2024-2025学年新教材高中物理第5章初识电磁场与电磁波1磁场及其描述学案鲁科版必修3

PAGE20-第1节磁场及其描述必备学问·自主学习一、磁场磁感应强度如图所示同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,通电时直导线下面的小磁针会发生偏转。为什么磁体之间没有相互接触就会有相互作用?为什么通电导线四周的磁针会发生偏转?提示:磁体或通电导线四周存在着一种特别的物质——磁场,使磁体之间、磁体与电流之间发生了相互作用。1.磁场:(1)磁体和电流四周的空间存在一种特别的物质——磁场。磁场能够对磁体产生力的作用。(2)磁场有方向,人们把磁场中某点小磁针静止时北极的指向规定为该点磁场的方向。(3)磁场还有强弱,在磁场中的不同位置,其强弱不尽相同。磁极:磁体上磁性最强的区域。①北极:自由转动的磁体,静止时指北的磁极,又叫N极。②南极:自由转动的磁体,静止时指南的磁极,又叫S极。③性质: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和直导线长度L的乘积之比,称为磁感应强度。(2)公式:B=。(3)单位:在国际单位制中是特斯拉,简称特,符号是T。(4)标矢性:磁感应强度是矢量,遵循叠加原理,磁场中某点磁感应强度的方向,即该点磁场的方向,也就是放在该点小磁针静止时N极的指向。二、磁感线1.为了形象地描述磁场,英国物理学家法拉第提出了磁感线的概念。2.试验中常用铁屑在磁场中被磁化的性质来显示磁感线的形态。3.磁感线的特点:(1)假想曲线:并不真实存在。(2)闭合曲线:在磁体外部:由N极到S极;在磁体内部:由S极到N极。(3)磁感线不相交。4.磁感线的作用:(1)反映磁感应强度的方向:磁感线上随意一点的切线方向就是该点的磁场方向。(2)反映磁感应强度的大小:磁感线分布越密的地方,磁感应强度越大;磁感线分布越疏的地方,磁感应强度越小。5.匀强磁场:(1)各点的磁感应强度大小和方向都相同;(2)磁感线是一组平行且等距的直线。(3)实例:①两个相距很近的平行异名磁极间中心部分的磁场;②通电长螺线管内部的磁场。三、电流的磁场1.直线电流的磁场:安培定则:用右手握住通电直导线,让伸直的拇指的方向与电流的方向一样,则弯曲的四指的方向就是电流四周磁感线的环绕方向(如图所示)。2.环形电流的磁场:右手弯曲的四指表示环形电流的方向,则伸直的拇指所指的方向是环形导线中心轴线处的磁感线方向(如图所示)。3.通电螺线管的磁场:用右手握住螺线管,让弯曲四指所指的方向与电流方向一样,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北极(N极)(如图所示)。四、磁的应用及意义如图所示是古代的司南和现代的指南针。为什么说指南针的独创使航海事业得到了发展?提示:在茫茫大海上航行,人很简单迷失方向,在指南针出现之前,人们只能夜晚依靠北极星,白昼通过太阳确定方向,若天气改变,则无法辨别方向。有了指南针,人们就可以在海上远行,所以说指南针的独创使航海事业得到了发展。1.古代的磁应用——指南针:指南针是我国古代四大独创之一,任何磁体悬挂起来且使之能自由转动,它具有指示方向的特征,在古代这种器具称为“司南”。2.高速磁浮列车、核磁共振都是磁在现代技术中的应用。(1)单独一个带电体可以只带正电荷(或负电荷),同样磁体也可以只有N极或S极。 (×)(2)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别物质。 (√)(3)磁场的基本性质是对处在磁场中的磁极或电流有力的作用。 (√)(4)磁感应强度的方向与小磁针静止时N极的指向确定相同。 (√)(5)磁感应强度的大小与电流成反比,与其受到的磁场力成正比。 (×)(6)磁感线可以用细铁屑来显示,因而是真实存在的。 (×)关键实力·合作学习学问点一磁场及磁感应强度的性质1.磁场的性质:(1)磁体的四周和电流的四周真实存在的特别物质。(2)发生相互作用时不须要接触。(3)磁场对放入其中的磁体或电流有力的作用。2.磁感应强度的性质:(1)仅由磁场本身来确定,由比值定义式B=来计算。(2)能够描述磁场的强弱和方向①其大小描述磁场的强弱,在数值上等于垂直于磁场放置的通有1A电流的单位长度直导线受到的力。②其方向就是小磁针静止时N极在该点的受力方向,也就是该点的磁场方向,即磁感线在该点的切线方向。磁场的方向有哪几种表达方式?提示:磁场的方向可有以下三种表达方式:(1)小磁针静止时N极所指的方向,也就是N极受力的方向。(2)磁场的方向就是磁感应强度B的方向。(3)磁感线上某点的切线方向即为该点的磁场方向。【典例1】(多选)关于磁感应强度的方向,下列说法中正确的是 ()A.磁场中某点的磁感应强度的方向就是该点的磁场方向B.磁场中某点的磁感应强度的方向就是通过该点的磁感线的切线方向C.磁场中某点磁感应强度的方向就是小磁针在该点静止时北极的指向D.磁场中某点磁感应强度的方向就是小磁针在该点受磁场力的方向【解析】选A、B、C。依据磁感应强度的方向特点,可判定选项A、B、C正确。选项D错,应为小磁针N极受力的方向。【典例2】在匀强磁场中某处P垂直于磁场方向放一个长度l=20cm、通电电流I=0.5A的直导线,测得它受到的最大磁场力F=1.0N,其方向竖直向上。现将该通电导线从磁场中撤走,则P处的磁感应强度为 ()A.零 B.1TC.0.1T D.10T【解析】选D。此时导体与磁场方向垂直,由B=解得B=10T,磁感应强度与导线无关,故选D。1.下列关于磁场的说法中,正确的是 ()A.磁场和电场一样,是客观存在的特别物质B.磁场是为了说明磁极间相互作用而人为规定的C.磁极与磁极间是干脆发生作用的D.磁场只有磁体才能产生【解析】选A。磁场虽然看不见,摸不着,但却是实际存在的,与电场一样都是客观存在的特别物质,不是人为规定的,故A正确,B错误;磁极与磁极的相互作用力是靠磁场来完成的,故C错误;电流和磁体四周都存在磁场,故D错误。2.(多选)把一小段通电直导线垂直磁场方向放入一匀强磁场中,图中能正确反映各量之间关系的是 ()【解析】选B、C。磁感应强度的大小和方向由磁场自身确定,不随F或IL的改变而改变,故B正确,D错误;当导线垂直于磁场放置时,有B=,即F=ILB。所以B不变的状况下F与IL成正比,故A错误,C正确。【加固训练】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.以上状况都有可能【解析】选C。磁感应强度的定义式中的电流是垂直于磁场方向的。假如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==T=2T。假如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。学问点二磁感线的理解和应用1.磁感线与电场线对比:比较项目磁感线静电场的电场线相同点意义形象地描述磁场方向和相对强弱而假想的线形象地描述电场方向和相对强弱而假想的线方向线上各点的切线方向就是该点的磁场方向线上各点的切线方向就是该点的电场方向疏密表示磁场强弱表示电场强弱特点在空间不相交、不相切、不中断除电荷处外,在空间不相交、不相切、不中断不同点闭合曲线,在磁体外部由N极到S极,内部由S极到N极始于正电荷或无穷远处,止于无穷远处或负电荷,不闭合的曲线2.