九年级物理课程：电与磁力的基础知识

磁卡是一种磁记录介质卡片．它由高强度、耐高温的塑料或纸质涂覆塑料制成，防潮、耐磨且有一定的柔韧性，携带方便，使用较为稳定可靠．磁卡有磁层或磁条，具有2～3个磁道以记录有关信息数据．磁卡使用方便，造价便宜，用途极为广泛．可用于制作信用卡、银行卡、地铁卡、公交卡、门票卡、电话卡、电子游戏卡、车票、机票，以及各种交通收费卡等．

知能概述

1．地磁场

地球是个巨大的磁体，它周围空间存在的磁场叫地磁场．地磁的北极在地理的南极附近，地磁的南极在地理的北极附近．

2．安培定则

电流方向与磁场方向之间的关系由安培定则确定．其中判定通电螺线管磁极的方法是：用右手握螺线管，让四指弯向螺线管中电流的方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的北极．

3．电磁感应现象

闭合电路的一部分导体，在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生感应电流，这种现象叫作电磁感应，产生的电流叫感应电流．感应电流的方向和磁场方向、导体运动方向有关．在电磁感应现象中，机械能转化为电能，发电机就是根据这一原理设计制造出来的．

问题解决

例1　小强在北京将一根质量分布均匀的条形磁铁用一条线悬挂起来，使它平衡并呈水平状态，悬线系住磁体的位置应在（　）．

A．磁体的重心处　B．磁体的某一磁极处

C．磁体重心的北侧　D．磁体重心的南侧

（第十一届全国初中应用物理知识竞赛初赛试题）

地磁场对地球生物的保护

地磁场并不强，但对于地球上的各种生命来说，却显得非常重要．如在地球南、北极附近或高纬度地区，有时在晚上会看到一种神奇的灿烂美丽的彩色光带——极光．当太阳辐射出的带电粒子进入地磁场后，在地磁场的作用下，有害带电粒子沿地磁场的磁感线做螺旋线运动，最终会落到地球两极上空的大气层中，使大气层中的分子电离发光，形成极光．所以这个“超巨”的地磁场，对地球形成了一个“保护盾”，减少了来自太空的宇宙射线的侵袭，地球上生物才得以生存．如果没有了这个保护盾，外来的宇宙射线，会将最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死，使其根本无法在地球上生长．

解题思路　我国的地理位置处在地球的北半球，北京的地理位置距北极比南极近．由于地球是一个大磁体，它的南极在地理位置北极附近，北极在地理位置南极附近，因此，当用一根细线把条形磁体悬挂起来作为指南针用时，条形磁体的北极一端受地磁南极的引力相对另一端会稍大一些，为使条形磁体成水平状态，悬线系住磁体的位置应在磁体重心的北侧．

例2　在制造精密电阻时．常常采用双线绕法．即把电阻丝从螺线管一端绕到另一端，再从另一端绕回来．如果电流方向如图所示，那么（　）．

A．螺线管左、右两端都没有磁极

B．螺线管左端为N极，右端为S极

C．螺线管左端为S极，右端为N极

D．螺线管左端有磁极，右端无磁极

例2图

（上海市第十七届初中物理竞赛大同中学杯复赛试题）

解题思路　两个线圈中的电流大小相等，线圈匝数相等，并且铁芯相同，所以每个线圈产生的磁场强度相同．由于两个线圈的绕向相同，但电流方向相反，所以其磁场方向相反．相互抵消，这个线圈的左、右两端都没有磁极．

例3　在图中，M是一个用细导线绕成的螺线管，当闭合电键S后，M的长度将（　）．

A．伸长　B．缩短

C．不变　D．先伸长，后缩短

例3图

（上海市第十三届初中物理竞赛太奇杯复赛试题）

解题思路　通电螺线管是由多匝线圈组成的．每匝线圈在通电后都相当于一个磁体，它们相互间的作用力使螺线管收缩．

安培力的分析

例4　（多选）如图所示，两根平行放置的长直导线a和b通有大小相同、方向相同的电流，a受到的磁场力大小为F1，当加入一与导线所在平面垂直的匀强磁场后，a受到的磁场力大小为F2，则此时b受到的磁场力大小可能为（　）．

