魯科版（2019）高中物理必修第三冊講義第5章 第1節(jié)　磁場及其描述練習(xí)（含答案）

第1節(jié)磁場及其描述學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道磁場的概念、磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式及意義，知道磁感線的概念及安培定則，并能解釋相關(guān)的自然現(xiàn)象。2.[科學(xué)思維]理解磁感應(yīng)強(qiáng)B的定義式并能進(jìn)行簡單計(jì)算，能用磁感線描述磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向，會(huì)用安培定則判定常見的磁場分布。3.[科學(xué)探究]學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)探究磁場對通電直導(dǎo)線的作用和通電直導(dǎo)線周圍的磁場，學(xué)會(huì)與他人交流合作，能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究能力。4.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]體驗(yàn)磁現(xiàn)象在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的精神，培養(yǎng)將物理學(xué)原理應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)生活的能力。一、磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度1．磁場(1)定義：磁體或電流周圍的空間存在的一種特殊物質(zhì)。(2)基本性質(zhì)：對放入其中的磁體產(chǎn)生力的作用。(3)磁極間的相互作用：同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。2．磁感應(yīng)強(qiáng)度(1)定義：把垂直于磁場方向的一小段通電直導(dǎo)線受到的力F與電流I和直導(dǎo)線的長度l的乘積之比稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度，符號用B表示。(2)單位：在國際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉，簡稱特，符號是T。1T＝1N/(A·m)。(3)方向：B是矢量，磁場中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點(diǎn)的磁場方向，即放在該點(diǎn)的小磁針靜止時(shí)N極所指的方向，也是小磁針N極受力的方向。(4)物理意義：反映磁場的強(qiáng)弱和方向的物理量。說明：磁場概念的建立所有與磁現(xiàn)象有關(guān)的相互作用，都是通過磁場發(fā)生的，可與電荷間的相互作用相類比，如圖所示。二、磁感線1．磁感線在磁場中畫出的一些有方向的假想曲線。2．特點(diǎn)(1)在磁感線上，任意一點(diǎn)的切線方向都跟該點(diǎn)的磁場方向相同，都代表磁場中該點(diǎn)小磁針N極受力的方向。(2)磁感線的疏密表示磁場的強(qiáng)弱。磁感線分布越密的地方，磁場越強(qiáng)；磁感線分布越疏的地方，磁場越弱。(3)磁感線是閉合曲線。在磁體外部，磁感線從N極到S極。在磁體內(nèi)部，磁感線從S極到N極。注意：磁感線是假想的曲線實(shí)際并不存在，沒有磁感線的地方，并不表示就沒有磁場。三、電流的磁場1．直線電流的磁場安培定則(又叫右手螺旋定則)：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓伸直的拇指所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(如圖所示)。2．環(huán)形電流的磁場安培定則：右手彎曲的四指的方向與環(huán)形電流的方向一致，則伸直的拇指所指的方向是環(huán)形電流中心軸線處的磁感線方向(如圖所示)。3．通電螺線管的磁場安培定則：用右手握住螺線管，讓彎曲四指所指的方向與電流方向一致，伸直拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向，也就是說拇指指向通電螺線管的N極(如圖所示)。說明：通電螺線管實(shí)為多個(gè)環(huán)形電流的集合體四、磁的應(yīng)用及意義1．指南針與航海業(yè)的發(fā)展(1)古人將天然磁石磨制成指示方向的器具稱為“司南”。(2)北宋時(shí)期人們將磁化鋼針支撐在一個(gè)刻有方位的盤中用來指示方向，從而發(fā)明了指南針。2．磁與現(xiàn)代技術(shù)(1)應(yīng)用：磁技術(shù)在交通工具中的典型應(yīng)用是制成了磁浮列車。