2024-2025學(xué)年高中物理第3章磁場1磁現(xiàn)象和磁場學(xué)案新人教版選修3-1

PAGE12-磁現(xiàn)象和磁場[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.[物理觀念]知道磁場的概念，相識磁場是客觀存在的物質(zhì)。2.[物理觀念]了解磁現(xiàn)象及電流的磁效應(yīng)。3．[科學(xué)方法]利用類比的方法，通過電場的客觀存在性去理解磁場的客觀存在性。4.[科學(xué)方法]通過類比的學(xué)習(xí)方法，體會磁現(xiàn)象的廣泛存在性、應(yīng)用性。一、磁現(xiàn)象1．磁性：磁體吸引鐵質(zhì)物體的性質(zhì)。2．磁極：磁體上磁性最強(qiáng)的區(qū)域。(1)北極：自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁體，靜止時(shí)指北的磁極，又叫N極。(2)南極：自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁體，靜止時(shí)指南的磁極，又叫S極。(3)同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。二、電流的磁效應(yīng)1．奧斯特試驗(yàn)將導(dǎo)線沿南北方向放置在磁針的上方，通電時(shí)磁針發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。2．奧斯特試驗(yàn)發(fā)覺了電流的磁效應(yīng)，即電流可以產(chǎn)生磁場，首次揭示了電與磁的聯(lián)系。三、磁場1．定義：磁體與磁體之間，磁體與通電導(dǎo)體之間，以及通電導(dǎo)體與通電導(dǎo)體之間的相互作用，都是通過磁場發(fā)生的。2．基本性質(zhì)：對放入其中的磁體或電流有力的作用。四、地磁場1．地磁場：地球本身是一個(gè)磁體，N極位于地理南極旁邊，S極位于地理北極旁邊。(如圖所示)2．磁偏角：地球的地理兩極與地磁兩極并不重合，因此，磁針并非精確的指向南北，其間有一個(gè)夾角，這就是地磁偏角，簡稱磁偏角。磁偏角的數(shù)值在地球上的不同地點(diǎn)是不同的。1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)自然磁體和人造磁體都能吸引鐵質(zhì)物體。 (√)(2)磁場看不見、摸不著，因此磁場是人們假想的，實(shí)際并不存在。 (×)(3)電荷四周既能產(chǎn)生電場，又能產(chǎn)生磁場。 (×)(4)地磁場的N極在地理北極，S極在地理南極。 (×)2．下列說法中正確的是()A．磁極與磁極間的相互作用是通過磁場產(chǎn)生的B．電流與電流的相互作用是通過電場產(chǎn)生的C．磁極與電流間的相互作用是通過電場與磁場共同產(chǎn)生的D．磁場和電場完全相同A[電流能產(chǎn)生磁場，在電流的四周有磁場存在，不論是磁極與磁極間，還是電流與電流間、磁極與電流間，都有相互作用的磁場力。磁場是一種特別物質(zhì)，它的基本特點(diǎn)是對放入磁場中的磁極、電流有磁場力的作用；而電場是電荷四周存在的一種特別物質(zhì)，其最基本的特點(diǎn)是對放入電場中的電荷有電場力的作用，而不會對放入靜電場中的磁極產(chǎn)生力的作用。因此，磁場和電場是不同的，各具有自己的特點(diǎn)。正確答案是A。]對磁場和電流磁效應(yīng)的理解1.磁場的存在：磁體的四周、電流的四周都存在磁場。2．磁場的客觀性：磁場雖然看不見、摸不著，不是由分子、原子組成的，但卻是客觀存在的。場和實(shí)物是物質(zhì)存在的兩種形式。3．磁場的基本性質(zhì)：對放入其中的磁體或電流有力的作用。磁體與磁體之間、磁體與電流之間、電流與電流之間的相互作用都是通過磁場發(fā)生的。4．磁場的方向性：有方向，處在磁場中能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針，靜止時(shí)N極的指向即小磁針N極的受力方向就是該處的磁場方向。5．奧斯特的試驗(yàn)(1)試驗(yàn)裝置如圖所示。(2)試驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)給導(dǎo)線通電時(shí)，與導(dǎo)線平行放置的小磁針發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)試驗(yàn)結(jié)論：電流具有磁效應(yīng)，即電流可以產(chǎn)生磁場。1磁體和電流四周的磁場是同一種性質(zhì)的場，具有相同的特點(diǎn)和基本性質(zhì)。2場是物質(zhì)的另一種存在形式，和實(shí)物一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)，具有質(zhì)量、能量等物質(zhì)的基本屬性?！纠?】