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第十三章　电磁感应与
电磁波初步
第1节　磁场　磁感线
核心要点 点点过
1
目录
即时演练 堂堂清
2
课时作业
3
课程要求 学科素养
能列举磁现象在生产生活中的应用。了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响。关注与磁相关的现代技术发展 物理观念 知道磁场、磁感线的概念;知道磁体之间、磁体与电流之间、电流与电流之间都是通过磁场相互作用的
科学思维 通过理解磁感线的概念及特点,培养建立模型的能力
科学探究 通过实验探究通电导线周围磁感线的方向与电流方向的关系
科学态度与责任 体会奥斯特发现的重要意义,体会探索自然奥秘的艰难与克服困难带来的成就感。认识磁场的应用对生产、生活和科技发展的作用,培养学生的科学精神
核心要点 点点过
要点一　电和磁的联系　磁场
1.磁极之间的相互作用:同名磁极________,异名磁极________。
2.奥斯特实验:把导线放置在小磁针的上方,通电时小磁针发生了转动。
实验意义:奥斯特实验发现了____________,即电流可以产生____,首次揭示了______的联系。
3.磁场:__________之间、______________之间,以及__________________之间的相互作用,是通过____发生的,磁场是磁体或电流周围一种看不见、摸不着的客观存在的物质。
相互排斥
相互吸引
电流的磁效应
磁场
电与磁
磁体与磁体
磁体与通电导体
通电导体与通电导体
磁场
(1)磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质。(　 　)
(2)磁场只有在磁体与磁体、磁体与电流发生作用时才产生。(　 　)
(3)电流与电流之间是通过电场发生作用的。(　 　)
(4)磁体的磁场和电流的磁场本质上是一样的。(　 　)
√
×
×
√
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、水及空气一样,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) 磁体与磁体间、磁体与电流间、电流与电流间通过磁场发生作用
方向性 自由小磁针静止时,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.电场与磁场的比较
项目 电场 磁场
不 同 点 产生 电荷 磁体、电流、运动电荷
基本 性质 对放入其中的电荷有力的作用 对放入其中的磁体、电流、运动电荷有力的作用
作用 特点 对放入其中的磁体无力的作用 对放入其中的静止电荷无力的作用
相同点 磁场和电场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】　下列关于磁场的说法中,正确的是(　 　)
A.只有磁体周围才存在磁场
B.磁场是为了解释磁极间的相互作用而假想的
C.磁场只有在磁极与磁极、磁极与通电导线发生作用时才产生
D.磁体与通电导线、通电导线与通电导线之间是通过磁场发生相互作用的
【解析】　磁体和电流周围都存在磁场,故A错误;磁场是实际存在的,不是假想的,故B错误;只要有磁体或电流,即使没有发生作用,磁场仍然是存在的,故C错误;磁体与通电导线、通电导线与通电导线之间是通过磁场发生相互作用的,故D正确。
D
【例2】　(多选)如图所示,关于磁体、电流间的相互作用,下列说法正确的是(　 　)
A.甲图中,电流不产生磁场,电流对小磁针的力的作用是通过小磁针的磁场发生的
B.乙图中,磁体对通电导体的力的作用是通过磁体的磁场发生的
C.丙图中,电流间的相互作用是通过电流的磁场发生的
D.丙图中,电流间的相互作用是通过电荷的电场发生的
BC
【解析】　题图甲中,电流对小磁针的力的作用是通过电流的磁场发生的;题图乙中,磁体对通电导体的力的作用是通过磁体的磁场发生的;题图丙中,电流间的相互作用是通过电流的磁场发生的。综上所述,B、C正确。
要点二　磁感线
1.磁场的方向:物理学规定,在磁场中的某一点,小磁针静止时N极所指方向就是该点磁场的方向。
2.磁感线
(1)定义:在磁场中画出一些有方向的曲线,曲线上每一点的________都跟这点磁场的方向一致,这样的曲线就叫作磁感线。
(2)特点
①磁感线的____表示磁场的强弱。磁场强的地方,磁感线____;磁场弱的地方,磁感线____。
②磁感线上某点的________表示该点磁场的方向。
切线方向
疏密
较密
较疏
切线方向
(1)磁感线从磁体的N极出发到磁体的S极终止。(　 　)
(2)磁感线可以用细铁屑来显示,因而是真实存在的。(　 　)
(3)磁体的磁感线图上,画曲线的地方表示有磁场,不画线的地方表示没有磁场。 (　 　)
(4)磁感线可以形象地描述各磁场的强弱和方向,它每一点的切线方向都和小磁针放在该点静止时N极所指的方向一致。 (　 　)
×
×
×
√
1.常见永磁体的磁场(如图所示)
2.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)磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。
(3)磁感线在磁体外部从N极指向S极,在磁体内部从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。
3.地磁场
