人教版高中物理（必修三）同步讲义+练习13.1磁场　磁感线（含解析）

第十三章电磁感应与电磁波初步第1节磁场磁感线课程标准学习目标能列举磁现象在生产生活中的应用。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。关注与磁相关的现代技术发展1.知道磁场的概念，知道磁体与磁体间、磁体与电流间、电流与电流间的作用是通过磁场发生的.2.理解磁感线的概念，知道磁感线的特点.3.理解安培定则，会用安培定则判断电流的磁场方向．（一）课前阅读：1.如图所示，通电导线放在蹄形磁体附近，悬挂导线的细线偏离竖直方向，说明通电导线受到力的作用，磁体对通电导线的作用力是如何产生的？答案磁体在周围产生了磁场，磁场对通电导线产生了作用力．2．演示实验：将一根与电源、开关相连接的直导线用架子架高，沿南北方向水平放置．将小磁针平行地放在直导线的上方或下方，请观察直导线通、断电时小磁针的偏转情况．观察到什么现象？通过这种现象可以得出什么结论呢？答案观察到通电时小磁针发生偏转，断电时小磁针又回到原来的位置．通电后导线上方或下方的小磁针发生偏转，说明通电后导线周围的空间对小磁针产生力的作用，由此我们可以得出：通电导线和磁体一样，周围存在着磁场．3．重做上面的实验，请观察当电流的方向改变时，小磁针N极的偏转方向是否发生变化．观察到什么现象？这说明什么？答案观察到电流的方向改变时，小磁针N极的偏转方向发生改变，说明电流的磁场方向也发生变化．（二）基础梳理一、电和磁的联系磁场1．磁极之间的相互作用：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引．2．奥斯特实验：把导线放置在小磁针的上方，通电时磁针发生了转动．磁效应电与磁3．磁场：磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间，以及通电导体与通电导体之间的相互作用，是通过磁场发生的，磁场是磁体或电流周围一种看不见、摸不着的客观存在的物质【拓展补充】通电导线使小磁针偏转1820年4月，在一次讲课中，奥斯特偶然地把导线放置在一个指南针的上方，通电时磁针转动了(如上图)。这个现象虽然没有引起听众的注意，但却是奥斯特盼望已久的他连续进行了大量研究，同年7月发表论文，宣布发现了电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系。为此，安培写道:“奥斯特先生···.··已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了。”二、磁感线1．磁场的方向：物理学规定，在磁场中的某一点，小磁针静止时N极所指方向就是该点磁场的方向．2．磁感线(1)定义：在磁场中画出一些有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向都跟这点磁场的方向一致，这样的曲线就叫作磁感线．(2)特点①磁感线的疏密表示磁场的强弱．磁场强的地方，磁感线较密；磁场弱的地方，磁感线较疏．②磁感线上某点的切线方向表示该点磁场的方向．【即学即练】判断下列说法的正误.(1)磁极之间的相互作用是通过磁场发生的，磁场和电场一样，也是一种客观存在的特殊物质．(√)(2)磁感线可以形象地描述各磁场的强弱和方向，它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．(√)(3)磁感线可以用细铁屑来显示，因而是真实存在的．(×)(4)通电直导线周围磁场的磁感线是以导线为圆心的圆．(√)三、安培定则1．直线电流的磁场安培定则：如图甲所示，用右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向．直线电流周围的磁感线分布情况如图乙所示．2．环形电流的磁场安培定则：如图甲所示，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场的方向．3．通电螺线管的磁场安培定则：如图所示，用右手握住螺线管，让弯曲的四指与螺线管电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是螺线管轴线上磁场的方向．【拓展补充】磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力来推动的列车，它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，减少了摩擦力，行走时不同于其他列车需要接触地面，只受来自空气的阻力，高速磁悬浮列车的速度可达每小时400公里以上，中低速磁悬浮则多数在100-200公里/小时。