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第十三章
电磁感应与电磁波初步
1　磁场　磁感线
「定位·学习目标」
1.理解磁场、磁感线的概念,培养物理观念。
2.体会用磁感线描述磁场的方法,培养科学思维能力,掌握探究问题的科学方法。
3.通过利用安培定则分析解决实际问题,形成正确的科学态度。
4.了解安培分子电流假说。
探究·必备知识
电现象 磁现象
自然界中存在 电荷 自然界中的磁体存在 磁极
同种电荷相互 ,异种电荷相互 　 同名磁极相互 ,异名磁极相互
1.电现象和磁现象的相似性
「探究新知」
知识点一　电和磁的联系
两种
两个
排斥
吸引
排斥
吸引
2.奥斯特实验:把导线放置在一个指南针的 ,通电时磁针发生了转动。
实验意义:奥斯特实验发现了电流的 ,即电流可以产生磁场,首次揭示了 的联系。
上方
磁效应
电与磁
奥斯特偶然地把导线放置在一个指南针的上方,通电时指南针发生转动,而将导线放在延长线上却未引起指南针转动。说明放在延长线上的通电导线不能产生磁吗 为什么
「新知检测」
提示:放在指南针延长线上的通电导线也产生磁,电流的磁效应与放置的位置无关。
1.磁场:磁体与磁体之间、磁体与 之间,以及通电导体与 之间的相互作用,是通过 发生的。
2.物质性:磁场是不依赖于我们的感觉而客观存在的 。
3.磁场方向:物理学中把小磁针静止时 所指的方向规定为该点磁场的方向。
「探究新知」
知识点二　磁场　磁感线
通电导体
通电导体
磁场
物质
N极
4.磁感线:用来形象地描述 的曲线,曲线上每一点的
方向都跟这点磁场的方向一致。
5.磁感线的特点
(1)磁感线的 表示磁场的强弱。在磁体的两极,磁感线较密,表示磁场较 。
(2)磁感线是闭合的曲线。
磁场
切线
疏密
强
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质。(　　)
(2)单独一个带电体可以只带正电荷(或负电荷),同时磁体也可以只有N极或S极。(　　)
(3)磁感线总是从磁铁的N极出发,到S极终止。(　　)
「新知检测」
×
√
×
1.直线电流的磁场:用右手握住导线,让伸直的拇指所指的方向与
方向一致,弯曲的四指所指的方向就是 环绕的方向,如图甲所示。
「探究新知」
知识点三　安培定则
电流
磁感线
2.环形电流的磁场:让右手弯曲的四指与环形(或螺线管)电流的方向 ,伸直的拇指所指的方向就是环形导线(或螺线管)轴线上 的方向,如图乙、丙所示。
一致
磁场
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)用右手判断直线电流的磁场方向时,拇指指向电流的方向,弯曲的四指所指的方向就是磁感线方向。(　　)
(2)在通电螺线管内部磁感线方向仍然由N极指向S极。(　　)
「新知检测」
√
×
1.分子电流假说:安培认为,在物质内部,存在着一种 ——分子电流,分子电流使每个物质微粒都成为 ,它的两侧相当于两个 。
2.分子电流假说意义:能够解释 以及 现象,解释磁现象的电本质。
「探究新知」
知识点四　安培分子电流假说
环形电流
微小的磁体
磁极
磁化
退磁
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)分子电流假说揭示了静止的电荷也可以产生磁场。(　　)
(2)分子电流假说无法解释加热去磁现象。(　　)
(3)磁体的磁场是由电荷的运动形成的分子电流产生的。(　　)
「新知检测」
×
×
√
突破·关键能力
要点一　对磁场的理解
「情境探究」
图甲中异名磁极相互吸引,同名磁极相互排斥,图乙中一段直导线悬挂在蹄形磁体的两极间,通以电流,导线就会移动;图丙中两条通以同向电流的导线相互吸引,通以反向电流的导线相互排斥,这些相互作用是怎样实现的
答案:磁体的周围和电流的周围都存在着磁场,磁体和磁体之间、磁体和电流之间、电流和电流之间的相互作用都是通过磁场来传递的。
「要点归纳」
1.对磁场性质的理解
基本性质 对放入其中的磁体或电流产生力的作用
客观性质 磁场虽然不是由分子、原子组成的,但是它和常见的桌子、房屋、水和空气一样,是一种客观存在的物质
特殊性质 磁场和常见的由分子、原子组成的物质不同,它是以一种场的形式存在的
形象性(比喻) 磁体与磁体之间、磁体与电流之间、电流与电流之间通过磁场发生作用
方向性 自由转动的小磁针静止时,N极的指向即为该处的磁场方向,或小磁针N极的受力方向即为该处磁场方向
2.电场和磁场的区别
项目 电场 磁场
不同点 产生 电荷周围 磁体、电流、运动电荷周围
基本 性质 对放入其中的电荷有静电力的作用 对放入其中的磁体、电流有磁场力的作用
