高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 磁场 磁感线学案

磁场　磁感线

一、电和磁的联系

1731年,一英国商人发现雷击后的刀叉竟具有了磁性。1751年,富兰克林发现莱顿瓶放电可使缝衣针磁化。电现象和磁现象间的相似是偶然的吗?那些磁化现象又说明了什么呢?电现象和磁现象存在某种联系吗?

提示:电现象和磁现象间的相似不是偶然,电与磁之间存在某种必然的联系。

1.电现象和磁现象的相似性:

2.电流的磁效应:丹麦物理学家奥斯特相信,就像电和热、电和光之间存在联系一样,电和磁之间也应该存在着联系,1820年他发现了电流的磁效应,首次揭示了电和磁的联系。

二、磁场

如图,通电后小磁针会发生偏转,为什么?

提示:这说明在通电导线周围存在着一种特殊物质——磁场。

1.来源:磁体周围和电流周围都存在磁场,一切磁相互作用都是通过磁场来实现的。

2.方向:人们规定,在磁场中某一点小磁针N极所受磁力的方向,就是该点磁场的方向。

3.基本性质:对放入其中的磁体或通电导体有力的作用。

三、磁感线

　如图,我们可以用电场线来形象地描述电场,那么,类似的,我们用什么来形象地描述磁场呢?

提示:我们可以用磁感线来形象地描述磁场。

1.定义:在磁场中画出一些曲线,使曲线上每一点的切线方向都跟这一点的磁场方向一致,这样的曲线叫作磁感线。

2.特点:

(1)磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。

(2)磁感线上某点的切线方向表示该点磁感应强度的方向。

3.方向:在磁体外部为从N极到S极,磁体内部为从S极到N极。

4.物理意义:用来形象描述磁场的假想线,实际上并不存在。

四、安培定则

1.直线电流的磁场: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。

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感线的方向,如图乙。

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跟电流方向一致,拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向,或拇指指向螺线管的N极,如图丙。

 (1)天然磁体和人造磁体都能吸引铁质物体。 (√)

(2)磁场看不见、摸不着,因此磁场是人们假想的,实际并不存在。 (×)

(3)电流与电流的相互作用是通过电场产生的。 (×)

(4)磁感线可以用细铁屑来显示,因而是真实存在的。 (×)

(5)一环形电流产生的磁场,环内的磁感线与环外的磁感线数目相等。 (√)

知识点一　对磁场的再认识

角度1对磁场的理解

1.磁场的存在:

(1)磁体周围。

(2)电流周围。

2.磁场的客观性:磁场虽然看不见、摸不着,不是由分子、原子组成的,但却是客观存在的。场和实物是物质存在的两种形式。

3.磁场的基本性质:对放入其中的磁体或电流有力的作用。磁体与磁体之间、磁体与电流之间、电流与电流之间的相互作用都是通过磁场发生的。

4.磁场的方向性:有方向,处在磁场中能够自由转动的小磁针N极受力的方向或静止时小磁针N极所指的方向就是该点的磁场方向。

图一中异名磁极相互吸引,同名磁极相互排斥,图二中一段直导线悬挂在蹄形磁铁的两极间,通以电流,导线就会移动;图三中两条通过同向电流的导线相互吸引,通过反向电流的导线相互排斥,这些相互作用是怎样实现的?

提示: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。

【典例1】(多选)关于磁铁、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,磁体对通电导线的力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】选B、C。甲图中,电流对小磁针力的作用是通过电流的磁场发生的;乙图中,磁体对通电导线力的作用是通过磁体的磁场发生的;丙图中,电流对另一个电流力的作用是通过该电流的磁场发生的。综上所述,选项B、C正确。

角度2电场和磁场的比较

提醒:自然界有两种基本的物质形态:实物和场

(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,和实物一样,也是一种客观存在的物质,具有质量、能量、动量等物质的基本属性。

如图,自然界中有电场、磁场、重力场等多种场,这些场有什么共同点呢?