常见永磁体的磁场(如图所示)磁感线为何不相交?提示:磁场中任一点的磁场方向都是确定的,即只有一个方向,这是试验事实(把小磁针放到某点,静止时N极有唯一确定的指向)。若有两条磁感线相交,依据磁感线的定义,在交点处就有两个方向,这与事实不符。【典例】如图所示为磁铁旁边静止的小磁针所处的位置,试推断各图中磁铁的南、北极。【解析】在磁铁内部磁感线由S极到N极,在磁铁外部,磁感线由N极到S极,依据小磁针静止时N极指向,即可确定各磁铁的南、北极。答案:(a)右端为S极,左端为N极(b)左端为N极,右端为S极(c)左端为N极,右端为S极(d)左端为S极,右端为N极(e)两端同为S极1.(多选)关于磁感线,下列说法中正确的是 ()A.磁感线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向一样B.磁感线是磁场中客观存在的、肉眼看不见的曲线C.两条磁感线的空隙处不存在磁场,不同磁场形成的磁感线可以相交D.匀强磁场的磁感线是等间距的平行直线【解析】选A、D。磁感线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向,A正确;磁感线是为了形象描述磁场而假想的曲线,可以用试验来模拟,但实际并不存在,B错误;磁感线的疏密反映磁场的强弱,但不表示空隙处不存在磁场,磁场是充溢某个区域的;不同磁场源产生的磁场在某一区域叠加,磁感线描绘的是叠加后的合磁场,某处的磁感应强度是唯一的,磁感线不相交,C错误;匀强磁场的强弱和方向到处相同,其磁感线是等间距的平行直线,D正确。2.(多选)如图是两种常见磁场的磁感线分布示意图,下列说法正确的是 ()A.图甲中a端是磁铁的S极,b端是磁铁的N极B.图甲中a端是磁铁的N极,b端是磁铁的S极C.图乙是两异名磁极的磁感线分布示意图,c端是N极,d端是S极D.图乙是两异名磁极的磁感线分布示意图,c端是S极,d端是N极【解析】选A、D。图甲是条形磁铁外部磁感线分布示意图,外部磁场的磁感线是从磁铁的N极出来,进入磁铁的S极,故A正确,B错误;图乙是两异名磁极磁感线分布示意图,磁感线仍旧是从磁铁的N极出来,进入磁铁的S极,故C错误,D正确。【加固训练】1.关于磁感线和电场线,下列说法中正确的是 ()A.磁感线和电场线都是一些相互平行的直线B.磁感线和电场线都是闭合曲线C.磁感线起始于N极,终止于S极;电场线起始于正电荷,终止于负电荷D.电场线和磁感线都可以用其疏密程度表示电场强度和磁感应强度的大小【解析】选D。非匀强电场和非匀强磁场的电场线及磁感线都是一组曲线或不平行的直线,A错;磁体外部磁感线从N极到S极,内部从S极到N极,形成闭合的曲线,电场线起始于正电荷或无穷远处,终止于无穷远处或负电荷,不是闭合的曲线,B、C错;电场线和磁感线都可以用其疏密程度表示电场强度和磁感应强度的大小,D正确。2.如图所示表示蹄形磁铁四周的磁感线,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相等,Ba>BbB.a、b两处的磁感应强度的大小不相等,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【解析】选B。磁感线的疏密程度表示磁场的强弱,由此可推断A错,B对;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;磁感线是为探讨问题便利而假想的线,实际并不存在,a处磁感应强度不为0,故D错。