(多選)關(guān)于磁鐵、電流間的相互作用，下列說法正確的是()甲乙丙A．甲圖中，電流不產(chǎn)生磁場，電流對小磁針力的作用是通過小磁針的磁場發(fā)生的B．乙圖中，磁體對通電導(dǎo)線的力是通過磁體的磁場發(fā)生的C．丙圖中電流間的相互作用是通過電流的磁場發(fā)生的D．丙圖中電流間的相互作用是通過電荷的電場發(fā)生的思路點(diǎn)撥：(1)磁體和電流的四周都存在磁場。(2)磁場對放入其中的磁體或電流有力的作用。BC[甲圖中，電流對小磁針力的作用是通過電流的磁場發(fā)生的；乙圖中，磁體對通電導(dǎo)線力的作用是通過磁體的磁場發(fā)生的；丙圖中，電流對另一個(gè)電流力的作用是通過該電流的磁場發(fā)生的。綜上所述，選項(xiàng)B、C正確。]自然界有兩種基本的物質(zhì)形態(tài)：實(shí)物和場(1)實(shí)物即詳細(xì)的、有形的物質(zhì)形態(tài)，由物質(zhì)粒子組成。(2)場是物質(zhì)的另一種存在形態(tài)，和實(shí)物一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)，具有質(zhì)量、能量、動(dòng)量等物質(zhì)的基本屬性。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．物理試驗(yàn)都須要有確定的限制條件，奧斯特做電流磁效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)就應(yīng)解除地磁場對試驗(yàn)的影響。下列關(guān)于奧斯特試驗(yàn)的說法正確的是()A．該試驗(yàn)必需在地球赤道上進(jìn)行B．通電直導(dǎo)線必需豎直放置C．通電直導(dǎo)線應(yīng)當(dāng)水平東西方向放置D．通電直導(dǎo)線可以水平南北方向放置D[地磁場的N極在地理的南極旁邊，地磁場的S極在地理的北極旁邊，地磁場方向由南指向北，小磁針N極在地磁場的作用下會自動(dòng)指向北方，因此通電直導(dǎo)線可以水平南北方向放置，這樣小磁針在通電直導(dǎo)線四周磁場的作用下指向東西方向，表明電流四周有磁場，通電直導(dǎo)線不確定放置在地球赤道上，故D正確。]對地磁場的理解1.地磁場的特點(diǎn)地磁場的方向并不是正南正北方向，即地磁兩極與地理兩極并不重合。地磁南極在地理北極旁邊，地磁北極在地理南極旁邊。地磁場方向與正南正北方向間有一夾角，叫磁偏角。2．地磁場問題的處理要點(diǎn)(1)地理南極正上方磁場方向豎直向上，地理北極正上方磁場方向豎直向下。(2)在赤道正上方，地磁場方向水平向北。(3)在南半球，地磁場方向指向北上方；在北半球，地磁場方向指向北下方。3．地磁場的作用由于磁場對運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用，故射向地球的高速帶電粒子，其運(yùn)動(dòng)方向會發(fā)生變更，不能干脆到達(dá)地球。因此地磁場對地球上的生命有愛護(hù)作用(第5節(jié)學(xué)習(xí))?！纠?】一科考船進(jìn)行環(huán)球科考活動(dòng)從北極旁邊動(dòng)身，一路向南直到南極旁邊，沿途不斷測量地磁場的大小和方向，他的測量結(jié)果可能是()A．地磁場的大小始終不變，磁場方向始終沿正南、正北方向B．地磁場的大小不斷變更，磁場方向始終沿正南、正北方向C．地磁場的大小始終不變，磁場的方向與正南、正北方向間有一較小的偏角D．地磁場的大小不斷變更，磁場的方向與正南、正北方向間有一較小的偏角思路點(diǎn)撥：弄清晰以下兩個(gè)問題是解題的關(guān)鍵：(1)磁體四周什么位置磁場最強(qiáng)？(2)地磁兩極與地理兩極有什么關(guān)系？D[由于地磁兩極與地理兩極不重合，所以磁場的方向不沿正南、正北方向；由于地磁場類似于條形磁鐵的磁場，所以在地球表面不同位置的磁場強(qiáng)弱不同。綜上所述，選項(xiàng)D正確。]對地磁場理解的三大誤區(qū)(1)將地理南北極與地磁場的南北極混淆，誤將地理南極(或北極)當(dāng)做地磁場的南極(或北極)。(2)誤認(rèn)為地理兩極與地磁場的兩極重合。事實(shí)上，兩者并不重合，地磁場的兩極在地理兩極的旁邊。(3)誤認(rèn)為地球上各點(diǎn)的磁場方向都是和地面平行的。事實(shí)上，除赤道外，南北半球的磁場都有豎直重量。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．(多選)指南針是我國古代四大獨(dú)創(chuàng)之一。關(guān)于指南針，下列說法正確的是()A．指南針可以僅具有一個(gè)磁極B．指南針能夠指向南北，說明地球具有磁場C．指南針的指向會受到旁邊鐵塊的干擾D．在指南針正上方旁邊沿指針方向放置始終導(dǎo)線，導(dǎo)線通電時(shí)指南針不偏轉(zhuǎn)BC[指南針是一個(gè)小磁體，具有N、S兩個(gè)磁極，因?yàn)榈卮艌龅淖饔?