第5章第1节 磁场及其描述
内容索引0102基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升03学以致用•随堂检测全达标
课标要求1.理解磁场和磁感应强度的概念,知道磁场是客观存在的物质及其基本特性。(物理观念)2.知道磁感线的特点和作用,能运用磁感线模型解决问题。(科学思维)3.熟悉几种电流周围磁感线的形状,熟练运用安培定则判断有关问题。(科学思维)4.了解我国古代在磁学方面的研究成果及其对人类文明的影响,能体会磁技术对人类生活和社会发展带来的影响。(科学态度与责任)
基础落实•必备知识全过关
一、磁场磁感应强度1.磁场(1)定义:磁体或电流周围的空间存在一种特殊物质。(2)基本性质:磁场能够对磁体产生的作用。(3)方向:人们把磁场中某点小磁针时的指向规定为该点磁场的方向。(4)强弱:在磁场中的不同位置,其强弱不尽相同。例如,条形磁铁形成的磁场,在靠近处较强,在靠近位置处较弱。力静止北极北极(N极)和南极(S极)中间
2.磁感应强度(1)物理意义:描述磁场强弱和方向的物理量。(2)定义:把于磁场方向的一小段通电直导线受到的力F与电流I和直导线的长度l的之比,称为磁感应强度,用B表示。①定义式:B=。②单位:在国际单位制中,磁感应强度的单位是,简称特,符号为。1T=1N/(A·m)。③方向:磁场中某点磁感应强度的方向,即该点的磁场方向,也就是放在该点的小磁针静止时N极的指向。④叠加原理:磁场遵从叠加原理。如果有几个磁场同时存在,它们的磁场就互相叠加,这时某点的磁感应强度就等于各个磁场单独存在时在该点磁感应强度的。垂直乘积特斯拉T矢量和
二、磁感线1.磁感线(1)磁感线是在磁场中画出的一些有方向的假想曲线,磁感线上任意一点的即该点的磁场方向。(2)特点①磁感线是曲线,不会。②磁感线分布越的地方,磁感应强度越大;磁感线分布越_______的地方,磁感应强度越小。切线方向闭合相交密疏
2.匀强磁场(1)概念:在磁场的某个区域内,如果各点的磁感应强度的和都相同,则这个区域的磁场称为匀强磁场。(2)磁感线形状:在匀强磁场中,磁感线是一组且等距的直线。大小方向平行
三、电流的磁场1.通电直导线周围的磁场(1)通电直导线周围磁场的磁感线是以电流为中心的。如图甲所示。甲通电直导线周围的磁场分布示意图同心圆
(2)安培定则——判断方法用右手握住通电直导线,让伸直拇指的方向与的方向一致,则四指弯曲的方向就是电流周围的环绕方向。如图乙所示。乙安培定则电流磁感线
2.环形电流周围的磁场(1)环形电流磁场的磁感线是一些绕环形电流的闭合曲线,在环形电流的中心轴上,磁感线与环形电流所在的平面。如图甲所示。(2)安培定则——判断方法让右手弯曲四指的方向与环形的方向一致,则伸直拇指所指的方向就是环形电流中心轴线处的方向。如图乙所示。垂直电流磁感线
3.通电螺线管周围的磁场(1)通电螺线管外部的磁感线与的磁感线相似,其内部的磁感线与螺线管的轴线,并和外部的磁感线连接,形成曲线。如图甲所示。(2)安培定则——判断方法用右手握住螺线管,让弯曲四指所指的方向与的方向一致,则伸直拇指所指的方向就是螺线管磁感线的方向。如图乙所示。条形磁铁平行闭合电流内部
想一想通电的螺线管相当于一个条形磁铁,一端是N极,另一端是S极,把一个小磁针放入螺线管内部,小磁针的N极指向螺线管的哪里?提示指向螺线管的N极。小磁针N极的指向是N极受到磁场力的方向,N极受力的方向是该位置的磁感线的方向,在螺线管内部,磁感线方向由S极指向N极,所以小磁针的N极指向螺线管的N极。
