知识讲解_磁场及其描述.doc

学海在线资源中心 磁场及其描述 编稿：周军　　　审稿：隋伟 【学习目标】 1．了解磁现象，理解电流的磁效应及其伟大意义。 　　2．通过磁的相互作用现象，知道磁场的存在和磁场的基本性质。 　　3．了解地磁场的分布以及地磁场对地球生命及人类活动的意义。 　　4．理解磁感线的意义，能够熟练地运用安培定则确定电流的磁场方向。 　　5．理解磁场的方向；理解磁感应强度的定义、磁通量的定义和计算方法；理解匀强磁场的特点以及在匀强磁场中磁通量的计算。 　　 【要点梳理】 【高清课程：磁场及其描述 第1节磁现象】 要点一、磁现象 要点诠释： 1．磁性、磁体 　　物质具有吸引铁、钴、镍等物质的性质叫磁性。 　　具有磁性的物体叫磁体。 2．磁极 　　磁体的各部分磁性强弱不同，磁性最强的区域叫磁极。任何磁体都有两个磁极，一个叫南极（又称S极），另一个叫北极（又称N极）。 3．磁极间的相互作用 　　同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。 4．磁化、磁性材料 　　变无磁性物体为有磁性物体叫磁化，变有磁性物体为无磁性物体叫退磁。 　　磁性材料可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料。一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。 　　软磁性材料可应用于需被反复磁化的场合，例如振片磁头、计算机记忆元件、电磁铁等；硬磁性材料可应用于制作永久磁铁。 要点二、电流的磁效应 要点诠释： 1．电流对小磁针的作用 　　1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，导线通电后，其下方与导线平行的小磁针发生偏转，如图所示。 　　　　　　　　　　 　　说明：在做奥斯特实验时，为排除地球磁场的影响，小磁针应南北放置，通电导线也应南北放置。 2．磁铁对通电导线的作用 　　如图所示，磁铁会对通电导线产生力的作用，使导体棒偏转。 　　　　　　　　　　 3．电流和电流间的相互作用 　　如图所示，有互相平行而且距离较近的两条导线，当导线中分别通以方向相同和方向相反的电流时，观察到发生的现象是：同向电流相吸，异向电流相斥。 　　　　　　　　　　 　　 【高清课程：磁场及其描述 第2节：磁场】 要点三、磁场 要点诠释： 1．定义 　　磁体或电流周围存在一种特殊物质，能够传递磁体与磁体、磁体与电流之间、电流与电流之间的相互作用，这种特殊的物质叫磁场。 说明：所有的磁作用都是通过磁场发生的，磁场和电场一样，是物质存在的另一种形式，是客观存在的。 2．磁场的基本性质 　　对放入其中的磁极、电流或运动电荷产生力的作用。 3．磁场的产生 　　（1）永磁体周围存在磁场； 　　（2）电流周围存在磁场——电流的磁效应； 　　（3）运动的电荷周围存在磁场——磁现象的电本质。 　　　　电流是大量运动电荷形成的，所以运动电荷周围空间也有磁场。静止电荷周围空间没有磁场。 4．磁场的方向 　　在磁铁周围的不同位置放置一些小磁针，发现小磁针静止时，指向各不相同如图所示，这表明磁场中不同位置力的作用方向不同，因此磁场具有方向性。 　　　　　　　　　　 　　 　　 　　物理学上规定：小磁针静止时N极所指的方向为该点的磁场的方向。 要点四、磁现象的电本质 要点诠释： 1．安培分子电流假说的内容 　　安培认为，在原子、分子等物质微粒的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，分子的两侧相当于两个磁极。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2．