，指南針的N極指向地理的北極，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確。因?yàn)橹改厢槺旧硎且粋€(gè)小磁體，所以會對旁邊的鐵塊產(chǎn)生力的作用，同時(shí)指南針也會受到反作用力，所以會受鐵塊干擾，選項(xiàng)C正確。在地磁場中，指南針南北指向，當(dāng)直導(dǎo)線在指南針正上方平行于指南針南北放置時(shí)，通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場在指南針處是東西方向，所以會使指南針偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。]1．[物理觀念]對磁場的理解，磁場的基本性質(zhì)。2．[科學(xué)思維]對地磁場的相識及理解。1．奧斯特試驗(yàn)說明白()A．磁場的存在 B．磁場的方向性C．電流可以產(chǎn)生磁場 D．磁體間有相互作用C[本題考查了電流的磁效應(yīng)及奧斯特試驗(yàn)。奧斯特試驗(yàn)中電流能使靜止的小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明電流四周存在磁場，即電流產(chǎn)生了磁場。故正確答案為C。]2．在做“奧斯特試驗(yàn)”時(shí)，下列操作中現(xiàn)象最明顯的是()A．沿導(dǎo)線方向放置磁針，使磁針在導(dǎo)線的延長線上B．垂直導(dǎo)線方向放置磁針，使磁針在導(dǎo)線的正下方C．導(dǎo)線沿南北方向放置在磁針的正上方D．導(dǎo)線沿東西方向放置在磁針的正上方C[依據(jù)右手螺旋定則，導(dǎo)線一側(cè)的磁場方向大體與導(dǎo)線垂直，為了使現(xiàn)象明顯，應(yīng)當(dāng)將小磁針放置在導(dǎo)線一側(cè)，且平行導(dǎo)線方向放置小磁針。又由于小磁針只能在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以應(yīng)當(dāng)將小磁針放置在導(dǎo)線下方或上方，即將小磁針和導(dǎo)線放置在同一豎直面內(nèi)，而不能將小磁針和導(dǎo)線放置在同一水平面內(nèi)。由于地球的磁場是沿南北方向的，為了使試驗(yàn)現(xiàn)象明顯，應(yīng)當(dāng)使電流的磁場不沿南北方向，最好沿與南北方向夾角最大的東西方向，所以應(yīng)在南北方向放置導(dǎo)線，故選C。]3．如圖所示，假如將一個(gè)小磁針放在地球的北極旁邊的磁極上方，那么小磁針的N極將()A．指北 B．指南C．豎直向上 D．豎直向下D[地球北極旁邊的磁極是地磁的S極，其上方磁場方向豎直向下，故小磁針的N極將豎直向下，選項(xiàng)D正確。]2磁感應(yīng)強(qiáng)度[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.[物理觀念]相識磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念及物理意義。2.[物理觀念]理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向、大小、定義式和單位。(重點(diǎn))3.[科學(xué)方法]進(jìn)一步體會如何通過比值定義法定義物理量。(難點(diǎn))一、磁感應(yīng)強(qiáng)度1．物理意義：描述磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。2．方向：小磁針靜止時(shí)N極所指的方向規(guī)定為該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，簡稱為磁場方向。二、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小1．電流元：很短的一段通電導(dǎo)線中的電流I與導(dǎo)線長度的乘積。2．限制變量法探究影響通電導(dǎo)線受力的因素如圖所示，三塊相同的蹄形磁鐵，并列放在桌上，直導(dǎo)線所在處的磁場認(rèn)為是勻稱的。(1)保持長度不變，變更電流大小，視察直導(dǎo)線搖擺角度大小來比較磁場力大小。(2)保持電流大小不變，變更磁場中導(dǎo)線長度，通過視察直導(dǎo)線搖擺角度大小比較磁場力大小。(3)試驗(yàn)結(jié)論：直導(dǎo)線與磁場垂直時(shí)，它受力大小既與導(dǎo)線的長度L成正比，又與導(dǎo)線中的電流I成正比。3．磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小在磁場中垂直于磁場方向放置的通電導(dǎo)線，所受的磁場力F跟電流I和導(dǎo)線長度L的乘積IL的比值叫磁感應(yīng)強(qiáng)度。4．公式：B＝eq\f(F,IL)5．單位：國際單位是特斯拉，簡稱特，國際符號是T,1T＝1eq\f(N,A·m)。