粤教版高中物理选修11第1章电与磁第3节认识磁场学案

第三节认识磁场
1．为了形象地描述磁体和电流周围的磁场，英国物理学家法拉第提出用磁感线来形象地描述磁场．如图1­3­1所示是永磁体的外部磁场磁感线的分布图．
图1­3­1
2．磁感线
(1)在磁场中可以利用小磁针静止时北极所指的方向来描述各点的磁场方向．
(2)磁感线是在磁场中画出的一些有方向的假想曲线，在这些曲线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同．磁场有强弱之分，越靠近磁极的地方磁感线越密．3．磁感应强度
(1)磁感应强度是矢量，既有大小，又有方向．磁场中某点的磁感应强度的方向就是该点的磁场的方向，它在通过该点的磁感线的切线方向上，还与该点小磁针静止时北极所指的方向一致．
(2)单位：特斯拉，简称特，符号是T.
(3)物理意义：描述磁场强弱的物理量．
[再判断]
1．磁感线是闭合的曲线．(√)
2．磁场看不见摸不着，实际不存在．(×)
3．磁感线可以用细铁屑来显示，因而是真实存在的．(×)
[后思考]
想一想，磁场的方向有哪几种表达方式？
【提示】磁场的方向可有以下三种表达方式：
(1)小磁针静止时N极所指的方向，也就是N极受力的方向．
(2)磁场的方向就是磁感应强度B的方向．
(3)磁感线上某点的切线方向即为该点的磁场方向．
1．磁感线
磁感线是为了形象描述磁体周围空间磁场的分布情况而引入的．在磁场中画一些有方向的曲线，任何一点的切线方向都跟放在该点的小磁针北极所指的方向一致，这样的曲线叫磁感线．
(1)假想的曲线
磁场是客观存在的，而磁感线是为研究磁场而引入的一系列假想曲线，实际上并不存在．曲线的切线方向都跟放在该点的小磁针北极所指方向一致，也就是与该点的磁场方向一致．
(2)疏密性
磁感线密集的地方磁场强，稀疏的地方磁场弱，没有画磁感线的地方，并不表示那里没有磁场存在．匀强磁场的磁感线等间距、互相平行．
(3)不相交
由于磁感线上任一点的切线方向即为该点的磁场方向，又因磁场中任一点的磁场方向是唯一的，所以磁感线在磁体周围空间不能相交．
(4)空间性
磁体周围空间处处存在磁场，通常画出的磁感线是平面的，磁体周围的磁感线应分布在一个三维空间内．
(5)闭合的曲线
在磁体外部的磁感线都是从磁体的N极发出，回到磁体的S极．在磁体内部，磁感线是由S极指向N极，所以磁感线是闭合的曲线．
2．磁感应强度
(1)磁感应强度的物理意义：描述磁场强弱和方向的物理量．
(2)磁感应强度的决定因素：仅由场源来决定．
(3)磁感应强度的标矢性：磁感应强度是矢量．
①其大小描述磁场的强弱，同一小磁针受力越大表明该处磁感应强度越大．
②其方向就是N极在该点的受力方向，也就是该点磁场的方向，磁感线在该点的切线方向．
1．(多选)下列关于磁感应强度的说法中正确的是( )
A．磁感应强度是矢量，用来表示磁场强弱和方向的物理量
B．小磁针北极在磁场中受力的方向是唯一的，能比较客观地描述磁感应强度的方向C．磁极在磁场中受磁场力大的地方，该处的磁感应强度一定大
D．磁极在磁场中受磁场力大的地方，该处的磁感应强度不一定大，与放置方向有关【解析】关于磁感应强度的完整概念有以下内容：第一，是矢量，大小等于垂直穿过单位面积的磁通量，方向是小磁针北极在磁场中的受力方向；第二，物理意义，反映磁场强弱的物理量，从力的角度描述了磁场的性质，磁场强的地方放入磁极受到的力一定大；第三，单位是特斯拉，本题没有考查磁感应强度的单位．根据完整的物理概念，本题选A、B、C.
