17.2 探究电动机转动的原理知识点一探究磁场对电流的作用1.实验探究：磁场对电流的作用设计并进行实验实验现象实验现象分析按照如图所示的装置，让直导线位于蹄形磁铁两极之间的磁场中，接通电源，观察实验现象金属棒AB向右运动金属棒AB通电后在磁场中受到力的作用移开磁铁金属棒AB不运动金属棒AB受到的力是磁场施加的，即通电导体在磁场中受到力的作用，这就是磁场对电流的作用保持N极、S极位置不变，改变金属棒AB中的电流方向，观察实验现象金属棒AB向左运动电流方向改变后，金属棒AB的受力方向也改变，即金属棒AB的受力方向与金属棒AB中的电流方向有关保持金属棒AB中的电流方向与原来相同，把磁铁的两极对调，让磁场方向与原来相反，观察实验现象金属棒AB向左运动磁场方向改变后，金属棒AB的受力方向也改变，即金属棒AB的受力方向与磁场方向有关改变金属棒AB中电流方向的同时把磁铁两极对调，即让电流方向和磁场方向同时与原来相反，观察实验现象金属棒AB向右运动电流方向和磁场方向同时改变时，金属棒AB的受力方向保持不变2.规律总结：实验表明，当放在磁场中的导体通有电流时，导体受到磁场的作用力。通电导体在磁场中受到的作用力有以下两个特点。(1)通电导体在磁场中受力的方向，跟导体中的电流方向和磁场方向有关。若导体中的电流方向或磁场方向两者有一个改变时，导体的受力方向也随之改变；若二者同时改变，导体的受力方向不变。(2)通电导体中的电流方向与磁场方向相同或相反(即二者方向平行)时，导体不受磁场中力的作用；当通电导体中的电流方向与磁场方向垂直时，导体所受磁场中力的作用最大。温馨提示：(1)磁场对通电导体的作用是“力”而不是“运动”，即通电导体在磁场中会受到力的作用，但不一定会运动。(2)该活动探究要注意以下两点：一是想办法增大导体运动的灵敏度。该活动中采用了“滚动法”，如图所示采用的是“悬吊法”。二是要合理地控制变量。磁场对电流会有力的作用，力的方向跟电流方向、磁场方向有关，这是一个因素跟多个因素之间的关系，要探究这类问题，就要用到控制变量法。知识点二换向器的作用精练版P201.将一条直导线制成一个线圈放入磁场里通入电流，会怎样？实验探究：磁场对通电线圈的作用如图甲所示，把一个线圈放在磁场里，接通电源让电流通过线圈，观察发生的现象。实验现象：接通电源的线圈在磁场里发生转动，但转动不能持续下去，当转到图乙所示位置时，线圈来回摆动几下便停在此位置上。探究分析：通电线圈的ab边和cd边在磁场里受到力的作用，而ab边和cd边中的电流方向相反，所以受到的力的方向相反且不在同一直线上(如图甲)，在这两个力的作用下线圈就会转动起来。当转到图乙所示的位置时，这两个力恰好在同一直线上，且大小相等，方向相反，相互平衡，线圈的这一位置叫做平衡位置。当线圈由于惯性越过平衡位置后，线圈的受力方向不变，故线圈会反方向转动，所以线圈在平衡位置附近摆动几次就停了下来。温馨提示：平衡位置：线圈平面与磁场(磁感线)垂直时线圈平面所在的位置，如图乙所示。2.换向器改变电流方向的装置，可以使通电线圈连续转动下去。(1)换向器的构造换向器由两个彼此绝缘的铜制半圆环构成，如图所示，其中F和E是两个铜制半圆环。换向器的两个半圆环分别与电动机中线圈的两端相连接，并随线圈一起转动。A和B是电刷，它们跟半圆环接触，使电源和线圈组合成闭合电路。(2)换向器的作用每当线圈刚越过平衡位置时，能自动地改变线圈中的电流方向，使线圈能连续转动。即不论是线圈的哪个边靠近S极，都能使这个边中的电流沿着向纸内的方向流去，这时它的受力方向是不变的，同理，靠近N极的那个边的受力方向也是不变的，线圈就可以不停地转动下去。(3)换向器的“换向”原理：两个铜制半圆环的开口处(即绝缘处)如图所示安装。当线圈由于惯性稍稍转过平衡位置时，能交换电刷与换向器的半铜环接触，从而改变线圈中的电流方向。知识点三电动机的工作原理精练版P201.电动机的构造我们所要研究的电动机是利用直流电源供电的电动机，叫做直流电动机。如图是一个直流电动机的模型，它主要由磁体、线圈、换向器和电刷等构成。其中换向器由两个铜制半环构成。在电动机里，能够转动的部分叫转子，固定不动的部分叫定子。电动机工作时，转子飞快地转动。2.电动机的工作原理电动机是根据通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的，直流电动机的基本工作原理是：通电导体在磁场中受到力的作用使线圈转动，同时通过换向器及时改变线圈中的电流方向，以保持线圈的持续转动。电动机在工作时将电能转化为机械能。3.