A．F2　B．2F1-F2

C．2F1＋F2　D．F2-2F1

例4图

（上海市第二十六届初中物理竞赛大同中学杯初赛试题）

奥斯特实验

奥斯特（1777—1851），丹麦物理学家、化学家．他曾对物理学、化学和哲学进行过多方面的研究．由于受康德哲学与谢林的自然哲学的影响，坚信自然力是可以相互转化的，长期探索电与磁之间的联系．1820年4月终于发现了电流对磁针的作用，即电流的磁效应．奥斯特实验说明了通电直导线周围存在磁场，磁场的方向与电流的方向有关．奥斯特实验在历史上具有划时代的意义，在1820年奥斯特做此实验前，人们一直认为电与磁是单独孤立存在的，而奥斯特实验使人类第一次认识到电和磁的联系．

解题思路　物体间的作用是相互的，相互作用力的大小相等，a受磁场力F1作用时，b也受到F1作用，如图a所示．当加入另一匀强磁场后，a受到的力变为F2（设匀强磁场对a的作用力为F0），则F2＝F1＋F0，如图b，或F2＝F1-F0，如图c．

例4图

电磁能、机械能和内能的转化

例5　如图所示，当金属框沿光滑绝缘斜面的顶端由静止开始滑到底端时，具有的动能为E1；若在虚线区域内加上一个方向为“×”的垂直纸面的磁场，其他条件不变，金属框滑到底端时，具有的动能为E2．请判断E1与E2的大小关系：_________，并简要说明判断理由：_________________________________．

例5图

（全国初中应用物理知识竞赛预赛试题）

解题思路　由机械能守恒定律，金属框沿光滑绝缘斜面的顶端由静止开始滑到底端时，具有的动能为E1，等于初状态的重力势能．若在虚线区域内加上一个方向为“×”的垂直纸面的磁场，金属框经过磁场区域要产生感应电流，电流要产生热量，有能量转化为内能．由能量守恒定律，金属框滑到底端时，具有的动能为E2一定小于初状态的重力势能．

自学成才的科学家

迈克尔·法拉第（1791—1867），世界著名的自学成才的科学家，英国物理学家、化学家、发明家，是发电机和电动机的发明者．然而法拉第的童年却是十分凄苦的．为了维持生计，幼小的仅有9岁的迈克尔·法拉第不得不承担起生活重担，去一家文具店当学徒．4年以后，13岁的法拉第又到书店当学徒．起初负责送报，后来当图书装订工．真所谓“天将降大任于是人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤”．他利用此机会博览群书．他在20岁时听英国著名科学家汉弗利·戴维先生讲课，对科学产生了浓厚的兴趣．他给戴维写信，终于得到了为戴维当助手的工作．由于勤劳、刻苦、虚心、上进，最后他成为了一位伟大的科学家．

1．磁悬浮列车是一种高科技交通工具．它是通过列车上的电磁铁A、B与固定在轨道上的磁极N、S发生磁排斥而实现悬浮的．当列车在轨道上悬浮起时（如图所示），在电磁铁A、B中分别通有（俯视）_________和_________的电流（选填“顺时针”或“逆时针”）．

第1题图

（上海市第十五届初中物理竞赛上科杯复赛试题）

2．将磁钢M固定在铁块C上．用手将一元硬币B1、B2叠在一起，竖立在磁钢上端．如图所示．将手指稍稍松开一小段距离．将观察到的现象是_________．原因是________________________________．

（上海市第十八届初中物理竞赛大同中学杯复赛试题）

3．如图所示为一种环保型手电筒，筒内没有电池．使用时，只要来回摇晃手电筒，使永磁体在手电筒中的两个橡胶垫之间来回运动，灯泡就能发光．而且来回摇晃得越快，灯泡越亮．这种手电筒能发电的依据是________原理，这个原理是英国科学家_________发现的．