【答案】ABC
2．(多选)如图1­3­2所示是几种常见磁场的磁感线分布示意图，下列说法正确的是( )
【导学号：75392019】
图1­3­2
A．(a)图中a端是磁铁的S极，b端是磁铁的N极
B．(a)图中a端是磁铁的N极，b端是磁铁的S极
C．(b)图是两异名磁极的磁感线分布示意图，c端是N极，d端是S极
D．(b)图是两异名磁极的磁感线分布示意图，c端是S极，d端是N极
【解析】题图(a)是条形磁铁外部磁感线分布示意图，外部磁场的磁感线是从磁铁的N极出来，进入磁铁的S极，故A正确，B错．题图(b)是两异名磁极间的磁感线分布示意图，磁感线仍然是从N极出来，进入磁铁的S极，故C错，D正确．
【答案】AD
3．(多选)关于磁场和磁感线的描述，下列说法中正确的是( ) 【导学号：75392019】A．磁感线可以形象地描述各点磁场的强弱和方向，它每一点的切线方向都和小磁针放在该点静止时北极所指的方向一致
B．磁极之间的相互作用是通过磁场发生的，磁场和电场一样，也是一种客观存在的特殊物质
C．磁感线总是从磁铁的北极出发，到南极终止
D．磁感线就是细铁屑连成的曲线
【解析】磁场是一种客观存在的物质，磁极间的相互作用是通过磁场发生的．磁感线从N极出从S极入形成闭合曲线．磁感线可以用细铁屑模拟，但不能说是由细铁屑连成的，故选项B正确，选项C、D错误．根据磁场方向的规定知选项A正确．
【答案】AB
磁感线是人为画出的一些假想的曲线，其目的是为了形象地描述磁场的强弱及方向，掌握磁感线的基本规律能很好地处理此类问题．
[先填空]
1．匀强磁场
(1)定义：如果在磁场的某一区域内，磁感应强度的大小和方向处处相同，这个区域的磁场称为匀强磁场．
(2)磁感线特点：匀强磁场中的磁感线是一组方向一致的等间距平行线．
2．磁通量
(1)定义：物理学上把磁场的磁感应强度B 和与磁场垂直的某一面积S 的乘积定义为穿过该面积的磁通量．
(2)公式：Φ＝BS ，注意：此公式只适用于B 与S 垂直的情况．
(3)单位：韦伯，简称韦，符号是Wb.
[再判断]
1．匀强磁场中磁感线是互相平行且间距相等的直线．(√)
2．磁通量不仅有大小而且有方向，是矢量．(×)
3．将一平面置于匀强磁场中的任何位置，穿过该平面的磁通量总相等．(×)
[后思考]
信鸽千里归巢是一件再普通不过的事情，可为信鸽导航的“地图”在哪儿？为什么在没有阳光的暴风雨天气或者在出现日食的日子，鸽子不会迷路？
【提示】 科学家研究发现，让信鸽认路的原因是看不见又摸不着的地球磁场，信鸽可以根据地磁场的方向和强弱变化来判断飞行方向．
1．在匀强磁场中，穿过与磁场方向垂直、面积为S 的平面的磁通量Φ＝BS ，若磁感线与平面不垂直时，如图1­3­3所示，我们采用投影的方法，将平面向垂直于磁场的方向上投影，就可得到磁通量的一般计算公式Φ＝BS ′＝BS ·cos θ.
图1­3­3
图中的S ′是面积为S 的平面α在垂直于磁感线方向上的投影面积．θ为平面α与该平面沿垂直磁场方向的投影面之间的夹角．
2．磁通量是标量，只有大小，没有方向，但有正负．其正负仅表示磁感线的贯穿方向，一般来说，如果规定磁感线从线圈的正面穿过时，磁通量为正，那么磁感线从线圈反面穿过时磁通量就为负．磁感线从不同方向穿过同一面积时，磁通量是它们的代数和．
3．由Φ＝BS .得B ＝ΦS
，因此磁感应强度在数值上等于垂直穿过单位面积的磁感线条数． 4．关于磁通量的概念，以下说法正确的是( )
【导学号：75392019】
A ．磁感应强度越大，穿过闭合回路的磁通量也越大
B ．磁感应强度越大，线圈面积越大，穿过闭合回路的磁通量也越大
C．穿过线圈的磁通量为零时，磁感应强度不一定为零
D．磁通量发生变化时，磁感应强度也一定发生变化
【解析】由磁通量的定义知Φ＝BS·sin θ(θ为B、S间夹角)，即Φ与B、S、θ三个因素有关．磁感应强度越大，穿过闭合回路的磁通量不一定大．当B、S间夹角为0时，则Φ＝0，而此处磁感应强度不一定等于零．
【答案】 C
5．面积为2.0×10－2 m2的矩形线圈放在磁感应强度为5.0×10－4 T的匀强磁场中，当线圈平面与磁场方向垂直时，求穿过线圈的磁通量．
【解析】由磁通量的定义知：Φ＝BS＝5.0×10－4×2.0×10－2 Wb＝1.0×10－5 Wb.
【答案】 1.0×10－5 Wb
6．匀强磁场中有一个与磁场垂直放置的矩形线圈，面积为S，磁场磁感应强度为B，在它绕轴线中心从如图1­3­4所示位置转过180°的过程中，求该线圈磁通量的变化.
【导学号：75392019】
图1­3­4
【解析】起始状态的磁通量Φ1＝BS.末态的磁通量大小Φ2＝BS，但初态是从正面穿入，末态则从反面穿入．若初态Φ1为负，则Φ2为正．所以ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝BS－(－BS)＝2BS，而不是零．
【答案】2BS
1．公式Φ＝BS中的B应是匀强磁场的磁感应强度，S是与磁场方向垂直的面积，因此可以理解为Φ＝BS⊥.
2．磁通量为标量，算“纯收入”．。