(1)地球是一个巨大的磁体,地球周围空间存在的磁场叫地磁场。
(2)地磁场的三大特点(如图所示)
①地磁场的N极在地理南极附近,S极在地理北极附近。地球的地理两极与地磁两极并不重合,因此,磁针并非准确地指向南、北,其间有一个夹角,这就是地磁偏角。
②地磁场的方向在南半球斜向上,在北半球斜向下,与地球表面并不平行。
③在赤道平面上,到地心等距离的各点,地磁场强度大小相等,且方向水平。
【例3】　下列关于磁感线的叙述中正确的是(　 　)
A.磁感线是磁场中实际存在的一些曲线
B.在磁场中,磁感线不可以相交
C.磁感线从磁体的N极发出,终止于S极
D.铁屑在磁场中规则排列而组成的曲线就是磁感线
B
【解析】　磁感线是人们为了描述磁场而假想的曲线,不是磁场中实际存在的一些曲线,故A错误;在磁场中,任何两条磁感线都不相交,因为在磁场中的任一点,磁场方向只有一个,若磁感线相交,交点处切线方向有两个,表示磁场方向有两个,故B正确;磁感线在磁体的外部是从磁体的N极出发回到S极,在磁体的内部,磁感线是从磁体的S极出发,回到N极,是闭合的曲线,故C错误;铁屑在磁场中规则排列而组成的曲线能模拟磁感线的形状,但并不是磁感线,故D错误。
磁感线与静电场的电场线的异同
项目 磁感线 静电场的电场线
相 同 点 方向 线上各点的切线方向就是该点的磁场方向 线上各点的切线方向就是该点的电场方向
疏密 表示磁场强弱 表示电场强弱
特点 在空间不相交、不相切、不中断 除电荷处外,在空间不相交、不相切、不中断
不同点 闭合曲线 始于正电荷或无穷远处,止于负电荷或无穷远处,不闭合的曲线
【例4】　(多选)中国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中最早记载了地磁偏角:“以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。”进一步研究表明,地球周围地磁场的磁感线分布示意图如图所示。结合上述材料,下列说法正确的是 (　 　)
A.地球表面任意位置的地磁场方向都与地面平行
B.地理南、北极与地磁场的南、北极不重合
C.地球内部也存在磁场,地磁南极在地理北极附近
D.在赤道位置放置一枚小磁针,静止时小磁针N极指向地理的南极附近
BC
【解析】　只有赤道上方附近的地磁场的方向与地面平行,A错误;地理南、北极与地磁场的南、北极不重合,存在地磁偏角,B正确;磁感线是闭合的,由题图可推知地球内部存在磁场,地磁南极在地理北极附近,C正确;在赤道位置放置一枚小磁针,静止时小磁针N极指向地理的北极附近,D错误。
要点三　安培定则　安培分子电流假说
1.安培定则
(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。
电流
磁感线
(2)环形电流的磁场:让右手弯曲的四指与________的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上____的方向,如图乙所示。
(3)通电螺线管的磁场:右手握住螺线管,让弯曲的四指所指的方向与__________的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是螺线管______磁场的方向,或伸直的拇指指向螺线管的__极,如图丙所示。
环形电流
磁场
螺线管电流
轴线上
N
2.安培分子电流假说
(1)分子电流假说:安培认为,在物质内部,存在着一种________,即分子电流。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,即磁体的磁场和电流的磁场一样,都是由运动的电荷产生的。
环形电流
微小的磁体
磁极
磁化
消磁
(1)通电直导线周围磁场的磁感线是闭合的圆。(　 　)
(2)通电螺线管周围的磁场类似于条形磁体周围的磁场。(　 　)
(3)安培提出“分子电流”假说,认为永磁体的磁场和通电导线的磁场均由运动的电荷产生。(　 　)
(4)根据“分子电流”假说,磁体受到强烈震动时磁性不会减弱。(　 　)
(5)根据“分子电流”假说,磁体在高温条件下磁性会减弱。(　 　)
√
√
√
×
√
1.常见电流周围磁场的磁感线
项目 安培定则 立体图 横截面图 纵截面图
以导线上任意点为圆心垂直于导线的多组同心圆,离导线越近磁感线越密,磁场越强
项 目 安培定则 立体图 横截面图 纵截面图
环内磁感线条数与环外相等,磁感线越向外越稀疏,故环内磁场比环外强
项 目 安培定则 立体图 横截面图 纵截面图
内部为匀强磁场且比外部强,方向由S极指向N极;外部类似条形磁体,由N极指向S极
2.三点说明
(1)图中的“×”号表示磁场方向垂直纸面向里,“·”号表示磁场方向垂直纸面向外。
(2)图中只是表示出了磁感线的方向,对磁感线的疏密没有具体表示。
(3)应用安培定则判定电流周围磁场的方向时,直线电流是判定导线之外磁场的方向,环形电流和通电螺线管判定的是线圈轴线上磁场的方向。
【例5】　如图所示,图(a)和图(b)是长直导线的磁场,图(c)和图(d)是环形电流的磁场,图(e)和图(f)是通电螺线管的磁场。试在各图中画出电流的方向或磁感线的方向。
【解析】　利用安培定则,已知电流的方向可判定磁场方向,也可以通过磁场方向来确定电流的方向。
图(a),已知磁场沿顺时针方向,则电流垂直于纸面向里;
图(b),已知电流右侧的磁场方向向里,左侧的磁场方向向外,则电流的方向向上;
图(c),已知磁场方向,则电流方向为逆时针方向;
图(d),环形电流从左侧流出,从右侧流入,所以磁场方向向上;
