磁場(chǎng)及其描述高一下學(xué)期物理魯科版（2019）必修第三冊(cè)

第1節(jié)磁場(chǎng)及其描述問(wèn)題引入電磁波已與我們的生產(chǎn)生活密不可分。當(dāng)用手機(jī)向千里之外的親友送去問(wèn)候時(shí)，當(dāng)通過(guò)電視收看世界各地正在發(fā)生的重大事件時(shí)，你知道這些音像是怎樣傳送的嗎？當(dāng)看見(jiàn)雷達(dá)天線直指天空時(shí)，你想知道其中的奧秘嗎？它們與電磁波到底有著怎樣的關(guān)系？問(wèn)題引入電磁波的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用起源于人們對(duì)電和磁相互聯(lián)系的研究。英國(guó)物理學(xué)家法拉第就是利用一些不起眼的磁鐵、線圈等材料，發(fā)現(xiàn)了磁生電的奧秘，打開(kāi)了電氣時(shí)代的大門，為英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（J.Maxwell，1831—1879）發(fā)現(xiàn)電磁波奠定了基礎(chǔ)。問(wèn)題引入磁場(chǎng)有何特點(diǎn)？法拉第是怎樣用線圈產(chǎn)生電的？電磁波是怎樣產(chǎn)生的，有哪些應(yīng)用？本章將探討這些問(wèn)題問(wèn)題引入我們已經(jīng)知道，磁體和通電導(dǎo)線周圍都存在磁場(chǎng)，磁場(chǎng)有強(qiáng)弱和方向。如何描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向？本節(jié)將學(xué)習(xí)描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量——磁感應(yīng)強(qiáng)度，用磁感線形象地描述幾種常見(jiàn)磁場(chǎng)的分布，并學(xué)習(xí)磁現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用.講授新課1.磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度我們知道，磁體的兩個(gè)磁極靠近時(shí)，即使它們還未接觸，也能表現(xiàn)出異名磁極相吸、同名磁極相斥的特點(diǎn)（圖5-1）。在圖5-2所示的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)導(dǎo)線中通過(guò)電流時(shí)，磁針就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)導(dǎo)線中的電流反向時(shí)，磁針也將反向偏轉(zhuǎn)。講授新課為什么磁體間沒(méi)有接觸也會(huì)產(chǎn)生相互作用？為什么通電導(dǎo)線周圍的磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)？這是因?yàn)樵诖朋w或電流周圍的空間存在一種特殊物質(zhì)——磁場(chǎng)，磁場(chǎng)能夠?qū)Υ朋w產(chǎn)生力的作用，令磁體與磁體間相互吸引或排斥，使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)有方向，人們把磁場(chǎng)中某點(diǎn)小磁針靜止時(shí)北極的指向規(guī)定為該點(diǎn)磁場(chǎng)的方向。磁場(chǎng)還有強(qiáng)弱，在磁場(chǎng)中的不同位置，其強(qiáng)弱不盡相同。例如，條形磁鐵形成的磁場(chǎng)，在靠近北極（N極）和南極（S極）處較強(qiáng)，在靠近中間位置處較弱。怎樣描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱呢？實(shí)驗(yàn)與探究如圖5-3（a）所示，用兩根勁度系數(shù)較小的彈簧把一矩形線圈懸掛起來(lái)，放入U(xiǎn)形磁鐵形成的磁場(chǎng)中。接通電源，你能觀察到什么現(xiàn)象？保持磁場(chǎng)和磁場(chǎng)中通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度不變，改變電流的大小，你能觀察到什么現(xiàn)象？磁場(chǎng)與電流的大小保持不變，改變磁場(chǎng)中通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度，如圖5-3（b）所示，你又觀察到什么現(xiàn)象？講授新課大量實(shí)驗(yàn)表明，通電電流越大，通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，通電直導(dǎo)線受到的力就越大。精確實(shí)驗(yàn)表明，在磁場(chǎng)中的某一位置垂直于磁場(chǎng)方向放入一小段通電直導(dǎo)線，通電直導(dǎo)線受到的力跟電流和直導(dǎo)線長(zhǎng)度的乘積成正比。因該比值與該通電直導(dǎo)線的長(zhǎng)度和電流無(wú)關(guān)，所以可用其描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱程度。講授新課物理學(xué)中，把垂直于磁場(chǎng)方向的一小段通電直導(dǎo)線受到的力F與電流I

