鲁科版（2019）高中物理必修第三册讲义第5章 第1节　磁场及其描述练习（含答案）

第1节磁场及其描述学习目标：1.[物理观念]知道磁场的概念、磁感应强度的定义式及意义，知道磁感线的概念及安培定则，并能解释相关的自然现象。2.[科学思维]理解磁感应强B的定义式并能进行简单计算，能用磁感线描述磁感应强度的大小和方向，会用安培定则判定常见的磁场分布。3.[科学探究]学会实验探究磁场对通电直导线的作用和通电直导线周围的磁场，学会与他人交流合作，能独立完成实验报告，提高科学实验探究能力。4.[科学态度与责任]体验磁现象在现代生活中的应用，培养学生热爱科学的精神，培养将物理学原理应用于实验生活的能力。一、磁场磁感应强度1．磁场(1)定义：磁体或电流周围的空间存在的一种特殊物质。(2)基本性质：对放入其中的磁体产生力的作用。(3)磁极间的相互作用：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。2．磁感应强度(1)定义：把垂直于磁场方向的一小段通电直导线受到的力F与电流I和直导线的长度l的乘积之比称为磁感应强度，符号用B表示。(2)单位：在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，符号是T。1T＝1N/(A·m)。(3)方向：B是矢量，磁场中某点磁感应强度的方向就是该点的磁场方向，即放在该点的小磁针静止时N极所指的方向，也是小磁针N极受力的方向。(4)物理意义：反映磁场的强弱和方向的物理量。说明：磁场概念的建立所有与磁现象有关的相互作用，都是通过磁场发生的，可与电荷间的相互作用相类比，如图所示。二、磁感线1．磁感线在磁场中画出的一些有方向的假想曲线。2．特点(1)在磁感线上，任意一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同，都代表磁场中该点小磁针N极受力的方向。(2)磁感线的疏密表示磁场的强弱。磁感线分布越密的地方，磁场越强；磁感线分布越疏的地方，磁场越弱。(3)磁感线是闭合曲线。在磁体外部，磁感线从N极到S极。在磁体内部，磁感线从S极到N极。注意：磁感线是假想的曲线实际并不存在，没有磁感线的地方，并不表示就没有磁场。三、电流的磁场1．直线电流的磁场安培定则(又叫右手螺旋定则)：用右手握住通电直导线，让伸直的拇指所指的方向与电流的方向一致，则四指弯曲的方向就是电流周围磁感线的环绕方向(如图所示)。2．环形电流的磁场安培定则：右手弯曲的四指的方向与环形电流的方向一致，则伸直的拇指所指的方向是环形电流中心轴线处的磁感线方向(如图所示)。3．通电螺线管的磁场安培定则：用右手握住螺线管，让弯曲四指所指的方向与电流方向一致，伸直拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，也就是说拇指指向通电螺线管的N极(如图所示)。说明：通电螺线管实为多个环形电流的集合体四、磁的应用及意义1．指南针与航海业的发展(1)古人将天然磁石磨制成指示方向的器具称为“司南”。(2)北宋时期人们将磁化钢针支撑在一个刻有方位的盘中用来指示方向，从而发明了指南针。2．磁与现代技术(1)应用：磁技术在交通工具中的典型应用是制成了磁浮列车。(2)形式：磁浮列车有常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式两种。1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)磁场看不见，摸不着，实际不存在。 (×)(2)磁感线是假想的曲线，没有实际意义。 (×)(3)没有磁感线的地方，就没有磁场。 (×)(4)安培定则中，弯曲四指所指方向均为磁场的方向。 (×)2．关于磁场，下列说法正确的是()A．只有磁铁周围才有磁场B．电荷的周围除有电场之外还有磁场C．电流产生磁场说明电和磁是相互联系的D．磁铁周围的磁场与电流周围的磁场是形式完全不同的磁场C[磁体和电流周围都存在磁场，而且是同种性质的磁场，静止电荷周围没有磁场，A、B、D错误；电流产生磁场揭示了电与磁之间的相互联系，C正确。]3．(多选)关于磁感线的性质和概念，下列说法正确的是()A．磁感线上某点的切线方向就是该点的磁场方向B．铁屑在磁场中的分布曲线就是磁感线C．磁感线总是从磁体的N极指向S极D．