图(e),根据螺线管中电流方向外侧向上,利用安培定则可以确定螺线管的磁场方向向左;
图(f),根据螺线管中上边的电流的方向向外,下边的电流的方向向里,利用安培定则可以确定螺线管的磁场方向向右,如图所示。
【答案】　见解析图
【例6】安培观察到通电螺线管的磁场和条形磁体的磁场很相似,提出了“分子电流”假说。他认为,在物质内部存在着一种环形电流——分子电流(如图所示,分子电流实际上是由原子内部电子绕核运动形成的),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。下列将分子电流(箭头表示电子运动方向)等效为小磁体的选项图中正确的是 (　 　)
B
【解析】　绕核运动的电子带负电,则环形电流方向与其运动方向相反,根据安培定则可知其左端为N极,B正确。
即时演练 堂堂清
D
1.关于磁现象和磁场,下列说法正确的是(　 　)
A.地磁场能使小磁针的两极分别指向正南、正北
B.将一条形磁体从中间截开后,一部分为N极,另一部分为S极
C.做奥斯特实验时通电导线应该水平,并沿东西方向放置
D.磁场的基本性质是对处在磁场中的磁体或电流有力的作用
解析:地理的南、北极与地磁的北、南极并不重合,存在磁偏角,因此小磁针静止时并不指向正南、正北,A错误;条形磁体从中间截开后,成为两个小磁体,每个小磁体均有N、S两个磁极,B错误;由于地磁场大致沿南北方向,为了排除地磁场的影响,且使小磁针发生明显偏转,进行奥斯特实验时,通电导线应水平,并沿南北方向放置,C错误;磁场的基本性质是对处在磁场中的磁体或电流有力的作用,D正确。
A
2.如图为磁场中的两条磁感线,A、B、C为磁场中的三个点,其中A、C在同一条直线磁感线上,下列关于A、B、C三点所在处磁场强弱的说法,正确的是(　 　)
A.A处的磁场比B处的强
B.A处的磁场比B处的弱
C.A、B、C三点处的磁场方向相同
D.无法比较A、B处的磁场强弱
解析:磁感线疏的地方磁场弱,密的地方磁场强,故由题图可知A处的磁场比B处的强,故A正确,B、D错误;磁场的方向为磁感线的切线方向,A、C所在处的磁场方向相同,B点的磁场方向未知,故C错误。
3.如图是铁棒甲与铁棒乙内部各分子电流取向的示意图,甲棒内部各分子电流取向是杂乱无章的,乙棒内部各分子电流取向大致相同,则下列说法中正确的是(　 　)
A.两棒均显磁性
B.两棒均不显磁性
C.甲棒不显磁性,乙棒显磁性
D.甲棒显磁性,乙棒不显磁性
C
解析:根据安培的分子电流假说可知,分子电流使每个分子相当于一个小磁针,甲棒中各分子电流取向是杂乱无章的,磁性抵消,对外不显示磁性;乙棒内部各分子电流取向大致相同,分子电流的磁性增强,对外显示磁性,C正确。
4.下列各图中,已标出电流I、电流产生的磁场的方向。小圆圈“○”表示导体的横截面,“☉”表示电流方向垂直纸面向外,“ ”表示电流方向垂直纸面向里。其中正确的是(　 　)
D
解析:题图A中,导线中电流的方向竖直向上,根据安培定则可知,导线左侧的磁场方向垂直纸面向外,导线右侧的磁场方向为垂直纸面向里,故A错误;题图B中,电流的方向竖直向上,根据安培定则可知,磁场的方向从上向下看应为逆时针方向,故B错误;题图C中,根据电流的绕向,结合安培定则可知,螺线管右侧为N极,左侧为S极,则螺线管内部的磁场方向向右,故C错误;题图D中,环形电流的方向从上往下看为逆时针方向,根据安培定则知,内部磁场的方向向上,故D正确。
课时作业25
B
1.(5分)我国是最早发现磁现象、应用磁现象的国家之一。下列不属于磁现象的是(　 　)
A.磁体对周围通电导线产生作用力
B.两个静止带电体之间存在相互作用力
C.两条平行通电导线之间存在相互作用力
D.物理学家奥斯特发现通电导线使小磁针偏转
解析:磁体对周围通电导线产生作用力属于磁现象,不符合题意;两个静止带电体之间存在的相互作用力属于静电力,不属于磁现象,符合题意;两条平行通电导线之间存在相互作用力属于磁现象,不符合题意;物理学家奥斯特发现通电导线使小磁针偏转属于磁现象,不符合题意。故选B。
D
2. (5分)如图,宇宙中“破坏力”最强的天体“磁星”,危险程度不亚于黑洞,其磁感应强度相当于地球磁场的1 000万亿倍。下列有关“磁星”的磁场说法正确的是(　 　)
A.“磁星”表面的磁感线可能相交
B.磁感线是真实存在的有方向的曲线
C.磁场只存在于“磁星”外部,而“磁星”内部不存在磁场
D.“磁星”表面某点静置一小磁针,小磁针的N极指向为该点磁场方向
解析:磁场中某点不能有两个磁场方向,故磁感线不能相交,A错误;磁感线是假想的有方向的闭合曲线,实际并不存在,B错误;磁感线为闭合曲线,故在“磁星”内部存在磁场,C错误;小磁针静止时N极所指的方向为该点的磁场方向,D正确。
3.(5分)磁性是物质的一种普遍属性,大到宇宙星体,小到电子、质子等微观粒子,几乎都会有磁性。地球就是一个巨大的磁体,其表面的磁性很强,甚至在一些生物体内也会含有微量强磁性物质,如Fe3O4。鸽子正是利用这种体内外磁性的相互作用来辨别方向的。若在鸽子身上缚一块永磁体,且其附近的磁场比地磁场强,则 (　 　)
A.鸽子仍能辨别方向
B.鸽子更容易辨别方向
C.鸽子会迷失方向
D.不能确定鸽子是否会迷失方向
C
解析:鸽子是通过体内磁性与外部地磁场的相互作用来辨别方向的。若鸽子身上缚上一块永磁体后,由于永磁体的磁场和地磁场共同与鸽子体内磁性发生相互作用,因而鸽子不能正确地区分地磁场的作用,也就不能辨别正确的方向。故选C。
4.(5分)(多选)如图甲、乙是两种常见磁场的磁感线分布示意图。下列说法正确的是(　 　)