提示:这些场都看不见、摸不着,不是由实物粒子组成,但都是客观存在的物质,都对放入其中的物体有力的作用。

【典例2】下列说法中,正确的是 (　　)

A.磁极与磁极间的相互作用是通过磁场产生的

B.电流与电流的相互作用是通过产生的

C.磁极与电流间的相互作用是通过 共同产生的

D.磁场和电场

【审题关键】

【解析】选A。电流能产生磁场,在电流的周围有磁场存在,不论是磁极与磁极间,还是电流与电流间、磁极与电流间,都有相互作用的磁场力。磁场是一种特殊物质,它的基本特点是对放入磁场中的磁极、电流有磁场力的作用;而电场是电荷周围存在的一种特殊物质,其最基本的特点是对放入电场中的电荷有电场力的作用,而不会对放入静电场中的磁极产生力的作用。因此,磁场和电场是不同的,各具有自己的特点,故只有A正确。

1.(多选)下列说法正确的是  (　　)

A.磁场最基本的性质是对处于其中的磁体和电流有力的作用

B.磁场是看不见、摸不着、实际不存在的,是人们假想出来的一种物质

C.磁场是客观存在的一种特殊的物质形态

D.磁场的存在与否决定于人的思想,想其有则有,想其无则无

【解析】选A、C。磁场虽看不见、摸不着,但其是客观存在的,不随人的意志而转移,它是一种特殊的物质形态,最基本的性质是对处于其中的磁体和电流有力的作用。

2.下列关于磁场的说法中,正确的是 (　　)

A.磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质

B.磁场是为了解释磁极间相互作用而人为规定的

C.磁体与磁体之间是直接发生作用的

D.磁场只能由磁体产生,电流不能产生磁场

【解析】选A。磁场和电场都是客观存在的特殊物质,不是人为规定的,A对,B错;磁体与磁体之间是通过磁场发生相互作用的,C错;电流也能产生磁场,D错。

3.(多选)指南针是我国古代四大发明之一。关于指南针,下列说法正确的是 (　　)

A.指南针可以仅具有一个磁极

B.指南针能够指示南北,说明地球具有磁场

C.指南针的指向会受到附近铁块的干扰

D.在指南针正上方附近沿指针方向放置一直导线,导线通电时指南针不偏转

【解析】选B、C。指南针是一个小磁体,具有N、S两个磁极,因为地磁场的作用,指南针的N极指向地理的北极,选项A错误,选项B正确。因为指南针本身是一个小磁体,所以会对附近的铁块产生力的作用,同时指南针也会受到反作用力,所以会受铁块干扰,选项C正确。在地磁场中,指南针南北指向,当直导线在指南针正上方平行于指南针南北放置时,通电导线产生的磁场在指南针处是东西方向,所以会使指南针偏转,选项D错误。

【加固训练】

磁性水雷是用一个可以绕轴转动的小磁针来控制引爆电路的,军舰被地磁场磁化后变成了一个浮动的磁体,当军舰接近磁性水雷时,就会引起水雷的爆炸,其依据是              (　　)

A.磁体的吸铁性　　　　　　    B.磁极间的相互作用规律

C.电荷间的相互作用规律     D.磁场对电流的作用原理

【解析】选B。军舰被地磁场磁化后变成了磁体,当军舰靠近水雷时,对控制引爆电路的小磁针有力的作用,使小磁针转动引爆水雷。故B项正确。

知识点二　对磁感线的再认识

角度1对磁感线性质的理解

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)磁感线的方向:磁体外部从N极指向S极,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。

如图所示为一条形磁铁的磁感线,则该磁铁的哪端是N极?小磁针的N极在左端还是右端?图中a、b两点哪点的磁场较强?

提示:磁感线的方向在磁体外部为从N极到S极,内部为从S极到N极,故该磁铁的右端为N极;由于磁感线上某点的切线方向为该点的磁场方向,同时也是该点处小磁针静止时N极的指向,故小磁针的N极在左端;又因为磁感线的疏密可以表示磁场的强弱,故图中b点的磁场较强。

【典例1】关于磁感线和电场线,下列说法中正确的是 (　　)

A.磁感线是闭合曲线,而静电场线不是闭合曲线

B.磁感线和电场线都是一些互相平行的曲线

C.磁感线起始于N极,终止于S极;电场线起始于正电荷,终止于负电荷

D.磁感线和电场线都只能分别表示磁场和电场的方向

【解析】选A。A选项是两种场线的基本特点,A对。只有匀强磁场和匀强电场才满足B选项,B不对。磁感线既然是闭合的就无起点和终点,C不对。两种场线不仅能反映方向,它们的疏密还能反映场的强弱程度,D不对,故选A。

角度2几种常见磁体的磁感线

【典例2】如图所示,表示蹄形磁铁周围的磁感线,磁场中有a、b两点,下列说法正确的是 (　　)