磁场中任意两条磁感线均不相交AD[磁感线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同，A正确；利用碎铁屑在磁场中被磁化的性质，可显示磁感线的形状，但它排成的曲线不是磁感线，磁感线是人为假想的曲线，B错误；磁感线在磁体外部由N极指向S极，但在内部却是由S极指向N极，磁感线是闭合曲线，C错误；假设两条磁感线可以相交，过交点作曲线的切线，将有两个不同的方向，而同一点的磁场方向只能有一个，故任意两条磁感线均不相交，D正确。]对磁感应强度的理解图一中异名磁极相互吸引，同名磁极相互排斥，图二中一段直导线悬挂在蹄形磁铁的两极间，通以电流，导线就会移动；图三中两条通过同向电流的导线相互吸引，通过反向电流的导线相互排斥，这些相互作用是怎样实现的？图一图二图三提示：磁体的周围和电流的周围都存在着磁场，磁体和磁体之间、磁体和电流之间、电流和电流之间的相互作用都是通过磁场发生的。1．磁感应强度的定义式：B＝eq\f(F,Il)(1)公式成立条件：通电导线必须垂直于磁场方向放置，不垂直则公式不成立。(2)决定磁感应强度的因素：仅由磁场本身决定，与导线是否受磁场力以及磁场力的大小无关。(3)磁感应强度的定义式也适用于非匀强磁场，这时l应很短，Il称为“电流元”，相当于静电场中的“试探电荷”。2．方向：磁感应强度B是一个矢量，某点磁感应强度的方向不是放在该处的通电导线的受力方向。它的方向可以有以下几种表述方式：(1)小磁针静止时N极所指的方向，或小磁针静止时S极所指的反方向。(2)小磁针N极受力的方向(不论小磁针是否静止)，或S极受力的反方向。(3)磁感应强度的方向就是该点的磁场方向。3．大小：磁场在某位置的磁感应强度的大小与方向是客观存在的，与通过导线的电流大小、导线的长短无关。即使不放入载流导线，磁感应强度也照样存在，故不能说“B与F成正比”或“B与Il成反比”。【例1】关于磁感应强度，下列说法正确的是()A．由B＝eq\f(F,Il)可知，B与F成正比，与Il成反比B．通电导线放在磁场中某点，该点就有磁感应强度，如果将通电导线拿走，该点的磁感应强度就变为零C．通电导线所受磁场力不为零的地方一定存在磁场，通电导线不受磁场力的地方一定不存在磁场(即B＝0)D．磁场中某一点的磁感应强度由磁场本身决定[思路点拨]磁感应强度的大小由磁场本身决定，与F、I、l无关。D[磁感应强度B＝eq\f(F,Il)是定义式，而不是决定式；磁感应强度B是由磁场本身的性质决定的，与放不放通电导线无关。故选D。]磁感应强度B＝eq\f(F,Il)是反映磁场的力的性质的物理量，是采用比值的方法来定义的，该公式是定义式而不是决定式；磁场中各处的B值是确定的，与放入该点的检验电流的大小、方向等无关。实验表明：磁场力方向是与磁场方向垂直的，在这一点上磁场与电场是不一样的。eq\o([跟进训练])1．有一小段通电直导线，长为1cm，通过的电流为5A，把它置于磁场中某点，受到的磁场力为0.1N，则该点的磁感应强度()A．B＝2T B．B≤2TC．B≥2T D．以上情况都有可能C[磁感应强度的定义式中的电流是垂直于磁场方向的。如果通电导线是垂直于磁场方向放置的，此时所受磁场力最大，F＝0.1N，则该点的磁感应强度为B＝eq\f(F,Il)＝eq\f(0.1,5×0.01)T＝2T。如果通电导线不是垂直于磁场方向放置的，则受到的磁场力小于垂直放置时受到的磁场力，通电直导线不垂直磁场放置时受到的磁场力为0.1N时，由定义式可知，磁感应强度B将大于2T，故选项C正确。]对磁感线的理解如图是U形磁体的磁感线。试探究：(1)a点没有磁感线，a点的磁感应强度等于零吗？(2)磁感线是起始于N极，终止于S极吗？(1)提示：磁感应强度不等于零，磁体周围存在磁场，磁感线是形象地描述磁场而引入的假想曲线，实际并不存在，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。(2)提示：不是。磁感线是闭合曲线，没有起点和终点，图中没有画出磁体内部的磁感线。1．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)磁感线的疏密表示磁场的强弱。(3)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。(4)磁感线闭合而不相交，不相切，也不中断。2．