A.图甲中a端是磁体的S极,b端是磁体的N极
B.图甲中a端是磁体的N极,b端是磁体的S极
C.图乙是两异名磁极的磁感线分布示意图,c端是N极,d端是S极
D.图乙是两异名磁极的磁感线分布示意图,c端是S极,d端是N极
AD
解析:题图甲是条形磁体外部磁感线分布示意图,外部磁场的磁感线是从磁体的N极出来,进入磁体的S极,故A正确,B错误;题图乙是两异名磁极磁感线分布示意图,磁感线仍然是从磁体的N极出来,进入磁体的S极,故C错误,D正确。
5.(5分)对下列各图,判断和描述正确的是 (　 　)
A.图甲中地球赤道表面的磁场方向指向南方
B.图乙中表示的电场是由等量异种电荷产生的,
电场线方向从正电荷到负电荷,再从负电荷回到
正电荷,形成闭合曲线
C.图丙中条形磁体的磁感线从N极出发,到S极终止
D.图丁中如果忽略地磁场,那么环形导线通电后其轴心位置小磁针的N极向纸外旋转
D
解析:题图甲中,地球赤道表面的磁场方向指向北方,故A错误;题图乙中表示的电场是由等量异种点电荷产生的,电场线方向从正电荷到负电荷,不会从负电荷回到正电荷形成闭合曲线,故B错误;题图丙中条形磁体的磁感线在磁体外部从N极出发到S极,在磁体内部由S极回到N极,故C错误;题图丁中,如果忽略地磁场,那么环形导线通电后,根据安培定则可知,其轴心处的磁场方向垂直于纸面向外,则其轴心位置的小磁针的N极向纸外旋转,故D正确。
6.(5分)如图甲、乙是铁棒被磁化前、后内部各分子电流取向分布情况,根据所学的磁化知识判断下列说法正确的是 (　 　)
A.甲图是磁化后的分子电流取向分布
B.乙图是磁化前的分子电流取向分布
C.铁棒被磁化后通过一定途径可以消除磁性
D.任何材料的物体都很容易被磁化
C
解析:铁棒被磁化前内部各分子电流取向是杂乱无章的,当铁棒被磁化后内部各分子电流取向相同,故A、B错误;铁棒属于软磁体,磁化后其磁性很容易消失,比如强震动,故C正确;铁、钴、镍以及由它们组成的材料能被磁化,并不是任何材料的物体都很容易被磁化,故D错误。
B
7.(5分)(人教版教材P108练习与应用T7改编)为了解释地球的磁性,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。在下列四幅图中,正确表示安培假设中环形电流方向的是(　 　)
解析:地磁的北极在地理南极的附近,故在用安培定则判定环形电流的方向时右手的拇指必须指向南方,拇指与四指垂直,四指弯曲的方向就是电流的方向,故B正确。
8.(5分)如图所示,圆环上带有大量的负电荷,当圆环沿顺时针方向转动时,a、b、c三枚小磁针都要发生转动,以下说法正确的是 (　 　)
A.a、b、c的S极都向纸内转
B.b的S极向纸外转,而a、c的S极向纸内转
C.b、c的N极都向纸内转,而a的N极向纸外转
D.b的S极向纸内转,而a、c的S极向纸外转
D
解析:圆环带有负电荷,当圆环顺时针转动时,产生的等效电流沿逆时针方向(如图),由安培定则可知,a、c所在处磁场方向垂直于纸面向里,b所在处磁场方向垂直于纸面向外,则a、c小磁针的N极向纸内转,S极向纸外转,b小磁针的N极向纸外转,S极向纸内转,故选D。
9. (5分)(多选)如图所示,一束带电粒子沿水平方向飞过小磁针上方。若带电粒子飞过小磁针上方的瞬间,小磁针N极向纸面内偏转,则带电粒子可能是 (　 　)
A.向右飞行的正粒子束
B.向左飞行的正粒子束
C.向右飞行的负粒子束
D.向左飞行的负粒子束
解析:由小磁针N极向纸面内偏转,知粒子束下方磁感线垂直纸面向里,由安培定则可知,位于小磁针上方直线电流方向向右,若这束粒子带正电,则向右飞行,若带负电,则向左飞行,故A、D正确。
AD
10. (5分)(多选)如图所示,弹簧测力计下挂一条形磁体,其中条形磁体N极的一部分位于未通电的螺线管内,则下列说法正确的是 (　 　)
A.若将a点处接电源正极,b点处接负极,弹簧测力计的示数将减小
B.若将a点处接电源正极,b点处接负极,弹簧测力计的示数将增大
C.若将b点处接电源正极,a点处接负极,弹簧测力计的示数将增大
D.若将b点处接电源正极,a点处接负极,弹簧测力计的示数将减小
AC
解析:根据安培定则,可知若将a点处接电源正极,b点处接电源负极,螺线管上端为N极,会排斥条形磁体,弹簧测力计示数将减小;若将a点处接电源负极,b点处接电源正极,螺线管上端为S极,会吸引条形磁体,弹簧测力计示数将增大,故选A、C。
B
11.(5分)某电动充气泵的结构示意图如图所示,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。当电流从电磁铁的接线柱A流入时,发现吸引小磁体向下运动,则 (　 　)
A.电磁铁中磁场向上,小磁体的下端为N极
B.电磁铁中磁场向下,小磁体的下端为N极
C.电磁铁中磁场向上,小磁体的下端为S极
D.电磁铁中磁场向下,小磁体的下端为S极
解析:当电流从电磁铁的A接线柱流入时,从上向下看电流沿顺时针方向,根据安培定则可知电磁铁中磁场方向向下,电磁铁的下端为N极,上端为S极;由同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引可知,小磁体的下端为N极,故选B。
12.(10分)磁场具有能量,磁场中单位体积所具有的能量叫作能量密度,其值为,式中B是磁感应强度,μ是磁导率,在空气中μ为一已知常量。为了近似测得条形磁体磁极端面附近的磁感应强度B,一学生用一根端面面积为A的条形磁体吸住一相同面积的铁片P,再用力将铁片与磁体拉开一段微小距离ΔL,并测出拉力F,如图所示。因为F所做的功等于间隙中磁场的能量,试写出磁感应强度B与F、A之间的关系式。