相同点 都是不依赖于人的意志而客观存在的特殊物质,具有能量
[例1] (对磁场的理解)(多选)下列关于磁场的说法正确的是( 　)
A.磁场是人为构想出来的
B.磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质
C.安培首先发现了电流的磁效应
D.磁体与磁体之间是通过磁场发生作用的
「典例研习」
√
√
解析:磁场和电场都是客观存在的一种物质,不是人为构想出来的,故A错误,B正确;奥斯特首先发现了电流的磁效应,故C错误;磁体与磁体之间是通过彼此激发的磁场发生相互作用的,故D正确。
规律方法
实物和场的比较
(1)实物即具体的、有形的物质形态,由物质粒子组成。
(2)场是物质的另一种存在形态,看不见、摸不着,但和实物一样,也是一种客观存在的物质。
要点二　对磁感线的理解和应用
「情境探究」
(1)将磁铁固定在有机玻璃下,把铁屑撒在有机玻璃上,并轻轻敲打玻璃板,会发现铁屑排列成一些有规律的曲线。我们能不能认为这些铁屑排成的线就是磁感线呢
答案:(1)不能。实验时利用被磁化的铁屑来显示磁感线的分布情况,只是研究磁感线的一种方法,使得看不见、摸不着的磁场变得具体形象,给研究带来方便。其实,磁感线只是为了研究磁场而引入的假想的线,并不是真实存在的。另外,被磁化的铁屑所显示的磁感线分布仅是一个平面上的磁感线分布情况,磁铁周围的磁场是分布在磁铁周围的整个空间中的。
(2)如何应用磁感线判断磁场的强弱和方向
答案:(2)磁感线上某点的切线方向表示该点的磁场方向,磁感线的疏密表示磁场的强弱。
(3)电场线起始于正电荷(或无限远),终止于负电荷(或无限远)。磁感线是否也起始于N极,终止于S极呢
答案:(3)不是,磁感线在外部由N极出来,S极进入,在内部由S极到N极,是闭合的。
「要点归纳」
1.磁感线的特点
(1)为形象描述磁场而引入的假想曲线,实际并不存在。
(2)磁感线的疏密表示磁场的强弱,密集的地方磁场强,稀疏的地方磁场弱。
(3)在磁体外部,磁感线从N极指向S极;在磁体内部,磁感线从S极指向N极。
(4)磁感线闭合而不相交,不相切,也不中断。
(5)磁感线上某点的切线方向表示该点的磁场方向。
2.磁感线与电场线的比较
两种线 磁感线 电场线
不同点 闭合曲线 不闭合,起始于正电荷或无限远处,终止于负电荷或无限远处
相似点 引入目的 形象描述场而引入的假想线,实际不存在
疏密 场的强弱
切线方向 场的方向
是否相交 不相交
3.常见永磁体的磁场
[例2] (对磁感线的理解和应用)关于磁场和磁感线的描述,下列说法正确的是(　　)
A.磁感线不一定是闭合曲线
B.任意两条磁感线都不可能相交,但可能相切
C.磁极与磁极之间、磁极与电流之间、电流与电流之间都可以通过磁场发生相互作用
D.磁场和磁感线都不是真实存在的,都可以通过用细铁屑来模拟
「典例研习」
√
解析:由于自然界中不存在单独的磁极,所以磁感线一定是闭合曲线,故A错误;磁场中某点的磁场方向是唯一的,且磁场方向沿磁感线或磁感线切线的方向,所以任意两条磁感线都不可能相交,也不可能相切,故B错误;磁极与磁极之间、磁极与电流之间、电流与电流之间都可以通过磁场发生相互作用,故C正确;磁感线是为了使研究磁场更加直观而引入的假想的线,实际并不存在,可以通过用细铁屑来模拟,但磁场是实际存在的,故D错误。
规律方法
从两个方面深化理解电场线和磁感线
(1)从电场、磁场的概念理解两种场线的相同点:矢量性——线的切线方向;强弱——线的疏密;方向的唯一性——空间任何两条场线都不可能相交也不可能相切。
(2)从电场、磁场的本质理解两种场线的区别:静电场——正、负电荷分离——电场线有始、终(不闭合);磁场——N、S极不分离——磁感线闭合。
要点三　安培定则
「情境探究」
演示实验:将一根与电源相连接的直导线用架子架高,沿南北方向水平放置。将小磁针平行地放在直导线的下方。
(1)观察直导线通电(图甲)、断电(图乙)时小磁针的偏转情况,实验说明了什么
答案:(1)直导线通电时,小磁针的N极向外偏转,直导线断电时,小磁针仍然指向南北方向,说明通电导线周围存在磁场。
(2)通过改变电流方向(图甲、图丙),你发现磁场方向与电流的方向有关吗 符合怎样的规律
答案:(2)通电直导线周围的磁场与导线中电流的方向有关,电流和磁场的关系被安培非常巧妙地总结出来,即安培定则。
「要点归纳」
1.三种常见的电流的磁场
项目 安培定则 立体图 横截面图 纵截面图
直线电流
以导线上任意点为圆心垂直于导线的多组同心圆,越向外越稀疏,磁场越弱
环形电流
内部磁场比环外强,磁感线越向外越稀疏
通电螺线管
内部为匀强磁场且比外部强,方向由S极指向N极,外部类似条形磁铁,由N极指向S极
2.对安培定则的理解
