模塊三新能源汽車轉向燈控制電路任務三探究磁場分布及通

電直導線在磁場中的運動【任務目標】1）掌握磁場、磁感線及相關物理量；2）了解磁場對電流的作用；3）掌握用右手螺旋定則（安培定則）判別通電直導體和線圈產生磁場方向的方法；4）掌握用左手定則判定通電直導線在磁場中所受作用力方向的方法；5）了解直流電動機工作原理?！救S目標】1）培養(yǎng)勤思考、愛動手、善發(fā)現、樂探究的學習態(tài)度；2）養(yǎng)成勤儉節(jié)約、團結協作、精益求精的工作習慣；逐漸培養(yǎng)勇于探索工程領域復雜實驗和工程問題的學習興趣。1）具備用鐵屑及條形磁鐵模擬磁場分布實驗的能力；2）具備正確連接通電直導線產生的磁場及磁感線器件的能力；3）具備正確連接通電直導線在磁場中運動器件的能力；4）具備分析直流電動機工作原理的能力。知識目標：核心素養(yǎng)：技能目標：【任務描述】【任務描述】

新能源汽車上的電動機的工作與磁場和電磁感應密切相關。磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質。磁場雖然不是由原子或分子組成的，但卻是客觀存在的。本任務借助探究電磁場分布及通電直導線在磁場中的運動來介紹磁場及其物理量和在新能源汽車直流電動機上的應用。【任務實施】01器材器材探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動所需的器材如表3-10所示。表3-10探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動所需的器材序號名稱實物圖1

導線

2

磁鐵

3

直導線

4斜口鉗5剝線鉗

6開關7帶磁鐵和換向器的矩形線圈

8線圈

9電阻

10滑動變阻器

11電流表12U型磁鐵（帶導軌）

13蓄電池

序號名稱實物圖序號名稱實物圖序號名稱實物圖02探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動1.探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動如表3-11所示。表3-11探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動序號任務實施描述實施示意圖1

將條形磁鐵放置在一塊平板玻璃上，如右上示意圖所示。接著在玻璃上撒鐵屑粉，如右下示意圖所示，觀察鐵屑粉的分布情況，并記錄。

2將條形磁鐵放置在一塊平板玻璃上，并在條形磁鐵的周邊放置小磁針，觀察小磁針偏轉現象，并記錄。

3通電直導線產生磁場：按右示意圖所示的①至⑤序號裁剪適合長度的導線、剝離相關導線線頭的絕緣皮，并依次連接相關元件。線路連接完畢，在直導線旁放置一小磁針，如右示意圖。探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動1.探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動如表3-11所示。表3-11探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動4

在序號3的基礎上，閉合開關，觀察小磁針發(fā)生的現象，見右上示意圖，并記錄。接著斷開開關，改變電路通電電流的方向，如右下示意圖所示，再次接通開關，觀察小磁針發(fā)生的現象，并記錄。

5通電直導線在磁場中的運動：按右示意圖所示裁剪適合長度的導線、剝離相關導線線頭的絕緣皮，并依次連接相關元件。探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動1.探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動如表3-11所示。表3-11探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動6

在序號5的基礎上，接通開關，如右上示意圖所示，觀察直導線發(fā)生的現象，并記錄。斷開開關，改變U型磁鐵N、S極方向，如右下示意圖所示，接通開關，觀察直導線發(fā)生的現象，并記錄。在上述任務實施的基礎上，讀者可再依次分別改變滑動變阻器阻值或電池正負極方向，再分別觀察直導線發(fā)生的現象（運動方向和快慢），并記錄。

探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動1.探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動如表3-11所示。表3-11探究磁場分布及通電直導線在磁場中的運動7

通電矩形線圈在磁場中的運動：按右上示意圖所示裁剪適合長度的導線、剝離相關導線線頭的絕緣皮，并依次連接相關元件。元件連接完畢，確認連接無誤后，接通開關，如右下示意圖所示，觀察矩形線圈發(fā)生的現象，并記錄。改變滑動變阻器的位置或改變磁鐵N、S極位置后，再次通電，分別觀察矩形線圈發(fā)生的現象，并記錄。

8任務實施完畢，整理所用的儀器和元件，歸位。03記錄任務實施產生的數據或現象記錄任務實施產生的數據或現象記錄任務實施產生的數據或現象如表3-12所示。表3-12任務實施產生的數據或現象班級：姓名：日期：1.作業(yè)前準備1）檢查儀表和元件是否齊全□是