解析:由于ΔL很小,则拉力F可认为恒定,F做的功W=F·ΔL,由题意知,间隙中的磁场能为E=·A·ΔL,由于W=E,则F·ΔL=·A·ΔL,整理得B=。
答案:B=
本课结束第十三章　电磁感应与电磁波初步
第1节　磁场　磁感线
课程要求 学科素养
能列举磁现象在生产生活中的应用。了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响。关注与磁相关的现代技术发展 物理观念 知道磁场、磁感线的概念;知道磁体之间、磁体与电流之间、电流与电流之间都是通过磁场相互作用的
科学思维 通过理解磁感线的概念及特点,培养建立模型的能力
科学探究 通过实验探究通电导线周围磁感线的方向与电流方向的关系
科学态度 与责任 体会奥斯特发现的重要意义,体会探索自然奥秘的艰难与克服困难带来的成就感。认识磁场的应用对生产、生活和科技发展的作用,培养学生的科学精神
要点一　电和磁的联系　磁场
1.磁极之间的相互作用:同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。
2.奥斯特实验:把导线放置在小磁针的上方,通电时小磁针发生了转动。
　　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。
3.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,磁场是磁体或电流周围一种看不见、摸不着的客观存在的物质。
(1)磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质。 (　√　)
(2)磁场只有在磁体与磁体、磁体与电流发生作用时才产生。 (　×　)
(3)电流与电流之间是通过电场发生作用的。 (　×　)
(4)磁体的磁场和电流的磁场本质上是一样的。 (　√　)
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、水及空气一样,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) 磁体与磁体间、磁体与电流间、电流与电流间通过磁场发生作用
方向性 自由小磁针静止时,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.电场与磁场的比较
项目 电场 磁场
不 同 点 产生 电荷 磁体、电流、运动电荷
基本 性质 对放入其中的电荷有力的作用 对放入其中的磁体、电流、运动电荷有力的作用
作用 特点 对放入其中的磁体无力的作用 对放入其中的静止电荷无力的作用
相同点 磁场和电场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】　下列关于磁场的说法中,正确的是 (　D　)
A.只有磁体周围才存在磁场
B.磁场是为了解释磁极间的相互作用而假想的
C.磁场只有在磁极与磁极、磁极与通电导线发生作用时才产生
D.磁体与通电导线、通电导线与通电导线之间是通过磁场发生相互作用的
【解析】　磁体和电流周围都存在磁场,故A错误;磁场是实际存在的,不是假想的,故B错误;只要有磁体或电流,即使没有发生作用,磁场仍然是存在的,故C错误;磁体与通电导线、通电导线与通电导线之间是通过磁场发生相互作用的,故D正确。
【例2】　(多选)如图所示,关于磁体、电流间的相互作用,下列说法正确的是 (　BC　)
A.甲图中,电流不产生磁场,电流对小磁针的力的作用是通过小磁针的磁场发生的
B.乙图中,磁体对通电导体的力的作用是通过磁体的磁场发生的
C.丙图中,电流间的相互作用是通过电流的磁场发生的
D.丙图中,电流间的相互作用是通过电荷的电场发生的
【解析】　题图甲中,电流对小磁针的力的作用是通过电流的磁场发生的;题图乙中,磁体对通电导体的力的作用是通过磁体的磁场发生的;题图丙中,电流间的相互作用是通过电流的磁场发生的。综上所述,B、C正确。
要点二　磁感线
1.磁场的方向:物理学规定,在磁场中的某一点,小磁针静止时N极所指方向就是该点磁场的方向。
2.磁感线
(1)定义:在磁场中画出一些有方向的曲线,曲线上每一点的切线方向都跟这点磁场的方向一致,这样的曲线就叫作磁感线。
(2)特点
①磁感线的疏密表示磁场的强弱。磁场强的地方,磁感线较密;磁场弱的地方,磁感线较疏。
②磁感线上某点的切线方向表示该点磁场的方向。
(1)磁感线从磁体的N极出发到磁体的S极终止。(　×　)
(2)磁感线可以用细铁屑来显示,因而是真实存在的。(　×　)
(3)磁体的磁感线图上,画曲线的地方表示有磁场,不画线的地方表示没有磁场。 (　×　)
(4)磁感线可以形象地描述各磁场的强弱和方向,它每一点的切线方向都和小磁针放在该点静止时N极所指的方向一致。 (　√　)
1.常见永磁体的磁场(如图所示)
2.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)磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。
(3)磁感线在磁体外部从N极指向S极,在磁体内部从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。
3.地磁场
(1)地球是一个巨大的磁体,地球周围空间存在的磁场叫地磁场。
(2)地磁场的三大特点(如图所示)