判断电流产生的磁场方向需用安培定则,在使用安培定则时,手指指向有区别,一是直线电流拇指指向电流方向,二是环形电流拇指指向环形导线轴线上的磁场方向。其实它们的本质是一样的,环形电流磁场方向的判定方法是直线电流磁场方向判定方法的延伸和归纳,环形电流磁场方向完全可以用直线电流磁场方向的判定方法作出判定,只需把环形电流等分为无数段直线电流。同理,通电螺线管的磁场亦是如此。
A B C D
[例3] (安培定则的应用)下列各图中,已标出电流I及其产生的磁场的磁感应强度B的方向,其中正确的是(　　)
「典例研习」
√
解析:题图A,直线电流I的方向向上,由安培定则可知,电流产生的磁场的磁感应强度B的方向右侧向里,左侧向外,A错误;题图B,直线电流I的方向向外,由安培定则可知,电流产生的磁场的磁感应强度B的方向应是逆时针方向的同心圆,B错误;题图C,由安培定则可知,环形电流I中心产生磁场的磁感应强度B的方向向上,C正确;题图D,由安培定则可知,通电螺线管电流I从右向左,在内部产生磁场的磁感应强度B的方向应是向右,D错误。
规律方法
利用安培定则判定电流的磁场方向需注意的问题
(1)利用安培定则判断通电直导线的磁场方向时,大拇指指的是电流方向,四指指的方向为磁感线的环绕方向。
(2)利用安培定则判断通电螺线管和环形电流的磁场方向时,四指指的是电流方向,大拇指指的方向是环形电流(或螺线管)轴线上的磁场方向。
要点四　安培分子电流假说
「要点归纳」
1.法国学者安培提出:在物质内部,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微小的磁体,它的两侧相当于两个磁极,如图所示。
2.一根铁棒未被磁化的时候,内部分子电流的取向是杂乱无章的,它们的磁场互相抵消,对外不显磁性。当铁棒受到外界磁场的作用时,各分子电流的取向变得大致相同,铁棒被磁化,两端对外界显示出较强的磁性,形成磁极。
[例4] (分子电流假说)(多选)依据安培分子电流假说理论,关于磁场的说法正确的是 (　　)
A.磁体的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的运动产生的
B.电流的磁场是由电荷的运动产生的,永磁体的磁场不是由电荷的运动产生的
C.电荷的运动不一定能产生磁场
D.不同的物体产生磁场的原因是相同的
「典例研习」
√
√
解析:磁体的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的运动产生的,故A正确,B错误;电荷定向移动时形成电流,电流周围存在磁场,电荷的运动一定能产生磁场,故C错误;根据安培分子电流假说可知,所有的磁场都是由电荷的运动产生的,故D正确。
检测·学习效果
1
2
3
4
1.(多选)下列说法中正确的是(　　)
A.任何磁体都具有N极和S极两个磁极
B.奥斯特实验说明了电流周围存在着磁场
C.通电导体之间也存在相互作用,它们是通过电场发生作用的
D.地磁场的N极与地理的北极重合,地磁场的S极与地理的南极重合
√
√
解析:一个磁体有两个磁极,分别叫作N极和S极,故A正确;奥斯特实验说明了电流周围存在着磁场,从而开辟了电磁学研究的新纪元,故B正确;通电导体之间的相互作用是通过磁场发生作用的,故C错误;地磁场的N极在地理的南极附近,地磁场的S极在地理的北极附近,且它们并没有完全重合,有个磁偏角,故D错误。
5
2.某磁场的磁感线分布如图所示,M、N是磁场中的两点,则M、N两点的磁感应强度(　　)
A.大小相同,方向不同
B.大小不同,方向不同
C.大小相同,方向相同
D.大小不同,方向相同
√
解析:根据磁感线的切线方向表示磁场方向和磁感线的疏密程度可知,M、N两点的磁感应强度大小不同,方向不同。故选B。
1
2
3
4
5
3.如图所示,小磁针正上方的直导线与小磁针平行,当导线中有电流时,小磁针会发生偏转。首先观察到这个实验现象的物理学家和观察到的现象是(　　)
A.奥斯特,小磁针的N极转向纸内
B.法拉第,小磁针的S极转向纸内
C.库仑,小磁针静止不动
D.安培,小磁针的N极转向纸内
√
解析:发现电流周围存在磁场的科学家是奥斯特,根据安培定则可知该导线下方磁场方向垂直纸面向里,因此小磁针的N极转向纸内。故选A。
1
2
3
4
5
A B C D
4.亥姆霍兹线圈是一对平行的圆形线圈,且两线圈的绕向、匝数和形状大小都完全相同。当两线圈中通过合适方向的恒定电流时,两线圈之间就会形成匀强磁场。下列与直流电源连接的四种方式中,在两线圈之间产生的磁场方向指示正确的是(　　)
√
1
2
3
4
5