(2)形式：磁浮列車有常導(dǎo)電磁鐵吸引式和超導(dǎo)電磁鐵相斥式兩種。1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)磁場看不見，摸不著，實(shí)際不存在。 (×)(2)磁感線是假想的曲線，沒有實(shí)際意義。 (×)(3)沒有磁感線的地方，就沒有磁場。 (×)(4)安培定則中，彎曲四指所指方向均為磁場的方向。 (×)2．關(guān)于磁場，下列說法正確的是()A．只有磁鐵周圍才有磁場B．電荷的周圍除有電場之外還有磁場C．電流產(chǎn)生磁場說明電和磁是相互聯(lián)系的D．磁鐵周圍的磁場與電流周圍的磁場是形式完全不同的磁場C[磁體和電流周圍都存在磁場，而且是同種性質(zhì)的磁場，靜止電荷周圍沒有磁場，A、B、D錯(cuò)誤；電流產(chǎn)生磁場揭示了電與磁之間的相互聯(lián)系，C正確。]3．(多選)關(guān)于磁感線的性質(zhì)和概念，下列說法正確的是()A．磁感線上某點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場方向B．鐵屑在磁場中的分布曲線就是磁感線C．磁感線總是從磁體的N極指向S極D．磁場中任意兩條磁感線均不相交AD[磁感線上每一點(diǎn)的切線方向都跟該點(diǎn)的磁場方向相同，A正確；利用碎鐵屑在磁場中被磁化的性質(zhì)，可顯示磁感線的形狀，但它排成的曲線不是磁感線，磁感線是人為假想的曲線，B錯(cuò)誤；磁感線在磁體外部由N極指向S極，但在內(nèi)部卻是由S極指向N極，磁感線是閉合曲線，C錯(cuò)誤；假設(shè)兩條磁感線可以相交，過交點(diǎn)作曲線的切線，將有兩個(gè)不同的方向，而同一點(diǎn)的磁場方向只能有一個(gè)，故任意兩條磁感線均不相交，D正確。]對磁感應(yīng)強(qiáng)度的理解圖一中異名磁極相互吸引，同名磁極相互排斥，圖二中一段直導(dǎo)線懸掛在蹄形磁鐵的兩極間，通以電流，導(dǎo)線就會(huì)移動(dòng)；圖三中兩條通過同向電流的導(dǎo)線相互吸引，通過反向電流的導(dǎo)線相互排斥，這些相互作用是怎樣實(shí)現(xiàn)的？圖一圖二圖三提示：磁體的周圍和電流的周圍都存在著磁場，磁體和磁體之間、磁體和電流之間、電流和電流之間的相互作用都是通過磁場發(fā)生的。1．磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式：B＝eq\f(F,Il)(1)公式成立條件：通電導(dǎo)線必須垂直于磁場方向放置，不垂直則公式不成立。(2)決定磁感應(yīng)強(qiáng)度的因素：僅由磁場本身決定，與導(dǎo)線是否受磁場力以及磁場力的大小無關(guān)。(3)磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式也適用于非勻強(qiáng)磁場，這時(shí)l應(yīng)很短，Il稱為“電流元”，相當(dāng)于靜電場中的“試探電荷”。2．方向：磁感應(yīng)強(qiáng)度B是一個(gè)矢量，某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向不是放在該處的通電導(dǎo)線的受力方向。它的方向可以有以下幾種表述方式：(1)小磁針靜止時(shí)N極所指的方向，或小磁針靜止時(shí)S極所指的反方向。(2)小磁針N極受力的方向(不論小磁針是否靜止)，或S極受力的反方向。(3)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點(diǎn)的磁場方向。3．大小：磁場在某位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與方向是客觀存在的，與通過導(dǎo)線的電流大小、導(dǎo)線的長短無關(guān)。即使不放入載流導(dǎo)線，磁感應(yīng)強(qiáng)度也照樣存在，故不能說“B與F成正比”或“B與Il成反比”?！纠?】關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度，下列說法正確的是()A．由B＝eq\f(F,Il)可知，B與F成正比，與Il成反比B．通電導(dǎo)線放在磁場中某點(diǎn)，該點(diǎn)就有磁感應(yīng)強(qiáng)度，如果將通電導(dǎo)線拿走，該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就變?yōu)榱鉉．通電導(dǎo)線所受磁場力不為零的地方一定存在磁場，通電導(dǎo)線不受磁場力的地方一定不存在磁場(即B＝0)D．磁場中某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁場本身決定[思路點(diǎn)撥]磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小由磁場本身決定，與F、I、l無關(guān)。