安培假说对有关磁现象的解释 　　（1）磁化现象：一根软铁棒，在未被磁化时，内部各分子电流的取向杂乱无章，它们的磁场互相抵消，对外不显磁性；当软磁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流取向变得大致相同时，两端显示较强的磁性作用，形成磁极，软铁棒就被磁化了。 　　（2）磁体的消磁：磁体的高温或猛烈敲击，即在激烈的热运动或机械运动影响下，分子电流取向又变得杂乱无章，磁体磁性消失。 3．磁现象的电本质 　　磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由运动的电荷产生的。 　　说明： 　　①根据物质的微观结构理论，原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电，核外电子带负电，核外电子在库仑引力作用下绕核高速旋转，形成分子电流。在安培生活的时代，由于人们对物质的微观结构尚不清楚，所以称为“假说”。但是现在，“假设”已成为真理。 　　②分子电流假说揭示了电和磁的本质联系，指出了磁性的起源：一切磁现象都是由运动的电荷产生的。 要点五、地球的磁场 要点诠释： 1．地磁场 　　地球本身是一个磁体，附近存在的磁场叫地磁场，地磁的南极在地球北极附近，地磁的北极在地球的南极附近。地磁体周围的磁场分布与条形磁铁周围的磁场分布情况相似。指南针放在地球周围的指南针静止时能够指南北，就是受到了地磁场作用的结果。 2．磁偏角 　　地球的地理两极与地磁两极并不重合，磁针并非准确地指南或指北，其间有一个交角，叫地磁偏角，简称磁偏角。 　　说明： 　　①地球上不同点的磁偏角的数值是不同的。 　　②磁偏角随地球磁极缓慢移动而缓慢变化。 　　③地磁轴和地球自转轴的夹角约为11°。 要点六、磁感应强度 要点诠释： 1．磁感应强度的方向 　　（1）磁感应强度 　　描述磁场强弱和方向的物理量，用符号“B”表示。 　　（2）磁感应强度的方向 　　磁感应强度的方向即磁场的方向：小磁针静止时N极所指的方向为该点的磁感应强度的方向，简称为磁场的方向。 2．磁感应强度的大小 　　（1）电流元 　　①定义：物理学中把很短一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积IL叫作电流元。 　　②理解：孤立的电流元是不存在的，因为要使导线中有电流，就必须把它连到电源上。 　　（2）磁感应强度 　　①定义：在磁场中垂直于磁场方向的通电直导线，受到的磁场力的作用F，跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值，叫作通电直导线所在处的磁场的磁感应强度。 　　②物理意义：磁感应强度是描述磁场力的性质的物理量。 　　③公式：B=F / IL。 　　④单位：在国际单位单位中，磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，符号是T。即。 　　⑤B是矢量，其方向就是磁场方向，即小磁针静止时N极所指的方向。 　　说明： 　　①磁感应强度是反映磁场性质的物理量，是由磁场自身决定的，与是否引入电流无关，与引入的电流是否受力无关，因为通电导线取不同方向时，其受力大小不尽相同，在定义磁感应强度时，式中F是直导线垂直磁场时受到的磁场力。 　　②磁感应强度的方向是该处磁场的方向，而不是F的方向。 【典型例题】 类型一、认识、利用磁现象 例1、 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时，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间可能无磁场力作用 D．A、B可能相互吸引，也可能相互排斥 【答案】D 【解析】 磁体可以使原来没有磁性的铁棒磁化而吸引铁棒，也可以是因为两个磁体的异名磁极相互吸引，这是吸引的两种情况，而排斥只有两个磁体间才可能发生． 