学问点三电流的磁场三种常见的电流的磁感线形态:安培定则立体图横截面图纵截面图以导线上随意点为圆心的多组同心圆,越向外越稀疏,磁场越弱环内磁场比环外强,磁感线越向外越稀疏内部为匀强磁场且比外部磁场强,方向由S极指向N极;外部类似条形磁铁,由N极指向S极表格中的“×”“·”“”“”符号分别代表什么?提示:“×”表示磁场方向垂直于纸面对里;“·”表示磁场方向垂直于纸面对外;“”表示电流方向垂直于纸面对里;“”表示电流方向垂直于纸面对外。“×”可想象成从箭尾向箭头看到的情景,“·”可想象成迎着箭头看到的情景。【典例】试验室有一旧的学生直流电源,输出端的符号模糊不清,无法分辨正负极。某同学设计了下面推断电源极性的方法:,,如图所示,闭合开关后,小磁针指南的一端向,下述推断正确的是 ()A.电源的A端是正极,在电源内部电流由A流向BB.电源的A端是正极,在电源内部电流由B流向AC.电源的B端是正极,在电源内部电流由A流向BD.电源的B端是正极,在电源内部电流由B流向A【审题关键】序号信息提取①静止时N极指北②螺线管产生的磁感线方向为东西方向③小磁针的N极向西偏转【解析】选C。由于小磁针指南的一端向东偏转,所以螺线管的西端为N极,由安培定则可知电源的B端为正极,在电源外部电流由B通过螺线管流向A,在电源内部电流由A流向B,故C正确。小磁针在磁场中受力的推断方法(1)当小磁针处于磁体产生的磁场中时,可依据同名磁极相斥、异名磁极相吸来推断小磁针的受力方向。(2)当小磁针处于直线电流的磁场中时,应依据小磁针N极所指方向与通过该点的磁感线的切线方向相同,来推断小磁针的受力方向。1.(多选)如图(a)和图(b)所示带负电的橡胶圆环绕轴OO′以角速度ω匀速旋转,对圆环左侧轴上的小磁针转动状况分析正确的是 ()A.图(a)中的小磁针N极沿轴向左B.图(a)中的小磁针N极沿轴向右C.图(b)中的小磁针N极沿轴向左D.图(b)中的小磁针N极沿轴向右【解析】选A、D。带负电的橡胶圆环转动时,相当于一个环形电流,其电流方向与转动方向相反。图(a)在其轴线上的磁场方向向左,故图(a)中的小磁针N极沿轴向左;图(b)在其轴线上的磁场方向向右,故图(b)中的小磁针N极沿轴向右。A、D正确。2.如图所示,甲、乙是直线电流的磁场,丙、丁是环形电流的磁场,戊、己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。【解析】依据右手螺旋定则可以推断各图中的电流方向或磁感线方向如图所示:答案:见解析【加固训练】1.(多选)如图所示,一束带电粒子沿着水平方向平行地飞过小磁针上方时,小磁针的S极向纸面内偏转,则这束带电粒子可能是 ()A.向右飞行的正离子束 B.向左飞行的正离子束C.向右飞行的负离子束 D.向左飞行的负离子束【解析】选B、C。小磁针N极的指向即小磁针所在处的磁场方向,题中小磁针的S极向纸内偏转,说明离子束下方的磁场方向是由纸内指向纸外,由安培定则可判定离子束形成的电流方向由右向左。故若为正离子,则应是自右向左运动;若为负离子,则应是自左向右运动,则B、C正确,A、D错误。2.(多选)下列四图为电流产生磁场的分布图,正确的分布图是 ()【解析】选A、D。由安培定则可以推断出直线电流产生的磁场方向,A正确、B错误。C和D为环形电流,留意让弯曲的四指指向电流的方向,可推断出D正确、C错误。学问点四磁场的叠加1.磁场的叠加原理:磁感应强度是矢量,在进行运算时遵循平行四边形定则。2.主要步骤:(1)确定磁场场源,如通电导线。(2)定位空间中需求解磁场的点,利用安培定则判定各个场源在这一点上产生的磁场的大小和方向。(3)应用平行四边形定则进行合成。