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，知道磁感线的特点及条形磁铁、蹄形磁铁周围的磁感线分布.3.掌握安培定则．会判断直线电流、环形电流、通电螺线管周围的磁感线方向．1．磁现象(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)电与磁的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医院里使用了核磁共振断层成像装置．2．磁场(1)磁体和电流周围都存在着磁场，一切磁相互作用都是通过磁场来实现的．(2)磁感线①定义：磁感线是一些假想的有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向为该点的磁场方向，曲线的疏密表示磁场的强弱，曲线疏的地方磁场弱，曲线密的地方磁场强．②物理意义：形象地描述磁场的强弱和方向．③磁场的方向：在磁场中某一点小磁针N极所受磁力的方向，就是该点磁场的方向．(3)几种常见的磁场①磁体周围的磁场(如图1)图1②电流周围的磁场磁感线的方向由安培定则判定：a.通电直导线(或直线电流)周围的磁场用右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向跟电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向，如图2所示．图2b.环形电流或通电螺线管周围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或通电螺线管内部磁感线的方向，即指向螺线管的N极，如图3所示．图3(1)首先发现电流的磁效应的是丹麦物理学家奥斯特，他发现电流的周围能产生磁场．(√)(2)大磁铁的磁性较强，对小磁针的作用力大，但小磁针对大磁铁的磁场力较小．(×)(3)磁极和磁极之间的相互作用是通过磁场产生的．(√)(4)用铁屑可以演示磁体周围磁感线的分布，所以磁感线是客观存在的．(×)(5)通电直导线周围磁场的磁感线是以导线为圆心的一系列同心圆．(√)(6)通电螺线管周围的磁场类似于条形磁铁周围的磁场．(√)(7)无论是直线电流、环形电流还是通电螺线管的磁场，用安培定则判断时，大拇指指的都是磁场方向．(×)一、磁场和磁感线1．对磁场的认识(1)磁场的客观性：磁场与电场一样，也是一种物质，是一种看不见而又客观存在的特殊物质．存在于磁体、通电导线、运动电荷、变化电场、地球的周围．(2)磁场的基本性质：对放入其中的磁极、电流、运动的电荷有力的作用，而且磁体与磁体、磁体与电流、电流与电流间的相互作用都是通过磁场发生的．2．磁感线的特点(1)为形象描述磁场而引入的假想曲线，实际并不存在．(2)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极的受力方向．(3)磁感线的疏密表示磁场的强弱，密集的地方磁场强，稀疏的地方磁场弱．(4)磁感线的方向：磁体外部从N极指向S极，磁体内部从S极指向N极．(5)磁感线闭合而不相交，不相切，也不中断．3.地磁场(如图4所示)图4(1)地磁北极正上方磁场方向竖直向上，地磁南极正上方磁场方向竖直向下．(2)在赤道正上方，地磁场方向水平向北．(3)在南半球离地理南极较远处，地磁场方向指向北偏上方；在北半球离地理北极较远处，地磁场方向指向北偏下方．(4)磁偏角磁偏角是小磁针的指向与正南、正北方向间的夹角．磁偏角的存在是因为地球的地理两极与地磁两极并不重合，小磁针静止时，它的两极分别指向地磁两极而不是地理两极，所以产生了磁偏角．(5)由于磁场对运动电荷有力的作用，故射向地球的高速带电粒子，其运动方向会发生变化，通常不能直接到达地球．因此地磁场对地球上的生物有保护作用．例1(多选)下列关于磁场和磁感线的说法中，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．磁感线可以用铁屑来显示，因而是真实存在的D．磁感线上每一点的切线方向都和小磁针放在该点静止时N极所指的方向一致答案AD解析磁场和电场一样，是客观存在的物质，A正确，B错误；磁感线实际上并不存在，C 错误；磁感线上每一点的切线方向表示该点的磁场方向，也是小磁针N极的受力方向，D正确．例2(多选)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5.结合上述材料，下列说法正确的是()图5A．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．地球表面的磁场的竖直分量在南半球垂直于地面向上，在北半球垂直于地面向下答案ABD解析地球为一巨大的磁体，地磁场的南、北极在地理上的北极和南极附近，两极并不重合；且地球内部也存在磁场，只有赤道上空磁场的方向才与地面平行；地磁场的竖直分量在南半球垂直地面向上，在北半球垂直地面向下，C错误，A、B、D项正确．