解析:题图A中两线圈中的电流方向相同,从右向左看电流为顺时针方向,由安培定则可知,产生的磁场方向均向左,选项A正确;题图B中两线圈中的电流方向相同,从右向左看电流为逆时针方向,由安培定则可知,产生的磁场方向均向右,选项B错误;C、D两图中两线圈中的电流方向相反,由安培定则可知,产生的磁场方向相反,选项C、D错误。
1
2
3
4
5
5.安培对物质具有磁性的解释可以用如图所示的情境来表示,那么(　　)
A.图甲代表了被磁化的铁棒的内部情况
B.图乙代表了被磁化的铁棒的内部情况
C.磁体在高温环境下磁性不会改变
D.磁体在高温环境下磁性会加强
√
1
2
3
4
5
解析:根据安培分子电流假说,未被磁化的物体,分子电流的方向非常杂乱,对外不显磁性,则题图甲代表了未被磁化的铁棒的内部情况,被磁化的物体,分子电流的方向大致相同,对外显示出磁性,则题图乙代表了被磁化的铁棒的内部情况,故A错误,B正确;根据磁化与退磁的特性可知,磁体在高温环境下磁性会减弱,故C、D错误。
1
2
3
4
5
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定位·学习目标
1.理解磁场、磁感线的概念,培养物理观念。
2.体会用磁感线描述磁场的方法,培养科学思维能力,掌握探究问题的科学方法。
3.通过利用安培定则分析解决实际问题,形成正确的科学态度。
4.了解安培分子电流假说。
知识点一　电和磁的联系
探究新知
1.电现象和磁现象的相似性
电现象 磁现象
自然界中存在两种电荷 自然界中的磁体存在两个磁极
同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引 同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引
2.奥斯特实验:把导线放置在一个指南针的上方,通电时磁针发生了转动。
实验意义:奥斯特实验发现了电流的磁效应,即电流可以产生磁场,首次揭示了电与磁的联系。
新知检测
　奥斯特偶然地把导线放置在一个指南针的上方,通电时指南针发生转动,而将导线放在延长线上却未引起指南针转动。说明放在延长线上的通电导线不能产生磁吗 为什么
提示:放在指南针延长线上的通电导线也产生磁,电流的磁效应与放置的位置无关。
知识点二　磁场　磁感线
探究新知
1.磁场:磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间,以及通电导体与通电导体之间的相互作用,是通过磁场发生的。
2.物质性:磁场是不依赖于我们的感觉而客观存在的物质。
3.磁场方向:物理学中把小磁针静止时N极所指的方向规定为该点磁场的方向。
4.磁感线:用来形象地描述磁场的曲线,曲线上每一点的切线方向都跟这点磁场的方向一致。
5.磁感线的特点
(1)磁感线的疏密表示磁场的强弱。在磁体的两极,磁感线较密,表示磁场较强。
(2)磁感线是闭合的曲线。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质。(　√　)
(2)单独一个带电体可以只带正电荷(或负电荷),同时磁体也可以只有N极或S极。(　×　)
(3)磁感线总是从磁铁的N极出发,到S极终止。(　×　)
知识点三　安培定则
探究新知
1.直线电流的磁场:用右手握住导线,让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致,弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向,如图甲所示。
2.环形电流的磁场:让右手弯曲的四指与环形(或螺线管)电流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形导线(或螺线管)轴线上磁场的方向,如图乙、丙所示。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)用右手判断直线电流的磁场方向时,拇指指向电流的方向,弯曲的四指所指的方向就是磁感线方向。(　√　)
(2)在通电螺线管内部磁感线方向仍然由N极指向S极。(　×　)
知识点四　安培分子电流假说
探究新知
1.分子电流假说:安培认为,在物质内部,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微小的磁体,它的两侧相当于两个磁极。
2.分子电流假说意义:能够解释磁化以及退磁现象,解释磁现象的电本质。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)分子电流假说揭示了静止的电荷也可以产生磁场。(　×　)
(2)分子电流假说无法解释加热去磁现象。(　×　)