四、磁的应用及意义1.指南针与航海业的发展对磁技术的应用中,首屈一指的当数我国发明的。的出现开启了航海技术革命,推动了世界各国航海事业的发展。2.磁与现代技术(1)磁浮列车有式和式两种。常导电磁铁吸引式是根据磁铁异极相吸的原理,让导轨钢板的吸引力与车辆所受重力平衡,从而使车体悬浮;超导电磁铁相斥式是根据_________________的原理,利用车上超导电磁铁形成的磁场与轨道上磁铁形成的磁场所产生的相斥力使车体悬浮。(2)核磁共振成像技术是磁在医学诊断方面的重要应用。指南针指南针常导电磁铁吸引超导电磁铁相斥磁铁同极相斥
易错辨析判一判(1)磁场看不见、摸不着,因此磁场是人们假想的,实际并不存在。()(2)磁体与磁体之间的作用是通过磁场发生的,通电导线与通电导线之间的作用是通过电场发生的。()×磁场和电场一样,是客观存在的一种物质。×磁体与磁体之间的作用是通过磁场发生的,通电导线与通电导线之间的作用也是通过磁场发生的。
(3)用铁屑可以演示磁体周围磁感线的分布,所以磁感线是客观存在的。()(4)磁场中某点磁感应强度的方向与放在该点小磁针N极的指向一定相同。()(5)环形电流的磁场相当于小磁针,通电螺线管的磁场相当于条形磁铁。()×磁感线是为了形象地描述磁场而引入的假想线,实际并不存在。×与放在该点小磁针静止时N极的指向一定相同。√
即学即用练一练(多选)如图所示,一束带正电的粒子沿水平向右的方向飞过小磁针的上方(虚线所示),并与磁针指向平行,则()A.虚线上方的磁场方向为垂直纸面向外B.虚线下方的磁场方向为垂直纸面向外C.小磁针的N极转向为垂直纸面向外D.小磁针的N极转向为垂直纸面向里答案AD解析带正电粒子向右运动,形成向右的电流,根据安培定则可知,虚线上方的磁场方向为垂直纸面向外,下方的磁场方向为垂直纸面向里,A正确,B错误;小磁针N向着磁场方向转动,即垂直纸面向里,D正确。
重难探究•能力素养全提升
探究一对磁感应强度的理解[情境探究]如图所示,三块相同的蹄形磁铁并列放在桌上,将一根直导线水平悬挂在磁铁的两极间,导线的方向与磁感应强度的方向垂直。可以通过控制电路中滑动变阻器来调节导线上的电流大小,分别接通“2、3”和“1、4”,可以改变导线通电部分的长度。
(1)当电路接在“2、3”时,调节滑动变阻器使导线中电流增大时,可以观察到什么现象?说明了电流越大时,磁场对电流的作用力怎么变化?(2)把电路接在“2、3”时,观察导线摆动的角度,然后把电路改接在“1、4”,可以观察到什么现象?说明了在磁场中的通电导线越长时,磁场对电流的作用力怎么变化?(3)根据上述实验现象,通电直导线垂直放置在确定的磁场中受到的磁场力F与通过的电流强度I、导线长度L的关系分别是怎样的?写出关系式。(4)根据上面关系,思考应该如何定义磁感应强度。写出定义和定义式。
要点提示(1)电流越大,竖直导线的摆角越大,说明电流越大时,导线受力越大。(2)通电导线越长,竖直导线的摆角越大,说明通电导线越长,导线受力越大。(3)磁场力F与电流I和导线长度L成正比,关系式为F=BIL。(4)将通电导线垂直放入磁场,它受到的磁场力F与IL的比值叫磁感应强度,用公式表示为。
[知识归纳]磁感应强度的特点1.磁感应强度的定义式也适用于非匀强磁场,这时L应很短,IL称为“电流元”,相当于静电场中的“试探电荷”。2.磁感应强度是反映磁场强弱的物理量,它是用比值法定义的物理量,由磁场自身决定,与是否引入电流元、引入的电流元是否受力及受力大小无关。3.因为通电导线取不同方向时,其受力大小不相同,故在定义磁感应强度时,式中F是指通电直导线垂直磁场放置时受到的磁场力。
4.磁感应强度是矢量,它的方向可以有以下几种表述方式:(1)小磁针静止时N极所指的方向,即N极受力的方向。(2)小磁针静止时S极所指的反方向,即S极受力的反方向。(3)磁感应强度的方向就是该点的磁场方向。5.磁感应强度的叠加规律:满足平行四边形定则。