几种典型磁场的磁感线分布磁体条形磁铁蹄形磁铁同名磁极间异名磁极间分布图特点(1)关于条形磁铁对称(2)磁铁内部近似匀强磁场(3)中垂线上各点磁感线方向与磁铁平行(1)关于磁铁中轴线对称，方向相反(2)中轴线上各点磁感线方向均垂直于中轴线(1)关于两磁极的连线及连线的中垂线均对称(2)两磁极连线上磁感线的方向沿连线，中点最弱(3)两磁极连线的中垂线上磁场方向沿中垂线(1)关于两磁极的连线及连线的中垂线对称(2)中垂线上各点磁感线方向相同(3)在连线上中点的磁场最弱【例2】如图中绘出了磁铁的磁感线及其旁边小磁针静止时所指的方向(小磁针黑色端表示N极)，其中正确的是()ABCD思路点拨：(1)磁感线的切线方向为磁感应强度方向。(2)小磁针静止时N极指向为磁感应强度方向。A[小磁针静止时N极所指的方向与磁场方向相同，故选项A正确；磁体外部磁场方向应从N极指向S极，故选项B、C、D错误。]磁感线与电场线的比较两种线磁感线电场线不同点闭合曲线不闭合，起始于正电荷或无限远，终止于无限远或负电荷相似点引入目的为形象描述场而引入的假想曲线，实际并不存在疏密表示场的强弱切线方向表示场的方向是否相交不相交eq\o([跟进训练])2.如图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()A．a、b两处的磁感应强度的大小不等，Ba＞BbB．a、b两处的磁感应强度的大小不等，Ba＜BbC．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．a处没有磁感线，所以磁感应强度为零B[磁感线的疏密表示磁场的强弱，由此可判A错误，B正确；磁感线是闭合的曲线，在磁铁外部是从N极到S极，内部是从S极到N极，故C错误；磁感线是为研究问题方便而假想的曲线，实际并不存在，故D错误。]安培定则的理解与应用根据安培假说的物理思想：磁场来源于运动电荷。如果用这种思想解释地球磁场的形成，根据地球上空并无相对地球定向移动的电荷的事实，认为地磁场是由于地球的自转所形成。那么由此推断，地球总体应该是带正电还是带负电？提示：因在地球的内部地磁场从地球北极指向地球的南极，根据右手螺旋定则可判断出地球表现环形电流的方向应从东到西，而地球是从西向东自转，所以只有地球表面带负电荷才能形成上述电流。综上所述，地球总体应该带负电。三种常见的电流的磁感线分布特点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的多组同心圆，越向外越稀疏，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】如图所示，a、b是直线电流的磁场，c、d是环形电流的磁场，e、f是通电螺线管的磁场，试在各图中补画出电流方向或磁感线方向。思路点拨：(1)“×”表B垂直纸面向里“·”表示B垂直纸面向外。(2)正确使用安培定则。[解析]根据安培定则，可以确定a中电流方向垂直纸面向里，b中电流方向从下向上，c中电流方向沿逆时针，d中磁感线方向向下，e中螺线管内部磁感线方向向左，f中磁感线方向向右。[答案]如图所示电流磁场的三点说明(1)应用安培定则判定电流周围磁场的方向时，直线电流判定的是导线之外磁场的方向，环形电流和通电螺线管判定的是线圈轴线上磁场的方向。(2)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。(3)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。eq\o([跟进训练])3．如图所示，分别给出了导线中的电流方向或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。[解析]如果已知电流的方向，可用右手螺旋定则判断磁感线的方向。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。[答案]用安培定则来判断，分别如下列各图所示。1．物理观念：磁场、磁感应强度、磁感线、安培定则。2．科学思维：用磁感线、安培定则来描述磁感应强度的大小与方向。3．科学方法：观察法、实验法、假设法等。1．如图所示的“司南”是人们公认的最早的磁性定向工具，司南能指南北的原因是()A．地球周围有电场 B．地球周围有磁场C．月球周围有磁场 D．太阳周围有磁场B[地球周围存在磁场，磁场方向外部由地理南极指向地理北极，所以司南能指南北，B正确。]2．关于磁场，下列说法正确的是()A．磁场的基本性质是对处于其中的磁极或电流有力的作用B．磁场是看不见摸不着、实际不存在而由人们假想出来的一种物质C．磁场只有在磁极与磁极、磁极与电流发生作用时才存在D．磁场的存在与否取决于人的思想，想其有则有，想其无则无A[磁场的基本性质是对放入其中的磁极或电流产生力的作用，磁场是一种看不见摸不着，但客观存在的特殊物质，它始