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．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A也会被磁化而发生相互的吸引作用；若A有磁性，则A、B两磁体都分别有北极和南极，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，它们之间总有磁场的作用，故正确答案为D． 【总结升华】无论磁针的哪一个磁极靠近铁棒时，都会把铁棒磁化，并且是相互吸引的．铁棒磁化后，靠近磁针某端的磁极与磁针的该端互为异名磁极． 举一反三 【变式】新民晚报曾报道一则消息，“上海雨点鸽从内蒙古放飞后，历经20余天，返回上海市区鸽巢”，信鸽的这种惊人的远距离辨认方向的本领，实在令人称奇．人们对信鸽有高超的认路本领的原因提出了如下猜想： A．信鸽对地形地貌有极强的记忆力 B．信鸽能发射并接收某种超声波 C．信鸽能发射并接收某种次声波 D．信鸽体内有某种磁性物质，它能借助地磁场辨别方向 那么信鸽究竟靠什么辨别方向呢?科学家曾做过这样一个实验：把几百只训练有素的信鸽分成两组，在一组信鸽的翅膀下各缚一块小磁铁，而在另一组信鸽的翅膀下各缚一块大小相同的铜块，然后把它们带到离鸽舍一定距离的地方放飞，结果绝大部分缚铜块的信鸽飞回鸽舍，而缚磁铁的信鸽全部飞散了．科学家的实验支持了上述哪种猜想（ ） 【答案】 D 【解析】这是一道要求从阅读材料的过程中收集信息、分析处理信息的应用类题．因为信鸽所缚的小磁铁所产生的磁场扰乱了它体内磁性物质产生的磁场，所以缚磁铁的一组信鸽全部飞散，即D项正确． 类型二、电流的磁效应——奥斯特实验 例2、奥斯特实验说明了（ ） A．磁场的存在 B．磁场的方向性 C．电流可以产生磁场 D．磁体间有相互作用 【答案】 C 【解析】 本题考查了电流的磁效应及奥斯特实验．奥斯特实验中电流能使静止的小磁针发生偏转，说明电流周围能产生磁场．故正确答案为C． 【总结升华】（1）做奥斯特实验时应注意地磁场的影响．地磁场使静止的小磁针指向南北方向，所以直导线应南北水平放置，小磁针要平行地放在导线正下方或正上方． （2）奥斯特实验只证明了电流周围产生磁场即发生了电流的磁效应，揭示了电与磁的联系，但该实验却没有说明磁场的方向性和磁体间的相互作用，这是本题的易错点． 举一反三 【变式】在做奥斯特实验时，下列操作中现象最明显的是（　 ） 　　A．沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的延长线上 　　B．沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的正下方 　　C．电流沿南北方向放置在磁针的正上方 　　D．电流沿东西方向放置在磁针的正上方 【答案】C 【解析】做本实验时，首先要考虑到地磁场的影响。若导线东西放置，小磁针有可能不偏转，导致实验失败。将导线沿南北方向放置在地磁场中处于静止状态的磁针的正上方，通电时磁针发生明显的偏转，是由于南北方向放置的电流的正下方的磁场恰好是东西方向。 类型三、对磁场的理解 例3、以下说法中正确的是（ ） A．磁极与磁极间的相互作用是通过磁场产生的 B．电流与电流间的相互作用是通过电场产生的 C．磁极与电流间的相互作用是通过电场与磁场而共同产生的 D．磁场和电场是同一种物质 【答案】A 【解析】电流能产生磁场，在电流的周围就有磁场存在，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，其最基本的性质是对放入电场中的电荷有电场力的作用，它不会对放入电场中的磁极产生力的作用，因此，磁场和电场是两种不同的物质，各自具有其本身的特点． 