例3如图6所示表示蹄形磁铁周围的磁感线，磁场中有a、b两点，下列说法正确的是()图6A．a处磁场较强B．b处磁场较强C．蹄形磁铁的磁感线起始于蹄形磁铁的N极，终止于蹄形磁铁的S极D．图中的磁感线是真实存在的答案 B解析由题图可知，b处磁感线较密，a处较疏，故b处磁强较强，A错误，B正确；磁感线是闭合曲线，磁铁内部也有磁感线，C错误；磁感线是为形象描述磁场而引入的假想曲线，实际并不存在，D错误．二、电流的磁场安培定则安培定则立体图横截面图纵截面图直线电流以导线上任意点为圆心且垂直于导线的多组同心圆，越向外磁感线越稀疏，磁场越弱环形电流环内磁场比环外强，磁感线越向外越稀疏通电螺线管内部为匀强磁场且比外部强，方向由S极指向N极，外部类似条形磁铁，由N极指向S极例4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．针对训练当导线中分别通以图示方向的电流，小磁针静止时北极指向读者的是()答案 C解析通电直导线电流从左向右，根据右手螺旋定则，则有小磁针所处的位置磁场方向垂直纸面向里，所以小磁针静止时北极背离读者，故A错误；通电直导线电流竖直向上，根据右手螺旋定则，磁场的方向为逆时针(从上向下看)，因此小磁针静止时北极背离读者，故B错误；环形导线的电流方向如题图C所示，根据右手螺旋定则，则有小磁针所处的位置磁场方向垂直纸面向外，所以小磁针静止时北极指向读者，故C正确；根据右手螺旋定则，结合电流的方向，则通电螺线管的内部磁场方向由右向左，则小磁针静止时北极指向左，故D错误．三、磁现象的电本质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8所示)图82．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9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93．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．例5(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，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，D错误.1．(磁感线的理解)如图10是条形磁铁的部分磁感线分布示意图，关于图中a、b两点磁场的描述，正确的是()图10A．a点的磁场方向为图中B a指向B．b点的磁场方向为图中B b指向C．a点的磁场比b点的磁场强D．a点的磁场比b点的磁场弱答案 C解析磁感线上某点的切线方向表示该点磁场的方向，题图中a、b两点的磁场方向均是错误的，故A、B错误．磁感线疏密表示磁场的强弱，a点的磁感线比较密，则a点的磁场比b 点的磁场强，故C正确，D错误．2．(安培定则的应用)如图所示为电流产生磁场的分布图，其中正确的是()答案 D解析电流方向向上，由右手螺旋定则可得磁场为逆时针(从上向下看)，故A错误；电流方向向下，由右手螺旋定则可得磁场为顺时针(从上向下看)，故B错误；图C、D中电流为环形电流，由右手螺旋定则可知，内部磁场应向右，故C错误，D正确．3．(地磁场、电流磁效应)(多选)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南针方向放置一直导线，导线通电时指南针不偏转答案BC解析指南针是一个小磁体，具有N、S两个磁极，因为地磁场的作用，指南针的N极指向地理的北极，选项A错误，选项B正确．因为指南针本身是一个小磁体，所以会对附近的铁块产生力的作用，同时指南针也会受到反作用力，所以会受铁块干扰，选项C正确．在地磁场中，指南针南北指向，当直导线在指南针正上方平行于指南针南北放置时，通电导线产生的磁场在指南针处是东西方向，所以会使指南针偏转，选项D错误．4．(磁现象的电本质)(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，B、C错误．5．(安培定则的应用)如图11所示，甲、乙是直线电流的磁场，丙、丁是环形电流的磁场，戊、己是螺线管电流的磁场，试在各图中补画出电流方向或磁感线方向．图11答案见解析解析根据安培定则：甲图中的电流方向为“×”；乙图中电流方向向上；丙图中电流方向为逆时针；丁图中磁感线方向向下；戊图中磁感线方向向左；己图中磁感线方向向右．如图所示．考点一磁场磁感线1．以下说法正确的是()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．磁体与电流间的相互作用是通过电场与磁场共同产生的D．磁场和电场是同一物质答案 A2．在地球赤道上放置一个小磁针，静止时小磁针N极指向()A．地理南极B．地理北极C．