认识实验七：电学探究型实验
实验七：探究通电螺线管外部的磁场分布
【实验目的】探究影响通电螺线管磁性强弱的因素。
【实验器材】电源、滑动变阻器、导线若干、电磁铁、大头钉、开关、铁钉若干。
【实验方法】①控制变量法；②转换法：通过比较螺线管吸引大头针的多少反映磁性的强弱。
【实验原理】电流的磁效应
【实验猜想】①磁性强弱与线圈的匝数有关系；
②磁性强弱与电流有关系；
③磁性强弱与有无铁芯有关系。
【实验步骤】
（一）探究电磁铁磁性强弱与电流大小的关系
方案：保持铁芯、线圈匝数不变,改变通过电磁铁的电流大小,观察电磁铁吸引大头针的多少来判断电磁铁的磁性强弱。
现象：增大电流,电磁铁吸引的大头针数目增多.
结论：铁芯、线圈匝数不变时，通过电磁铁的电流越越大,，电磁铁的磁性越强.
电磁铁磁性强弱与电流大小有关.
（二）探究电磁铁磁性强弱与线圈匝数的关系
方案：保持电流、铁芯不变,改变线圈的匝数,观察电磁铁吸引大头针的多少来判断电磁铁的磁性强弱。
现象：线圈匝数越多，电磁铁吸引的大头针数目增多.
结论：当电流和铁芯不变时，线圈匝数越多，电磁铁磁性越强.电磁铁磁性强弱与线圈的匝数有关.
（三）探究通电螺线管的磁性强弱与有无铁芯的关系
方案：保持电流、线圈匝数不变,比较不插入铁芯和插入铁芯时,观察电磁铁吸引大头针的多少来判断电磁铁的磁性强弱。
数据记录：
现象：插入铁芯后，通电螺线管吸引的大头针数目增多.
结论：当电流和线圈匝数不变时，插入铁芯，通电螺线管磁性大大增强.电磁铁磁性强弱与线圈的匝数有关.
【实验结论】
①磁性强弱与线圈的匝数有关系：当电流和铁芯不变时，线圈匝数越多，电磁铁磁性越强；
②磁性强弱与电流有关系：铁芯、线圈匝数不变时，通过电磁铁的电流越越大,，电磁铁的磁性越强；
③磁性强弱与有无铁芯有关系：当电流和线圈匝数不变时，插入铁芯，通电螺线管磁性大大增强。
【考点方向】
1.电磁铁的优点：
电磁铁磁性有无，可用电流的通断来控制
电磁铁磁性强弱，可用改变电流的大小来控制
电磁铁的极性变换，可用改变电流的方向来实现。（或对调电源正负极）
2.实验原理：电流的磁效应。
3.实验涉及到的方法：控制变量法、转换法。
4.电磁铁是一个带有铁芯的通电螺线管。
5.实验得到的结论：通电螺线管的磁性强弱与电流的大小、线圈的匝数、是否有铁芯有关。
6.电磁铁的应用有哪些？答：电磁起重机、电铃、电话听筒、话筒、电磁继电器、磁悬浮列车。
7.实验过程中，当插入通电螺线管后磁性大大增强的原因是什么？
答：因为铁芯在通电螺线管产生的磁场中被磁化后相当于一根磁铁。
8.该实验过程中改变电流的大小是通过改变滑动变阻器的阻值实现的
9.该实验中滑动变阻器的作用是：保护电路、改变电流大小。
10.实验过程中，记录多组数据的目的：为了得出普遍规律，避免实验的偶然性。
11.如果在实验中为了探究电流对通电螺线管磁性的强弱的影响时，还可以增加一项仪器电流表。
12.实验中用铁棒而不用钢棒的原因：钢棒被磁化后成为永磁铁，断电后仍有磁性，大头针不会掉下来。
【典例1】（2021·湖北宜昌市·中考真题）通电螺线管外部的磁场是怎样分布的，我们通过以下实验来进行探究：
（1）在硬纸板上放置一个螺线管，周围均匀地撒满铁屑，给螺线管通电后，铁屑被_____。轻敲纸板，观察铁屑的排列情况如图甲所示，图乙和图丙分别是蹄形磁体和条形磁体的磁场分布情况，对比分析可知通电螺线管外部的磁场分布与______磁体的相似；
（2）我们要判断通电螺线管外部的磁场方向，需要借助______；
（3）根据前面的实验结果，把通电螺线管看成一个磁体，它的两极如图于所示，为了进一步探究通电螺线管的极性与环绕螺线管的电流方向之间有什么关系我们下一步要做的是______，观察______。
【答案】磁化；条形；小磁针；改变电流方向（调换电源正负极）；小磁针的指向。
【解析】（1）[1]通电螺线管周围存在磁场，铁钴镍等物质是能够被磁化的，所以把铁屑撒在通电螺线管周围，铁屑会被磁化。
[2]对比甲、乙、丙三图可知，通电螺线管外部的磁场分布与条形磁体的相似。
（2）[3]我们规定小磁针静止时N极所指方向为该点的磁场方向，要判断通电螺线管外部的磁场方向，需要借助小磁针。
（3）[4][5]要探究通电螺线管的极性与环绕螺线管的电流方向之间有什么关系，就要改变导线中电流的方向，所以接下来我们需要对调电源的正负极，通过观察小磁针的指向来判断通电螺线管的N、S极。
【典例2】（2021·云南昆明市·中考真题）为了探究磁场，小华做了如下实验。
甲 乙 丙
（1）探究磁体周围的磁场：
①在玻璃板上均匀撒上一层铁屑，再将玻璃板放在条形磁体上方，然后______玻璃板，观察铁屑的分布情况。铁屑在磁场中被______成一个个小磁针，从而在磁场中有序地排列起来，如图甲所示；