A.a、b两处的磁场强弱相等

B.a、b两处的磁场强弱不等,b点较强

C.蹄形磁铁的磁感线起始于蹄形磁铁的N极,终止于蹄形磁铁的S极

D.a处没有磁感线,所以该处没有磁场

【解析】选B。由于磁感线较密处磁场较强,由题图可知b处的磁感线较密,a处的磁感线较疏,故b处磁场较强,A错,B对;磁感线是闭合曲线,没有起点和终点,故C错;在没画磁感线的地方,并不表示没有磁场存在,故D错。

1.如图所示,假设将一个小磁针放在地球的北极点上,那么小磁针的N极将 (　　)

A.指北　　　B.指南　　　C.竖直向上　　　D.竖直向下

【解析】选D。我们已经知道地球的地理北极点可以近似地认为是地磁的南极,根据磁体的同性相斥,异性相吸,所以小磁针的N极将竖直向下,故D正确。

2.下列关于磁场和磁感线的描述中正确的是 (　　)

A.磁感线可以形象地描述各点磁场的方向

B.磁感线是磁场中客观存在的线

C.磁感线总是从磁铁的N极出发,到S极终止

D.实验中观察到的铁屑的分布就是磁感线

【解析】选A。磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向,但它不是客观存在的线,可以用细铁屑模拟。在磁铁外部磁感线由N极到S极,但内部是由S极到N极。故选A。

3.(教材二次开发·P108【练习与应用】T6变式)已知通电螺线管和条形磁铁的磁感线相似,如图所示:则图中哪个小磁针所在处的磁场较强,为什么?

【解析】由题图知,左边小磁针所在处的磁感线较密,故左边小磁针所在处的磁场较强。

答案:见解析

【加固训练】

1.下列情况中,不可能的是 (　　)

A.一环形电流产生的磁场,环内的磁感线与环外的磁感线数目相等

B.电流产生的磁场比磁铁产生的磁场强

C.磁感线在空间某处中断

D.某区域各处的磁感线疏密一样

【解析】选C。环形电流环内的磁感线与环外的磁感线构成完整的闭合曲线,因此数目相等;电流产生的磁场和磁铁产生的磁场有强有弱;匀强磁场的磁感线疏密一样。所以选项A、B、D是可能的;磁感线在空间不相交、不相切、不中断,故选项C是不可能的。

2.磁场中某区域的磁感线如图所示,则 (　　)

A.a、b两处的磁感应强度的大小不相等,Ba>Bb

B.a、b两处的磁感应强度的大小不相等,Ba<Bb

C.a、b两处磁场方向一定相同

D.a处没有磁感线,所以磁感应强度为零

【解析】选B。由题图可知,b处的磁感线较密,a处的磁感线较疏,所以Ba<Bb,A错误,B正确。磁场中某点的磁场方向与磁感线在该点的切线方向相同,由题图判断,a、b两点磁场方向不同,C错误。磁感线是用来描述磁场的,不可能在存在磁场的区域内全部画出磁感线,D错误。

3.如图所示为某磁场的一条磁感线,其上有A、B两点,则 (　　)

A.A点的磁感应强度一定大

B.B点的磁感应强度一定大

C.因为磁感线是直线,A、B两点的磁感应强度一样大

D.条件不足,无法判断

【解析】选D。磁感应强度的大小是由磁感线的疏密程度决定的,只给出一条磁

感线,无法判断该条磁感线上两点的磁感应强度的大小。

知识点三　安培定则及其应用

角度1三种常见电流的磁场

提醒:(1)磁场是分布在立体空间的。

(2)利用安培定则不仅可以判断磁场的方向,还可以根据磁场的方向判断电流的方向。

(3)环形电流相当于小磁针,通电螺线管相当于条形磁铁,应用安培定则判断时,拇指所指的一端为它的N极。

　如图所示是云层之间闪电的模拟图,图中A、B是位于南、北方向带有电荷的两块阴雨云,在放电的过程中,两云的尖端之间形成了一个放电通道,发现位于通道正上方的小磁针N极转向纸里,S极转向纸外,则关于A、B的带电情况是怎样的?