1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)磁場的方向就是小磁針靜止時(shí)所受合力的方向。 (×)(2)電流為I，長度為L的通電導(dǎo)線放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中受力的大小確定是F＝ILB。 (×)(3)磁場中某處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與有無小磁針無關(guān)，與有無通電導(dǎo)線也無關(guān)。 (√)(4)公式B＝eq\f(F,IL)說明B與F成正比，與IL成反比。 (×)2．下列關(guān)于磁場中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向的說法不正確的是()A．該點(diǎn)的磁場的方向B．該點(diǎn)小磁針靜止時(shí)N極所指方向C．該點(diǎn)小磁針N極的受力方向D．該點(diǎn)小磁針S極的受力方向D[磁場方向?yàn)樾〈裴楴極受力方向，或者說小磁針靜止時(shí)N極所指方向，同時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度方向就是磁場的方向。]3．下列說法中正確的是()A．磁場中某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以這樣測定：把一小段通電導(dǎo)線放在該點(diǎn)時(shí)受到的磁場力F與該導(dǎo)線的長度L、通過的電流I乘積的比值，即B＝eq\f(F,IL)B．通電導(dǎo)線在某點(diǎn)不受磁場力的作用，則該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度確定為零C．磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝eq\f(F,IL)只是定義式，它的大小取決于場源以及導(dǎo)線在磁場中的位置，與F、I、L以及通電導(dǎo)線在磁場中的方向無關(guān)D．通電導(dǎo)線所受磁場力的方向就是磁場的方向C[依據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義，通電導(dǎo)線應(yīng)為“在磁場中垂直于磁場方向的通電導(dǎo)線”，只有在這個(gè)方向?qū)Ь€所受磁場力才最大，本題A選項(xiàng)未注明導(dǎo)線放置的方向，所以是錯(cuò)誤的。通電導(dǎo)線若放置方向與磁場平行時(shí)，不受磁場力作用，所以B選項(xiàng)也是錯(cuò)誤的。在磁場場源穩(wěn)定的狀況下，磁場內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(含大小和方向)都是唯一確定的，與放入的檢驗(yàn)通電導(dǎo)線無關(guān)，選項(xiàng)C正確。磁場力方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。]對磁感應(yīng)強(qiáng)度的理解1.公式B＝eq\f(F,IL)是磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式，是用比值法定義的，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小只確定于磁場本身的性質(zhì)，而與F、I、L均無關(guān)。2．在定義式B＝eq\f(F,IL)中，通電導(dǎo)線必需垂直于磁場方向放置。因?yàn)榇艌鲋心滁c(diǎn)通電導(dǎo)線所受力的大小，除和磁場強(qiáng)弱有關(guān)以外，還和導(dǎo)線的方向有關(guān)。導(dǎo)線放入磁場中的方向不同，所受磁場力也不相同。通電導(dǎo)線受磁場力為零的地方，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小不確定為零。3．磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，運(yùn)算遵守平行四邊形定則。(1)通電導(dǎo)線所受磁場力的方向不是磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式也適用于非勻強(qiáng)磁場，這時(shí)L應(yīng)很短很短，IL稱作“電流元”，相當(dāng)于靜電場中的“點(diǎn)電荷”?！纠?】(多選)把一小段通電直導(dǎo)線垂直磁場方向放入一勻強(qiáng)磁場中，圖中能正確反映各量間關(guān)系的是()ABCDBC[磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向由磁場自身確定，不隨F或IL的變更而變更，故B正確，D錯(cuò)誤；當(dāng)導(dǎo)線垂直于磁場放置時(shí)，有B＝eq\f(F,IL)，即F＝ILB。