①地磁场的N极在地理南极附近,S极在地理北极附近。地球的地理两极与地磁两极并不重合,因此,磁针并非准确地指向南、北,其间有一个夹角,这就是地磁偏角。
②地磁场的方向在南半球斜向上,在北半球斜向下,与地球表面并不平行。
③在赤道平面上,到地心等距离的各点,地磁场强度大小相等,且方向水平。
【例3】　下列关于磁感线的叙述中正确的是 (　B　)
A.磁感线是磁场中实际存在的一些曲线
B.在磁场中,磁感线不可以相交
C.磁感线从磁体的N极发出,终止于S极
D.铁屑在磁场中规则排列而组成的曲线就是磁感线
【解析】　磁感线是人们为了描述磁场而假想的曲线,不是磁场中实际存在的一些曲线,故A错误;在磁场中,任何两条磁感线都不相交,因为在磁场中的任一点,磁场方向只有一个,若磁感线相交,交点处切线方向有两个,表示磁场方向有两个,故B正确;磁感线在磁体的外部是从磁体的N极出发回到S极,在磁体的内部,磁感线是从磁体的S极出发,回到N极,是闭合的曲线,故C错误;铁屑在磁场中规则排列而组成的曲线能模拟磁感线的形状,但并不是磁感线,故D错误。
磁感线与静电场的电场线的异同
项目 磁感线 静电场的电场线
相 同 点 方向 线上各点的切线方向就是该点的磁场方向 线上各点的切线方向就是该点的电场方向
疏密 表示磁场强弱 表示电场强弱
特点 在空间不相交、不相切、不中断 除电荷处外,在空间不相交、不相切、不中断
不同点 闭合曲线 始于正电荷或无穷远处,止于负电荷或无穷远处,不闭合的曲线
【例4】　(多选)中国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中最早记载了地磁偏角:“以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。”进一步研究表明,地球周围地磁场的磁感线分布示意图如图所示。结合上述材料,下列说法正确的是 (　BC　)
A.地球表面任意位置的地磁场方向都与地面平行
B.地理南、北极与地磁场的南、北极不重合
C.地球内部也存在磁场,地磁南极在地理北极附近
D.在赤道位置放置一枚小磁针,静止时小磁针N极指向地理的南极附近
【解析】　只有赤道上方附近的地磁场的方向与地面平行,A错误;地理南、北极与地磁场的南、北极不重合,存在地磁偏角,B正确;磁感线是闭合的,由题图可推知地球内部存在磁场,地磁南极在地理北极附近,C正确;在赤道位置放置一枚小磁针,静止时小磁针N极指向地理的北极附近,D错误。
要点三　安培定则　安培分子电流假说
1.安培定则
(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电流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上磁场的方向,如图乙所示。
(3)通电螺线管的磁场:右手握住螺线管,让弯曲的四指所指的方向与螺线管电流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是螺线管轴线上磁场的方向,或伸直的拇指指向螺线管的N极,如图丙所示。
2.安培分子电流假说
(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,即分子电流。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:能够解释磁化以及消磁现象,解释磁现象的电本质,即磁体的磁场和电流的磁场一样,都是由运动的电荷产生的。
(1)通电直导线周围磁场的磁感线是闭合的圆。 (　√　)
(2)通电螺线管周围的磁场类似于条形磁体周围的磁场。(　√　)
(3)安培提出“分子电流”假说,认为永磁体的磁场和通电导线的磁场均由运动的电荷产生。(　√　)
(4)根据“分子电流”假说,磁体受到强烈震动时磁性不会减弱。(　×　)
(5)根据“分子电流”假说,磁体在高温条件下磁性会减弱。(　√　)
1.常见电流周围磁场的磁感线
项 目 安培定则 立体图 横截面图 纵截面图
以导线上任意点为圆心垂直于导线的多组同心圆,离导线越近磁感线越密,磁场越强
环内磁感线条数与环外相等,磁感线越向外越稀疏,故环内磁场比环外强
内部为匀强磁场且比外部强,方向由S极指向N极;外部类似条形磁体,由N极指向S极
2.三点说明
(1)图中的“×”号表示磁场方向垂直纸面向里,“·”号表示磁场方向垂直纸面向外。
(2)图中只是表示出了磁感线的方向,对磁感线的疏密没有具体表示。
(3)应用安培定则判定电流周围磁场的方向时,直线电流是判定导线之外磁场的方向,环形电流和通电螺线管判定的是线圈轴线上磁场的方向。
【例5】　如图所示,图(a)和图(b)是长直导线的磁场,图(c)和图(d)是环形电流的磁场,图(e)和图(f)是通电螺线管的磁场。试在各图中画出电流的方向或磁感线的方向。
【答案】　见解析图
【解析】　利用安培定则,已知电流的方向可判定磁场方向,也可以通过磁场方向来确定电流的方向。
图(a),已知磁场沿顺时针方向,则电流垂直于纸面向里;
图(b),已知电流右侧的磁场方向向里,左侧的磁场方向向外,则电流的方向向上;
图(c),已知磁场方向,则电流方向为逆时针方向;
图(d),环形电流从左侧流出,从右侧流入,所以磁场方向向上;
图(e),根据螺线管中电流方向外侧向上,利用安培定则可以确定螺线管的磁场方向向左;
图(f),根据螺线管中上边的电流的方向向外,下边的电流的方向向里,利用安培定则可以确定螺线管的磁场方向向右,如图所示。