□否2）檢查電流表通電是否正?！跏?/p>

□否2.記錄數據或現象1）序號2，小磁針偏轉方向

。2）序號4，通電后小磁針發(fā)生現象

；改變通電方向后，小磁針發(fā)生現象

。3）序號6，通電后直導線發(fā)生現象

；改變U型磁鐵N、S極方向后，再通電，直導線發(fā)生現象

；增大滑動變阻器阻值后，再通電，直導線發(fā)生現象

；改變電磁正負極方向后，再通電，直導線發(fā)生現象

。4）序號8，通電后矩形線圈發(fā)生現象

；改變磁鐵N、S極方向后，再通電，矩形線圈發(fā)生現象

；改變蓄電池正負極方向后，再通電，矩形線圈發(fā)生現象

。你能解釋這一現象嗎？

04實施評價【實施評價】表2-18實施評價序號評價項目評價細則分值自評分值互評分值教師評分1準備工作1.選擇直導線

□正確□錯誤2.選擇矩形線圈□正確□錯誤3.選擇U型磁鐵□正確□錯誤4.選擇滑動變阻器□正確□錯誤5.選擇電流表□正確□錯誤5

2條形磁鐵產生磁場

1.條形磁鐵放置□正確□錯誤2.磁粉撒落□正確□錯誤3.磁粉分布□清晰□雜亂10

3通電直導線產生磁場1.電路連接□正確□錯誤2.通電后小磁針現象□偏轉□不動3.通電方向改變后，小磁針現象□反向偏轉□不動15

4通電直導線在磁場中運動1.電路連接□正確□錯誤2.通電后直導線現象□移動□不動3.滑動變阻器阻值減小后，通電后直導線現象□移動變快□不變□移動變慢4.U型磁鐵N、S極改變，通電后直導線現象□反向移動□移動方向不變20

【實施評價】表2-18實施評價5通電矩形線圈在磁場中運動1.電路連接□正確□錯誤2.通電后矩形線圈現象□轉動□不動3.滑動變阻器阻值減小后，通電后矩形線圈現象□轉動變快□不變□轉動變慢4.U型磁鐵N、S極改變，通電后矩形線圈現象□反向轉動□轉動方向不變20

6綜合素養(yǎng)節(jié)儉、探究意識1.裁剪導線長度□適宜□過長□過短2.觀察現象□細致□粗心3.解決問題□自行□幫助4.線頭連接

□緊致□松脫10

安全文明生產1.操作動作□規(guī)范□錯誤2.儀表和元件歸位□正確□雜亂3.工位清潔和整理

□整潔□雜亂10

7操作時間

操作時間為90分鐘，每超過1分鐘扣1分。10

8合計100

說明：每項分都是扣完為止班級：學號：姓名：

教師簽名：【知識鏈接】目錄CONTENTS一、磁體及性質三、通電直導線或線圈產生的磁場及磁感線二、磁場及磁感線四、磁場基本物理量五、磁場對電流的作用六、磁場對電流作用在新能源汽車直流電動機的應用一磁體及性質磁體及性質

觀察表3-11序號1的現象，我們把條形磁鐵吸引鐵磁粉或鐵、鎳、鈷等金屬的性質稱為磁性。具有磁性的物體叫磁體。常見的磁體有條形、馬蹄形、圓形等，其實物如圖3-22所示。磁體上磁性最強的部位叫磁極。任何磁體都有兩個磁極，而且無論怎樣把磁體分割，磁體總保持兩個磁極，通常以S表示磁體的南極，以N表示磁體的北極。磁極間的相互作用力叫磁力，磁極間相互作用的規(guī)律是：同性相斥，異性相吸，如圖3-23所示。原來沒有磁性的鐵磁物質，放在磁鐵旁邊會獲得磁性，這一現象叫磁化。被磁化的鐵磁物質遠離磁鐵后仍保留一定的磁性，叫剩磁。圖3-22常見磁體形狀

圖3-23磁體間相互作用示意圖磁體及性質

只有鐵磁性物質才能被磁化，而非鐵磁性物質是不能被磁化的。這是因為鐵磁物質可以看作是由許多被稱為磁疇的小磁體所組成。在無外磁場作用時，磁疇排列雜亂無章，磁性互相抵消，對外不顯磁性；但在外磁場作用下，磁疇就會沿著外磁場方向變成整齊有序的排列，所以整體也就具有了磁性。對鐵磁材料，可以分為以下幾類：011.硬磁材料特點：不易磁化，不易退磁；典型材料及用途：碳鋼、鈷鋼等，適合制作永久磁鐵，揚聲器的磁鋼。022.軟磁材料特點：容易磁化，容易退磁；典型材料及用途：硅鋼、鑄鋼、鐵鎳合金等，適合制作電機、變壓器、繼電器等設備中的鐵心。033.矩磁材料特點：很易磁化，很難退磁；典型材料及用途：錳鎂鐵氧體、鋰錳鐵氧體等，適合制作磁帶、計算機的磁盤。二磁場及磁感線磁場及磁感線