和直導(dǎo)線的長(zhǎng)度l

的乘積之比，稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度（magneticinduction），用B

表示。講授新課在國(guó)際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉，簡(jiǎn)稱特，符號(hào)為T。1T=1N/（A·m）磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量。磁場(chǎng)中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，即該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，也就是放在該點(diǎn)的小磁針靜止時(shí)N極的指向。像電場(chǎng)一樣，磁場(chǎng)也遵從疊加原理。如果有幾個(gè)磁場(chǎng)同時(shí)存在，它們的磁場(chǎng)就互相疊加，這時(shí)某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就等于各個(gè)磁場(chǎng)單獨(dú)存在時(shí)在該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。講授新課表5-1是某些物體產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。從表中可看出，原子核表面的磁場(chǎng)很強(qiáng)，而腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)很弱。講授新課2.磁感線為了形象地描述磁場(chǎng)，英國(guó)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(chǎng)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(chǎng)方向。磁感線是閉合曲線，不會(huì)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。講授新課實(shí)驗(yàn)中常用鐵屑磁場(chǎng)中被磁化的性質(zhì)來(lái)示磁感線的形狀［圖5-4（a）］。圖5-4（b）是條形磁鐵磁感線的分布示意圖。在磁體外部，磁感線是由N極出發(fā)回到S極；在磁體內(nèi)部，磁感線從S極到N極。講授新課在磁場(chǎng)的某個(gè)區(qū)域內(nèi)，如果各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向都相同，則這個(gè)區(qū)域的磁場(chǎng)稱為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感線是一組平行且等距的直線。例如，兩個(gè)相距很近的平行異名磁極間中央部分的磁場(chǎng)可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)（圖5-5），通電長(zhǎng)螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)也可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。講授新課3.電流的磁場(chǎng)通電導(dǎo)線在周圍空間會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感線有何特點(diǎn)？迷你實(shí)驗(yàn)室如圖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(guò)大電流，同時(shí)輕輕敲打有機(jī)玻璃板，觀

察鐵粉的分布情況。再將小磁針?lè)旁诎迳蠙z測(cè)

磁場(chǎng)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(chǎng)講授新課從鐵粉的分布情況可以看出，通電直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的磁感線是以導(dǎo)線為中軸的同心圓（圖5-7）。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)改變電流的方向時(shí)，小磁針的指向也會(huì)發(fā)生改變，這表明通電直導(dǎo)線周圍空間的磁場(chǎng)方向與電流方向有關(guān)。講授新課法國(guó)物理學(xué)家安培對(duì)通電直導(dǎo)線形成磁場(chǎng)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(chǎng)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（圖5-8）。講授新課如果把通電直導(dǎo)線彎成環(huán)形，它的磁場(chǎng)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(chǎng)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。講授新課環(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(lái)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（圖5-10）。講授新課多個(gè)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。講授新課通電螺線管磁場(chǎng)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（圖5-12）?？茖W(xué)書(shū)屋19世紀(jì)，安培提出了著名的“分子電流假說(shuō)”。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(jiǎn)稱分子電流。若這些分子電流定向排列，在宏觀上就會(huì)呈現(xiàn)出磁性（圖5-13）。當(dāng)時(shí)，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(shí)到，原子內(nèi)部電子的不斷運(yùn)動(dòng)形成了分子電流。磁體和電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，本質(zhì)上都源于運(yùn)動(dòng)電荷。分子電流假說(shuō)科學(xué)書(shū)屋分子電流假說(shuō)能很好地解釋磁化和退磁等現(xiàn)象。外加磁場(chǎng)讓鐵棒磁化，是磁場(chǎng)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(dòng)的情況下，又會(huì)使磁體內(nèi)部分子電流的取向混亂，使磁性減退或消失.講授新課4.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(zhǎng)。古人對(duì)磁技術(shù)的應(yīng)用中，