(3)磁体的磁场是由电荷的运动形成的分子电流产生的。(　√　)
要点一　对磁场的理解
情境探究
图甲中异名磁极相互吸引,同名磁极相互排斥,图乙中一段直导线悬挂在蹄形磁体的两极间,通以电流,导线就会移动;图丙中两条通以同向电流的导线相互吸引,通以反向电流的导线相互排斥,这些相互作用是怎样实现的
答案:磁体的周围和电流的周围都存在着磁场,磁体和磁体之间、磁体和电流之间、电流和电流之间的相互作用都是通过磁场来传递的。
要点归纳
1.对磁场性质的理解
基本 性质 对放入其中的磁体或电流产生力的作用
客观 性质 磁场虽然不是由分子、原子组成的,但是它和常见的桌子、房屋、水和空气一样,是一种客观存在的物质
特殊 性质 磁场和常见的由分子、原子组成的物质不同,它是以一种场的形式存在的
形象性 (比喻) 磁体与磁体之间、磁体与电流之间、电流与电流之间通过磁场发生作用
方向性 自由转动的小磁针静止时,N极的指向即为该处的磁场方向,或小磁针N极的受力方向即为该处磁场方向
2.电场和磁场的区别
项目 电场 磁场
不同点 产生 电荷周围 磁体、电流、运动电荷周围
基本 性质 对放入其中的电荷有静电力的作用 对放入其中的磁体、电流有磁场力的作用
相同点 都是不依赖于人的意志而客观存在的特殊物质,具有能量
典例研习
[例1] (对磁场的理解)(多选)下列关于磁场的说法正确的是(　BD　)
A.磁场是人为构想出来的
B.磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质
C.安培首先发现了电流的磁效应
D.磁体与磁体之间是通过磁场发生作用的
解析:磁场和电场都是客观存在的一种物质,不是人为构想出来的,故A错误,B正确;奥斯特首先发现了电流的磁效应,故C错误;磁体与磁体之间是通过彼此激发的磁场发生相互作用的,故D正确。
实物和场的比较
(1)实物即具体的、有形的物质形态,由物质粒子组成。
(2)场是物质的另一种存在形态,看不见、摸不着,但和实物一样,也是一种客观存在的物质。
要点二　对磁感线的理解和应用
情境探究
(1)将磁铁固定在有机玻璃下,把铁屑撒在有机玻璃上,并轻轻敲打玻璃板,会发现铁屑排列成一些有规律的曲线。我们能不能认为这些铁屑排成的线就是磁感线呢
(2)如何应用磁感线判断磁场的强弱和方向
(3)电场线起始于正电荷(或无限远),终止于负电荷(或无限远)。磁感线是否也起始于N极,终止于S极呢
答案:(1)不能。实验时利用被磁化的铁屑来显示磁感线的分布情况,只是研究磁感线的一种方法,使得看不见、摸不着的磁场变得具体形象,给研究带来方便。其实,磁感线只是为了研究磁场而引入的假想的线,并不是真实存在的。另外,被磁化的铁屑所显示的磁感线分布仅是一个平面上的磁感线分布情况,磁铁周围的磁场是分布在磁铁周围的整个空间中的。
(2)磁感线上某点的切线方向表示该点的磁场方向,磁感线的疏密表示磁场的强弱。
(3)不是,磁感线在外部由N极出来,S极进入,在内部由S极到N极,是闭合的。
要点归纳
1.磁感线的特点
(1)为形象描述磁场而引入的假想曲线,实际并不存在。
(2)磁感线的疏密表示磁场的强弱,密集的地方磁场强,稀疏的地方磁场弱。
(3)在磁体外部,磁感线从N极指向S极;在磁体内部,磁感线从S极指向N极。
(4)磁感线闭合而不相交,不相切,也不中断。
(5)磁感线上某点的切线方向表示该点的磁场方向。
2.磁感线与电场线的比较
两种线 磁感线 电场线
不同点 闭合曲线 不闭合,起始于正电荷或无限远处,终止于负电荷或无限远处
相似点 引入目的 形象描述场而引入的假想线,实际不存在
疏密 场的强弱
切线方向 场的方向
是否相交 不相交
3.常见永磁体的磁场
典例研习
[例2] (对磁感线的理解和应用)关于磁场和磁感线的描述,下列说法正确的是(　C　)
A.磁感线不一定是闭合曲线
B.任意两条磁感线都不可能相交,但可能相切
C.磁极与磁极之间、磁极与电流之间、电流与电流之间都可以通过磁场发生相互作用
D.磁场和磁感线都不是真实存在的,都可以通过用细铁屑来模拟
解析:由于自然界中不存在单独的磁极,所以磁感线一定是闭合曲线,故A错误;磁场中某点的磁场方向是唯一的,且磁场方向沿磁感线或磁感线切线的方向,所以任意两条磁感线都不可能相交,也不可能相切,故B错误;磁极与磁极之间、磁极与电流之间、电流与电流之间都可以通过磁场发生相互作用,故C正确;磁感线是为了使研究磁场更加直观而引入的假想的线,实际并不存在,可以通过用细铁屑来模拟,但磁场是实际存在的,故D错误。
从两个方面深化理解电场线和磁感线
(1)从电场、磁场的概念理解两种场线的相同点:矢量性——线的切线方向;强弱——线的疏密;方向的唯一性——空间任何两条场线都不可能相交也不可能相切。