东方D．西方答案 B3．(多选)关于磁场和磁感线的描述，正确的说法有()A．磁极之间的相互作用是通过磁场发生的，磁场和电场一样，也是一种物质B．磁感线可以形象地表示磁场的强弱与方向C．磁感线总是从磁铁的北极出发，到南极终止D．磁感线就是细铁屑在磁铁周围排列出的曲线，没有细铁屑的地方就没有磁感线答案AB解析磁极之间的相互作用是通过磁场发生的，磁场具有能量，所以是一种物质，A正确；磁感线的疏密程度可表示磁场的强弱，磁感线的切线方向可表示磁场的方向，B正确；磁感线是闭合曲线，在磁体外部，从磁体的北极指向南极；在磁体内部，从南极指向北极，C错误；用细铁屑在磁铁周围排列出的曲线可以模拟磁感线，但并不是磁感线，没有细铁屑的地方同样可以画出磁感线，故D错误．4．下列各选项图表示磁场的磁感线，依图分析磁场中a、b两点的磁场方向相同的是()答案 D考点二电流的磁场安培定则5．如图1所示为演示电流对磁针作用力的实验，图中所示的小磁针跟它上方的导线平行．当闭合开关时可观察到的现象是()图1A．小磁针N极垂直纸面向里偏转B．小磁针N极垂直纸面向外偏转C．小磁针N极向上偏转D．小磁针N极向下偏转答案 A6．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，可使小磁针发生明显偏转，故选D.7．下列各图中，用带箭头的细实线表示通电直导线周围磁感线的分布情况，其中正确的是()答案 D8．如图2所示，一通电螺线管通有图示方向电流，小磁针1、2、4放在螺线管周围，小磁针3放在螺线管内部，四个小磁针静止在如图所示位置，则四个小磁针的N、S极标注正确的是()图2A．1 B．2 C．3 D．4答案 B解析小磁针静止时N极指向为该处的磁感线方向，根据安培定则可知通电螺线管的右端为N极，左端为S极，内部磁感线方向是从左到右，故只有2小磁针的N、S极标注正确.9.如图3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3A．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．10．(2021·遂宁高二检测)如图4所示，电磁铁P和Q通电后()图4A．P的右端是N极，Q的左端是S极，它们相互吸引B．P的右端是S极，Q的左端是S极，它们相互排斥C．P的右端是N极，Q的左端是N极，它们相互排斥D．P的右端是S极，Q的左端是N极，它们相互吸引答案 B解析由右手螺旋定则可知，螺线管P右侧为S极，左侧为N极；螺线管Q左侧为S极，右侧为N极，它们相互排斥，故A、C、D错误，B正确．11．如图5所示，分别给出了磁场中某处小磁针静止时N极的指向或磁感线方向．请画出对应的磁感线(标上方向)或电流方向．图5答案见解析图解析如果已知小磁针静止时N极指向，那么小磁针N极所指方向就是磁感线方向，根据磁感线方向，用安培定则来判断电流方向，分别如图所示．12．如图6所示为一通电螺线管，a、b、c是通电螺线管内、外的三点，则三点中磁感线最密处为()图6A．a处B．b处C．c处D．无法判断答案 A解析螺线管内部的磁感线条数与螺线管外部的磁感线条数相同，由于螺线管内部横截面积小，所以内部磁感线最密，故选A.13.如图7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()图7A．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．14.1876年美国物理学家罗兰完成了著名的“罗兰实验”．此实验可简化为将大量的负电荷加在一个橡胶圆盘边缘上，然后在圆盘附近悬挂一个小磁针，将圆盘绕中心轴按如图8所示方向高速旋转时，就会发现小磁针发生偏转，忽略地磁场对小磁针的影响．下列说法错误的是()图8A．小磁针发生偏转说明电流会产生磁场B．圆盘中心轴处的磁场方向向下C．当小磁针位于圆盘的左上方时，它的N极向左侧偏转D．当小磁针位于圆盘的左下方时，它的N极向右侧偏转答案 B解析由题意可知，小磁针受到磁场力的作用而发生偏转，原因是电荷的定向移动形成电流，电流周围产生磁场，A正确；圆盘带负电，根据安培定则可知，产生的磁场在圆盘中心轴处方向向上，故圆盘上方为N极，圆盘下方为S极，B错误；当小磁针处于圆盘的左上方时，因圆盘上方为N极，则小磁针的N极向左侧偏转，C正确；当小磁针处于圆盘的左下方时，因圆盘下方为S极，则小磁针的N极向右侧偏转，D正确．15.如图9所示，直导线AB、螺线管C、电磁铁D三者相距较远，可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9A．a B．bC．c D．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，故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.。