第2题图

（第十八届全国初中应用物理知识竞赛试题）

第3题图

第4题图

4．如图所示，A球为均匀带正电的绝缘球体，当它绕着自己的轴做逆时针旋转（由上往下看）时，则A球上方的小磁针的N 极将_________，A球左侧的小磁针的N 极将________（均选填“指向左”“指向右”“指向上方”“指向下方”）．

（上海市第二十七届初中物理竞赛大同中学杯复赛试题）

5．在电视节目中我们经常会看到“特斯拉线圈”的表演，表演者通过变压器与电磁振荡制造出人工闪电．在表演时，表演者与“特斯拉线圈”之间会放出美妙的电火花，对此，你认为对人体不会造成危害的原因是（　）．

A．“特斯拉线圈”产生的电火花电压很低，电流很小

B．表演者穿的防护服是绝缘的，电流并没有流经防护服

C．人体的电阻很小，“特斯拉线圈”产生的电流经人体导入地面

D．表演者穿的防护服里有很多金属丝，电流都经防护服流过

（上海市第二十六届初中物理竞赛大同中学杯复赛试题）

6．如图所示，是一根长直密绕通电螺线管的剖面图，A、B分别是在螺线管轴线上的两点，A点在螺线管的端面处，B点在螺线管的内部，则B点的磁场（　）．

A．比A点磁场强

B．比A点磁场弱

C．与A点磁场大小相等

D．无法确定

第6题图

（上海市第二十七届初中物理竞赛大同中学杯复赛试题）

7．为了解释地球的磁性，19世纪安培假设，地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流I引起的．在下面的四个图中，正确表示安培假设中环形电流方向的是（　）．

第7题图

（第二十二届全国初中应用物理知识竞赛预赛试题）

8．桌面上放有一定量的铁屑，现将两根完全相同的条形磁铁A的N极和磁铁B的S极如图甲所示放置在靠近铁屑的上方，吸附一定量的铁屑．若将吸附有铁屑的两极靠在一起，则吸附在连接处的铁屑会______（选填“增加”“不变”或“减少”）．如图乙所示，将一根长度略大于两磁铁间距的软铁棒，轻轻搁在两磁铁上，则被吸附的铁屑会______（选填“增加”“不变”或“减少”）．

第8题图

（上海市第二十三届初中物理竞赛复赛试题）

9．如图所示，一束粒子沿水平方向飞过小磁针的下方，此时小磁针的N极向纸内偏转，这一束粒子可能是（　）．

A．向右飞行的正离子束

B．向左飞行的负离子束

C．向右飞行的电子束(www.zuozong.com)

D．向左飞行的电子束

第9题图

（上海市第三十届初中物理竞赛大同中学杯初赛试题）

10．如图所示，环形导线和直导线相互绝缘，且直导线又紧靠环的直径．如果直导线被固定不动，则两者通以图示方向的电流后，环形导线的运动情况是（　）．

A．从左侧观测，绕直导线顺时针转动

B．从左侧观测，绕直导线逆时针转动

C．沿纸面竖直向上运动

D．沿纸面竖直向下运动

第10题图

（上海市第二十九届初中物理竞赛大同中学杯初赛试题）

小磁针N极转动是受离子束磁场的影响，用安培定则可判断电流方向向左．

用安培定则判断AB导线周围磁场方向，再用左手定则分别判断环形导线上部和下部的受力状况．

应用排除法思考：当h＝0时，A、D中B为0，与事实不符，B中仅应用单位运算发现与表达式不符．

11．已知无限长通电直导线周围某一点的磁感应强度的表达式：B＝，其中r是该点到通电直导线的距离，I为电流强度，k为比例系数（单位为N／A2），如图a所示．则根据上式可推断，如图b所示，一个通电圆线圈半径为R，电流强度为I，其轴线上距圆心O点距离为h的某一点P的磁感应强度B的表达式可能正确的是（　）．