【总结升华】（1）注意磁场与电场的区别；（2）理解磁极与磁极、磁极与电流、电流与电流之间的作用都是通过磁场发生的． 举一反三 【变式1】两个完全相同的圆形线圈，如图所示，穿在一根绝缘的光滑水平横杆上，分别通以方向相同的电流，I1、I2，则（ ） A．两线圈互相吸引 B．两线圈互相排斥 C．两线圈静止 D．两线圈先吸引后排斥 【答案】A 【解析】磁场的基本性质是对放入其中的磁极或电流产生力的作用．通电导体周围能够产生磁场，图中每个通电导线分别处于对方的磁场之中，受到磁场力的作用．由实验得知：同向电流相吸，异向电流相斥．故正确答案为A． 【总结升华】 奥斯特实验证明了电流周围产生磁场，揭示了电流的磁效应，进一步实现说明了电流间的相互作用是通过磁场发生的，同向电流相互吸引，异向电流相互排斥． 【变式2】家用照明电路中的火线和零线是相互平行的，当用电器工作火线和零线都有电流时，它们将（　 ） 　　A．相互吸引 　 B．一会儿吸引，一会儿排斥　　 C．相互排斥 　 D．彼此不发生相互作用 【答案】C 【解析】火线与零线虽然都连接用电器，且相互平行，但是当用电器正常工作时，流过它们的电流方向相反，并且时刻相反。再根据电流产生磁场，磁场对电流有作用力来判断，因通过火线和零线的电流方向总是相反的，根据平行导线中通以同向电流时相互吸引，通以反向电流时相互排斥的结论可以得出C选项正确。 类型四、地球的磁场 例4、地球是一个大磁体：①在地面上放置一个小磁针，小磁针的S极指向地磁场的南极；②地磁场的N极在地理南极附近；③赤道附近地磁场的方向和地面平行；④北半球地磁场方向相对地面是斜向上的；⑤地球上任何地方的磁场方向都是和地面平行的．以上关于地磁场的描述正确的是（ ） A．①②④ B．②③④ C．①⑤ D．②③ 【答案】 D 【解析】本题考查地球的磁场，地球的磁场与条形磁铁的磁场相似，主要有三个特点： （1）地磁场的N极在地理南极附近，S极在地理北极附近，磁感线分布如图所示． （2）地磁场B的水平分量（Bx）总是从地球南极指向北极，而竖直分量（By）则南北相反，在南半球垂直地面向上，在北半球垂直地面向下． （3）在赤道平面上，距离地球表面相等的各点，磁感应强度相等，且方向水平向北．故正确答案为D． 【总结升华】 认识地磁场，掌握地磁场的特点是分析该类题目的关键． 　举一反三 【变式】为了解释地球的磁性，19世纪安培假设：地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流I引起的。在下列四个图中，正确表示安培假设中环形电流方向的是（ ） 　　　　　　 【答案】B 【解析】主要考查安培定则和地磁场分布。地理的南极是地磁场的N极，根据地磁场分布和安培定则判断可知正确答案是B。 类型五、对磁感应强度的理解 例5、下列说法中正确的是（ ） A．磁场中某一点的磁感应强度可以这样测定：把一小段通电导线放在该点时受到磁场力F与该导线的长度L、通过的电流，乘积的比值，即 B．通电导线在某点不受磁场力的作用，则该点的磁感应强度一定为零 C．磁感应强度只是定义式，它的大小取决于场源以及在磁场中的位置，与F、I、L以及通电导线在磁场中的方向无关 D．通电导线所受磁场力的方向就是磁场的方向 【答案】 C 【解析】 根据磁感应强度的定义，通电导线应为“在磁场中垂直于磁场方向的通电直导线”，只有在这个方向导线所受磁场力才最大，故A选项是错误的．通电导线若放置方向与电流平行时，也不受磁场力作用，所以B选项也是错误的．在磁场场源稳定的情况下，磁场内各点的磁感应强度（包括大小和方向）都是确定的，与放入该点的检验电流、导线无关，故选项C正确．根据左手定则，磁场力方向与磁感应强度方向垂直，选项D错误． 【总结升华】 磁感应强度是反映磁场的力的性质的物理量，是采用比值的方法来定义的，该公式是定义式而不是决定式，磁场中各处的B值是确定的，与放入该点的检验电流的大小、方向等无关．