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磁場及其描述

第二課時魯科版（2019）物理（必修

第三冊）第五章

初識電磁場與電磁波目錄素養(yǎng)目標(biāo)01課程導(dǎo)入02新課講解03總結(jié)歸納04課堂練習(xí)05正確教育素養(yǎng)目標(biāo)1.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.理解磁感應(yīng)強(qiáng)度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，會用安培定則判定常見的磁場分布3.學(xué)會實(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)會與他人交流合作，能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報告，提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究能力4.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)生活的能力正確教育磁感線將一個小磁針放在磁場中某一點(diǎn)，小磁針靜止時，北極N所指的方向，就是該點(diǎn)的磁場方向。磁場中各點(diǎn)的磁場方向如何判定呢？在學(xué)習(xí)電場時為了形象地描述電場的強(qiáng)弱和方向，我們引入了電場線，我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋龃艌?，引入磁感線。問題：磁感線

為了形象地描述磁場，英國物理學(xué)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(diǎn)的切線方向即該點(diǎn)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(yīng)強(qiáng)度越大；磁感線分布越疏的地方，磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。視頻演示：用小磁針和細(xì)鐵屑感受磁體周圍的電場正像在電場中我們用電場線形象地描述電場一樣，在磁場中，我們用磁感線來描述磁場。在磁場中畫出一些曲線，使曲線上每一點(diǎn)的切線方向都跟這點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向一致，這樣的曲線就叫作磁感線。條形磁鐵的磁場蹄形磁鐵的磁場外部：從

N

到

S內(nèi)部：從

S

到

N①磁感線是假想的曲線；②磁場中的任何一條磁感線都是閉合曲線，磁體外部由N極到S極，內(nèi)部由S極到N極；④磁感線的疏密表示磁場的強(qiáng)弱；③磁感線不相交、不相切；⑤磁感線上每一點(diǎn)的切線方向即為該點(diǎn)的磁場的方向。磁場感應(yīng)強(qiáng)度

B的方向磁感線的特點(diǎn)正確教育電流的磁場通電導(dǎo)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(diǎn)？電流的磁場

電流產(chǎn)生磁場

如圖5-6所示，把鐵粉均勻撒在水平放置的有機(jī)玻璃板上。接通電源使垂直導(dǎo)線中短暫地通過大電流，同時輕輕敲打有機(jī)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(fù)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(dǎo)線周圍的磁場圖5-6實(shí)驗(yàn)裝置示意圖用鐵粉和小磁針研究通電直導(dǎo)線周圍的磁場直線電流的磁感線是一圈圈的同心圓，這些同心圓都在跟導(dǎo)線垂直的平面上。實(shí)驗(yàn)表明，改變電流的方向，各點(diǎn)的磁場方向都變成相反的方向。

法國物理學(xué)家安培對通電直導(dǎo)線形成磁場的規(guī)律進(jìn)行了深入探究，非常巧妙地總結(jié)出判斷通電直導(dǎo)線周圍磁場方向的安培定則（Ampererule）：用右手握住通電直導(dǎo)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。環(huán)形電流的磁場

如果把通電直導(dǎo)線彎成環(huán)形，它的磁場又有什么特點(diǎn)呢？其實(shí)，通電圓環(huán)可視為由很多段通電直導(dǎo)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。圖5-9環(huán)形電流周圍的磁場分布示意圖

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。

多個通電環(huán)形導(dǎo)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。圖5-11通電螺線管的磁場分布示意圖

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)部磁感線的方向縱截面圖立體圖橫截面圖環(huán)形電流和通電螺線管的磁場立體圖橫截面圖縱截面圖科學(xué)書屋19世紀(jì)，安培提出了著名的“分子電流假說”。他認(rèn)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。當(dāng)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(jì)后，人們逐漸認(rèn)識到，原子內(nèi)部電子的不斷運(yùn)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(yùn)動電荷。分子電流假說未被磁化的鐵棒磁化后的鐵棒B科學(xué)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。正確教育磁的應(yīng)用及意義（1）指南針與航海業(yè)的發(fā)展

磁的應(yīng)用源遠(yuǎn)流長。古人對磁技術(shù)的應(yīng)用中，

首屈一指的當(dāng)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”。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(yīng)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）。磁的應(yīng)用及意義

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(yuǎn)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(jì)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(yīng)用則為這一壯舉的完成作出了偉大貢獻(xiàn)。（2）磁與現(xiàn)代技術(shù)磁在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。

在現(xiàn)代交通工具中的典型應(yīng)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(dá)600km/h。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。常導(dǎo)電磁鐵吸引式是根據(jù)磁鐵異極相吸的原理，讓導(dǎo)軌鋼板的吸引力與車輛所受重力平衡，從而使車體懸?。蹐D（a）］；

超導(dǎo)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(dǎo)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D（b）］。近年來，人們還設(shè)想利用超導(dǎo)磁浮技術(shù)和真空管道，讓列車在真空管中運(yùn)行，預(yù)計(jì)最高速度可達(dá)幾千千米每小時。

核磁共振成像技術(shù)是磁在醫(yī)學(xué)診斷方面的重要應(yīng)用。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(jì)算機(jī)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。

此外，種類繁多的發(fā)電機(jī)、電動機(jī)，電冰箱的磁密封條，微波爐產(chǎn)生微波的磁控管，收音機(jī)和電視機(jī)的多種磁元件，都要應(yīng)用各種各樣的磁性材料。磁懸浮地球儀電動機(jī)DIS實(shí)驗(yàn)室利用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)，可測量磁場中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。

如圖5-17所示，將條形磁鐵放在坐標(biāo)紙上，勾畫磁鐵輪廓，并在坐標(biāo)軸上確定測量點(diǎn)。用連接在數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器測量各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。分析條形磁鐵周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)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(xué)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(hù)傘”。

科學(xué)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(qiáng)度和方向發(fā)生過多次變化（圖5-19）候鳥南飛利用地磁場導(dǎo)航如圖中繪出了磁鐵的磁感線及其旁邊小磁針靜止時所指的方向(小磁針黑色端表示N極)，其中正確的是(

)A

B

C

D經(jīng)典例題A答案：A解析：小磁針靜止時N極所指的方向與磁場方向相同，故選項(xiàng)A正確，D錯誤；磁體外部磁場方向應(yīng)從N極指向S極，故選項(xiàng)B、C錯誤。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。經(jīng)典例題解析：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。

磁感線（1）定義：磁感線是為了形象描繪磁場中各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度情況而假想出來的曲線，在磁場中畫一些有方向的曲線，使曲線上每一點(diǎn)的切線方向都跟這點(diǎn)磁場的方向一致，這樣的曲線就叫作磁感線.（2）特點(diǎn)①磁感線上每點(diǎn)的切線方向，都表示該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向；②磁感線密集的地方磁場強(qiáng)，稀疏的地方磁場弱；③在磁體外部，磁感線由N極到S極，在磁體內(nèi)部，磁感線由S極到N極，形成一條閉合的曲線，磁感線不相交；④磁場是客觀存在的，磁感線是人為畫出的，實(shí)際并不存在.一條閉合的、有方向的曲線3

通電直導(dǎo)線周圍磁場方向的安培定則（Ampererule）：用右手握住通電直導(dǎo)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。4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。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答案：B解析：磁感線的疏密