物理选修3-1第三章1磁现象磁场

1磁现象磁场[学习目标] 1.了解人类对磁现象的认识与应用.2.了解磁场是客观存在的物质，知道磁感线及其物理意义.3.会用安培定则判断直线电流、环形电流和通电螺线管周围的磁场方向.一、磁现象[知识梳理]1.我国古代对磁现象的认识及应用(1)春秋战国时期最早发现并记载了天然磁石具有吸引铁的现象和指示南北方向的特征.(2)北宋时期发明了指南针，并很快用于航海.(3)磁石治疗疾病，《史记》、《本草纲目》中均有记载.2.电与磁相互联系现象的发现及第二次产业革命(1)奥斯特发现了电流磁效应.(2)法拉第发现了电磁感应现象，打开了电气化技术时代的大门，导致了人类历史上的第二次产业革命.3.信息技术中的磁现象(1)原理：某些磁性物质能够把磁场对它的作用记录下来，长久保存且能在一定条件下复现.(2)应用：制成磁存储部件或设备，如磁带、磁盘、磁鼓、磁卡等.4.生物体中的磁现象(1)鸽子识归巢、候鸟辨迁途、海龟找“故乡”均可能与这些动物对地球磁场的敏感有关.(2)人体器官也存在磁性.(3)医院里使用的核磁共振断层成像装置等.二、磁场[导学探究](1)电荷与电荷之间的相互作用是通过电场产生的，那么磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间、通电导体与通电导体之间的相互作用是如何发生的？(2)在玻璃板上撒一层细铁屑，放入磁铁的磁场中，轻敲玻璃板，由细铁屑的分布可以模拟磁感线的形状，由实验得到条形磁铁和蹄形磁铁的磁场的磁感线是如何分布的？磁感线有什么特点？磁感线是磁场中真实存在的吗？答案(1)都是通过磁场发生的.(2)磁感线的分布和特点见[知识梳理].磁感线不存在，是假想的曲线.[知识梳理]1.磁场：存在于磁体周围或电流周围的一种客观存在的特殊物质.磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间、通电导体与通电导体之间的相互作用都是通过磁场发生的.2.磁感线(1)磁感线：在磁场中画出的一些有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向与该点的磁场方向一致.(2)磁感线的特点：①磁感线上任一点的切线方向表示该点的磁场方向，即小磁针N极所受磁力的方向.②磁铁外部的磁感线从N极指向S极，内部从S极指向N极，磁感线是闭合曲线.③磁感线的疏密程度表示磁场强弱，磁感线密集处磁场强，磁感线稀疏处磁场弱.④磁感线在空间不相交.(3)几种常见磁场的磁感线分布(如图1所示)图1(4)磁感线和电场线的比较：相同点：都是疏密程度表示场的强弱，切线方向表示场的方向；都不能相交.不同点：电场线起始于正电荷，终止于负电荷，不闭合；但磁感线是闭合曲线.[即学即用]判断下列说法的正误.(1)磁极和磁极之间的相互作用是通过磁场产生的.(√)(2)电流和电流之间的相互作用是通过电场产生的.(×)(3)磁感线可以用细铁屑来显示，因而是真实存在的.(×)(4)磁感线上每点的切线方向就是该点的磁场方向.(√)三、电流周围的磁场安培定则[知识梳理]电流周围的磁感线方向可根据安培定则判断.(1)直线电流的磁场：右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向.这个规律也叫右手螺旋定则.特点：以导线上各点为圆心的同心圆，圆所在平面与导线垂直，越向外越疏.(如图2所示)图2(2)环形电流的磁场：让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上磁感线的方向.特点：内部比外部强，磁感线越向外越疏.(如图3所示)图3(3)通电螺线管的磁场：用右手握住螺线管，让弯曲的四指指向电流的方向，那么大拇指所指的方向就是螺线管中心轴线上磁感线的方向.特点：内部为匀强磁场，且内部比外部强.内部磁感线方向由S极指向N极，外部由N极指向S极.(如图4所示)图4[即学即用]判断下列说法的正误.(1)通电直导线周围磁场的磁感线是闭合的圆环.(√)(2)通电螺线管周围的磁场类似于条形磁体周围的磁场.(√)(3)无论是直线电流、环形电流还是通电螺线管的磁场，在安培定则判断时，大拇指指的都是磁场方向.(×)四、磁现象的电本质[导学探究]磁铁和电流都能产生磁场，而且通电螺线管外部的磁场与条形磁铁的磁场十分相似，它们的磁场有什么联系？