磁场磁感线1．磁场(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、通电导体、运动的电荷有力的作用，而且磁体与磁体、磁体与通电导体、通电导体与通电导体间的相互作用都是通过磁场发生的．2．磁感线(1)定义：磁感线是为了形象地描述磁场而人为假想的曲线，曲线上每一点的切线方向都跟这点磁场的方向一致．(2)特点：①在磁体外部，磁感线从N极发出，进入S极；在磁体内部由S极回到N极．②磁感线的疏密程度表示磁场的强弱，磁感线越密的地方磁场越强；磁场方向与过该点的磁感线的切线方向一致．③磁感线闭合而不相交，不相切，也不中断．④磁感线是人们为了形象描述磁场而假想的线，并不真实存在．(3)几种特殊磁体外部的磁感线分布(如图所示)：3．地磁场及其磁感线(1)地磁场地球在地面附近空间产生的磁场，叫作地磁场，如图所示，地球实际上就是一个巨大的磁体，它也有两个磁极，分别是地磁南极和地磁北极．(2)对地磁场的理解虽然地磁两极与地理两极并不重合，但它们的位置相对来说差别不是很大，因此，一般我们认为：①地磁的北极在地理南极附近，地磁的南极在地理北极附近，地球的地理两极和地磁两极不重合，形成了磁偏角．②地磁场在水平方向总是从地磁南极指向北极，而竖直方向则南北相反，在南半球垂直地面向上，在北半球垂直地面向下．③在赤道平面上，距离地球表面高度相等的点，磁场的强弱相同，且方向均与地面平行．【典例精析】例1．(多选)下列有关磁场的说法，正确的是()A．磁体周围的空间存在看不见、摸不着的磁场B．磁极间的相互作用是通过磁场发生的C．磁场是有方向的，在条形磁体的磁场中的不同位置，其磁场方向一般不同D．在磁场中的某点，小磁针S极所受磁场力的方向与该点的磁场方向相同答案ABC解析磁场虽然看不见、摸不着，但它是一种客观存在的特殊物质，它的基本性质是对放入其中的磁体产生力的作用；磁极间的相互作用就是通过磁场发生的；磁场具有方向性，在磁场中的某点，小磁针N极所受磁场力的方向与该点的磁场方向一致，小磁针S极所受磁场力的方向与该点的磁场方向相反，在条形磁体的磁场中的不同位置，其磁场方向一般不同，故A、B、C正确，D错误．例2．关于磁感线的描述，下列说法中正确的是()A．磁感线可以形象地描述各点磁场的强弱和方向，它每一点的切线方向都跟小磁针在该点静止时N极所指的方向一致B．磁感线总是从磁体的N极出发，到S极终止C．磁感线分布图中没有画磁感线的地方，表明该处没有磁场D．磁感线可以用细铁屑来显示，因而是真实存在的答案A解析磁感线的切线方向表示磁场方向，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，A正确；对于磁体的磁感线，在外部由N极指向S极，在内部由S极指向N极，B项错误；磁感线分布图中没有画磁感线的地方，并不表示那里没有磁场存在，因为我们不能将整个区域都画满线条，通过磁场中的任意一点总能而且只能画出一条磁感线，我们常常选择画出需要的条数，C项错误；磁感线的形状可以用细铁屑来模拟，但磁感线是一种假想曲线，实际上是不存在的，D项错误．二、安培定则用安培定则判断电流磁场的方向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，磁场越弱环形电流环内磁场比环外强，磁感线越向外越稀疏通电螺线管内部磁场为匀强磁场且比外部强，方向由S极指向N极，外部磁场类似条形磁体的磁场，方向由N极指向S极【典例精析】例3．如图所示，a、b是直线电流的磁场截面图，c、d是环形电流的磁场截面图，e、f是螺线管电流的磁场的截面图．试在各图中补画出电流方向或磁感线方向．答案见解析解析根据安培定则，可以确定题图a中电流方向垂直纸面向里，题图b中电流方向从下向上，题图c中电流方向沿逆时针方向，题图d中磁感线方向从上向下，题图e中磁感线方向向左，题图f中磁感线方向向右．例4．(多选)(2021·南宁市期末)如图所示，E、F分别表示蓄电池两极，P、Q分别表示螺线管两端．当闭合开关时，发现小磁针N极偏向螺线管Q端．下列判断正确的是()A．F为蓄电池正极B．螺线管P端为S极C．流过电阻R的电流方向向下D．管内磁场方向由Q指向P答案AD解析闭合开关后，小磁针N极偏向螺线管Q端，说明小磁针所在位置磁场方向向左，即螺线管的P端为N极，Q端为S极，螺旋管内部的磁感应强度方向由Q指向P，由安培定则可知，电流从右端流出、左端流入，因此，电源的F为正极，E为负极，流过电阻R的电流方向向上，故B、C错误，A、D正确．三、安培分子电流假说1.法国学者安培提出：在物质内部，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．(如图所示)2．