学年高中物理第三章磁场第一二节我们周围的磁现象认识磁场学案粤教版选修31.docx

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学年高中物理第三章磁场第一二节我们周围的磁现象认识磁场学案粤教版选修31

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2019_2020学年高中物理第三章磁场第一二节我们周围的磁现象认识磁场学案粤教版选修3_1

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第一节我们周围的磁现象第二节认识磁场

[学科素养与目标要求]　

物理观念：

1.了解人类对磁现象的认识与应用.2.了解地磁场及磁性材料.3.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.4.掌握安培定则.5.了解安培分子电流假说.

科学思维：

会用安培定则判断直线电流、环形电流、通电螺线管周围的磁感线方向.

科学态度与责任：

1.了解我国古代在磁现象方面的研究成果及对人类文明的影响.2.了解各种磁现象在近、现代技术和生活中的应用.

一、地磁场及磁性材料

1.地磁场：

地球由于本身具有磁性而在其周围形成的磁场叫地磁场.地球磁体的N极位于地理南极附近，地球磁体的S极位于地理北极附近，地磁极与地理极并不重合（如图1所示），并有围绕地理极做周期性运动的现象.

图1

2.磁性材料：

（1）定义：

磁性材料是指磁化后磁性很强的物质，也叫铁磁性物质.

（2）

二、初识磁场

1.磁场的来源：

磁体和电流周围都存在磁场.

2.电流的磁效应：

（1）丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应.

（2）实验现象：

放在一条通电导线附近的小磁针发生了偏转，最后停在与导线垂直的方向上.

3.磁场是物质存在的一种特殊形式：

磁体与磁体之间，磁体与通电导线之间，通电导体与通电导线之间的相互作用，都是通过磁场发生的.

4.磁场的基本性质：

对放入其中的磁体或电流产生力的作用.

三、磁场的描述

1.磁场的方向：

在磁场中的任一点，小磁针北极受力的方向，亦即小磁针静止时北极所指的方向，就是该点的磁场方向.

2.磁感线：

（1）定义：

在磁场中画出一些有方向的曲线，在这些曲线上每一点的切线方向都跟这点的磁场方向一致.

（2）特点：

磁感线的疏密程度反映磁场强弱，磁场强的地方磁感线密.

3.几种常见的磁场

（1）磁体周围的磁场（如图2）

图2

在磁体外部磁感线由N极指向S极.

（2）电流周围的磁场

磁感线的方向由安培定则判定：

①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3所示.

图3

②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方向，也即指向螺线管的N极，如图4所示.

图4

判断下列说法的正误.

（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）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.（√）

（5）通电螺线管周围的磁场类似于条形磁铁周围的磁场.（√）

（6）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，即小磁针静止时N极受力的方向.

（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5所示）

图5

（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）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；磁感线每一点的切线方向表示该点的磁场方向，也是小磁针静止时N极受力的方向，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6.结合上述材料，下列说法正确的是（　　）

图6

A.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.

[学科素养]　例2考查了学生对地磁场知识的了解程度，体现了“物理观念”的学科素养.又通过《梦溪笔谈》中的这个例子，让学生了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响，体现了“科学态度与责任”的学科素养.

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

内部磁场比环外强，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.

1.小磁针在磁场中受力方向的判断：

小磁针N极的受力方向（小磁针静止时N极的指向）与磁感线的切线方向一致.

2.“同名磁极相斥，异名磁极相吸”只适用于小磁针处于磁体产生的磁场或环形电流、通电螺线管外部，而在通电螺线管内部不适用.

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

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8所示）

图8

（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9

（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.

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　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10

A.a点的磁场方向为图中Ba指向

B.b点的磁场方向为图中Bb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，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.（安培定则的应用）如图11所示，一通电螺线管通有图示电流，1、2、4小磁针放在螺线管周围，3小磁针放在螺线管内部，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11

A.1B.2C.3D.4

答案　B

解析　小磁针静止时的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，外部磁感线方向是从右到左，故只有2小磁针的N、S极标注正确.

4.（地磁场、电流磁效应）（多选）（20xx·全国卷Ⅱ）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　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.

5.（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.

考点一　磁场和磁感线特点

1.（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，从磁体的北极出发，到南极终止；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.

考点二　电流的磁场　安培定则

2.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1

A.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.

3.如图2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2

A.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.

4.如图3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3

A.aB.b

C.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.

5.如图4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4

A.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.

6.磁铁的磁性变弱，需要充磁.充磁的方式有两种，图5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（充磁时应使外加磁场与磁铁的磁场方向相同）（　　）

图5

A.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.

考点三　地磁场　磁现象的电本质

7.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　B

8.（多选）如图6所示，被磁化的回形针系在细线下端被磁铁吸引，下列说法正确的是（　　）

图6

A.回形针下端为N极

B.回形针上端为N极

C.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，过一会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.