电话和传感器
九年级物理
第八章
第三节
电话和传感器
授课人:
上课时间:
月
日
__班
学生姓名__________
学习目标
1、知道听筒，话筒的工作原理。2、知道传感器的原理
自学备注
重难点
电话、扬声器的构造和基本工作原理
学习过程
一、知识链接
1．电话的构造和基本工作原理（1）简单的电话装置由话筒、听筒和电源组成。在通话的两部电话中，甲的话筒和乙的话筒则是串联在另一个电路中。（2）话筒的组成：膜片、金属盒、碳粒等。整体作用相当于一个滑动变阻器。（3）听筒的组成：永磁体、螺线管（它缠绕在磁铁上而不是铁芯上，这样会增强电磁铁对膜片的吸引力）、膜片等。（4）工作原理A．话微的工作原理：当人对着话筒说话时，声波使膜片振动，膜片忽松忽紧的挤压接触关不紧密的碳粒，使电阻忽大忽小，在电路中就产生了强弱按声音变化的电流。B．听微的工作原理：强弱变化的电流传到听筒里，使电磁铁的磁性变化起来，对膜片（薄铁片）的吸引力也忽强忽弱，这样膜片也振动起来了，发出和对说话相同的声音。因此电话工作原理是：振动——变化的电流——振动。2．扬声器（1）扬声器是把电信号转化成声信号的一种装置。它主要由固定的永久磁体、线圈和锥形纸盆构成。（2）扬声器的工作原理：当有交变电流通过线圈时，线圈受到磁体的作用力（吸引或排斥）不断地来回振动，带动纸盆来回振动，于是扬声器就发出了声音。3．传感器（1）传感器是实现信息转换信号的器件。（2）生活中常见的传感器及应用：声音传感器、温度传感器、红外线传感器、光传感器、烟气传感器、压力传感器等。4．电磁的相互作用及其应用（1）电磁铁工作原理的理解。（2）电磁继电器实质及工作原理的理解。（3）发电机发电工作原理的理解。（4）电动机工作原理的理解。
自学检查
思维导图电磁感应现象
【教学目标】
一、知识与技能
1、知道电磁感应现象的发现相关的物理学史；
2、能根据实验事实归纳产生感应电流的条件.
二、过程与方法
1、体会科学探索的过程特征，领悟科学思维方法；
2、通过演示和学生设计实验,培植学生的科学兴趣,培养学生的创新意识和创新能力,实验动手能力以及对现象的概括归纳能力.
领会合作的乐趣.
3、领悟科学探究中提出问题、观察实验、得出结论、归纳总结等要素在研究物理问题时的重要性。
三、情感、态度与价值观
1、通过对物理学中对称美、简洁美的介绍赏析，培养学生欣赏物理学中美的情怀。
2、经历科学探究的过程，培养学生的科学态度和科学精神。
3、以科学家不怕失败、勇敢面对挫折的坚强意志激励自己。
【教学重点和难点】
教学重点：电磁感应的内涵以及探索电磁感应现象的科学思想和方法.
教学难点：教师对学生探究式学习的操控及学生对实验现象的分析总结──磁通量的变化。
【教学方法和手段】
本课以探究式教学模式为主，结合问题法、演示法、启发法、归纳法、多媒体辅助法等教学方法。
【教学准备】
多媒体设备一套,自制辅助教学课件，一张讲桌。
演示实验:灵敏电流计,蹄形磁铁,自制线框一只,长导体棒一根,干电池一节，可拆卸变压器一个，导线若干.
学生分组实验:灵敏电流计,滑动变阻器,条形磁铁,原副线圈一套,干电池一节,开关一只，导线若干.