第11题图

（上海市第二十九届初中物理竞赛大同中学杯初赛试题）

12．在我们的日常生活、工业生产和高科技领域里，磁被广泛运用．目前，世界上研制的磁悬浮列车主要有两类：一类为超导型；一类为常导型．磁悬浮列车主要由悬浮系统、导向系统和推进系统等部分组成．我国在上海浦东成功建造了世界上第一条商用磁悬浮列车．它属于（　）．

A．超导型，其悬浮系统利用同名磁极互相排斥

B．超导型，其悬浮系统利用异名磁极互相吸引

C．常导型，其悬浮系统利用同名磁极互相排斥

D．常导型，其悬浮系统利用异名磁极互相吸引

（上海市第十八届初中物理竞赛大同中学杯复赛试题）

13．如图所示，L是电磁铁，在L正上方用弹簧悬挂一条形磁铁，设电源电压不变，闭合电键S待电磁铁稳定后，当滑动变阻器R的滑片P由上向下缓缓地滑动时，弹簧的长度将（　）．

A．变长

B．变短

C．先变长后变短

D．先变短后变长

第13题图

（上海市第十四届初中物理竞赛上科杯复赛试题）

14．如图甲是法拉第圆盘发电机实物图，主要部分是一个在磁场中转动的导体圆盘．若磁感线方向如图乙所示，导体圆盘绕中心轴按逆时针方向转动，当A、O分别与电路中的C、D接通时，设流过灯的电流为I1；当A、B分别与电路中的C、D接通时，设流过灯的电流为I2．则（　）．

A．I1为零，I2为零　B．I1不为零，I2为零

C．I1为零，I2不为零　D．I1不为零，I2不为零

第14题图

（浙江省第九届初中生自然科学竞赛初赛试题）

常导型磁悬浮列车是利用“异名磁极相互吸引”使列车悬浮起来，超导型磁悬浮列车是利用“同名磁极相互排斥”使列车悬浮起来．我国在上海浦东成功建造的世界上第一条商用磁悬浮列车是利用“异名磁极相互吸引”使列车悬浮起来的．

15．如图所示，使一个铜盘绕其竖直的轴转动，且假设摩擦力等阻力不计，转动是匀速的．现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则（　）．

A．铜盘转动将变慢

B．铜盘转动将变快

C．铜盘仍以原来的转速转动

D．铜盘的转动速度是否变化，要根据磁铁的两端哪是N极，哪是S极来决定

第15题图

（浙江省第一届初中生自然科学竞赛试题）

16．如图所示，三根彼此绝缘的无限长直导线的一部分ab、cd、ef两两相交并构成一个等边三角形，O为三角形的中心，M、N分别为O关于导线ab、cd的对称点，当三根导线中通以大小相等、方向如图所示的电流时，O点磁感应强度的大小为B1，M点磁感应强度的大小为B2，N点磁感应强度的大小为（　）．

A．B1　B．B2

C．B1＋B2　D．B1-B2

第16题图

（上海市第二十七届初中物理竞赛大同中学杯初赛试题）

17．小文同学学习了有关物理知识后，设想制作一个为气球充气的电动充气泵，她画出了如图甲所示的结构示意图，其中永久磁铁下方为S极．充气泵在工作过程中，通过电磁铁线圈的电流大小随时间变化情况如图乙所示．请简述这个气泵为气球充气的工作过程．

第17题图

（第二十三届全国初中应用物理知识竞赛巨人杯试题）

18．在南方，很多家庭的屋顶上安装有利用太阳能加热的水箱．利用磁铁、两个双触点的干簧管和一个带辅助触点的继电器可以组成一个水箱自动补水控制电器，所用元件如图所示．

说明：磁铁与水箱中的浮子固定相连，可随水箱中水面的高低变化而上下移动（水箱和其中的浮子均未画出）．干簧管有两个触点，一个常闭触点和一个常开触点．当磁铁由于水箱中水面变化而靠近干簧管时，常闭触点断开，常开触点接通；当磁铁由于水面变化而离开干簧管时，两个触点复原．继电器有两对触点：主触点和辅助触点．继电器线圈不通电时，两对触点均处于断开状态．当继电器线圈通电时，两对触点同时闭合．使用时主触点接在工作电路中，辅助触点接在控制电路中．