所以B不變的狀況下F與IL成正比，故A錯(cuò)誤，C正確。]正確理解比值定義法(1)定義B＝eq\f(F,IL)是比值定義法，這種定義物理量的方法實(shí)質(zhì)就是一種測量方法，被測量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與測量方法無關(guān)。(2)定義a＝eq\f(Δv,Δt)、E＝eq\f(F,q)也是比值定義法，被測量的物理量也與測量方法無關(guān)，不是由定義式中的兩個(gè)物理量確定的。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．磁場中放一與磁場方向垂直的電流元，通入的電流是2.5A，導(dǎo)線長1cm，它受到的安培力為5×10－2N。問：(1)這個(gè)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度是多大？(2)假如把通電導(dǎo)線中的電流增大到5A時(shí)，這一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是多大？(3)假如通電導(dǎo)線在磁場中某處不受磁場力，是否可以確定這里沒有磁場？[解析](1)由磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式得B＝eq\f(F,IL)＝eq\f(5×10－2N,2.5A×1×10－2m)＝2T。(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度B是由磁場和空間位置(點(diǎn))確定的，和導(dǎo)線的長度L、電流I的大小無關(guān)，所以該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2T。(3)假如通電導(dǎo)線在磁場中某處不受磁場力，則有兩種可能：①該處沒有磁場；②該處有磁場，但通電導(dǎo)線與磁場平行。所以不能確定。[答案](1)2T(2)2T(3)不能確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電場強(qiáng)度E的比較電場強(qiáng)度E磁感應(yīng)強(qiáng)度B定義的依據(jù)①電場對電荷q有作用力F②對電場中任一點(diǎn)，F(xiàn)∝q，eq\f(F,q)＝恒量(由電場確定)③對不同點(diǎn)，一般來說恒量的值不同④比值eq\f(F,q)可表示電場的強(qiáng)弱①磁場對直線電流I有作用力F②對磁場中任一點(diǎn)，F(xiàn)與磁場方向、電流方向有關(guān)，只考慮電流方向垂直于磁場方向的狀況時(shí)，F(xiàn)∝IL，eq\f(F,IL)＝恒量(由磁場確定)③對不同點(diǎn)，一般來說恒量的值不同④比值eq\f(F,IL)可表示磁場的強(qiáng)弱定義式E＝eq\f(F,q)B＝eq\f(F,IL)物理意義描述電場的強(qiáng)弱和方向表征磁場的強(qiáng)弱和方向方向該點(diǎn)正電荷的受力方向小磁針N極的受力方向場的疊加遵循矢量的平行四邊形定則遵循矢量的平行四邊形定則單位1N/C＝1V/m1T＝1N/(A·m)【例2】下列關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和電場強(qiáng)度的方向的說法中，不正確的是()A．電場強(qiáng)度的方向與電荷所受的電場力的方向相同B．電場強(qiáng)度的方向與正電荷所受的電場力的方向相同C．磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與小磁針N極所受磁場力的方向相同D．磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與小磁針靜止時(shí)N極所指的方向相同思路點(diǎn)撥：A[電場強(qiáng)度的方向就是正電荷所受的電場力的方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向是小磁針N極所受磁場力的方向或小磁針靜止時(shí)N極所指的方向。故只有A項(xiàng)錯(cuò)誤。]eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝eq\f(F,IL)和電場強(qiáng)度E＝eq\f(F,q)，下列說法中正確的是()A．一小段通電直導(dǎo)線在某處不受磁場力作用，說明此處確定無磁場B．一摸索電荷在某處不受電場力作用，說明此處確定無電場C．一小段通電導(dǎo)線在磁場中所受磁場力越大，說明此處的磁場越強(qiáng)D．磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與該處一小段通電導(dǎo)線所受磁場力的方向可能相同B[一小段通電導(dǎo)線在某處不受磁場力，可能是由于導(dǎo)線與磁場平行，而該處磁感應(yīng)強(qiáng)度不為零，故A錯(cuò)誤