【教学过程】
一、提出问题，导入课题
教师朗诵《早发白帝城》，同时利用多媒体展示三峡风景，师：如今，诗人笔下的三峡，不仅风景秀丽依然，更在为祖国的建设做着巨大的贡献，世界上最大的水力发电厂———三峡电厂共投入使用26台巨型发电机，年发电量847亿千瓦时，发电厂中的发电设备是如何获得强大的电能的 接下来我们再做一个小游戏，需要3三位勇敢的同学参加，我这里有绕在一个铁心上的两个线圈，其中一个线圈通过电建接在一节1.5v的干电池两端，而参加游戏的同学手拉手与另外一个线圈构成回路。把电键断开，问参加游戏的同学的感受。师：像被电了一下，同学们构成的原本并没有电源的回路好像也发电了，这其中有什么奥秘呢？让我们一起跨越千年的鸿沟，回到19世纪，探索其中的奥秘。
二、知识构建，方法梳理
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了――电流的磁效应，揭示了电和磁之间存在着联系，这一惊人发现使当时整个科学界受到很大的震动，受到了这一发现的启发，人们由物理学中的“对称”思想开始考虑这样一个问题：既然“电能生磁”，那“磁能不能生电”呢？从1820年到1831年，当时许多著名的科学家如法国的安培、菲涅尔、阿拉果和英国的沃拉斯顿等都纷纷投身于探索磁与电的关系之中。他们用各种很强的磁铁试图产生电流，但均无结果。早在1822年,
法拉第在笔记本中就记下了这样的信念:
“一定要转磁为电”,人们最容易想到的就是把导线绕在磁铁上来实现磁生电，起初，法拉第也试图用强磁铁靠近闭合导线或用强电流使邻近的闭合导线中产生出稳定的电流，但都一次次地失败了。他泡在实验室里，进行各种磁电试验，试验、失败、再试验，功夫不负有心人，法拉第坚韧不拔的精神终于迎来了电学史上最辉煌的一天，1831年8月29日，经过大量实验后，他终于实现了“磁生电”的夙愿，宣告了电气时代的到来。同学们如果你们是当时的法拉第，你们会如何从实验中去找到这种前所未有的感应现象呢？师：我们在初中就学过，导体切割磁感线时，闭合电路中有电流产生。
（教师演示）学生观察实验现象完成实验记录表格：
实验操作
实验现象
实验结论
水平左右运动
偏转
导体切割磁感线时有感应电流产生
斜向运动
偏转
竖直上下运动
不偏转
在这个实验中，磁场是由马蹄形磁体提供的。是不是只有马蹄形磁铁才能提供磁场呢？生：不，电流也能产生磁场，通电电螺线管也能产生磁场。师：通电螺线管的磁场与哪种磁体周围的磁场相似？生：条形磁铁。师：好。除了这个演示实验所示的方法外，还有没有另外的利用磁场产生电流的办法呢？请大家思考一下,如果我们要进行这个探究实验,器材应该如何去选.
引导学生总结:①要有产生磁场的物体:如蹄形磁铁、条形磁铁、通电螺线管等;②要有能够显示电流的器材,如灵敏电流计等;③要有产生感应电流的装置,如导体棒、线圈等.请大家选用桌上的实验器材，自己设计实验方案并画图和记录实验现象的表格，前后6个同学一组，共同探究利用磁场怎么样才能产生电流。若实验器材不够，请到台前来取。教师巡视指导学生实验。
学生展示实验成果：1.螺线管与灵敏电流计构成闭合回路，条形磁铁提供磁场
实验操作
实验现象
实验结论
N极插入线圈
磁铁插入和拔出线圈时产生感应电流
N极停在线圈中
N极从线圈中抽出
S极插入线圈
S极停在线圈中
S极从线圈中抽出
2.大螺线管与灵敏电流计构成闭合回路，小螺线管通过电建、滑动变阻器接在电源两端提供磁场。
实验操作
实验现象
实验结论
开关闭合瞬间
只有当小线圈中电流发生变化，大线圈中才有感应电流
开关始终闭合，滑动变阻器也不动
开关始终闭合，但迅速移动滑动变阻器滑片
开关断开瞬间
对于2的补充：a.