请你完成下列任务：

第18题图

（1）在图中完成电路的连接．

（2）说明电路的工作过程．

（第二十六届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题）

例1　C　例2　A　例3　B　例4　BCD

例5　E1＞E2；因为金属框是导体，当它在通过磁场的过程中会切割磁感线产生感应电流，使一部分机械能转化为电能（电能转化为内能），故E1＞E2

1．顺时针；逆时针

2．两枚硬币分开；每个硬币被磁化为一个磁体，磁体的同名磁极靠在一起，相互排斥

3．电磁感应；法拉第

4．指向上方；指向下方

5．D　6．A　7．B

8．减少；减少　当磁铁A的N极和磁铁B的S极靠在一起时，相当于组成了一根更长的条形磁铁，且接触点相当于磁铁的中部，因此磁性很弱，吸附的铁屑会减少；当软铁棒轻轻搁在两磁铁上时，软铁棒被磁化，磁铁A和磁铁B的部分磁感线通过软铁棒，对外的磁性就会减弱，吸附的铁屑会减少．

9．C　10．D　11．C　12．D

13．C　P由上向下，电阻小→大→小，电流大→小→大，磁性强→弱→强，斥力强→弱→强，弹簧短→长→短．

14．B

15．A　铜盘在磁铁中转动时会在铜盘中产生感应电流．由于电流热效应会产生内能．最终铜盘的动能转化为内能．

16．A　无限长直导线ab、cd、ef构成一个等边三角形，且三根导线中通以大小相等、方向如题图所示的电流，O为三角形的中心，且O点磁感应强度大小为B1，因为直导线ab、cd关于O点对称，所以这两根导线在O点的磁场为零，则磁感应强度大小B1是由直导线ef产生的，而直导线ab、ef关于N点对称，所以这两根直导线的磁场为零，因此N点的磁感应强度大小为B1．

17．（1）电流从电磁铁A端流入时，电磁铁上方为S极，永久磁铁受到电磁铁向上的磁力．弹性金属片带动连杆向上运动，弹性气囊被拉长．气室内气压小于外界气压．左侧阀门被关闭．右侧阀门打开，气体通过右侧阀门进入气室．

（2）电流从电磁铁B端流入时，电磁铁上方为N极，永久磁铁受到电磁铁向下的磁力．弹性金属片带动连杆向下运动，弹性气囊被压缩．气室内气压大于外界气压．右侧阀门被关闭．左侧阀门打开，气体通过左侧阀门进入排气管，为气球充气．

（3）如此反复，将气体不断充入气球．

18．连接电路如答图所示．

继电器主触点与水泵电机串联，接到电机的工作电源．

干簧管1的常开触点与干簧管2的常闭触点串联，再与继电器线圈串联后接到控制回路的工作电源．继电器辅助触点与干簧管1并联，其作用是自锁．

电路工作过程：当磁铁随水箱中水面变化降至干簧管1时，干簧管1的常开触点被吸合，控制电路接通，继电器线圈通电，吸合衔铁，同时通过绝缘拉杆带动继电器的两组触点闭合，主触点接通工作电路，使水泵电机转动，水箱中开始补水．

磁铁随水面升高离开干簧管1，干簧管1的常开触点释放断开，但由于这时辅助触点闭合并与干簧管1并联，所以控制电路仍然保持接通状态，水泵电机继续运行．

当磁铁随水面上升至干簧管2时，干簧管2的常闭触点断开，导致控制电路断开，继电器线圈失电，衔铁在复位弹簧的作用下被释放，同时继电器的两组触点断开，切断工作电路，水泵电机停转，水箱停止补水．

当磁铁随水面再次降至干簧管1时，则再次重复上述过程．这样便实现了水箱自动补水．

第18题答图