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第3节《磁场 磁感应强度》课前自主学习任务单
基础层次（A层次）
一、学习目标
1、了解磁场的概念、磁感线的概念；
2、了解电流的磁场。
3、掌握安培定则
4、理解磁感应强度、磁通量的概念
5、了解匀强磁场
二、学习过程：
任务1： 磁场
1、磁的基本知识
（1）磁体两端总是同时存在两种不同的磁极
电荷有“+”“－”电荷之分，磁极有“N”极（即北极）、“S”极（即南极）之分
▲注意：电荷的“+”“－”可单独存在，而“N”“S”不可单独存在。
（2）同名磁极互相_________，异名磁极互相____________。
2、磁场的概念
存在于______________________________，叫做磁场。
和两个电荷之间的相互作用一样，磁极之间的相互作用也是通过_________发生的。
3、磁场的方向
和电场一样，磁场也存在方向。
物理学规定，在磁场中的任何一点，可以自由转动的小磁针静止时________极所指的方向，就是该点的磁场方向。
如图所示，在磁铁的N极周围，磁场的方向总是背离磁极的；在磁铁的S极周围，磁场的方向总是指向磁极的。
任务2： 磁感线
和电场一样，磁场有强弱和方向，但又是看不见、摸不着的。如何直观地描述磁场？和电场线类似，我们可以用磁感线来描述。
1、磁感线的概念
为了描述磁场的强弱和方向，我们可以在磁场中画出一系列带箭头的曲线，使这些曲线上任一点跟箭头方向一致的切线方向都和该点的磁场方向相同，这样的曲线就叫做磁感应线，简称磁感线。
2、常见磁体的磁感应线的画法
刚才我们讲过，在N极周围，磁场方向为远离磁极方向的，在S极周围，磁场的方向是指向磁极方向的。
所以，在磁铁外部，磁感应线总是从N极出发，进入S极的。
▲而在磁铁的内部，正好相反，是从S到N。
这样每根磁感线都是一条闭合曲线。
常见的条形磁铁和蹄形磁铁的磁感线，见书P126 图5－31
（通过刚才的分析，我们很容易总结出，磁感应线的一些特点）
3、磁感线的特点
（1）在磁体外部，磁感线是从N极指向S极；
在磁体内部，磁感线是从S极指向N极；
（2）磁感线是不相交的闭合曲线（电场线不闭合）
（3）磁场强的地方磁感线密，磁场弱的地方磁感线疏。
比如：把铁块放在磁场中，铁块越靠近磁极受的力越大，表明磁场越强，而越靠近磁极处，磁感应线越密。
思考题：
1、地球表面的磁感线方向如何？地磁N极在什么地方？
2、磁铁的哪儿的磁场最强？——内部，其次是两极。
任务3： 电流的磁场
谈到“电流的磁场”我们必须记住两们科学家的名字，一是丹麦的奥斯特，二是法国的安培。
在这之前，人们虽然早就认识了电现象和磁现象，但却把它们看成是两个互相独立的自然现象，直到奥斯特的发现，才使人们认识电和磁之间的联系。
下面我们来一起了解一下，奥斯特当年是怎样发现电流周围能产生磁场的。
请同学们把书翻到128页，我们一起来看“物理趣事，奥斯特实验”
（注意，实验时导线最好是南北方向）
奥斯特实验的意义：
1、表明了不仅是磁体能产生磁场，电流也能产生磁场。
现在，电磁铁已经被广泛应用到工农业生产中。比如，125页的引言中的例子。
2、揭示了电与磁之间的密切联系，并逐步形成一个新的学科——电磁学。
这种电流能产生磁场的现象，叫做电流的磁效应。
（提问：磁场产生电流的现象叫什么？——电磁感应）
任务4： 安培定则（又叫“右手螺旋定则”）
1、直线电流磁感线方向的判定。（P129图5－36、图5－37）
用右手握住直导线，让大拇指指向电流方向，四指弯曲，则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的绕行方向。
在这里介绍一下电流和磁场方向的空间画法。
电流也好，磁场也好，沿平面的方向我们都可以画出来。
如果方向跟平面垂直怎么画？这里我给大家介绍一种方法。
▲对于磁场，垂直于平面出来的用“点”表示，进去的用“叉”表示
▲对于电流，在“点”或“叉”的外面加上一个“圆圈”
2、环形电流磁感线方向的判定。（P129图5－38）
使右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上的磁感线的方向。