[应用体验]典例1(多选)一段直导线长为1cm,通有5A的电流,把它置于磁场中的某点时,受到的磁场力为0.1N,则该点的磁感应强度B的值可能为()A.1TB.0.5TC.2TD.2.5T答案CD解析当I与B垂直时,由可解得B=2T,但题中未说明I与B是否垂直,故B的值也可能大于2T。
规律方法正确理解比值定义法(1)定义是比值定义法,这种定义物理量的方法实质就是一种测量方法,被测量点的磁感应强度与测量方法无关。(2)定义也是比值定义法,被测量的物理量也与测量方法无关,不是由定义式中的两个物理量决定的。
针对训练1(2021福建龙岩检测)下列关于磁场的说法正确的是()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,电流不能产生磁场答案A解析磁场和电场都是客观存在的特殊物质,不是人为规定的,A正确,B错误;磁体与磁体之间是通过磁场发生相互作用的,C错误;电流也能产生磁场,D错误。
探究二对磁感线的理解[情境探究]图甲表示条形磁铁的磁感线的分布情况,图乙表示通电螺线管的磁感线的分布情况,观察两幅图,请思考:从图中可以看出,通电螺线管的磁感线是闭合的,而条形磁铁的磁感线不闭合,这种判断对吗?要点提示不对。不管是磁铁的磁场,还是电流的磁场,磁感线都是闭合的。
[知识归纳]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,密集处磁场强,稀疏处磁场弱。若相切,切点处B→∞,不可能,故磁感线不相切。(3)磁感线为闭合曲线:磁体外部从N极指向S极,磁体内部从S极指向N极。(4)磁感线上任一点的切线方向表示该点的磁场方向,在稳定磁场中,某点磁场方向唯一确定,所以磁感线不能相交。
2.磁感线和电场线的区别与联系比较项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,不闭合的曲线要点笔记电场线有开始点和终点,而磁感线是闭合曲线,没有起点和终点。
[应用体验]典例2(多选)关于磁感线,下列说法正确的是()A.磁感线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致B.磁感线是磁场中客观存在的、肉眼看不见的曲线C.两条磁感线的空隙处不存在磁场,不同磁场形成的磁感线可以相交D.匀强磁场的磁感线是等间距的平行直线
答案AD解析磁感线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向,A正确;磁感线是为了形象描述磁场而假想的曲线,可以用实验来模拟,但实际并不存在,B错误;磁感线的疏密反映磁场的强弱,但不表示空隙处不存在磁场,磁场是充满某个区域的;不同磁场源产生的磁场在某一区域叠加,磁感线描绘的是叠加后的合磁场,某处的磁感应强度是唯一的,磁感线不相交,C错误;匀强磁场的强弱和方向处处相同,其磁感线是等间距的平行直线,D正确。
规律方法要正确地理解磁感线,并且可以和电场线作类比:比如都是人为引入的带有方向的曲线,可以通过疏密程度反映场的强弱,不能相交等,也有不同点,比如磁感线是闭合的曲线而电场线不闭合。
针对训练2(多选)下列关于电场线和磁感线的说法正确的是()A.电场线和磁感线都是电场或磁场中实际存在的线B.磁场中两条磁感线一定不相交,但在复杂电场中的电场线是可以相交的C.电场线是一条不闭合曲线,而磁感线是一条闭合曲线D.电场线越密的地方,电场越强,磁感线越密的地方,磁场也越强
