁場發生的。

（2）由圖2可知：通電螺線管的外部磁場與條形磁鐵的磁場相似；磁感線是為了能形象描述磁場而引入的，不是真實存在。

（3）四個圖中的螺線管電路中甲和乙的繞線方式相同，電流方向不同，根據小磁針的指向情況知：甲的右端為S極，乙的右端為N極；同理丙丁也是如此，所以實驗說明螺線管的繞線方式相同時，極性隻與它的電流方向有關；由甲、丙或乙、丁圖分析知，電流方向相同，繞線方法不同其極性不同，所以可以得到通電螺線管的磁極極性跟繞線方法有關。這個關系可以用安培定則來判斷。

（4）由圖3根據安培定則可知，通過螺線管的左端為S極，右端為N極，根據周圍小磁針N極指向與該點磁感線方向一緻可知：在通電螺線管外部，磁感線是從北極發出，最後回到南極。

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