小螺线管插入和拔出
b.
小螺线管中的铁心插入和拔出的过程也会有感应电流产生
看来没有切割磁感线时也可能会产生感应电流，高中阶段我们将对这种现象赋予一种新的解释。多媒体展示几种实验方案的实验电路图并引导学生总结产生感应电流的五种方式：即：“变化的电流，变化的磁场，运动的稳恒电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体。”教师引导，五种方式太繁琐，而物理规律向来有简洁、普适之美，如果能把这五种情况的共同之处找出来用一句话概括就好了，为此需要引入一个物理概念，多媒体展示同一线圈放在磁感线疏密不同的地方，在磁场中同一处放大小不同的线圈，线圈垂直放置和斜放。穿过线圈的磁感线条数不同，定义磁通量Ф为穿过某一面积的磁感线条数，Ф=BS，（线框垂直于磁场放置）。归纳五种情况穿过回路的磁通量都发生了变化，请学生总结结论，产生感应电流的条件：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流产生。教师：任何一个物理概念的引入都是物理规律的需要。“电生磁”现象的发现为人们梦寐以求的“磁生电”点燃了希望之光。由于法拉第对当时产生电的方法（伏打电池既昂贵产生的电流很小）不满意，在发现电磁感应现象之后，同年10月28日,法拉第还进行了最早的发电机实验.制作了圆盘发电机这台实验装置是人类历史上第一台发电机.传说当年法拉第在用他制造的发电机模型向人们展示电磁感应现象时,
一位贵妇人不以为然的问话:
`请问,
先生,
您发明的这小玩意有什么用呢
'法拉第不失风度地向这位夫人微微一欠身从容地回答道:
`夫人,
新生的婴儿又有什么用呢
'多么恰当的比喻,
法拉第的铜盘发电机确实只发出了微小的电流.然而,
它又是真正的实用的发电机的原始形态.看看今天电所处的地位,谁也不能不承认,昔日的婴儿,现今已成长为伟大的巨人.
人们利用风力、水力、火力等带动发电机,得到源源不断的廉价的电能,使人类走进了电气时代.
令人瞩目的三峡工程也离不开法拉第的伟大发现，同学们自己体验了探究感应电流产生的过程，但也一定很想了解法拉第及当时科学家们研究磁生电的一些情况，在上周给同学们布置了探究课题查找相关资料，都找了么？请查阅到资料的小组代言人上来分享他们的成果。总结失败的原因和成功的经验。
【探究性活动】摇"绳"能发电吗
【拓展】电流是有能量的。若能发电请问“摇绳”中的电能从哪来？
【作业】选作1—2小题
1.
闭合电路中有电源就有电流；闭合电路中发生磁通量变化就有电流。从这两句话中，我们得到什么启示？！
2.
尝试解释本节课开始做的小游戏中出现的现象。
3..阅读短文,回答问题
从无意中的觉察到伟大的发现
1822年,法拉第想到:既然电流可以产生磁,那么,反过来,磁能否产生电流呢 他决心去探索"磁生电"的途径,并对这个问题进行了长期艰苦的探索.1831年的一天,他做的实验再次失败,他依然想不出个所以然,只好动手收拾器材,就在他从线圈中收起一根磁铁时,无意间发现和线圈相连的电流计上的指针摇动了一下;于是他抓住这一机会探究下去,终于发现了感应电流——"磁"确能产生电流!
法拉第在不断重复这个实验的时候,领悟到:静止的磁不能产生电,只有运动的磁才能生电啊!许多年来,那么多有才华的科学家孜孜不倦、苦心探索的问题,答案竞是如此简单!他们之所以在电磁的研究领域徘徊不前,原来是"静电"和"静磁"的框架束缚了他们的头脑、这说怪也不怪,大凡人们在思考问题的时候,总喜欢按习惯的方法和现有的思想体系来进行逻辑推理,这叫做思维定势.到了这一步创造能力已被窒息,再要前进就困难了.