答案CD解析电场线与磁感线分别是为了形象描述电场、磁场而引入的假想线,实际不存在,A错误;两种场线的切线方向均表示相应的场方向,两种场线都不会相交,B错误;电场线起始于正电荷或无限远、终止于负电荷或无限远,而磁感线在磁体外部由N极指向S极,在磁体内部由S极指向N极,组成闭合曲线,C正确;电场线越密,表示该处电场越强;磁感线越密,表示该处磁场越强,D正确。
探究三电流的磁场及安培定则[情境探究]根据安培假说的物理思想:磁场来源于运动电荷。如果用这种思想解释地球磁场的形成,认为地磁场是由于地球的自转所形成。那么由此推断,地球整体应该是带正电还是带负电?要点提示因在地球的内部地磁场从地球北极指向地球的南极,根据右手螺旋定则可判断出地球表现环形电流的方向应从东到西,而地球是从西向东自转,所以只有地球表面带负电荷才能形成上述电流。综上所述,地球总体应该带负电。
[知识归纳]1.常见永磁体的磁场(如图所示)
2.三种常见的电流的磁场
[应用体验]典例3电路未接通时三个小磁针方向如图所示,试确定电路接通后三个小磁针的转向(小磁针3在通电螺线管内部)。解析接通电源后,螺线管内部的磁场从左指向右,外部从右指向左,如图所示,故小磁针1逆时针转动,小磁针3顺时针转动,小磁针2基本不动。答案小磁针1逆时针转动,小磁针3顺时针转动,小磁针2基本不动
规律方法判断磁场方向的四种方法1.磁感线上某点的切线方向即为该点的磁场方向。2.小磁针静止时N极的指向即为该点的磁场方向。3.根据安培定则判断电流的磁场方向。4.磁体外部的磁场方向由N极指向S极,磁体内部的磁场方向由S极指向N极。
针对训练3如图所示为磁场作用力演示仪中的赫姆霍兹线圈,在线圈中心处挂上一个小磁针,且与线圈在同一平面内,则当赫姆霍兹线圈中通以如图所示方向的电流时()A.小磁针N极向里转B.小磁针N极向外转C.小磁针在纸面内向左摆动D.小磁针在纸面内向右摆动答案A解析由于线圈中电流沿顺时针方向,根据安培定则可以确定,线圈内部轴线上磁感线方向垂直于纸面向里。而小磁针N极受力方向和磁感线方向相同,故小磁针N极向里转。
探究四磁场叠加问题[情境探究]三根完全相同的长直导线互相平行,它们的截面处于一个正方形abcd的三个顶点a、b、c处,导线中通有大小和方向都相同的电流。如图所示,已知每根通电导线在其周围产生的磁场的磁感应强度大小与距该导线的距离成反比,通电导线b在d处所产生的磁场的磁感应强度大小为B,则三根通电导线产生的磁场在d处的合磁感应强度大小为多少?
[知识归纳]1.两个以上电流在空间产生磁场时,空间各处的磁感应强度是各电流单独产生磁场时磁感应强度的矢量和。2.求解电流磁场叠加问题时,先用安培定则判断各电流磁场的方向,再用平行四边形定则求磁感应强度的矢量和。
[应用体验]典例4如图所示,两根相互平行的长直导线分别通有方向相反的电流I1和I2,且I1>I2;a、b、c、d为导线某一横截面所在平面内的四点,且a、b、c与两导线共面;b点在两导线之间,b、d的连线与导线所在平面垂直。磁感应强度可能为零的点是()A.a点B.b点C.c点D.d点
答案C解析两电流在该点的合磁感应强度为0,说明两电流在该点的磁感应强度满足等大反向关系。根据安培定则可知,在两电流的同侧磁感应强度方向相反,则为a或c,又I1>I2,故该点距I1远,距I2近,应为c点,选项C正确;I1(或I2)在d点产生的磁感应强度B1(或B2)的方向与d和导线的连线垂直,如图所示,合磁感应强度不为0,选项D错误。
针对训练4(多选)3条在同一平面(纸面)内的长直绝缘导线组成一等边三角形,在导线中通过的电流均为I,方向如图所示。a、b和c三点分别位于三角形的3个顶角的平分线上,且到相应顶点的距离相等。将a、b和c处的磁感应强度大小分别记为B1、B2和B3,下列说法正确的是()A.B1=B2
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