通過表3-11序號1的任務實施可知，條形磁鐵周圍存在磁力作用的空間，當鐵磁粉置入該空間時，就要受到磁力的作用，鐵磁粉在這個磁力的作用下，產生有規(guī)則的排列，人們通常把這個磁體（條形磁鐵）產生的磁力空間稱為磁場。

為了形象地表示磁場在空間各點的強弱和方向，人們是根據表3-11序號2所示的小磁針在磁體周圍磁場的作用下有規(guī)則地排列的現象而想象出磁感線。它是沿著磁體的N極出發(fā)，依次順著小磁針S、N極，再到磁體S極，最后再回到磁體N極所組成的閉合曲線就是磁感線。即磁感線是一條條從磁體北極沿磁體周圍空間到磁體南極，然后再通過磁體內部回到北極的閉合曲線。曲線上每一點的切線方向（即小磁針N極在該點的指向）就表示該點的磁場方向，曲線在某處的疏密程度（單位面積內的磁感線條數）就表示該處的磁場強弱。由表3-11序號1的任務實施還可以發(fā)現，在靠近N、S極附近，鐵磁粉比較密集，磁場強，遠離N、S極，鐵磁粉分布比較稀疏，磁場弱。

在磁場分布的某一區(qū)域，如果磁感線是一些方向相同分布均勻的平行直線，那么稱這一區(qū)域為均勻磁場。三通電直導線或線圈產生的磁場及磁感線通電導線產生的磁場及磁感線

表3-11序號3的任務實施是奧斯特電流磁場實驗。奧斯特電流磁場實驗過程表明，通電的直導線周圍會產生磁場，并且流過直導線的電流的大小和方向不同，會引起直導線各點周圍磁場的強度和方向都隨之改變。通電直導線產生磁場的方向可以用右手螺旋定則（也稱安培定則）來判定，如圖3-24所示。用右手握住圖3-24a）的導線，伸直的大拇指的方向與流經導線的電流方向一樣，則彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。

通電直導線周圍磁場的磁感線是一些以導線上各點為圓心的同心圓，這些同心圓都在與導線垂直的平面上，如圖3-24b）所示。圖3-24通電直導線磁感線方向判別和分布a）磁感線方向判別

b）通電直導線的磁感線分布通電導線產生的磁場及磁感線

由表3-7序號4的任務實施可知，當線圈通電后會產生磁場。通電線圈產生磁場的方向也可以用右手螺旋定則來判定，如圖3-25所示。用右手握住線圈，四個手指的指向與流經線圈的電流方向一樣，則大拇指所指的方向就是磁感線的方向。在線圈外部，磁感線從N極出來進入S極，線圈內部的磁感線方向由S極指向N極，并和外部的磁感線形成閉合曲線。圖3-25

通電線圈產生磁場及磁感線判別

我們還可以通過改變表3-7序號7的任務實施來進一步證明：通電線圈產生磁場的強弱，不僅與線圈通過的電流大小有關，而且還與線圈的匝數有關，即與通過線圈的電流和匝數的乘積成正比。四磁場基本物理量磁感應強度

表3-11序號6的任務實施表明，當通電直導線長度一定時，流過直導線的電流越大，直導線受到電磁力越大，運動越快；流過直導線電流一定時，通電直導線長度越長，受到的電磁力越大，運動越快。習慣上，把在磁場中，垂直于磁場方向的通電直導線，所受的電磁力F與直導線通過的電流I和直導線通電的長度L的乘積IL的比值，稱為該處的磁感應強度，用B表示，即B=F/IL，單位是特斯拉（T），也就是韋伯/平方米（Wb/m2）。

磁感應強度是一個矢量，它的方向就是該點的磁場方向，可用右手螺旋定則來確定。在同一個磁場的磁感線分布圖上，磁感線越密的地方磁感應強度越大、磁場越強。如果磁場內各點的磁感應強度的大小相等、方向相同，這樣的磁場則稱為均勻磁場。磁通