直流电动机的工作过程(1)直流电动机的工作过程甲：如图，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，通电后线圈中的电流从半环2流向半环1，线圈的AB边受到一个向上的力，CD边中的电流与AB边中的电流方向相反，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：如图，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：如图，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，线圈中电流变为从半环1流向半环2。与甲图进行比较，磁场方向相同，但AB边中的电流方向与甲图中AB边中的电流方向相反，故此时AB边受到向下的力；同理，CD边受到向上的力。线圈仍沿顺时针方向转动。丁：如图，线圈又转至平衡位置时，其情况跟乙图相似。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，其情况又和甲图相同。电动机工作是不断循环的过程，即(2)理解直流电动机的工作过程时还应注意的两个问题：直流电动机在工作时，外部工作电路中的电流方向始终保持不变。依靠换向器与电刷的配合，通电线圈每转过一周，线圈中的电流方向就改变两次，这样线圈就能够连续不停地沿同一方向转动下去。4.电动机的优点电动机构造简单、控制方便、体积小、效率高、功率可大可小、污染小，广泛地应用于日常生活、工农业生产中。例1如图所示的直流电动机，线圈abcd沿顺时针方向转动。下列说法中不正确的是()A.线圈cd边受的力始终向上B.对调N、S磁极，线圈将沿逆时针方向转动C.对调电源正、负极，线圈将沿逆时针方向转动D.每当线圈转过平衡位置，换向器就改变线圈中的电流方向解析：通电导体在磁场中受力的方向跟电流方向和磁场方向有关，改变两者中任何一个，通电导体的受力方向都发生改变。每当线圈转过平衡位置时，换向器就改变线圈中的电流方向，因而线圈cd边中的电流方向是变化的，则它的受力方向也会随之改变。答案：A5.磁场对通电导体作用原理的应用：电动机、磁电式电流仪表、动圈式扬声器(喇叭)、电动玩具和机器人等。如动圈式扬声器。(1)主要结构收音机、电视机和其他音响设备中都装有各种各样的扬声器(喇叭)，其结构示意图如图所示，它主要由固定的永久磁体、线圈和锥形纸盆构成。(2)工作原理当线圈中通以某方向电流时，线圈受到磁场的作用力而运动，当线圈中通过相反方向的电流时，线圈受到磁场的作用力而反方向运动，由于通过线圈的电流是交变电流，它的大小和方向不断变化，线圈就不断地来回振动，带动纸盆也来回振动，于是扬声器就发出了声音。扬声器是把电信号(强弱变化的电流)转换成声信号(机械振动)的一种装置。例2如图所示，扬声器是把电信号转化为声信号的装置，工作时线圈中通入携带声音信息的时刻变化的电流。下列说法中错误的是()A.线圈中通入的是方向变化的电流，所以锥形纸盆来回振动，产生声音B.锥形纸盆振动越快，产生的声音音调越高C.锥形纸盆振幅越大，产生的声音响度越大D.扬声器工作过程中是把机械能转化为电能解析：扬声器的线圈中通过时刻变化的电流时，线圈会受到永久磁体的磁场力的作用，而带动与线圈相连的纸盆振动，发出声音，此过程中将电信号转化成声信号，故A选项正确。音调是指声音的高低，它和物体振动频率有关，物体振动频率越快，音调越高；振动频率越慢，音调越低，故B选项正确。声音的强弱叫做响度，物体的振幅越大产生声的响度越大，故C选项正确。扬声器是利用通电导体在磁场中受到力的作用的原理工作的，是把电能转化为机械能，故D选项错误。答案：D易错点对换向器的作用理解有误电动机有直流电动机和交流电动机两种，直流电动机和交流电动机的工作原理相同，这里的“直流”和“交流”是相对外电路而言的，外电路为直流电源即为直流电动机，外电路为交流电源即为交流电动机，而内电路(即线圈)中的电流方向都改变。对直流电动机来说，每当线圈刚越过平衡位置时，换向器就自动改变线圈中的电流方向，使线圈能够持续转动。所以，在解题时要注意，换向器只改变线圈中的电流方向，不改变外电路中电流的方向。例3关于换向器的作用，下列说法中正确的是()A.直流电动机的换向器既可以改变线圈中的电流方向，又可以改变外部的电流方向B.直流电动机的换向器是将外部电路的直流电变成线圈中的交流电C.直流电动机的换向器是用来改变电流的大小和方向D.当直流电动机的线圈刚转过平衡位置时，换向器能立即改变线圈中的电流方向解析：直流电动机的换向器只改变线圈中的电流方向，不能改变外部的电流方向。答案：D8 / 8