答案它们的磁场都是由电荷的运动产生的.[知识梳理]安培分子电流假说(1)法国学者安培提出：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，它的两侧相当于两个磁极.(如图5所示)图5(2)当铁棒中分子电流的取向大致相同时，铁棒对外显磁性(如图6甲)；当铁棒中分子电流的取向变得杂乱无章时，铁棒对外不显磁性(如图乙).图6(3)安培分子电流假说说明一切磁现象都是由电荷的运动产生的.[即学即用]判断下列说法的正误.(1)一切磁现象都起源于电流或运动电荷，一切磁作用都是电流或运动电荷之间通过磁场发生的.(√)(2)安培认为，磁体内部有许多环形电流，每个环形电流都相当于一个小磁体.(√)(3)一个物体是否对外显磁性，取决于物体内部分子电流的取向.(√)一、对磁场和磁感线的认识例1下列关于磁场的说法中，正确的是()A.磁场和电场一样，是客观存在的特殊物质B.磁场是为了解释磁极间相互作用而人为规定的C.磁极与磁极间是直接发生作用的D.磁场只有在磁极与磁极、磁极与电流发生作用时才产生答案A解析磁场和电场一样，是客观存在的物质，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产生的，选项A正确.例2关于磁场和磁感线的描述，下列说法中正确的是()A.磁感线总是从磁铁的N极出发，到S极终止的B.磁感线可以形象地描述各磁场的强弱和方向，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C.磁感线可以用细铁屑来显示，因而是真实存在的D.两个磁场的叠加区域，磁感线可能相交答案B解析磁感线是闭合曲线，A不正确；磁感线上每一点切线方向表示磁场方向，磁感线的疏密表示磁场的强弱，小磁针静止时北极受力方向和静止时北极的指向均为磁场方向，选项B正确；磁感线是为了形象地描述磁场而假想的一组有方向的闭合曲线，实际上并不存在，选项C不正确；叠加区域合磁场的方向也具有唯一性，故磁感线不可能相交，D选项错误.二、对安培定则的理解与应用例3电路没接通时两枚小磁针方向如图7，试确定电路接通后两枚小磁针的转向及最后的指向.图7答案见解析解析接通电源后，螺线管的磁场为：内部从左指向右，外部从右指向左，如图所示，故小磁针1逆时针转动至N极水平向左，小磁针2顺时针转动至N极水平向右.小磁针在磁场中受力的判断方法1.当小磁针处于磁体产生的磁场中，或环形电流、通电螺线管外部时，可根据同名磁极相斥，异名磁极相吸来判断小磁针的受力方向.2.当小磁针处于直线电流的磁场中或处于环形电流、通电螺线管内部时，应该根据小磁针N极所指方向与通过该点的磁感线的切线方向相同，来判断小磁针的受力方向.针对训练如图8所示，圆环上带有大量的负电荷，当圆环沿顺时针方向转动时，a、b、c三枚小磁针都要发生转动，以下说法正确的是()图8A.a、b、c的N极都向纸里转B.b的N极向纸外转，而a、c的N极向纸里转C.b、c的N极都向纸里转，而a的N极向纸外转D.b的N极向纸里转，而a、c的N极向纸外转答案B三、对安培分子电流假说的认识例4(多选)关于磁现象的电本质，下列说法正确的是()A.除永久磁铁外，一切磁场都是由运动电荷或电流产生的B.根据安培分子电流假说，在外磁场作用下，物体内部分子电流取向变得大致相同时，物体就被磁化了，两端形成磁极C.一切磁现象都起源于电流或运动电荷，一切磁作用都是电流或运动电荷之间通过磁场而发生的相互作用D.磁就是电，电就是磁；有磁必有电，有电必有磁答案BC解析变化的电场能够产生磁场，而永久磁铁的磁场也是由运动电荷(分子电流即电子绕原子核的运动形成的电流)产生的，故A错误.没有磁性的物体内部分子电流的取向是杂乱无章的，分子电流产生的磁场相互抵消，但当受到外界磁场的作用力时分子电流的取向变得大致相同时，分子电流产生的磁场相互加强，物体就被磁化了，两端形成磁极，故B正确.由安培分子电流假说知C正确.磁和电是两种不同的物质，故磁是磁，电是电.有变化的电场或运动的电荷就能产生磁场，但静止的电荷不能产生磁场，恒定的电场不能产生磁场，同样恒定磁场也不能产生电场，故D错误.1.下列关于磁场和磁感线的描述中正确的是()A.磁感线可以形象地描述各点磁场的方向B.