阅读上文后,请你回答:
(l)"磁生电"在物理学里叫做什么现象!请你举一个实际应用的例子(2)我们要有新的发现,最重要的是要具有什么样的科学观念 (请写出两个要点)磁场对电流的作用
基础知识归纳
1.安培力：磁场对电流的作用力
(1)安培力的大小F＝ BILsin
θ (θ为B与I的夹角).
①此公式适用于 任何磁场 ，但只有匀强磁场才能直接相乘.
②L应为 有效长度 ，即 曲线的两端点连线在垂直于磁场方向的投影长度 ，相应的电流方向沿L(有效长度)由始端流向终端.任何形状的闭合线圈，其有效长度为零，所以通电后，闭合线圈受到的安培力的矢量和为零.
③当θ＝90°时，即B、I、L两两相互垂直，F＝ BIL ；
当θ＝0°时，即B与I平行，F＝0；
当B与I成θ角时，F＝BILsin
θ.
(2)安培力的方向：用左手定则来判定(左手定则见课本).
安培力(F)的方向既与磁场(B)方向 垂直 ，又与电流I的方向 垂直 ，安培力F垂直于 B与I决定的平面 ，但B与I可不垂直.
2.磁电式仪表的原理
(1)电流表的构造主要包括： 蹄形磁铁 、圆柱形铁芯、线圈、螺旋弹簧和指针.蹄形磁铁和铁芯之间的磁场是均匀的 辐向 分布的，如图所示.无论通电导线处于什么位置，线圈平面均与磁感线 平行 .给线圈通电，线圈在安培力的力矩的作用下发生转动，螺旋弹簧变形，产生一个阻碍线圈转动的力矩，当两者平衡时，线圈停止转动.电流越大，线圈和指针的偏转角度也就越大，所以根据线圈偏转的角度就可以判断通过电流的大小.线圈的电流方向改变时，安培力的方向也就随着改变，指针偏转的方向也就改变，所以根据指针的偏转方向，就可以判断被测电流的方向.
(2)磁电式仪表的优点是 灵敏度高 ，可以测出很弱的电流；缺点是绕制线圈的导线很细，允许通过的电流 很小 .
重点难点突破
一、判断通电导体(或磁体)在安培力作用下的运动的常用方法
1.电流元受力分析法
即把整段电流等效为很多直线电流元，先用左手定则判断出每小段电流元所受安培力的方向，从而判断出整段电流所受合力的方向，最后确定运动方向.
2.特殊位置分析法
把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置(如转过90°)后再判断所受安培力的方向，从而确定运动方向.
3.等效分析法
环形电流可以等效成条形磁铁，条形磁铁也可以等效成环形电流，通电螺线管可等效成很多的环形电流.
4.推论分析法
(1)两直线电流相互平行时无转动趋势，方向相同时相互吸引，方向相反时相互排斥；
(2)两直线电流不平行时有转动到相互平行且方向相同的趋势.
5.转换研究对象法：因为电流之间，电流与磁体之间相互作用满足牛顿第三定律，这样定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律来确定磁体所受的电流作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向.
二、安培力与力学知识的综合运用
1.通电导体在磁场、重力场中的平衡与加速运动问题的处理方法和纯力学问题一样，无非是多了一个安培力.
2.解决这类问题的关键
(1)受力分析时安培力的方向千万不可跟着感觉走，牢记安培力方向既跟磁感应强度方向垂直又和电流方向垂直.
(2)画出导体受力的平面图.
做好这两点，剩下的问题就是纯力学问题了.
带电粒子在磁场中的运动
基础知识归纳
1.洛伦兹力
运动电荷在磁场中受到的力叫洛伦兹力.通电导线在磁场中受到的安培力是在导线中定向移动的电荷受到的洛伦兹力的合力的表现.