【例6】安培观察到通电螺线管的磁场和条形磁体的磁场很相似,提出了“分子电流”假说。他认为,在物质内部存在着一种环形电流——分子电流(如图所示,分子电流实际上是由原子内部电子绕核运动形成的),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。下列将分子电流(箭头表示电子运动方向)等效为小磁体的选项图中正确的是 (　B　)
【解析】　绕核运动的电子带负电,则环形电流方向与其运动方向相反,根据安培定则可知其左端为N极,B正确。
1.关于磁现象和磁场,下列说法正确的是(　D　)
A.地磁场能使小磁针的两极分别指向正南、正北
B.将一条形磁体从中间截开后,一部分为N极,另一部分为S极
C.做奥斯特实验时通电导线应该水平,并沿东西方向放置
D.磁场的基本性质是对处在磁场中的磁体或电流有力的作用
解析:地理的南、北极与地磁的北、南极并不重合,存在磁偏角,因此小磁针静止时并不指向正南、正北,A错误;条形磁体从中间截开后,成为两个小磁体,每个小磁体均有N、S两个磁极,B错误;由于地磁场大致沿南北方向,为了排除地磁场的影响,且使小磁针发生明显偏转,进行奥斯特实验时,通电导线应水平,并沿南北方向放置,C错误;磁场的基本性质是对处在磁场中的磁体或电流有力的作用,D正确。
2.如图为磁场中的两条磁感线,A、B、C为磁场中的三个点,其中A、C在同一条直线磁感线上,下列关于A、B、C三点所在处磁场强弱的说法,正确的是(　A　)
A.A处的磁场比B处的强
B.A处的磁场比B处的弱
C.A、B、C三点处的磁场方向相同
D.无法比较A、B处的磁场强弱
解析:磁感线疏的地方磁场弱,密的地方磁场强,故由题图可知A处的磁场比B处的强,故A正确,B、D错误;磁场的方向为磁感线的切线方向,A、C所在处的磁场方向相同,B点的磁场方向未知,故C错误。
3.如图是铁棒甲与铁棒乙内部各分子电流取向的示意图,甲棒内部各分子电流取向是杂乱
无章的,乙棒内部各分子电流取向大致相同,则下列说法中正确的是(　C　)
A.两棒均显磁性
B.两棒均不显磁性
C.甲棒不显磁性,乙棒显磁性
D.甲棒显磁性,乙棒不显磁性
解析:根据安培的分子电流假说可知,分子电流使每个分子相当于一个小磁针,甲棒中各分子电流取向是杂乱无章的,磁性抵消,对外不显示磁性;乙棒内部各分子电流取向大致相同,分子电流的磁性增强,对外显示磁性,C正确。
4.下列各图中,已标出电流I、电流产生的磁场的方向。小圆圈“○”表示导体的横截面,“☉”表示电流方向垂直纸面向外,“ ”表示电流方向垂直纸面向里。其中正确的是 (　D　)
解析:题图A中,导线中电流的方向竖直向上,根据安培定则可知,导线左侧的磁场方向垂直纸面向外,导线右侧的磁场方向为垂直纸面向里,故A错误;题图B中,电流的方向竖直向上,根据安培定则可知,磁场的方向从上向下看应为逆时针方向,故B错误;题图C中,根据电流的绕向,结合安培定则可知,螺线管右侧为N极,左侧为S极,则螺线管内部的磁场方向向右,故C错误;题图D中,环形电流的方向从上往下看为逆时针方向,根据安培定则知,内部磁场的方向向上,故D正确。
课时作业25
(总分:65分)
1.(5分)我国是最早发现磁现象、应用磁现象的国家之一。下列不属于磁现象的是(　B　)
A.磁体对周围通电导线产生作用力
B.两个静止带电体之间存在相互作用力
C.两条平行通电导线之间存在相互作用力
D.物理学家奥斯特发现通电导线使小磁针偏转
解析:磁体对周围通电导线产生作用力属于磁现象,不符合题意;两个静止带电体之间存在的相互作用力属于静电力,不属于磁现象,符合题意;两条平行通电导线之间存在相互作用力属于磁现象,不符合题意;物理学家奥斯特发现通电导线使小磁针偏转属于磁现象,不符合题意。故选B。
2. (5分)如图,宇宙中“破坏力”最强的天体“磁星”,危险程度不亚于黑洞,其磁感应强度相当于地球磁场的1 000万亿倍。下列有关“磁星”的磁场说法正确的是 (　D　)
A.“磁星”表面的磁感线可能相交
B.磁感线是真实存在的有方向的曲线
C.磁场只存在于“磁星”外部,而“磁星”内部不存在磁场
D.“磁星”表面某点静置一小磁针,小磁针的N极指向为该点磁场方向
解析:磁场中某点不能有两个磁场方向,故磁感线不能相交,A错误;磁感线是假想的有方向的闭合曲线,实际并不存在,B错误;磁感线为闭合曲线,故在“磁星”内部存在磁场,C错误;小磁针静止时N极所指的方向为该点的磁场方向,D正确。
3.(5分)磁性是物质的一种普遍属性,大到宇宙星体,小到电子、质子等微观粒子,几乎都会有磁性。地球就是一个巨大的磁体,其表面的磁性很强,甚至在一些生物体内也会含有微量强磁性物质,如Fe3O4。鸽子正是利用这种体内外磁性的相互作用来辨别方向的。若在鸽子身上缚一块永磁体,且其附近的磁场比地磁场强,则 (　C　)
A.鸽子仍能辨别方向
B.鸽子更容易辨别方向
C.鸽子会迷失方向
D.不能确定鸽子是否会迷失方向
解析:鸽子是通过体内磁性与外部地磁场的相互作用来辨别方向的。若鸽子身上缚上一块永磁体后,由于永磁体的磁场和地磁场共同与鸽子体内磁性发生相互作用,因而鸽子不能正确地区分地磁场的作用,也就不能辨别正确的方向。故选C。
4.(5分)(多选)如图甲、乙是两种常见磁场的磁感线分布示意图。下列说法正确的是(　AD　)
A.图甲中a端是磁体的S极,b端是磁体的N极
B.图甲中a端是磁体的N极,b端是磁体的S极
C.图乙是两异名磁极的磁感线分布示意图,c端是N极,d端是S极
D.图乙是两异名磁极的磁感线分布示意图,c端是S极,d端是N极