3、通电螺线管的磁场（P130图5－39、图5－40）
用右手握住螺线管，让弯曲的四指指向电流方向，那么，伸直的大拇指所指的一端就是通电螺线管的N极。
任务5： 磁感应强度
1、安培力
如图，将通电导线垂直放入匀强磁场中，导线要受到磁场力的作用。磁场对电流的作用力叫做安培力。
安培力大小跟什么有关呢？（注意：导线始终跟磁场垂直）（1）保持导线中电流不变，改变磁场中导线的长度：安培力跟长度成正比。
（2）保持磁场中导线长度不变，改变导线中的电流：安培力跟电流成正比。
实验表明，安培力F 的大小会随I、L的变化而变化，但F / IL的比值保持不变，比值大小反映了磁场的强弱。
2、磁感强度
在磁场中__________磁场方向的通电导线所受的_____________与__________和_________乘积的比值叫和通电导线所在处的磁感强度。 用符号_____表示。其公式是_________________。
磁感强度的单位是________，用字母______表示。
由公式可知：
常见磁场的磁感强度的大小为：一般永久磁铁：B＝0.001－1T；在电机或变压器铁芯中：B＝0.8－1.4T；地面附近地磁场：B＝5×
可见T是一个比较大的单位。
磁感强度是矢量，它的方向就是该点的磁场方向，即通过该点的磁感线与箭头一致的切线方向。
★特别提醒：
（1）必须是I跟磁场垂直时，
（2）这是比值定义法，B与F、I、L无关，是磁场本身的性质决定的。
（与电场的电场强度类似）
任务6：匀强磁场
1、匀强磁场的定义
如果在磁场中的某一区域，各点的______________________均相同, 那么我们就把这个区域的磁场叫做匀强磁场。
2、模型
（1）通电螺线管内部的磁场（除两端外）
（2）两块靠得很近的异名磁极间的磁场
（除边缘外）
3、匀强磁场磁感线的特点
（1）疏密均匀（因为大小相等）
（2）互相平行、方向一致（因为方向相同）
任务7：磁通量
1. 定义
穿过某一面积的磁感应线条数，叫做穿过该面积的磁通量。用字母Φ表示。
2、公式
因为磁感线是人为的画的，可以画得疏一些，也可以画得密一些，这样给计算磁通量（穿过某一面积的磁感应条件）带来一定的麻烦。
因此，物理学中规定：
穿过垂直于磁场方向的单位面积的磁感应线条数跟那里的磁感强度的数值相等。
（强调平面一定要跟磁场垂直）
比如：磁场中某处的磁感强度为B＝5T，即表示穿过垂直于磁场方向的面积的磁感线的条数为5条。
现有一线框，它的面积为0.4平方米，垂直于磁场方向放在磁场中，则穿过线框的磁感线的条数是多少？
（1）当线圈平面跟磁场垂直时（即B与S垂直），计算磁通量的公式为：
（2）当线圈平面跟磁场平行时（即B与S平行）
没有一根磁感线穿过线框，所以
（3）当线圈平面与磁场即不平行又不垂直时，磁通量介于两者之间
综上所述，穿过某一线框的磁通量，不光与磁场强度有关，与线的面积有关，还与线框平面与磁场的夹角有关。
3、单位：
磁通量的单位为“韦伯”，简称“韦”，用Wb表示。
4、磁通密度
由公式φ＝BS得
此公式的物理意义是：磁感应强度等于垂直于磁场方向的单位面积上的磁通量，因此我们把磁感应强度又称为“磁通密度”。
由公式可知
例 题：
P128 例
三、检测反馈
1、人们规定，在磁场中的任何一点，小磁针 极受力的方向就是该点的磁场方向。
2、地磁N极在地球地理_____极。
3、__________实验不仅使人们发现了电流的磁效应，还揭示了电与磁之间的密切联系。
4、判断下列各图中通电导线的电流方向。
（1） （2）
（3）
5、把长10cm的直导线放入匀强磁场中，它与磁场的方向垂直。如果导线中通过的电流强度是3.0A，它受到的作用力为，该磁场的磁感强度是多大？
6、下面关于磁场中某点的磁感应强度的说法中，正确的是（ ）
A.磁感应强度与通电导线受到的安培力成正比；
B.磁感应强度与通电导线中的电流成反比；
C.磁感应强度与通电导线的长度成反比；
D.磁感应强度与通电导线受到的安培力、电流以及导线的长度都无关。
7、面积是0.5m2 的导线环处于磁感应强度是2.5×10-2T的匀强磁场中，环面与磁场垂直，穿过导线环的磁通量是 Wb.