实验表明：磁场力方向是与磁场方向垂直的，在这一点上磁场与电场是不一样的． 类型六、 对磁感应强度方向的理解 例6、下列关于磁感应强度的方向的说法中，正确的是（ ） A．某处磁感应强度的方向就是一小段通电导体放在该处时所受磁场力的方向 B．小磁针N极受磁场力的方向就是该处磁感应强度的方向 C．垂直于磁场放置的通电导线的受力方向就是磁感应强度的方向 D．磁场中某点的磁感应强度的方向就是该点的磁场方向 【答案】 BD 【解析】 本题考查对磁感应强度方向的理解．磁场中某点磁感应强度的方向表示该点的磁场的方向，磁场方向也就是小磁针N极受力的方向．但电流受力的方向不代表磁感应强度和磁场的方向． 【总结升华】（1）磁感应强度的方向和小磁针N极受力方向相同，但绝非电流的受力方向． （2）磁场中某点磁感应强度的大小和方向是确定的，和小磁针、电流的存在与否无关． 类型七、磁感应强度的矢量性 例7、磁感应强度为矢量，它可以分解为几个分量． （1）如果北半球某处地磁场的磁感应强度大小为B，与水平方向的夹角为，那么该处地磁场的磁感应强度的水平分量和竖直分量各为多大？ （2）如果地理南、北极和地磁北、南极是重合的，那么在赤道上空磁场的竖直分量是多大？在极地上空地磁场的水平分量是多大？ 【答案】 （1）B水平=Bcos B竖直=Bsin （2）B竖直=0 B水平=0 【解析】 本题从矢量角度考查了对磁感应强度的理解．因为磁感应强度大小为B，与水平方向的夹角为，所以地磁场的磁感应强度的水平分量和竖直分量分别为：B水平=Bcos，B竖直=Bsin．在赤道上空，因为=0°，故有B竖直=0；在极地上空，因为=90°，故有B水平=0． 【总结升华】（1）磁感应强度的合成与分解遵守矢量的平行四边形法则． （2）为了描述磁场强弱，我们引入了磁感应强度这个新的物理量．而新课标更注重规律探究的过程，对磁感应强度概念的学习可以结合电场强度的定义来加深理解． 类型八、 对定义式的理解及应用 例8、物理学中，通过引入检验电流来了解磁场力的特性，对检验电流的要求是（ ） A．将检验电流放入磁场，测量其所受的磁场力F，导线长度L，通电电流，应用公式，即可测得磁感应强度B B．检验电流不宜太大 C．利用检验电流，运用公式，只能应用于匀强磁场 D．只要满足长度L很短，电流很小，将其垂直放入磁场的条件，公式对任何磁场都适用． 【答案】BD 【解析】本题从检验电流受外力的角度来分析和考查了磁感应强度的定义式． 用检验电流来了解磁场，要求检验电流对原来磁场的影响很小，可以忽略，所以导体长度L应很短，电流应很小，当垂直放置时，定义式适用于所有磁场，选项B、D正确． 【总结升华】 检验电荷与检验电流是角来检验电场或磁场的工具，所以不能对原磁场情况影响太大，在非匀强场中，越小越短越能准确反映该住呈的情况． 举一反三 【变式】长10 cm的通电直导线，通以1 A的电流，在磁场强弱、方向都一样的空间（匀强磁场）中某处受到的磁场力为0.4 N，则该磁场的磁感应强度为（ ） A．等于4 T B．大于或等于4 T C．小于或等于4 T D．上述说法都错误 【答案】B 【解析】本题较深层次地考查了对磁感应强厦的定义式的理解及应用．注意定义式中电流应为垂直于磁场方向的电流．题目中没有给出导线如何放置，若导线与磁场垂直，则由磁感应强度的定义式得出．若导线放置时没有与磁场垂直，此时受磁场力为0.4 N，若把此导线与磁场垂直放置时，受到的磁场力将大于0.4 N，根据磁感应强度定义式可知，此处磁感应强度将大于4 T，所以答案应选B. 【总结升华】（1）据给定的磁场力（或磁感应强度）求出磁感应强度（磁场力）时，应理解公式成立的条件，切忌不加分析盲目套用公式. （2）导线与磁场垂直时，受到的磁场力最大，此时，满足F=BIL。导线与磁场方向平行时，导线在磁场中不受力．