提示:由小磁针N极转向纸里知,该处磁场方向向里,由安培定则知,两云尖端之间存在自A向B的电流,则A带正电,B带负电。

【典例1】 (多选)如图所示,螺线管中通有电流,如果在图中的a、b、c三个位置上各放一个小磁针,其中a在螺线管内部,则              (　　)

A.放在a处的小磁针的N极向左

B.放在b处的小磁针的N极向右

C.放在c处的小磁针的S极向右

D.放在a处的小磁针的N极向右

【解析】选B、D。由安培定则可知,通电螺线管的磁场如图所示,右端为N极,左端为S极,在a点磁场方向向右,则小磁针在a点时,N极向右,A项错误,D项正确;在b点磁场方向向右,则磁针在b点时,N极向右,B项正确;在c点,磁场方向向右,则磁针在c点时,N极向右,S极向左,C项错误。

角度2安培分子电流假说

1.假说内容:在原子、分子等物质微粒内部,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微小的磁体,它的两侧相当于两个磁极。

2.假说的意义:安培分子电流假说,揭示了磁铁磁性的起源,它使我们认识到:磁铁的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的运动产生的。

3.假说对一些现象的解释:

(1)磁化:一根铁棒,在未被磁化的时候,内部各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;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。

(2)消磁:磁体受到高温或猛烈的敲击会失去磁性,这是因为在激烈的热运动或机械振动的影响下,分子电流的取向又变得杂乱了。

【典例2】根据安培分子电流假说的思想,磁体和电流的磁场都是运动电荷产生的。根据这种假说,并没有发现有相对地球定向运动的电荷。若地磁场是由于地球自转产生的,以此推断地球应该 (　　)

A.带正电　　　　　　　　  　B.带负电

C.不带电         D.无法确定

【解析】选B。由于地磁的N极在地理的南极附近,地磁的S极在地理的北极附

近,地球绕地轴自西向东旋转,故可以将地球看作一个绕地轴运动的环形电流,根据安培定则可知右手的拇指指向南方,而弯曲的四指的指向与地球自转的方向相反,弯曲的四指的指向是正电荷运动的方向,与负电荷运动的方向相反,故可以断定地球带负电,故B正确,A、C、D错误。

(1)地球的磁场和环形电流的磁场相似,可以把地球等效成一环形电流。

(2)如果物体带负电,则用安培定则判断电流方向时,四指弯曲的方向应为物体运动的反方向。

1.(母题追问)在【典例1】中,若电源正负极改为未知,并在螺线管右侧放置一小磁针,变成如图所示情形,则下列判断正确的是 (　　)

A.E为蓄电池正极

B.螺线管P端为S极

C.流过电阻R的电流方向向上

D.管内磁场方向由P指向Q

【解析】选C。由题知,闭合开关时,螺线管Q端为S极,管内磁场方向由Q指向P,根据安培定则判断知,E为蓄电池的负极,电阻R中的电流方向向上,故C项正确。

2.(教材二次开发·P108【练习与应用】T4变式)通电直导线周围的磁感线如图所示,标出导线中的电流方向。

【解析】根据安培定则可判断出导线中的电流方向为沿导线向上,如图所示

答案:见解析

3.确定线圈通电后小磁针的转动情况。

【解析】由安培定则知,小磁针处的磁场方向为竖直向上,则小磁针的N极应向上转动。

答案:见解析

【拓展例题】考查内容:安培定则的应用

【典例】(多选)在三维直角坐标系中,电子从O点沿y轴正方向运动,如图所示,则下列说法正确的是 (　　)

A.利用安培定则判定电子运动产生的磁场方向时,大拇指应沿电子的运动方向

B.利用安培定则判定电子运动产生的磁场方向时,大拇指应沿电子运动的反方向

C.由电子运动产生的磁场在图示a处沿+x方向

D.由电子运动产生的磁场在图示a处沿-x方向

【解析】选B、D。由安培定则知,伸直的拇指所指的方向与电流的方向一致,与电子运动的方向相反,A错,B对;弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向,在a点的切线方向沿-x方向,所以C错,D对。

超导是当今高科技的热点之一,当一块磁体靠近超导体时,超导体中会产生强大的电流,对磁体有排斥作用,这种排斥力可使磁体悬浮在空中,磁悬浮列车就采用了这项技术。

探究:(1)超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向的关系。

(2)超导体的运动状态。

【解析】同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,所以电流的磁场方向和磁体的磁场方向相反;磁体悬浮在空中,重力和磁力平衡,故超导体处于平衡状态。

答案:(1)相反　(2)平衡状态

　在隧道工程以及矿山爆破作业中,部分未发火的炸药残留在爆炸孔内,很容易引起人身事故。为此,科学家制造了一种专门

用于隧道工程以及矿山爆破作业的炸药——磁性炸药。在磁性炸药制造的过程中掺入10 %的磁性材料——钡铁氧体,然后放入磁化机磁化。使用磁性炸药时,遇到不发火的情况可用磁性探测器探测出未发火的炸药。已知掺入的钡铁氧体的消磁温度约为400 ℃,炸药的爆炸温度约为2 240～3 100 ℃,一般炸药引爆温度最高为140 ℃左右。

探究:(1)磁性材料在低温下易被磁化还是高温下易被磁化?