(2)从电场、磁场的本质理解两种场线的区别:静电场——正、负电荷分离——电场线有始、终(不闭合);磁场——N、S极不分离——磁感线闭合。
要点三　安培定则
情境探究
演示实验:将一根与电源相连接的直导线用架子架高,沿南北方向水平放置。将小磁针平行地放在直导线的下方。
(1)观察直导线通电(图甲)、断电(图乙)时小磁针的偏转情况,实验说明了什么
(2)通过改变电流方向(图甲、图丙),你发现磁场方向与电流的方向有关吗 符合怎样的规律
答案:(1)直导线通电时,小磁针的N极向外偏转,直导线断电时,小磁针仍然指向南北方向,说明通电导线周围存在磁场。
(2)通电直导线周围的磁场与导线中电流的方向有关,电流和磁场的关系被安培非常巧妙地总结出来,即安培定则。
要点归纳
1.三种常见的电流的磁场
项目 安培定则 立体图 横截面图 纵截面图
直线电流
以导线上任意点为圆心垂直于导线的多组同心圆,越向外越稀疏,磁场越弱
环形电流
内部磁场比环外强,磁感线越向外越稀疏
通电螺 线管
内部为匀强磁场且比外部强,方向由S极指向N极,外部类似条形磁铁,由N极指向S极
2.对安培定则的理解
判断电流产生的磁场方向需用安培定则,在使用安培定则时,手指指向有区别,一是直线电流拇指指向电流方向,二是环形电流拇指指向环形导线轴线上的磁场方向。其实它们的本质是一样的,环形电流磁场方向的判定方法是直线电流磁场方向判定方法的延伸和归纳,环形电流磁场方向完全可以用直线电流磁场方向的判定方法作出判定,只需把环形电流等分为无数段直线电流。同理,通电螺线管的磁场亦是如此。
典例研习
[例3] (安培定则的应用)下列各图中,已标出电流I及其产生的磁场的磁感应强度B的方向,其中正确的是(　C　)
A B
C D
解析:题图A,直线电流I的方向向上,由安培定则可知,电流产生的磁场的磁感应强度B的方向右侧向里,左侧向外,A错误;题图B,直线电流I的方向向外,由安培定则可知,电流产生的磁场的磁感应强度B的方向应是逆时针方向的同心圆,B错误;题图C,由安培定则可知,环形电流I中心产生磁场的磁感应强度B的方向向上,C正确;题图D,由安培定则可知,通电螺线管电流I从右向左,在内部产生磁场的磁感应强度B的方向应是向右,D错误。
利用安培定则判定电流的磁场方向需注意的问题
(1)利用安培定则判断通电直导线的磁场方向时,大拇指指的是电流方向,四指指的方向为磁感线的环绕方向。
(2)利用安培定则判断通电螺线管和环形电流的磁场方向时,四指指的是电流方向,大拇指指的方向是环形电流(或螺线管)轴线上的磁场方向。
要点四　安培分子电流假说
要点归纳
1.法国学者安培提出:在物质内部,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微小的磁体,它的两侧相当于两个磁极,如图所示。
2.一根铁棒未被磁化的时候,内部分子电流的取向是杂乱无章的,它们的磁场互相抵消,对外不显磁性。当铁棒受到外界磁场的作用时,各分子电流的取向变得大致相同,铁棒被磁化,两端对外界显示出较强的磁性,形成磁极。
典例研习
[例4] (分子电流假说)(多选)依据安培分子电流假说理论,关于磁场的说法正确的是 (　AD　)
A.磁体的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的运动产生的
B.电流的磁场是由电荷的运动产生的,永磁体的磁场不是由电荷的运动产生的
C.电荷的运动不一定能产生磁场
D.不同的物体产生磁场的原因是相同的
解析:磁体的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的运动产生的,故A正确,B错误;电荷定向移动时形成电流,电流周围存在磁场,电荷的运动一定能产生磁场,故C错误;根据安培分子电流假说可知,所有的磁场都是由电荷的运动产生的,故D正确。
1.(多选)下列说法中正确的是(　AB　)
A.任何磁体都具有N极和S极两个磁极
B.奥斯特实验说明了电流周围存在着磁场
C.通电导体之间也存在相互作用,它们是通过电场发生作用的
D.地磁场的N极与地理的北极重合,地磁场的S极与地理的南极重合
解析:一个磁体有两个磁极,分别叫作N极和S极,故A正确;奥斯特实验说明了电流周围存在着磁场,从而开辟了电磁学研究的新纪元,故B正确;通电导体之间的相互作用是通过磁场发生作用的,故C错误;地磁场的N极在地理的南极附近,地磁场的S极在地理的北极附近,且它们并没有完全重合,有个磁偏角,故D错误。
2.某磁场的磁感线分布如图所示,M、N是磁场中的两点,则M、N两点的磁感应强度(　B　)
A.大小相同,方向不同
B.大小不同,方向不同
C.大小相同,方向相同
D.大小不同,方向相同
