磁場及其描述高一下學期物理魯科版（2019）必修第三冊

第1節(jié)磁場及其描述問題引入電磁波已與我們的生產(chǎn)生活密不可分。當用手機向千里之外的親友送去問候時，當通過電視收看世界各地正在發(fā)生的重大事件時，你知道這些音像是怎樣傳送的嗎？當看見雷達天線直指天空時，你想知道其中的奧秘嗎？它們與電磁波到底有著怎樣的關(guān)系？問題引入電磁波的發(fā)現(xiàn)和應用起源于人們對電和磁相互聯(lián)系的研究。英國物理學家法拉第就是利用一些不起眼的磁鐵、線圈等材料，發(fā)現(xiàn)了磁生電的奧秘，打開了電氣時代的大門，為英國物理學家麥克斯韋（J.Maxwell，1831—1879）發(fā)現(xiàn)電磁波奠定了基礎(chǔ)。問題引入磁場有何特點？法拉第是怎樣用線圈產(chǎn)生電的？電磁波是怎樣產(chǎn)生的，有哪些應用？本章將探討這些問題問題引入我們已經(jīng)知道，磁體和通電導線周圍都存在磁場，磁場有強弱和方向。如何描述磁場的強弱和方向？本節(jié)將學習描述磁場強弱和方向的物理量——磁感應強度，用磁感線形象地描述幾種常見磁場的分布，并學習磁現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中的應用.講授新課1.磁場磁感應強度我們知道，磁體的兩個磁極靠近時，即使它們還未接觸，也能表現(xiàn)出異名磁極相吸、同名磁極相斥的特點（圖5-1）。在圖5-2所示的實驗中，當導線中通過電流時，磁針就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當導線中的電流反向時，磁針也將反向偏轉(zhuǎn)。講授新課為什么磁體間沒有接觸也會產(chǎn)生相互作用？為什么通電導線周圍的磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)？這是因為在磁體或電流周圍的空間存在一種特殊物質(zhì)——磁場，磁場能夠?qū)Υ朋w產(chǎn)生力的作用，令磁體與磁體間相互吸引或排斥，使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。磁場有方向，人們把磁場中某點小磁針靜止時北極的指向規(guī)定為該點磁場的方向。磁場還有強弱，在磁場中的不同位置，其強弱不盡相同。例如，條形磁鐵形成的磁場，在靠近北極（N極）和南極（S極）處較強，在靠近中間位置處較弱。怎樣描述磁場的強弱呢？實驗與探究如圖5-3（a）所示，用兩根勁度系數(shù)較小的彈簧把一矩形線圈懸掛起來，放入U形磁鐵形成的磁場中。接通電源，你能觀察到什么現(xiàn)象？保持磁場和磁場中通電導線的長度不變，改變電流的大小，你能觀察到什么現(xiàn)象？磁場與電流的大小保持不變，改變磁場中通電導線的長度，如圖5-3（b）所示，你又觀察到什么現(xiàn)象？講授新課大量實驗表明，通電電流越大，通電直導線在磁場中的長度越長，通電直導線受到的力就越大。精確實驗表明，在磁場中的某一位置垂直于磁場方向放入一小段通電直導線，通電直導線受到的力跟電流和直導線長度的乘積成正比。因該比值與該通電直導線的長度和電流無關(guān)，所以可用其描述磁場的強弱程度。講授新課物理學中，把垂直于磁場方向的一小段通電直導線受到的力F與電流I

和直導線的長度l

的乘積之比，稱為磁感應強度（magneticinduction），用B

表示。講授新課在國際單位制中，磁感應強度的單位是特斯拉，簡稱特，符號為T。1T=1N/（A·m）磁感應強度是矢量。磁場中某點磁感應強度的方向，即該點的磁場方向，也就是放在該點的小磁針靜止時N極的指向。像電場一樣，磁場也遵從疊加原理。如果有幾個磁場同時存在，它們的磁場就互相疊加，這時某點的磁感應強度就等于各個磁場單獨存在時在該點磁感應強度的矢量和。講授新課表5-1是某些物體產(chǎn)生磁場的磁感應強度。從表中可看出，原子核表面的磁場很強，而腦神經(jīng)活動產(chǎn)生的磁場很弱。講授新課2.磁感線為了形象地描述磁場，英國物理學家法拉第提出了磁感線（magneticinductionline）的概念。磁感線是在磁場中畫出的一些有方向的假想曲線，磁感線上任意一點的切線方向即該點的磁場方向。磁感線是閉合曲線，不會相交。磁感線分布越密的地方，磁感應強度越大；磁感線分布越疏的地方，磁感應強度越小。講授新課實驗中常用鐵屑磁場中被磁化的性質(zhì)來示磁感線的形狀［圖5-4（a）］。圖5-4（b）是條形磁鐵磁感線的分布示意圖。在磁體外部，磁感線是由N極出發(fā)回到S極；在磁體內(nèi)部，磁感線從S極到N極。講授新課在磁場的某個區(qū)域內(nèi)，如果各點的磁感應強度大小和方向都相同，則這個區(qū)域的磁場稱為勻強磁場。在勻強磁場中，磁感線是一組平行且等距的直線。例如，兩個相距很近的平行異名磁極間中央部分的磁場可視為勻強磁場（圖5-5），通電長螺線管內(nèi)部的磁場也可視為勻強磁場。講授新課3.電流的磁場通電導線在周圍空間會產(chǎn)生磁場。電流產(chǎn)生的磁場的磁感線有何特點？迷你實驗室如圖5-6所示，把鐵粉均勻撒在水平放置