D[磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝eq\f(F,Il)是定義式，而不是決定式；磁感應(yīng)強(qiáng)度B是由磁場本身的性質(zhì)決定的，與放不放通電導(dǎo)線無關(guān)。故選D。]磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝eq\f(F,Il)是反映磁場的力的性質(zhì)的物理量，是采用比值的方法來定義的，該公式是定義式而不是決定式；磁場中各處的B值是確定的，與放入該點(diǎn)的檢驗(yàn)電流的大小、方向等無關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明：磁場力方向是與磁場方向垂直的，在這一點(diǎn)上磁場與電場是不一樣的。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．有一小段通電直導(dǎo)線，長為1cm，通過的電流為5A，把它置于磁場中某點(diǎn)，受到的磁場力為0.1N，則該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度()A．B＝2T B．B≤2TC．B≥2T D．以上情況都有可能C[磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式中的電流是垂直于磁場方向的。如果通電導(dǎo)線是垂直于磁場方向放置的，此時(shí)所受磁場力最大，F(xiàn)＝0.1N，則該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B＝eq\f(F,Il)＝eq\f(0.1,5×0.01)T＝2T。如果通電導(dǎo)線不是垂直于磁場方向放置的，則受到的磁場力小于垂直放置時(shí)受到的磁場力，通電直導(dǎo)線不垂直磁場放置時(shí)受到的磁場力為0.1N時(shí)，由定義式可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度B將大于2T，故選項(xiàng)C正確。]對磁感線的理解如圖是U形磁體的磁感線。試探究：(1)a點(diǎn)沒有磁感線，a點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度等于零嗎？(2)磁感線是起始于N極，終止于S極嗎？(1)提示：磁感應(yīng)強(qiáng)度不等于零，磁體周圍存在磁場，磁感線是形象地描述磁場而引入的假想曲線，實(shí)際并不存在，磁感線的疏密表示磁場的強(qiáng)弱，密集的地方磁場強(qiáng)，稀疏的地方磁場弱。(2)提示：不是。磁感線是閉合曲線，沒有起點(diǎn)和終點(diǎn)，圖中沒有畫出磁體內(nèi)部的磁感線。1．磁感線的特點(diǎn)(1)為形象描述磁場而引入的假想曲線，實(shí)際并不存在。(2)磁感線的疏密表示磁場的強(qiáng)弱。(3)磁感線的方向：磁體外部從N極指向S極，磁體內(nèi)部從S極指向N極。(4)磁感線閉合而不相交，不相切，也不中斷。2．幾種典型磁場的磁感線分布磁體條形磁鐵蹄形磁鐵同名磁極間異名磁極間分布圖特點(diǎn)(1)關(guān)于條形磁鐵對稱(2)磁鐵內(nèi)部近似勻強(qiáng)磁場(3)中垂線上各點(diǎn)磁感線方向與磁鐵平行(1)關(guān)于磁鐵中軸線對稱，方向相反(2)中軸線上各點(diǎn)磁感線方向均垂直于中軸線(1)關(guān)于兩磁極的連線及連線的中垂線均對稱(2)兩磁極連線上磁感線的方向沿連線，中點(diǎn)最弱(3)兩磁極連線的中垂線上磁場方向沿中垂線(1)關(guān)于兩磁極的連線及連線的中垂線對稱(2)中垂線上各點(diǎn)磁感線方向相同(3)在連線上中點(diǎn)的磁場最弱【例2】如圖中繪出了磁鐵的磁感線及其旁邊小磁針靜止時(shí)所指的方向(小磁針黑色端表示N極)，其中正確的是()ABCD思路點(diǎn)撥：(1)磁感線的切線方向?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度方向。(2)小磁針靜止時(shí)N極指向?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度方向。A[小磁針靜止時(shí)N極所指的方向與磁場方向相同，故選項(xiàng)A正確；磁體外部磁場方向應(yīng)從N極指向S極，故選項(xiàng)B、C、D錯(cuò)誤。]磁感線與電場線的比較兩種線磁感線電場線不同點(diǎn)閉合曲線不閉合，起始于正電荷或無限遠(yuǎn)，終止于無限遠(yuǎn)或負(fù)電荷相似點(diǎn)引入目的為形象描述場而引入的假想曲線，實(shí)際并不存在疏密表示場的強(qiáng)弱切線方向表示場的方向是否相交不相交eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2.