(1)大小：当v∥B时，F＝ 0 ；当v⊥B时，F＝ qvB
.
(2)方向：用左手定则判定，其中四指指向 正 电荷运动方向(或 负 电荷运动的反方向)，拇指所指的方向是 正 电荷受力的方向.洛伦兹力 垂直于 磁感应强度与速度所决定的平面.
2.带电粒子在磁场中的运动(不计粒子的重力)
(1)若v∥B，带电粒子做平行于磁感线的 匀速直线 运动.
(2)若v⊥B，带电粒子在垂直于磁场方向的平面内以入射速度v做 匀速圆周运动 .洛伦兹力提供带电粒子做圆周运动所需的 向心力 ，由牛顿第二定律qvB＝得带电粒子运动的轨道半径R＝，运动的周期T＝.
3.电场力与洛伦兹力的比较
电场力
洛伦兹力
存在条件
作用于电场中所有电荷
仅对运动着的且速度不与磁场平行的电荷有洛伦兹力的作用
大小
F＝qE与电荷运动速度 无关
f＝Bqv与电荷的运动速度 有关
方向
力的方向与电场方向 相同 或 相反 ，但总在同一直线上
力的方向始终和磁场方向 垂直
对速度的改变
可以改变电荷运动速度 大小 和 方向
只改变电荷速度的 方向 ，不改变速度的 大小
做功
可以 对电荷做功， 能 改变电荷动能
不能 对电荷做功， 不能 改变电荷的动能
偏转轨迹
静电偏转，轨迹为 抛物线
磁偏转，轨迹为 圆弧
重点难点突破
一、对带电体在洛伦兹力作用下运动问题的分析思路
1.确定对象，并对其进行受力分析.
2.根据物体受力情况和运动情况确定每一个运动过程所适用的规律(力学规律均适用).
总之解决这类问题的方法与纯力学问题一样，无非多了一个洛伦兹力，要注意：
(1)洛伦兹力不做功，在应用动能定理、机械能守恒定律时要特别注意这一点；
(2)洛伦兹力可能是恒力也可能是变力.
二、带电粒子做匀速圆周运动的圆心、半径及运动时间的确定
1.圆心的确定一般有以下四种情况：
(1)已知粒子运动轨迹上两点的速度方向，作这两速度的垂线，交点即为圆心.
(2)已知粒子入射点、入射方向及运动轨迹上的一条弦，作速度方向的垂线及弦的垂直平
分线，交点即为圆心.
(3)已知粒子运动轨迹上的两条弦，作出两弦垂直平分线，交点即为圆心.
(4)已知粒子在磁场中的入射点、入射方向和出射方向(不一定在磁场中)，延长(或反向延长)两速度方向所在直线使之成一夹角，作出这一夹角的角平分线，角平分线上到两直线距离等于半径的点即为圆心.
2.半径的确定和计算.圆心找到以后，自然就有了半径，半径的计算一般是利用几何知识，常用到解三角形的方法及圆心角等于弦切角的两倍等知识.
3.在磁场中运动时间的确定，利用圆心角与弦切角的关系，或者是四边形内角和等于360°计算出圆心角θ的大小，由公式t＝T可求出运动时间，有时也用弧长与线速度的比t＝.
三、两类典型问题
1.极值问题：常借助半径R和速度v(或磁场B)之间的约束关系进行动态运动轨迹分析，确定轨迹圆和边界的关系，求出临界点，然后利用数学方法求解极值.
注意：
(1)刚好穿出磁场边界的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切；
(2)当速度v一定时，弧长(或弦长)越长，圆周角越大，则带电粒子在有界磁场中运动的
时间越长.
2.多解问题：多解形成的原因一般包含以下几个方面：
(1)粒子电性不确定；(2)磁场方向不确定；(3)临界状态不唯一；(4)粒子运动的往复性等.