觀察圖3-26所示的示意圖，在條形磁鐵分布的磁場周圍，放置一個面積為S的平面。

假設在平面放置處的磁感應強度為B，且平面與磁感線垂直。則，定義磁感應強度B與平面面積S的乘積，稱為穿個這個平面的磁通量，簡稱磁通，用Ф表示，單位是韋伯（Wb），也就是伏秒（V·S）。圖3-26磁通計算示意圖磁通觀察圖3-26所示的示意圖，在條形磁鐵分布的磁場周圍，放置一個面積為S的平面。假設在平面放置處的磁感應強度為B，且平面與磁感線垂直。則，定義磁感應強度B與平面面積S的乘積，稱為穿個這個平面的磁通量，簡稱磁通，用Ф表示，單位是韋伯（Wb），也就是伏秒（V·S）。圖3-26磁通計算示意圖如果磁場不與所討論的平面垂直，則計算時，應以平面在垂直于磁感線方向的投影面積S’與B的乘積來計算磁通。當面積一定時，通過該面積的磁感線越多，則磁通越大，磁場越強。從Ф=BS，可得B=Ф/S，這表示磁感應強度等于穿過單位面積的磁通，所以磁感應強度又稱磁通密度，用Wb/m2作單位。磁導率

如果把表3-11序號5的任務實施所用的鐵螺絲刀改為銅制的銅棒，然后再通電線圈去吸附小螺絲釘，發(fā)現吸的螺絲釘數目大大減少。這表明不同的媒介質對磁場的影響不同，影響程度與媒介質的導磁性能有關。磁導率是表征媒介質磁化性質的物理量，用符號μ表示，單位是亨利/米（H/m）。磁場強度由表3-11序號6、7的任務實施證明，通電線圈磁感應強度的大小與線圈的匝數、線圈長度及電流強度有關，它們之間存在以下關系：B0=μ0NI/L

式中：B0—通電線圈的磁感應強度，單位T；μ0—真空的磁導率，單位H/m；N—線圈的匝數；L—線圈長度，單位m；I—線圈中的電流，單位A。如果線圈是置放在磁導率為μr的媒介質，則磁感應強度：

B=μrμ0NI/L=μNI/L由于磁感應強度與媒介質的磁導率有關，為了計算簡便，引入磁場強度這一物理量。磁場中的某點磁場強度等于該點磁感應強度B與媒介質磁導率μ的比值，用H表示。即：H=B/μ將B=μNI/L代入，可得H=NI/L，其單位為安培/米（A/m）。由H=NI/L可知，磁場強度的數值只與流過線圈電流的大小、匝數和長度有關，與磁場媒介質的磁導率無關。即在一定電流下，同一點的磁場強度不因磁場媒介質的不同而改變。五磁場對電流的作用磁場對通電直導體的作用

由表3-11序號6的任務實施可知，通電的直導線在磁場中會受到力的作用而產生移動。習慣上，把通電的直導線在磁場中所受的作用力稱為電磁力（或安培力），單位是牛（N）。通電直導線在磁場中所受作用力的方向，可用左手定則判定：如

圖3-27所示，將左手伸開，使拇指與四指垂直，讓磁感線垂直穿過掌心，四指朝向導體電流的方向，大拇指所指的方向就是導體所受安培力的方向。（注：圖上虛線箭頭示磁力線方向，橙色箭頭示電流方向，紫色箭頭示導體受力或運動的方向）圖3-27電磁力判定磁場對通電直導體的作用利用磁感應強度表達式B=F/IL?？傻秒姶帕Φ挠嬎闶綖椋篎=BIL如果電流方向與磁場方向不垂直，而是有一個夾角α，這時通電直導體的有效長度變?yōu)長sinα，電磁力的計算公式變?yōu)椋篎=BILsinα從上式可知，α=90°時，即sin90°=1，也就是直導體的電流方向與磁場垂直，電磁力最大；當α=0°時，即sin0°=0，也就是直導體的電流方向與磁場平行時，電磁力最小為0（N）。磁場對通電矩形線圈的作用由表3-11序號7的任務實施可知，當開關閉合后，發(fā)現矩形線圈會順時針旋轉起來。線圈的旋轉方向可按左手定則加以驗證。圖中靠近S極的導線，電流方向由上向下，根據左手定則，其受力向里，靠近N極的導線，電流方向由下向上，根據左手定則，其受力向外，線圈按順時針轉動。當線圈平面與磁場方向垂直，即流過線圈的電流方向與磁場方向平行時，線圈收到的電磁力變?yōu)?，但由于慣性，線圈還會轉動，通過換向器的作用，線圈又重復上述轉動過程。磁場對矩形線圈的作用，也是電動機工作的基本原理。六磁場對電流作用在新能源汽車直流電動機的應用磁場對電流作用在新能源汽車直流電動機的應用

汽車上常見的直流電動機如圖3-28所示。拆卸后的結構如圖3-29所示。主要由殼體、定子繞組、電樞、電子鐵心等組成。電樞繞組與勵磁繞組串聯的直流電動機又稱為串勵式直流電動機。圖3-28直流電動機外觀圖3-29直流電動機的結構組成磁場對電流作用在新能源汽車直流電動機的應