解析:根据磁感线的切线方向表示磁场方向和磁感线的疏密程度可知,M、N两点的磁感应强度大小不同,方向不同。故选B。
3.如图所示,小磁针正上方的直导线与小磁针平行,当导线中有电流时,小磁针会发生偏转。首先观察到这个实验现象的物理学家和观察到的现象是(　A　)
A.奥斯特,小磁针的N极转向纸内
B.法拉第,小磁针的S极转向纸内
C.库仑,小磁针静止不动
D.安培,小磁针的N极转向纸内
解析:发现电流周围存在磁场的科学家是奥斯特,根据安培定则可知该导线下方磁场方向垂直纸面向里,因此小磁针的N极转向纸内。故选A。
4.亥姆霍兹线圈是一对平行的圆形线圈,且两线圈的绕向、匝数和形状大小都完全相同。当两线圈中通过合适方向的恒定电流时,两线圈之间就会形成匀强磁场。下列与直流电源连接的四种方式中,在两线圈之间产生的磁场方向指示正确的是(　A　)
A B
C D
解析:题图A中两线圈中的电流方向相同,从右向左看电流为顺时针方向,由安培定则可知,产生的磁场方向均向左,选项A正确;题图B中两线圈中的电流方向相同,从右向左看电流为逆时针方向,由安培定则可知,产生的磁场方向均向右,选项B错误;C、D两图中两线圈中的电流方向相反,由安培定则可知,产生的磁场方向相反,选项C、D错误。
5.安培对物质具有磁性的解释可以用如图所示的情境来表示,那么(　B　)
A.图甲代表了被磁化的铁棒的内部情况
B.图乙代表了被磁化的铁棒的内部情况
C.磁体在高温环境下磁性不会改变
D.磁体在高温环境下磁性会加强
解析:根据安培分子电流假说,未被磁化的物体,分子电流的方向非常杂乱,对外不显磁性,则题图甲代表了未被磁化的铁棒的内部情况,被磁化的物体,分子电流的方向大致相同,对外显示出磁性,则题图乙代表了被磁化的铁棒的内部情况,故A错误,B正确;根据磁化与退磁的特性可知,磁体在高温环境下磁性会减弱,故C、D错误。
课时作业
基础巩固练
考点一　磁场和磁感线
1.下列关于磁场和磁体的说法正确的是(　C　)
A.高温可以使磁体的磁性越来越强
B.宇宙中“破坏力”最强的天体“磁星”,危险程度不亚于黑洞,其磁场只存在于“磁星”外部,内部不存在磁场
C.电磁起重机的中心部件是电磁铁,其工作原理主要利用了电流的一种效应,此效应的发现者是奥斯特
D.中国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中最早记载了地磁偏角,地磁南极在地理南极附近
解析:高温可以使磁体的磁性越来越弱,故A错误;磁体的内部和外部都存在磁场,故B错误;电磁起重机的中心部件是电磁铁,其工作原理主要利用了电流的磁效应,是奥斯特发现的,故C正确;地磁南极在地理北极附近,故D错误。
2.关于磁场,下列说法正确的是(　D　)
A.奥斯特通过实验发现了通电导线在磁场中受力
B.磁场是看不见、摸不着的,但是磁感线是真实存在的
C.磁感线总是从N极出发回到S极
D.磁感线与电场线不同,条形磁体的磁感线是闭合曲线
解析:奥斯特是通过通电导线下方的小磁针发生偏转的现象发现了电流的磁效应,故A错误;磁场看不见、摸不着,磁感线并不是真实存在的,而是人们假想出来的曲线,故B错误;磁感线是闭合曲线,在磁体外部总是从N极出发回到S极,在磁体内部总是从S极出发回到N极,故C错误,D正确。
3.下列四幅图中,小磁针静止时,其指向正确的是(　A　)
A B
C D
解析:磁体外部磁感线是从N极到S极,且小磁针静止时N极的指向为磁场的方向。A项在小磁针处磁感线的方向竖直向上,小磁针N极应竖直向上;B项在小磁针处磁感线的方向水平向右,小磁针N极应水平向右;C项在小磁针处磁感线的方向向上,小磁针N极应指向上;D项在小磁针处磁感线的方向向左,小磁针N极应指向左。故选A。
考点二　安培定则
4.如图所示,直线电流的磁感线是一圈圈的同心圆,这些同心圆都在跟导线垂直的平面上。下列说法正确的是(　C　)
A.直线电流的磁场强弱相同
B.直线电流的磁感线越密处磁场越弱
C.直线电流的方向改变时,其周围各点的磁场方向都会改变
D.直线电流的方向改变时,其周围各点的磁场方向都不改变
解析:根据电流的磁效应得知,直线电流周围存在磁场且离导线越远磁场越弱,A错误;磁感线的疏密反映磁场的强弱,直线电流的磁感线越密处磁场越强,B错误;由安培定则可知,直线电流的方向改变时,其周围各点的磁场方向都会改变,C正确,D错误。
5.当导线中分别通以图示方向的电流,小磁针静止时N极垂直纸面向外的是(　C　)
A B
　　
C D
解析:已知通电直导线中电流的方向,根据安培定则,可知A、B选项的图中小磁针所处的位置磁场方向垂直纸面向里,所以小磁针静止时N极垂直纸面向里,故A、B错误;C项根据安培定则,可知小磁针所处的位置磁场方向垂直纸面向外,所以小磁针静止时N极垂直纸面向外,故C正确;D项根据安培定则可知,通电螺线管内部的磁场方向由右向左,则小磁针静止时N极指向左,故D错误。