【典例】(多选)如图所示,两根相互平行的长直导线过纸面上的M、N两点,且与纸面垂直,导线中通有大小相等、方向相反,a、O、b在M、N的连线上,O为MN的中点,c、d,,关于以上几点处的磁场,下列说法正确的是 ()A.O点处的磁感应强度为零B.a、b两点处的磁感应强度大小相等,方向相反C.c、d两点处的磁感应强度大小相等,方向相同D.a、c两点处磁感应强度的方向相同【审题关键】序号信息提取①与M、N距离相等的点,磁场大小一样②O、c、d三点分别到M和N的距离相等③M在a与N在b,M在b与N在a处的磁场大小分别相等【解析】选C、D。依据思索探讨的步骤,依据安培定则推断磁场方向,再结合矢量的合成学问求解。依据安培定则推断:两直线电流在O点产生的磁场方向均垂直于MN向下,O点的磁感应强度不为零,故A选项错误;a、b两点的磁感应强度大小相等,方向相同,故B选项错误;依据对称性,c、d两点处的磁感应强度大小相等,方向相同,故C选项正确;a、c两点的磁感应强度方向相同,故D正确。磁场叠加的主要步骤(1)先画出每处电流在每个点的磁场方向;(2)依据点到电流之间的距离推断该点磁场强度的大小;(3)依据平行四边形定则推断每个点处磁感应强度实际的大小及方向。1.(多选)若将【典例】中N处的电流反向,则选项中正确的是 ()A.O点处的磁感应强度为零B.a、b两点处的磁感应强度大小相等,方向相反C.c、d两点处的磁感应强度大小相等,方向相同D.a、c两点处磁感应强度的方向相同【解析】选A、B。两直线电流在O点产生的磁场方向相反、大小相等,O点的磁感应强度为零,故A选项正确;a、b两点的磁感应强度大小相等,方向相反,故B选项正确;依据对称性,c、d两点处的磁感应强度大小相等,方向相反,故C选项错误;a、c两点的磁感应强度方向垂直,故D错误。2.三根通电长直导线P、Q、R相互平行、垂直于纸面放置。三根导线中电流方向均垂直于纸面对里,且每两根导线间的距离均相等。则P、Q中点O处的磁感应强度方向为 ()A.方向水平向左 B.方向水平向右C.方向竖直向上 D.方向竖直向下【解析】选A。用右手螺旋定则推断通电直导线在O点上所产生的磁场方向,如图所示。直导线P在O点产生磁场与直导线Q在O点产生磁场方向相反,大小相等,则合磁场为零;而直导线R在O点产生磁场,方向从Q指向P,即为水平向左。故选A。【加固训练】1.在磁感应强度为B0、方向竖直向上的匀强磁场中,水平放置一根长通电直导线,电流的方向垂直于纸面对里。如图所示,a、b、c、d是以直导线为圆心的同一圆周上的四点,在这四点中 ()A.b、d两点的磁感应强度相等B.a、b两点的磁感应强度相等C.c点的磁感应强度的值最小D.b点的磁感应强度的值最大【解析】选C。如图所示,由矢量叠加原理可求出各点的合磁场的磁感应强度,可见b、d两点的磁感应强度大小相等,但方向不同,A项错误;由图知,a、b两点的磁感应强度不相等,a点的磁感应强度最大,c点的磁感应强度最小,B、D项错误,C项正确。2.图中a、b、c为三根与纸面垂直的固定长直导线,其截面位于等边三角形的三个顶点上,bc沿水平方向,导线中均通有大小相等的电流,方向如图所示。O点为三角形的中心(O到三个顶点的距离相等),则 ()A.O点的磁感应强度为零B.O点的磁场方向垂直Oc向下C.导线a受到的安培力方向竖直向上D.导线b受到的安培力方向沿bc连线方向指向c【解析】选B。依据右手螺旋定则,a电流在O点产生的磁场平行于bc向左,b电流在O点产生的磁场平行ac指向右下方,电流c在O点产生的磁场平行ab指向左下方;由于三导线电流大小相等,到O点的距离相同,依据平行四边形定则,O点合磁场的方向垂直Oc向下,故A错误,B正确;依据左手定则,结合矢量合成法则,导线a受到的安培力方向水平向左,导线b受到的安培力方向平行于ac斜向左上方,故C、D错误。【拓展例题】考查内容:磁与现代科技【典例】磁悬浮列车是由无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统组成的新型交通工具,是高新技术的产物。(1)磁悬浮列车的结构如图甲所示,轨道线圈下端是N极,要使列车悬浮起来,车身线圈的上端是(选填“N”或“S”)极。