②再在玻璃板上放一些小磁针，小磁针静止时的情况如图乙所示，黑色一端表示磁体的N极，某点小磁针______极所指的方向就是该点的______方向；
③人们仿照铁屑在磁场中排列的情况和小磁针N极的指向画出一些带箭头的曲线来形象、直观地描述磁场，物理学中把这样的曲线叫作______。
（2）探究通电螺线管周围的磁场：
①把小磁针放在螺线管四周不同的位置，通电后发现小磁针的指向如图丙所示，说明通电螺线管周围的磁场跟______磁体的磁场相似，图中_____（选填“左”成“右”）端是螺线管的N极；
②对调电源的正负极重复上述实验，小磁针的指向与之前相反，说明通电螺线管的极性跟______有关，断开开关后，小磁针静止时______极指向南方。
【答案】轻敲；磁化；N；磁场；磁感线；条形；右；电流方向；S。
【解析】（1）[1]轻敲玻璃板的目的是减小摩擦力对铁屑的影响。
[2]铁屑在磁场中会被磁体磁化，成为一个个小磁针，具有了磁性，从而在磁场中有序地排列起来。
[3][4]物理学规定，磁场中某点小磁针N极方向即为该点的磁场方向。
[5]为了形象地描述磁场，人们用一些带箭头的曲线来表示磁场的存在以及磁场的强弱，这样的曲线叫做磁感线，磁感线不是实际存在的。
（2）[6][7]由图丙从铁屑的排列情况可以看出，通电螺线管的磁场分布与条形磁体相似，都是具有两个磁性较强的磁极；电流左进右出，根据安培定则，右边为N极。
[8][9]对调电源的正负极重复上述实验，电流方向相反，小磁针的指向与之前相反，说明通电螺线管的极性跟电流方向有关；小磁针相当于指南针，静止时S极指地理南方。
1．在“探究通电螺线管外部磁场的方向”实验中：
（1）小磁针的作用： 。
（2）在螺线管外部A、B两处放置小磁针，闭合开关，发现A处小磁针发生偏转，而B处小磁针不偏转，试说明B处小磁针不偏转的可能原因：
（3）将电池的正负极对调，重复上述实验，是为了探究通电螺线管外部磁场的方向与 方向的关系。
（4）观察实验现象后，应立即断开开关，是为了 。
【答案】（1）检验磁场的存在；（2）小磁针N极的指向与磁场方向相同；（3）电流；（4）保护电路，防止螺线管温度过高。
【解析】（1）通电时螺线管周围存在磁场，小磁针在磁场中受到力的作用会发生偏转，所以小磁针能显示磁场的存在；当电流方向改变时，产生的磁场方向也改变，所以小磁针的偏转方向也改变，因此利用小磁针还可以判断磁场的方向；
（2）在螺线管外部A、B两处放置小磁针，闭合开关，发现A处小磁针发生偏转，A处的小磁针会指示磁场的方向；B处小磁针不偏转，可能原因是小磁针N极的指向与磁场方向相同；
（3）将电池的正负极对调，此时螺线管中电流的方向发生变化，磁场的方向发生变化，是为了探究通电螺线管外部磁场的方向与电流方向的关系；
（4）螺线管是由导线绕成的，其电阻较小，根据欧姆定律可知，通过螺线管的电流较大，产生的热量较多，为了保护电路，观察实验现象后，应立即断开开关。
2.在探究通电螺线管外部磁场的实验中，采用了如图1所示的实验装置。
（1）当闭合开关S后，小磁针________发生偏转（填“会”或“不会”），说明通电螺丝管与小磁针之间是通过________发生力的作用。
（2）用铁屑来做实验，得到了如图2所示的情形，它与________磁铁的磁场分布相似。为描述磁场而引入的磁感线________真实存在的。
（3）为了研究通电螺线管的磁极性质，老师与同学们一起对螺线管可能的电流方向和绕线方式进行了实验，得到了如图所示的四种情况。实验说明通电螺线管的磁极极性只与它的________有关，且这个关系可以用________判断。
（4）闭合开关S，通电螺线管周围的小磁针N极指向如图3所示，由图可知：在通电螺线管外部，磁感线是从________极发出，最后回到________极。
【答案】（1）会；磁场；（2）条形；不是；（3）电流方向和绕线方法；安培定则；（4）北；南。
【解析】（1）由图1，电源左端为正极，右端为负极，根据安培定则可以判断通电螺线管右端为N极，左端为S极。根据异名磁极相吸引，由图可知小磁针会发生逆时针偏转；通电螺线管和小磁针之间的作用是通过磁场发生的。
（2）由图2可知：通电螺线管的外部磁场与条形磁铁的磁场相似；磁感线是为了能形象描述磁场而引入的，不是真实存在。
（3）四个图中的螺线管电路中甲和乙的绕线方式相同，电流方向不同，根据小磁针的指向情况知：甲的右端为S极，乙的右端为N极；同理丙丁也是如此，所以实验说明螺线管的绕线方式相同时，极性只与它的电流方向有关；由甲、丙或乙、丁图分析知，电流方向相同，绕线方法不同其极性不同，所以可以得到通电螺线管的磁极极性跟绕线方法有关。这个关系可以用安培定则来判断。
（4）由图3根据安培定则可知，通过螺线管的左端为S极，右端为N极，根据周围小磁针N极指向与该点磁感线方向一致可知：在通电螺线管外部，磁感线是从北极发出，最后回到南极。