(2)磁性材料在低温下易被消磁还是高温下易被消磁?

【解析】由安培分子电流假说可知,低温情况下,分子运动不剧烈,在外磁场的作用下,分子环形电流的磁极趋向基本一致,因而易被磁化;而高温时,分子剧烈运动,导致趋向基本一致的分子环形电流的磁极重新变得杂乱无章,进而达到消磁目的;即磁性材料高温下容易消磁,低温下容易磁化。

答案:(1)低温　(2)高温

1.(教材二次开发·P108【练习与应用】T5变式)如图,小磁针放在线圈左侧,且

两者处于同一平面内。当在线圈中通入逆时针方向的电流后,小磁针S极的指向

是 (　　)

A.垂直纸面向里　　　　   B.向上

C.垂直纸面向外　　　　　  D.向下

【解析】选C。线圈通入逆时针方向的电流,由安培定则知在左侧产生垂直纸面向里的磁场,小磁针S极指向磁场的反方向,知C对。

2.磁铁和电流都能产生磁场,而通电螺线管和条形磁铁的磁场十分相似,安培由此提出著名的分子电流假说,关于分子电流假说分析正确的是 (　　)

A.由于磁铁内部分子的定向移动而形成分子电流导致磁铁周围产生磁场

B.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,铁棒各处显示出同样强度的磁场

C.高温可以使磁铁失去磁性,而猛烈的敲击则不会使磁铁失去磁性

D.安培分子电流假说揭示出磁场是由电荷的运动产生的

【解析】选D。安培分子电流假说主要是提出环形的分子电流导致组成物质的每个微粒都相当于磁体,当这些磁体的磁性方向一致时,整体就形成两个磁极,而铁棒磁化后只有两个磁极的磁性是最强的,选项A、B错误;高温和猛烈的撞击都会使磁铁内部的分子电流取向又变得杂乱无章而导致磁铁失去磁性,选项C错误;分子电流的实质是电子绕原子核旋转产生环形电流,而环形电流产生两个磁极,本质上还是电荷的运动产生了磁场,选项D正确。

3.铁棒A能吸引小磁针,铁棒B能排斥小磁针,若将铁棒A靠近铁棒B,下述说法中正确的是 (　　)

A.A、B一定相互吸引

B.A、B一定相互排斥

C.A、B间有可能无磁场力作用

D.A、B可能相互吸引,也可能相互排斥

【解析】选D。小磁针本身有磁性,能够吸引没有磁性的铁棒,故铁棒A可能有磁性,也可能没有磁性(只是在小磁针磁场作用下暂时被磁化的结果)。铁棒B能排斥小磁针,说明铁棒B一定有磁性。若A无磁性,当A靠近B时,在B的磁场作用下也会被磁化而发生相互吸引作用。若A有磁性,则A、B两磁体都分别有N极和S极,当它们的同名磁极互相靠近时,互相排斥;当异名磁极互相靠近时,互相吸引。这说明不论A有无磁性,它们之间总有磁场力的作用,故只有D项正确。

4.电流的磁效应揭示了电与磁的关系。下面四幅图中描述磁场方向与电流方向之间的关系,其中磁感线分布正确的是 (　　)

【解析】选A。根据安培定则可知,因电流方向向上,导线右侧磁场方向垂直纸面向里,而左侧则是垂直纸面向外,故A正确;同理,根据安培定则可知,因电流方向从右旋转到左,则螺线管内部磁场方向由左向右,因此左端是S极,右端是N极,

故B错误;同理,根据安培定则可知,因环形电流向里,则环形导线内部磁场方向从右向左,故C错误;因电流竖直向下,依据安培定则可知,磁场方向俯视看应该是顺时针方向,故D错误。

5.图中的四幅图为电流产生磁场的分布图,其中正确的是哪几个?

【解析】由安培定则可以判断出直线电流①产生的磁场的磁感线方向俯视看为逆时针,直线电流②产生的磁场的磁感线方向俯视看为顺时针,故①正确,②错误;同理由安培定则可判断出环形电流③和④产生的磁场的磁感线方向向右,可判断出④正确,③错误。故正确的是①和④。

答案:①和④