首屈一指的當(dāng)數(shù)我國(guó)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”（圖5-14）。然而，用天然磁石磨制的司南，在震動(dòng)或高溫下容易減弱甚至失去磁性，應(yīng)用并不廣泛。北宋時(shí)期，人們將磁化鋼針支撐在一個(gè)刻有方位的盤中，用來(lái)指示方向，從而發(fā)明了指南針（羅盤針）。講授新課指南針的出現(xiàn)改變了夜晚依靠北極星辨別方向，白晝通過(guò)太陽(yáng)確定方位的歷史，為人們的遠(yuǎn)行提供了幫助，開(kāi)啟了航海技術(shù)革命，推動(dòng)了世界各國(guó)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)。講授新課（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D5-15（a）］；講授新課超導(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(chǎng)與軌道上磁鐵形成的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的相斥力使車體懸?。蹐D5-15（b）］。近年來(lái)，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(shí)。此外，種類繁多的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)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。講授新課核磁共振成像技術(shù)是磁在醫(yī)學(xué)診斷方面的重要應(yīng)用（圖5-16）。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(lái)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(duì)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。講授新課此外，種類繁多的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)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。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(cè)量磁場(chǎng)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(cè)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(cè)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(duì)照條形磁鐵的磁感線分布，你能得出什么結(jié)論？科學(xué)書(shū)屋地球本身是一個(gè)大磁體，它的N極位于地理南極附近，S極位于地理北極附近（圖5-18）。在地磁兩極，磁針豎直指向地面；在赤道上，磁針?biāo)街甘灸媳?。磁針指示南北是一種近似的說(shuō)法，小磁針的指向與地理正南正北方向之間的夾角稱為磁偏角。對(duì)于地球磁性的成因，目前仍沒(méi)有確定的說(shuō)法，部分科學(xué)家認(rèn)為是由地核中熔化了的金屬（鐵和鎳）的環(huán)流引起的。科學(xué)書(shū)屋地磁場(chǎng)對(duì)人類的生產(chǎn)生活都有重要意義。根據(jù)地磁場(chǎng)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(chǎng)能使來(lái)自太陽(yáng)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(duì)地球火山巖石的精確測(cè)定，發(fā)現(xiàn)地磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向發(fā)生過(guò)多次變化（圖5-19）小節(jié)練習(xí)1.如果你在森林里迷路了，而身邊有一個(gè)指南針，但上面關(guān)于南、北極的標(biāo)記都脫落了，好在還有備有電池的手電筒和一段導(dǎo)線。你有什么辦法能確定指南針的南、北極？

2.為了解釋地球的磁性，安培假設(shè)地球的磁場(chǎng)是由以地心為圓心的環(huán)形電流I

引起的。下列四個(gè)圖中，能正確表示安培假設(shè)中環(huán)形電流方向的是小節(jié)練習(xí)3.如圖所示，兩根互相平行的長(zhǎng)直導(dǎo)線過(guò)紙面上的M、N

兩點(diǎn)，

且與紙面垂直，導(dǎo)線中通有大小相等、方向相反的電流。a、O、

b

在M、N

的連線上，O

為MN

的中點(diǎn)，c、d

位于MN

的中垂

線上，且a、b、c、d

到O

點(diǎn)的距離均相等。下列說(shuō)法正確的是

A.O

點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零

B.a、b

兩點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相反

C.c、d

兩點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相同

D.a、c

兩點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不同小節(jié)練習(xí)4.在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，