解析:题图甲是条形磁体外部磁感线分布示意图,外部磁场的磁感线是从磁体的N极出来,进入磁体的S极,故A正确,B错误;题图乙是两异名磁极磁感线分布示意图,磁感线仍然是从磁体的N极出来,进入磁体的S极,故C错误,D正确。
5.(5分)对下列各图,判断和描述正确的是 (　D　)
A.图甲中地球赤道表面的磁场方向指向南方
B.图乙中表示的电场是由等量异种电荷产生的,电场线方向从正电荷到负电荷,再从负电荷回到正电荷,形成闭合曲线
C.图丙中条形磁体的磁感线从N极出发,到S极终止
D.图丁中如果忽略地磁场,那么环形导线通电后其轴心位置小磁针的N极向纸外旋转
解析:题图甲中,地球赤道表面的磁场方向指向北方,故A错误;题图乙中表示的电场是由等量异种点电荷产生的,电场线方向从正电荷到负电荷,不会从负电荷回到正电荷形成闭合曲线,故B错误;题图丙中条形磁体的磁感线在磁体外部从N极出发到S极,在磁体内部由S极回到N极,故C错误;题图丁中,如果忽略地磁场,那么环形导线通电后,根据安培定则可知,其轴心处的磁场方向垂直于纸面向外,则其轴心位置的小磁针的N极向纸外旋转,故D正确。
6.(5分)如图甲、乙是铁棒被磁化前、后内部各分子电流取向分布情况,根据所学的磁化知识判断下列说法正确的是 (　C　)
A.甲图是磁化后的分子电流取向分布
B.乙图是磁化前的分子电流取向分布
C.铁棒被磁化后通过一定途径可以消除磁性
D.任何材料的物体都很容易被磁化
解析:铁棒被磁化前内部各分子电流取向是杂乱无章的,当铁棒被磁化后内部各分子电流取向相同,故A、B错误;铁棒属于软磁体,磁化后其磁性很容易消失,比如强震动,故C正确;铁、钴、镍以及由它们组成的材料能被磁化,并不是任何材料的物体都很容易被磁化,故D错误。
7.(5分)(人教版教材P108练习与应用T7改编)为了解释地球的磁性,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。在下列四幅图中,正确表示安培假设中环形电流方向的是 (　B　)
解析:地磁的北极在地理南极的附近,故在用安培定则判定环形电流的方向时右手的拇指必须指向南方,拇指与四指垂直,四指弯曲的方向就是电流的方向,故B正确。
8.(5分)如图所示,圆环上带有大量的负电荷,当圆环沿顺时针方向转动时,a、b、c三枚小磁针都要发生转动,以下说法正确的是 (　D　)
A.a、b、c的S极都向纸内转
B.b的S极向纸外转,而a、c的S极向纸内转
C.b、c的N极都向纸内转,而a的N极向纸外转
D.b的S极向纸内转,而a、c的S极向纸外转
解析:圆环带有负电荷,当圆环顺时针转动时,产生的等效电流沿逆时针方向(如图),由安培定则可知,a、c所在处磁场方向垂直于纸面向里,b所在处磁场方向垂直于纸面向外,则a、c小磁针的N极向纸内转,S极向纸外转,b小磁针的N极向纸外转,S极向纸内转,故选D。
9. (5分)(多选)如图所示,一束带电粒子沿水平方向飞过小磁针上方。若带电粒子飞过小磁针上方的瞬间,小磁针N极向纸面内偏转,则带电粒子可能是 (　AD　)
A.向右飞行的正粒子束
B.向左飞行的正粒子束
C.向右飞行的负粒子束
D.向左飞行的负粒子束
解析:由小磁针N极向纸面内偏转,知粒子束下方磁感线垂直纸面向里,由安培定则可知,位于小磁针上方直线电流方向向右,若这束粒子带正电,则向右飞行,若带负电,则向左飞行,故A、D正确。
10. (5分)(多选)如图所示,弹簧测力计下挂一条形磁体,其中条形磁体N极的一部分位于未通电的螺线管内,则下列说法正确的是 (　AC　)
A.若将a点处接电源正极,b点处接负极,弹簧测力计的示数将减小
B.若将a点处接电源正极,b点处接负极,弹簧测力计的示数将增大
C.若将b点处接电源正极,a点处接负极,弹簧测力计的示数将增大
D.若将b点处接电源正极,a点处接负极,弹簧测力计的示数将减小
解析:根据安培定则,可知若将a点处接电源正极,b点处接电源负极,螺线管上端为N极,会排斥条形磁体,弹簧测力计示数将减小;若将a点处接电源负极,b点处接电源正极,螺线管上端为S极,会吸引条形磁体,弹簧测力计示数将增大,故选A、C。
11.(5分)某电动充气泵的结构示意图如图所示,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。当电流从电磁铁的接线柱A流入时,发现吸引小磁体向下运动,则 (　B　)
A.电磁铁中磁场向上,小磁体的下端为N极
B.电磁铁中磁场向下,小磁体的下端为N极
C.电磁铁中磁场向上,小磁体的下端为S极
D.电磁铁中磁场向下,小磁体的下端为S极
解析:当电流从电磁铁的A接线柱流入时,从上向下看电流沿顺时针方向,根据安培定则可知电磁铁中磁场方向向下,电磁铁的下端为N极,上端为S极;由同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引可知,小磁体的下端为N极,故选B。
12.(10分)磁场具有能量,磁场中单位体积所具有的能量叫作能量密度,其值为,式中B是磁感应强度,μ是磁导率,在空气中μ为一已知常量。为了近似测得条形磁体磁极端面附近的磁感应强度B,一学生用一根端面面积为A的条形磁体吸住一相同面积的铁片P,再用力将铁片与磁体拉开一段微小距离ΔL,并测出拉力F,如图所示。因为F所做的功等于间隙中磁场的能量,试写出磁感应强度B与F、A之间的关系式。
答案:B=
解析:由于ΔL很小,则拉力F可认为恒定,F做的功W=F·ΔL,由题意知,间隙中的磁场能为E=·A·ΔL,由于W=E,则F·ΔL=·A·ΔL,整理得B=。

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