如圖所示表示蹄形磁鐵周圍的磁感線，磁場中有a、b兩點(diǎn)，下列說法正確的是()A．a(chǎn)、b兩處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不等，Ba＞BbB．a(chǎn)、b兩處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不等，Ba＜BbC．蹄形磁鐵的磁感線起始于蹄形磁鐵的N極，終止于蹄形磁鐵的S極D．a(chǎn)處沒有磁感線，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度為零B[磁感線的疏密表示磁場的強(qiáng)弱，由此可判A錯(cuò)誤，B正確；磁感線是閉合的曲線，在磁鐵外部是從N極到S極，內(nèi)部是從S極到N極，故C錯(cuò)誤；磁感線是為研究問題方便而假想的曲線，實(shí)際并不存在，故D錯(cuò)誤。]安培定則的理解與應(yīng)用根據(jù)安培假說的物理思想：磁場來源于運(yùn)動(dòng)電荷。如果用這種思想解釋地球磁場的形成，根據(jù)地球上空并無相對地球定向移動(dòng)的電荷的事實(shí)，認(rèn)為地磁場是由于地球的自轉(zhuǎn)所形成。那么由此推斷，地球總體應(yīng)該是帶正電還是帶負(fù)電？提示：因在地球的內(nèi)部地磁場從地球北極指向地球的南極，根據(jù)右手螺旋定則可判斷出地球表現(xiàn)環(huán)形電流的方向應(yīng)從東到西，而地球是從西向東自轉(zhuǎn)，所以只有地球表面帶負(fù)電荷才能形成上述電流。綜上所述，地球總體應(yīng)該帶負(fù)電。三種常見的電流的磁感線分布特點(diǎn)安培定則立體圖橫截面圖縱截面圖直線電流以導(dǎo)線上任意點(diǎn)為圓心的多組同心圓，越向外越稀疏，磁場越弱環(huán)形電流內(nèi)部磁場比環(huán)外強(qiáng)，磁感線越向外越稀疏通電螺線管內(nèi)部為勻強(qiáng)磁場且比外部強(qiáng)，方向由S極指向N極，外部類似條形磁鐵，由N極指向S極【例3】如圖所示，a、b是直線電流的磁場，c、d是環(huán)形電流的磁場，e、f是通電螺線管的磁場，試在各圖中補(bǔ)畫出電流方向或磁感線方向。思路點(diǎn)撥：(1)“×”表B垂直紙面向里“·”表示B垂直紙面向外。(2)正確使用安培定則。[解析]根據(jù)安培定則，可以確定a中電流方向垂直紙面向里，b中電流方向從下向上，c中電流方向沿逆時(shí)針，d中磁感線方向向下，e中螺線管內(nèi)部磁感線方向向左，f中磁感線方向向右。[答案]如圖所示電流磁場的三點(diǎn)說明(1)應(yīng)用安培定則判定電流周圍磁場的方向時(shí)，直線電流判定的是導(dǎo)線之外磁場的方向，環(huán)形電流和通電螺線管判定的是線圈軸線上磁場的方向。(2)當(dāng)小磁針處于磁體產(chǎn)生的磁場中，或環(huán)形電流、通電螺線管外部時(shí)，可根據(jù)同名磁極相斥，異名磁極相吸來判斷小磁針的受力方向。(3)當(dāng)小磁針處于直線電流的磁場中或處于環(huán)形電流、通電螺線管內(nèi)部時(shí)，應(yīng)該根據(jù)小磁針N極所指方向與通過該點(diǎn)的磁感線的切線方向相同，來判斷小磁針的受力方向。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])3．如圖所示，分別給出了導(dǎo)線中的電流方向或磁場中某處小磁針靜止時(shí)N極的指向或磁感線方向。請畫出對應(yīng)的磁感線(標(biāo)上方向)或電流方向。[解析]如果已知電流的方向，可用右手螺旋定則判斷磁感線的方向。如果已知小磁針靜止時(shí)N極指向，那么小磁針N極所指方向就是磁感線方向。[答案]用安培定則來判斷，分別如下列各圖所示。1．物理觀念：磁場、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感線、安培定則。2．科學(xué)思維：用磁感線、安培定則來描述磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與方向。3．科學(xué)方法：觀察法、實(shí)驗(yàn)法、假設(shè)法等。1．如圖所示的“司南”是人們公認(rèn)的最早的磁性定向工具，司南能指南北的原因是()A．地球周圍有電場 B．地球周圍有磁場C．月球周圍有磁場 D．太陽周圍有磁場B[地球周圍存在磁場，磁場方向外部由地理南極指向地理北極，所以司南能指南北，B正確。]2．關(guān)于磁場，下列說法正確的是()A．磁場的基本性質(zhì)是對處于其中的磁極或電流有力的作用B．磁場是看不見摸不著、實(shí)際不存在而由人們假想出來的一種物質(zhì)C．磁場只有在磁極與磁極、磁極與電流發(fā)生作用時(shí)才存在D．磁場的存在與否取決于人的思想，想其有則有，想其無則無A[磁場的基本性質(zhì)是對放入其中的磁極或電流產(chǎn)生力的作用，磁場是一種看不見摸不著，但客觀存在的特殊物質(zhì)，它始