当铁棒中分子电流的取向大致相同时，铁棒对外显磁性；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．【典例精析】例5．安培观察到通电螺线管的磁场和条形磁体的磁场很相似，提出了“分子电流”假说．他认为，在物质内部存在着一种环形电流——分子电流(分子电流实际上是由原子内部电子绕核运动形成的，如图所示)，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．下列将分子电流(箭头表示电子运动方向)等效为小磁体的选项图中正确的是()答案B解析绕核运动的电子带负电，则环形电流方向与其运动方向相反，根据安培定则可知其左侧为N极，故选B.1．常见永磁体的磁感线分布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)磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线密集的地方磁场强，稀疏的地方磁场弱。(3)磁感线上某点的切线方向表示该点的磁场方向。(4)磁体外部磁感线从N极指向S极，磁体内部磁感线从S极指向N极。(5)磁感线闭合而不相交、不相切，也不中断。3．电场和磁场的比较电场磁场不同点产生电荷周围磁体、电流、运动电荷周围基本性质对放入其中的电荷有静电力的作用对放入其中的磁体、电流有力的作用作用特点对放入其中的磁体不产生力的作用对放入其中的静止电荷无力的作用相同点都是不依赖于人的意志而客观存在的特殊物质，和实物一样具有质量和能量等物质的基本属性三种常见电流的磁场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磁场比外部强，内部磁场方向由S极指向N极，外部类似条形磁铁，方向由N极指向S极一、单选题1．在宇宙环境中，地磁场保护着地球，地质记录表明，自地球在46亿年前形成以来，已经有过数百次地磁反转，也就是说，地球的磁场在“反极性”（地磁场方向与现在的方向相反）和“正极性”（地磁场方向与现在的方向相同）之间不断变换。物理学家的研究认为，地球的磁极反转在未来仍可能会发生。下列关于地磁反转期间的说法正确的是（）A．对依靠磁场进行导航的物种不会有影响B．若地磁场处于最弱的状态时，就不会对地球生物的生存有影响C．太阳辐射的高能粒子直接轰击地球的大气层，可能引发一些疾病D．地球磁场的反转可能是瞬间发生，而不是一个缓慢、渐进的过程【答案】C【解析】A．地磁反转期间，对依靠磁场进行导航的物种会有影响，A错误；B．地磁场能使太阳辐射的高能带电粒子发生偏转，对地球的生物有一定的变化作用，若地磁场处于最弱的状态时，就会对地球生物的生存有影响，B错误；C．当太阳辐射的高能粒子直接轰击地球的大气层时，可能引发一些疾病，C正确；D．地球磁场的反转不可能是瞬间发生，而是一个缓慢、渐进的过程，D错误。故选C。2．如图所示，SKIPIF1<0为电磁铁，C为胶木秤盘，SKIPIF1<0和C（包括支架）的总重量SKIPIF1<0，SKIPIF1<0为铁片，质量为SKIPIF1<0，整个装置用轻绳悬于SKIPIF1<0点，当电磁铁通电，铁片被吸引上升的过程中，轻绳上拉力（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【答案】B【解析】在铁片被吸引上升的过程中，其受到重力和电磁铁对铁片的吸引力，加速度方向竖直向上，故电磁铁对铁片的吸引力大于铁片自身重力，即SKIPIF1<0对整体分析，系统受到轻绳拉力、自身重力和铁片对系统的吸引力，即SKIPIF1<0故选B。3．关于电流周围的磁感线分布情况，图中正确的是()A． B．C． D．【答案】A【解析】A．根据安培定则可以判断，A图中环形电流内部的磁感线方向为垂直纸面向里，故A正确；B．根据安培定则可以判断，B图中直线电流周围的磁感线方向应为顺时针方向，故B错误；C．根据安培定则可以判断，C图中螺线管的左端为N极，磁感线方向向右，故C错误；D．根据安培定则可以判断，D图中直线电流周围的磁感线方向应为逆时针方向(俯视)，故D错误。故选A。4．如图所示的磁场中,稳定时小磁针位置正确的是()A． B．C． D．【答案】A【解析】磁铁外部，磁感线由SKIPIF1<0极指向SKIPIF1<0极，而磁感线的切线方向就是小磁针静止时N极所指方向。故选A。5．磁场中某区域的磁感线如图所示，下列论述正确的是()A．a、b两处的磁场强弱不同，a处磁场强B．a、b两点在同一条磁感线上，所以两点磁场方向相同C．磁感线上某点的切线方向就是该点磁场的方向D．两条磁感线的空隙处不存在磁场【答案】C【解析】A．由题图中磁感线的疏密可知，a处磁场弱，b处磁场强，故A错误；BC．磁感线上某点的切线方向就是该点的磁场方向，a、b两点磁场方向不同，故B错误，C正确；D．