磁感线是磁场中客观存在的线C.磁感线总是从磁铁的N极出发，到S极终止D.实验中观察到的铁屑的分布就是磁感线答案A解析磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向，但它不是客观存在的线，可以用细铁屑模拟.在磁铁外部磁感线由N极到S极，但内部是由S极到N极.故选A.2.下列各图中，已标出电流及电流磁场的方向，其中正确的是()答案D解析电流与电流磁场的分布，利用的是右手螺旋定则，大拇指指向直导线电流方向，四指指向磁感线方向，因此A、B错；对于螺线管和环形电流，四指弯曲方向为电流方向，大拇指指向内部磁场方向，故选D.3.(多选)如图9所示，能自由转动的小磁针水平放置在桌面上.当有一束带电粒子沿与磁针指向平行的方向从小磁针上方水平飞过时，所能观察到的现象是()图9A.小磁针不动B.若是正电荷飞过，小磁针会发生偏转C.若是负电荷飞过，小磁针会发生偏转D.若是一根通电导线，小磁针会发生偏转答案BCD解析电流是由运动电荷产生的，当电荷在小磁针上方运动时也会形成电流，从而形成磁场.这两种磁场是等效的，均会使小磁针发生转动，故B、C、D均正确.4.通电螺线管内有一在磁场力作用下静止的小磁针，磁针指向如图10所示，则()图10A.螺线管的P端为N极，a接电源的正极B.螺线管的P端为N极，a接电源的负极C.螺线管的P端为S极，a接电源的正极D.螺线管的P端为S极，a接电源的负极答案B解析通电螺线管内轴线的磁场方向水平向左，则P端为N极，由安培定则知，b接电源正极，选项B正确.5.(多选)用安培提出的分子电流假说可以解释的现象是()A.永久磁铁的磁场B.直线电流的磁场C.环形电流的磁场D.软铁棒被磁化的现象答案AD解析安培分子电流假说是安培为解释磁体的磁现象而提出来的，所以选项A、D是正确的；而通电导线周围的磁场是由其内部自由电荷定向移动产生的宏观电流而产生的.分子电流和宏观电流虽然都是运动电荷引起的，但产生的原因是不同的.选择题(1～10题为单选题，11～13题为多选题)1.关于磁感线和电场线，下列说法中正确的是()A.磁感线是闭合曲线，而电场线不是闭合曲线B.磁感线和电场线都是一些互相平行的曲线C.磁感线起始于N极，终止于S极；电场线起始于正电荷，终止于负电荷D.磁感线和电场线都只能分别表示磁场和电场的方向答案A2.关于电流的磁场，下列说法正确的是()A.直线电流的磁场，只分布在垂直于导线的某一个平面内B.直线电流的磁感线，是一些同心圆，距离导线越远处磁感线越密C.通电螺线管的磁感线分布与条形磁铁相同，在管内无磁场D.直线电流、环形电流、通电螺线管，它们的磁场方向都可用安培定则来判断答案D解析直线电流的磁场，分布在垂直于导线的所有平面内，A错误；直线电流的磁感线，是一些同心圆，距离导线越远处磁场越弱，磁感线越疏，B错误；通电螺线管的磁感线分布与条形磁铁相似，在管内存在磁场，方向从S极指向N极，C错误；安培定则可以用来判断直线电流、环形电流、通电螺线管产生的磁场，D正确.3.如图1所示，小磁针正上方的直导线与小磁针平行，当导线中有电流时，小磁针会发生偏转.首先观察到这个实验现象的物理学家和观察到的现象是()图1A.物理学家伽利略，小磁针的N极垂直转向纸内B.天文学家开普勒，小磁针的S极垂直转向纸内C.物理学家牛顿，但小磁针静止不动D.物理学家奥斯特，小磁针的N极垂直转向纸内答案D解析发现电流的磁效应的科学家是奥斯特，根据右手螺旋定则和小磁针N极所指的方向为该点磁场方向可知D对.故选D.4.做奥斯特实验时，要观察到小磁针明显的偏转现象，下列方法可行的是()A.将导线沿东西方向放置，磁针放在导线的延长线上B.将导线沿东西方向放置，磁针放在导线的下方C.将导线沿南北方向放置，磁针放在导线的延长线上D.将导线沿南北方向放置，磁针放在导线的下方答案D解析由于小磁针受到地磁场的作用，要指南北方向，为了观察到明显的偏转现象，应使电流产生的磁场方向为东西方向，故应将直导线沿南北方向放置，当小磁针发生偏转时，说明了磁场的存在，当电流方向改变时，产生的磁场的方向也改变，故小磁针的偏转方向也改变.故选D.5.磁铁的磁性变弱，需要充磁.