的有機玻璃板上。接通電源使垂直導線中短暫

地通過大電流，同時輕輕敲打有機玻璃板，觀

察鐵粉的分布情況。再將小磁針放在板上檢測

磁場的方向。

改變電流方向，重復上述步驟。你觀察到了什么變化？用鐵粉和小磁針研究通電直導線周圍的磁場講授新課從鐵粉的分布情況可以看出，通電直導線周圍磁場的磁感線是以導線為中軸的同心圓（圖5-7）。實驗表明，當改變電流的方向時，小磁針的指向也會發(fā)生改變，這表明通電直導線周圍空間的磁場方向與電流方向有關(guān)。講授新課法國物理學家安培對通電直導線形成磁場的規(guī)律進行了深入探究，非常巧妙地總結(jié)出判斷通電直導線周圍磁場方向的安培定則（Ampererule）：用右手握住通電直導線，讓伸直拇指的方向與電流的方向一致，則四指彎曲的方向就是電流周圍磁感線的環(huán)繞方向（圖5-8）。講授新課如果把通電直導線彎成環(huán)形，它的磁場又有什么特點呢？其實，通電圓環(huán)可視為由很多段通電直導線組成。從鐵粉的分布情況可以看出，環(huán)形電流磁場的磁感線是一些繞環(huán)形電流的閉合曲線，在環(huán)形電流的中心軸上，磁感線與環(huán)形電流所在的平面垂直，如圖5-9所示。講授新課環(huán)形電流的方向與中心軸線上磁感線方向的關(guān)系，也可以用安培定則來判斷：讓右手彎曲四指的方向與環(huán)形電流的方向一致，則伸直拇指所指的方向就是環(huán)形電流中心軸線處的磁感線方向（圖5-10）。講授新課多個通電環(huán)形導線放在一起，就形成了通電螺線管。由圖5-11可發(fā)現(xiàn)，通電螺線管外部的磁感線與條形磁鐵的磁感線相似，其內(nèi)部的磁感線與螺線管的軸線平行，并和外部的磁感線連接，形成閉合曲線。講授新課通電螺線管磁場方向的判斷與環(huán)形電流相似：用右手握住螺線管，讓彎曲四指所指的方向與電流的方向一致，則伸直拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向（圖5-12）。科學書屋19世紀，安培提出了著名的“分子電流假說”。他認為，組成磁鐵的最小單元（磁分子）就是分子環(huán)形電流，簡稱分子電流。若這些分子電流定向排列，在宏觀上就會呈現(xiàn)出磁性（圖5-13）。當時，人們不了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，不能解釋分子電流是如何形成的。20世紀后，人們逐漸認識到，原子內(nèi)部電子的不斷運動形成了分子電流。磁體和電流產(chǎn)生磁場，本質(zhì)上都源于運動電荷。分子電流假說科學書屋分子電流假說能很好地解釋磁化和退磁等現(xiàn)象。外加磁場讓鐵棒磁化，是磁場使其內(nèi)部分子電流的取向變得大致相同的結(jié)果；而磁體在高溫或劇烈振動的情況下，又會使磁體內(nèi)部分子電流的取向混亂，使磁性減退或消失.講授新課4.磁的應用及意義（1）指南針與航海業(yè)的發(fā)展磁的應用源遠流長。古人對磁技術(shù)的應用中，

首屈一指的當數(shù)我國發(fā)明的指南針。

古人將天然磁石磨制成指示方向的器具，即“司南”（圖5-14）。然而，用天然磁石磨制的司南，在震動或高溫下容易減弱甚至失去磁性，應用并不廣泛。北宋時期，人們將磁化鋼針支撐在一個刻有方位的盤中，用來指示方向，從而發(fā)明了指南針（羅盤針）。講授新課指南針的出現(xiàn)改變了夜晚依靠北極星辨別方向，白晝通過太陽確定方位的歷史，為人們的遠行提供了幫助，開啟了航海技術(shù)革命，推動了世界各國航海事業(yè)的發(fā)展，為15～17世紀的地理大發(fā)現(xiàn)提供了重要條件。明初鄭和七下西洋是人類航海史上的空前壯舉，而指南針的應用則為這一壯舉的完成作出了偉大貢獻。講授新課（2）磁與現(xiàn)代技術(shù)磁在現(xiàn)代科學技術(shù)中有廣泛的應用。