6.如图所示,在电磁铁正上方用弹簧挂着一条形磁体,开关闭合瞬间,出现的现象是(　D　)
A.螺线管上方是S极,弹簧长度变短
B.螺线管上方是S极,弹簧长度变长
C.螺线管上方是N极,弹簧长度变长
D.螺线管上方是N极,弹簧长度变短
解析:根据电路的接法,可知电流从螺线管下边流入,从上端流出,根据安培定则可知螺线管的上端为N极,根据同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,可知磁体受到斥力,弹簧长度会变短,A、B、C错误,D正确。
考点三　安培分子电流假说
7.如图所示,系在细线下端的回形针被磁体吸引,现用点燃的火柴对回形针加热,过一会儿发现回形针不被磁体吸引了。对回形针失去磁性所作的解释正确的是(　D　)
A.回形针加热后,内部的分子电流消失了
B.回形针加热后,内部的分子电流反向了
C.回形针加热后,内部的分子电流排列整齐了
D.回形针加热后,内部的分子电流排列无序了
解析:当用火对回形针加热时,回形针内部的分子电流虽然仍然存在但变得杂乱无章,它们的磁场相互抵消,从而对外不显磁性。故选D。
8.地球磁场最大的作用是形成一道屏障,减弱了宇宙射线对人及其他生物的影响。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。在下列图中,正确表示安培分子电流假说中环形电流方向的是(　D　)
A B
C D
解析:地理上的北极是地磁场的S极,地理上的南极是地磁场的N极,根据安培定则,故D正确。
能力提升练
9.如图所示为地磁场磁感线的分布图,下列说法正确的是(　A　)
A.地球表面磁场的竖直分量在北半球垂直于水平面向下
B.地球表面磁场的竖直分量在南半球垂直于水平面向下
C.地球赤道上方各点处地磁场的磁感应强度相同
D.若地磁场是由于地球带电随地球自转产生的,则地球表面带正电
解析:地球表面磁场的竖直分量在北半球垂直于水平面向下,A正确;地球表面磁场的竖直分量在南半球垂直于水平面向上,B错误;由题图可知,地球赤道上空的磁感线切线方向相同,疏密程度不同,则赤道上空的磁感应强度并不相同,C错误;若地磁场是由于地球带电随地球自转产生的,根据安培定则可以判断,地球表面应带负电,D错误。
10.如图是一种利用电磁原理制作的充气泵的结构示意图。当电磁铁通入电流时,可吸引或排斥上部的小磁体,从而带动弹性金属片对橡皮碗下面的气室施加力的作用,达到充气的目的。下列说法正确的是(　A　)
A.电磁铁的工作原理是电流的磁效应
B.电磁铁用的铁芯应选用不易退磁的材料
C.工作时A、B接线柱应接入稳恒电流
D.当电流从B接线柱流入时,发现吸引小磁体向下运动,则小磁体的下端为N极
解析:当电磁铁通入电流时,可吸引或排斥上部的小磁体,故电磁铁的工作原理是电流的磁效应;根据电磁铁的工作要求,当没有电流时,要让铁芯失去磁性,当通电时,要有磁性,因此铁芯应选用易磁化和易退磁的软磁性材料,故A正确,B错误;当A、B间接入恒定电流时,电磁铁的磁场始终保持一个方向,小磁体将只能被吸引或被排斥,如果接入的是交变电流,电磁铁的磁场方向在不断变化,从而可以使小磁体不断地与电磁铁之间有吸引和排斥的作用,使得弹性金属片上下振动,故A、B间应接入交变电流,故C错误;当电流从电磁铁的接线柱B流入时,根据安培定则可知电磁铁的下端为S极,上端为N极;吸引小磁体向下运动,根据磁极同极相斥,异极相吸的特性可知,小磁体的下端为S极,故D错误。
11.(多选)一半径为r的带负电细橡胶圆环水平放置,其单位长度所带净电荷数目为n,单个电荷的电荷量为e。当圆环以角速度ω绕中心轴线顺时针(从上往下看)匀速转动时,下列说法正确的是(　AC　)
A.该圆环形成的等效电流为nerω
B.该圆环形成的等效电流为
C.等效电流在中心轴线上产生的磁场方向竖直向上
D.等效电流在中心轴线上产生的磁场方向竖直向下
解析:负电荷运动的周期T=,则电流I===nerω,故A正确,B错误;等效电流方向是逆时针,故在中心轴线上产生的磁场方向竖直向上,故C正确,D错误。
12.如图所示,图a、b是直线电流的磁场截面图,图c、d是环形电流的磁场截面图,图e、f是螺线管电流的磁场立体的截面图。试在各图中补画出电流方向或磁感线方向。
解析:根据安培定则,可以确定题图a中电流方向垂直纸面向里,题图b中电流方向从下向上,题图c中电流方向是逆时针方向,题图d中磁感线方向向下,题图e中磁感线方向向左,题图f中磁感线方向向右。如图所示。
答案:图见解析

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