充磁的方式有两种，图2甲是将条形磁铁穿在通电螺线管中，图乙是将条形磁铁夹在电磁铁之间，a、b和c、d接直流电源，下列接线正确的是(充磁时应使外力磁场与磁铁的磁场方向相同)()图2A.a接电源正极，b接电源负极，c接电源正极，d接电源负极B.a接电源正极，b接电源负极，c接电源负极，d接电源正极C.a接电源负极，b接电源正极，c接电源正极，d接电源负极D.a接电源负极，b接电源正极，c接电源负极，d接电源正极答案B解析甲图中，因磁铁在螺线管的内部，应使螺线管内磁感线方向从右向左(左端是N极，右端是S极)，由安培定则可判定，a接电源正极，b接电源负极；乙图中，同理可知，右端是螺线管N极，左端是S极，由安培定则可判定c接电源负极，d接电源正极，B选项正确.6.如图3所示，O处有一通电直导线，其中的电流方向垂直于纸面向里，图形abcd为以O点为同心圆的两段圆弧a和c与两个半径b和d构成的扇形，则以下说法中正确的是()图3A.该通电直导线所产生的磁场方向如图中的b或d所示，且离O点越远，磁场越强B.该通电直导线所产生的磁场方向如图中的b或d所示，且离O点越远，磁场越弱C.该通电直导线所产生的磁场方向如图中的a或c所示，且离O点越远，磁场越强D.该通电直导线所产生的磁场方向如图中的a或c所示，且离O点越远，磁场越弱答案D解析由安培定则可知，通电直导线周围的磁感线是以通电导线为圆心的一些同心圆，题给通电直导线产生的磁场方向如图中a或c箭头所示，且离通电直导线越远，磁场越弱，故选项D正确.7.如图4所示为磁场、磁场作用力演示仪中的赫姆霍兹线圈，在线圈中心处挂上一个小磁针，且与线圈在同一平面内，则当赫姆霍兹线圈中通以如图所示方向的电流时()图4A.小磁针N极向里转B.小磁针N极向外转C.小磁针在纸面内向左摆动D.小磁针在纸面内向右摆动答案A解析由于线圈中电流沿顺时针方向，根据安培定则可以确定，线圈内部轴线上磁感线方向垂直于纸面向里.而小磁针N极受力方向和磁感线方向相同，故小磁针N极向里转.8.如图5所示，直导线AB、螺线管C、电磁铁D三者相距较远，认为它们的磁场互不影响，当开关S闭合后，小磁针N极(黑色一端)的指向正确的是()图5A.aB.bC.cD.d答案B解析由右手螺旋定则可知，直导线AB的磁场方向(从上往下看)为逆时针方向，根据小磁针静止时N极的指向即为磁场的方向，则有a磁针方向错误；而通电螺线管左端为S极，右端为N极，因此c磁针方向错误，b磁针的方向正确；对于电磁铁D，左端相当于N极，右端相当于S极，故d磁针的方向错误，故选B.9.如图6所示，若一束电子沿y轴正方向移动，则在z轴上某点A的磁场方向应该()图6A.沿x轴的正方向B.沿x轴的负方向C.沿z轴的正方向D.沿z轴的负方向答案B解析电子沿y轴正方向移动，相当于电流方向沿y轴负方向，根据安培定则可判断在z轴上A点的磁场方向应该沿x轴的负方向.故选项B正确.10.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，能正确表示安培假设中环形电流方向的是()答案B11.指南针是我国古代四大发明之一.关于指南针，下列说法正确的是()A.指南针可以仅具有一个磁极B.指南针能够指向南北，说明地球具有磁场C.指南针的指向会受到附近铁块的干扰D.在指南针正上方附近沿指针方向放置一直导线，导线通电时指南针不偏转答案BC12.中国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中最早记载了地磁偏角：“以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也.”进一步研究表明，地球周围地磁场的磁感线分布示意图如图7.结合上述材料，下列说法正确的是()图7A.地理南、北极与地磁场的南、北极不重合B.地球内部也存在磁场，地磁南极在地理北极附近C.地球表面任意位置的地磁场方向都与地面平行D.在赤道上磁针的N极在静止时指向地理北极附近答案ABD13.如图8所示，回形针系在细线下端被磁铁吸引，下列说法正确的是()图8A.回形针下端为N极B.回形针上端为N极C.现用点燃的火柴对回形针加热，过一会儿发现回形针不被磁铁吸引了，原因是回形针加热后，分子电流排列无序了D.用点燃的火柴对回形针加热，回形针不被磁铁吸引，原因是回形针加热后，分子电流消失了答案AC解析回形针被磁化后的磁场方向与条形磁铁磁场方向一致，故回形针的下端为N极，A对，B错；对回形针加热，回形针磁性消失是因为分子电流排列无序了，故C对，D错.。