8、某小型变压器铁心内的磁感应强度为0.6T,则穿过横截面积为2cm2的磁通量是_______Wb。
应用层次（B层次）
一、学习目标 （在A层次的基础上增加）
1、了解安培定则的研究过程。
二、学习过程：
任务1： 安培定则的研究过程。
奥斯特是于1820年4月首次发现电流的磁效应，花了3个月的时间实验研究，于1820年7月21日发表了题为《关于磁针上的电流碰撞的实验》的论文，并于1820年9月4日，在巴黎科学学会上发布。他当时只说明了电流周围存在磁场，但并没有研究磁场的方向。
安培当年也参加了巴黎科学学会，听后深受启发，第二天就开始进行紧张的研究工作，仅仅花了14天的时间，于9月18日发表了一篇论文，阐明了自己对电流的磁场方向的研究成果。
这就是著名的安培定则，又叫做右手螺旋定则。
1、直线电流的磁场
安培首先研究的是通电直导线，发现电流方向不同，磁场的方向也不同。（如上图）
进一步研究发现，其磁场是磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆。（P129图5－37）
其方向判断方法是：
用右手握住直导线，让大姆指指向电流方向，四指弯曲，则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的绕行方向。
（刚才讲的是直线电流的磁场，如果我把导线弯成环状，其磁场方向又向哪儿呢？下面我们讨论第二种情形）
2、环形电流的磁场
首先把环形导线看成一小段一小段的直线导线做做看，环形导线所产生的磁场方向如何？
（内部的都是向里的，外部的都是向外的）
换一种手势更为方便
使右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大姆指所指的方向就是环形导线中心轴线上的磁感线的方向。
强调：是环内的方向，环外正好相反。
（刚才是将导线弯成一个环，如果弯成多个环，磁场又如何呢？下面讲第三种情形）
3、通电螺丝管的磁场
通电螺线管实际上是环形电流的特殊形式，只不过由许多环形电流叠加而成，因此，其手法和环形电流差不多。
用右手握住螺线管，让弯曲的四指指向电流方向，那么，伸直的大拇指所指的一端就是通电螺线管的N极。
通电螺线管外的磁感线是由N极指向S极，在管内则是由S极指向N极，形成闭合曲线。
根据磁感线的分布，可知，管内的磁场最强。
三、检测反馈
1、关于磁感应线下列说法正确的是： （ ）
A.磁场是客观存在的，感应线也是客观存在的；
B.磁感应线和电场线一样，都是既不相交、也不闭合的曲线；
C.磁感应线上某一点的切线方向，表示该点的磁场方向；
D.在磁铁的外部，磁感应线都是从N极出发，进入S极。
2、电流周围能产生磁场叫做电流的_________；利用磁场产生电流叫做_____________。
3、如图所示，在铁芯中绕线后，通入如图所示的电流，在铁芯两端产生如图所示的磁场。请在图中画出导线的绕向。
4、（判断）
（1）通电螺线管内部和外部磁感应线的方向相同。
（2）通电螺线管内部的磁感应线比其外部的磁感应线密，可知螺线管内部的磁感应强度比其外部的磁感应强度大。
5、（判断题）在磁场中，相同长度、通以相同电流强度的导线，受到的安培力越大，表明导线所在处的磁场越强。 （ ）
拓展层次（C层次）
一、学习目标 （在A、B两层次的基础上增加）
1、了解磁现象的电本质
二、学习过程：
任务1： 磁现象的电本质
磁铁和电流都能够产生磁场。
电流的磁场是由电荷的运动产生的。那么磁铁的磁场又是怎样产生的呢？
安培根据环形电流及通电螺线管的磁场与条形磁铁的磁场相似的特点，提出了分子电流假说。
他认为，既然通电螺线管的磁场是由环形电流产生的，那么跟它相似的磁场——条形磁铁的磁场也应该是由环形电流产生的，即组成条形磁铁的原子、分子等物质的微粒内部，存在着一种环形电流——分子电流。分子电流使每个物质微粒都成为一个微小的磁体，在它的两侧形成两个磁极。如图所示，这两个磁极跟分子电流不可分割地联系在一起。
安培的分子电流假说能够很好是解释各种磁现象。
例如：一根铁棒在未磁化时，内部各个分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性，如图所示。
（类比：同学们在操场上玩，面向各个方向的都有，因此没有哪个方向是前，也没有哪个方向是后）
当铁棒受到外界磁场作用时，各分子电流的取向变得大致相同，物体就被磁化了，两端形成磁极，如图所示。
（类比：老师站在操场的某个方向一吹哨，这时所有的同学都面向一个方向，这是就有了前后之分。）被磁化的铁棒如果受到高温或者猛烈敲击时就会消磁。这是因为剧烈的热运动或机械振动，会使原来取向一致的分子电流又变得杂乱无章，故又不显磁性。
在安培所处的时代（1775年－1836年），人们还不了解原子的结构，因而不能解释物质微粒内部为什么会有电流，因此分子电流只是一种猜想（即假说）。直到1905年左右，卢瑟福提出原子的核式结构学说，分子电流实际上是电子绕原子的运动形成的。
分子电流假说，揭示了磁现象的电本质——即一切磁场都是由于电荷的运动产生的。
三、检测反馈
1、安培根据环形电流及通电螺线管的磁性与条形磁铁的磁性相似，提出了________假说。直到20世纪初人们才知道，___________是由原子内部电子的运动形成的。
2、磁场归根到底是由下列哪种物质产生的： （ ）
A. 电荷 B.电流 C. 电场 D. 磁铁
3、试用分子电流假说解释软铁棒的磁化和消磁现象。
4、下列说法正确的是： （ ）
A、穿过某一平面的磁通量为零，则该处的磁感应强度也为零；
B、穿过某一平面的磁通量越大，则该处的磁感应强度越大；
C、穿过垂直于磁场方向的某一面积的磁感应线条数等于该处的磁感应强度的大小；
D、当一个平面与磁场方向平行时，穿过该平面的磁通量必为零。

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