磁感线是假想的，实际不存在，在两条磁感线的空隙处存在磁场，故D错误。故选C。6．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（）A． B．C． D．【答案】C【解析】A．通电直导线电流方向从左向右，根据安培定则，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，A错误；B．通电直导线电流方向竖直向上，根据安培定则，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，B错误；C．环形导线的电流方向如题图C所示，根据安培定则，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，C正确；D．根据安培定则，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方，D错误。故选C。7．图中能正确表示通电导线周围磁场或条形磁铁周围磁场的是（）A． B．C． D．【答案】A【解析】AB．由安培定则可判断，A中电流的磁场正确，故A正确，B错误；CD．条形磁铁外部磁感线从N→S，内部从S→N，故CD错误。故选A。8．两根彼此绝缘且紧贴在一起的直导线分别通有方向如图所示的电流，在其角平分线M上的点P处放一个小磁针，小磁针静止时N极垂直于纸面向外。下列关于I1、I2大小的判断正确的是（

）A．I1>I2 B．I1=I2 C．I1<I2 D．无法判断【答案】C【解析】根据安培定则可知，I2在P点处产生的磁场垂直于纸面向外，I1在P点处产生的磁场垂直于纸面向里。因为在点P处放一个小磁针，小磁针静止时N极垂直于纸面向外，说明P点处的合磁场垂直于纸面向外，又因为P点在角平分线M上，则P点离两通电直导线的距离相等，所以I1的电流强度小于I2。故选C。二、多选题9．如图所示，可自由转动的小磁针上方有一根长直导线，开始时两者在纸面内平行放置。当导线中通过如图所示的电流I时，发现小磁针的N极向里，S极向外，停留在与纸面垂直的位置上，这一现象说明（）A．小磁针感知到了电流的磁场B．小磁针处的磁场方向垂直纸面向外C．小磁针处的磁场方向垂直纸面向里D．把小磁针移走，该处就没有磁场了【答案】AC【解析】A．当导线中通过如图所示的电流时，小磁针偏转说明通电导线产生了磁场，即小磁针感知到了电流的磁场，A正确；BC．根据右手螺旋定则可知小磁针处的磁场方向垂直纸面向里，B错误，C正确；D．通电导线产生的磁场客观存在，把小磁针移走，该处仍有磁场，D错误。故选AC。10．电流的磁效应揭示了电与磁的关系。下面四幅图中描述磁场方向与电流方向之间的关系，其中磁感线分布正确的是（）A． B．C． D．【答案】AB【解析】A．根据安培定则可知，因电流方向竖直向上，导线右侧磁场方向垂直纸面向里，而左侧则是垂直纸面向外，故A正确；B．根据安培定则可知，因电流方向从右旋转到左，则螺线管内部磁场方向由右向左，因此右端是S极，左端是N极，故B正确；C．根据安培定则可知，因环形电流顶端处垂直低面向里，则环形导线内部磁场方向从右向左，故C错误；D．因电流方向竖直向下，依据安培定则可知，磁场方向应该是顺时针方向（俯视），故D错误。故选AB。11．如图所示，以O点为圆心的圆周上有六个等分点a、b、c、d、e、f，两根直导线垂直纸面放在a、d两点。现给导线通有大小相等、方向垂直纸面向里的电流，下列说法正确的是（）A．O处磁感应强度最大 B．a、d两处磁场方向相同C．a、d两处磁场方向相反 D．b、c、e、f四点的磁感应强度大小相等【答案】CD【解析】A．根据右手螺旋定则可判断SKIPIF1<0处的电流在SKIPIF1<0点产生的磁场竖直向下，SKIPIF1<0处的电流在SKIPIF1<0点产生的磁场竖直向上，故SKIPIF1<0点的磁感应强度为零。A错误；BC．根据右手螺旋定则可判断，a、d两处磁场方向相反，B错误，C正确；D．画出每点的磁场应强度方向分析可知，b、c、e、f四点的磁感应强度大小相等，D正确。故选CD。12．如图所示，纸面上a、b、c三点构成一个等边三角形，a、b、d三点构成一个等腰直角三角形，两根长直导线垂直纸面分别放置在a、b两点处，通以图示方向的大小相等的电流，整个装置处在一匀强磁场当中，c点处磁感应强度为零。已知通电长直导线在周围某点产生的磁感应强度的大小满足SKIPIF1<0（式中I为电流强度，r为该点到导线的距离，k为常量且大于零），a、b间的距离为L，导线中电流强度大小为SKIPIF1<0。下列说法正确的是（）A．匀强磁场的磁感应强度大小为SKIPIF1<0，方向垂直ab向右B．匀强磁场的磁感应强度大小为SKIPIF1<0