在現(xiàn)代交通工具中的典型應用是高速磁浮列車。磁浮技術(shù)讓列車懸浮于軌道之上行駛，極大地減小了列車受到的阻力，列車車速可達600km/h。磁浮列車有常導電磁鐵吸引式和超導電磁鐵相斥式兩種。常導電磁鐵吸引式是根據(jù)磁鐵異極相吸的原理，讓導軌鋼板的吸引力與車輛所受重力平衡，從而使車體懸?。蹐D5-15（a）］；講授新課超導電磁鐵相斥式是根據(jù)磁鐵同極相斥的原理，利用車上超導電磁鐵形成的磁場與軌道上磁鐵形成的磁場所產(chǎn)生的相斥力使車體懸?。蹐D5-15（b）］。近年來，人們還設(shè)想利用超導磁浮技術(shù)和真空管道，讓列車在真空管中運行，預計最高速度可達幾千千米每小時。此外，種類繁多的發(fā)電機、電動機，電冰箱的磁密封條，微波爐產(chǎn)生微波的磁控管，收音機和電視機的多種磁元件，都要應用各種各樣的磁性材料。講授新課核磁共振成像技術(shù)是磁在醫(yī)學診斷方面的重要應用（圖5-16）。核磁共振成像技術(shù)是在核磁共振的基礎(chǔ)上加上斷層掃描和計算機輔助成像技術(shù)發(fā)展起來的，它與

X射線成像和超聲波成像相比，能獲得更多的人體內(nèi)部信息，尤其對被頭骨包圍的腦部病變和早期腫瘤病變的診斷更具優(yōu)越性。講授新課此外，種類繁多的發(fā)電機、電動機，電冰箱的磁密封條，微波爐產(chǎn)生微波的磁控管，收音機和電視機的多種磁元件，都要應用各種各樣的磁性材料。DIS實驗室利用磁感應強度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機，可測量磁場中各點的磁感應強度大小。

如圖5-17所示，將條形磁鐵放在坐標紙上，勾畫磁鐵輪廓，并在坐標軸上確定測量點。用連接在數(shù)據(jù)采集器和計算機上的磁感應強度傳感器測量各點的磁感應強度。分析條形磁鐵周圍的磁感應強度的大小分布，對照條形磁鐵的磁感線分布，你能得出什么結(jié)論？科學書屋地球本身是一個大磁體，它的N極位于地理南極附近，S極位于地理北極附近（圖5-18）。在地磁兩極，磁針豎直指向地面；在赤道上，磁針水平指示南北。磁針指示南北是一種近似的說法，小磁針的指向與地理正南正北方向之間的夾角稱為磁偏角。對于地球磁性的成因，目前仍沒有確定的說法，部分科學家認為是由地核中熔化了的金屬（鐵和鎳）的環(huán)流引起的?？茖W書屋地磁場對人類的生產(chǎn)生活都有重要意義。根據(jù)地磁場出現(xiàn)的異常情況，可發(fā)現(xiàn)未知的礦藏或者特殊的地質(zhì)構(gòu)造。地磁場能使來自太陽的高速帶電粒子流偏轉(zhuǎn)，成為地球生命的“保護傘”。

科學家還根據(jù)對地球火山巖石的精確測定，發(fā)現(xiàn)地磁場強度和方向發(fā)生過多次變化（圖5-19）小節(jié)練習1.如果你在森林里迷路了，而身邊有一個指南針，但上面關(guān)于南、北極的標記都脫落了，好在還有備有電池的手電筒和一段導線。你有什么辦法能確定指南針的南、北極？

2.為了解釋地球的磁性，安培假設(shè)地球的磁場是由以地心為圓心的環(huán)形電流I

引起的。下列四個圖中，能正確表示安培假設(shè)中環(huán)形電流方向的是小節(jié)練習3.如圖所示，兩根互相平行的長直導線過紙面上的M、N

兩點，

且與紙面垂直，導線中通有大小相等、方向相反的電流。a、O、

b

在M、N

的連線上，O

為MN

的中點，c、d

位于MN

的中垂

線上，且a、b、c、d

到O

點的距離均相等。下列說法正確的是

A.O

點處的磁感應強度為零

B.a、b

兩點處的磁感應強度大小相等、方向相反

C.c、d

兩點處的磁感應強度大小相等、方向相同

D.a、c

兩點處的磁感應強度方向不同小節(jié)練習4.在勻強磁場中，