(2)图乙是另一种磁悬浮列车的设计原理图,A是磁性稳定的电磁铁,安装在铁轨上,B是安装在车身上(紧靠铁轨上方)的电阻特别小的螺线管。B中电流方向如图乙所示,通电螺线管的上端是(选填“N”或“S”)极,螺线管B与电磁铁A之间相互(选填“排斥”或“吸引”),从而使列车悬浮在铁轨上方。

【解析】(1)依据磁极间相互作用规律可知车身线圈的上端是S极。(2)依据安培定则可推断通电螺线管的上端是N极,要使列车悬浮在铁轨上方,螺线管B与电磁铁A之间要相互排斥。答案:(1)S(2)N排斥情境·模型·素养如图所示是医生用来取出病人吞下的金属物品的仪器。当仪器顶部接触金属物品时,医生将手控环内推,再拉出整条塑料管。探究:(1)假如小孩不慎吞下的是易拉罐拉环或一个回形针,哪种物体可以用这种仪器取出来?(2)假如把活动永磁铁换成电磁铁,你认为是不是更好用呢?【解析】(1)由于磁铁只能吸引铁磁性物质,易拉罐拉环是铝合金材料的,不是铁磁性物质,所以不能取出;而回形针是由铁磁性物质制成的,可以用此仪器取出。(2)电磁铁的磁性强弱可以随电流的改变而改变,假如是误吞了比较重的铁磁性物体,可通过调整电流的大小使磁性增加,把它取出来,故运用电磁铁会更好用一些。答案:见解析软磁材料易于磁化,也易于退磁,广泛用于电工设备和电子设备中。软磁材料可分为金属软磁、铁氧体软磁、非晶软磁、纳米晶软磁四大类。我国是全球规模最大的铁氧体软磁生产国。探究:(1)请用安培分子电流假说说明软磁物质磁化现象。(2)将软磁物质退磁的方法有哪些?【解析】(1)当软磁物质受到外界磁场的作用时,各分子电流的取向变得大致相同,软磁物质被磁化,两端对外界显示出较强的磁作用,形成磁极。(2)使软磁物质处于高温环境或者经验猛烈振动,分子电流的取向再次变得杂乱,失去磁性。答案:见解析课堂检测·素养达标1.如图所示,a、b、c三枚小磁针分别在通电螺线管的正上方、管内和右侧,当这些小磁针静止时,小磁针N极的指向是 ()A.a、b、c均向左B.a、b、c均向右C.a向左,b向右,c向右D.a向右,b向左,c向右【解析】选C。小磁针静止时N极的指向与该点处磁感线方向相同,假如a、b、c三处磁感线方向确定,那么三枚磁针静止时N极的指向也就确定。所以,只要画出通电螺线管的磁感线,即可知a磁针的N极在左边,b磁针的N极在右边,c磁针的N极在右边。【加固训练】如图所示为磁场作用力演示仪中的赫姆霍兹线圈,当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过如图所示方向的电流时 ()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摇摆D.小磁针在纸面内向右摇摆【解析】选A。由安培定则可推断小磁针所在处电流的磁场向里,而小磁针N极的受力方向与磁场方向相同,故小磁针N极向里转,S极向外转,则A正确,B、C、D错误。2.磁性是物质的一种普遍属性,大到宇宙星体,小到电子、质子等微观粒子,几乎都会有磁性,地球就是一个巨大的磁体。在一些生物体内也会含有微量磁性物质,鸽子就是利用这种体内外磁性的相互作用来辨别方向的。若在鸽子身上绑一块永久磁铁,且其产生的