資源簡介

第1節　磁場及其描述
[學習目標]
1.通過實驗，認識磁場
2.了解磁感應強度
3.會用磁感線描述磁場
4.會判斷通電直導線和通電線圈周圍的磁場
5.能列舉磁現象在生產生活中的應用。
6.了解我國古代磁現象的研究成果及其對人類文明的影響。
7.關注與磁相關的現代科技的發展。
[基礎梳理]
一、磁場　磁感應強度
1.磁場
(1)磁體和電流周圍的空間存在一種特殊的物質——磁場。磁場能夠對磁體產生力的作用。
(2)磁場有方向，人們把磁場中某點小磁針靜止時北極的指向規定為該點磁場的方向。
(3)磁場還有強弱，在磁場中的不同位置，其強弱不盡相同。
磁極：磁體上磁性最強的區域。
①北極：自由轉動的磁體，靜止時指北的磁極，又叫N極。
②南極：自由轉動的磁體，靜止時指南的磁極，又叫S極。
③性質：同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。
2.磁感應強度
(1)電流元：在物理學中，把很短一段通電導線中的電流I與導線長度l的乘積Il叫做電流元。
(2)磁感應強度：將電流元Il垂直放入磁場，它受到的磁場力F與Il的比值叫做磁感應強度。
①定義式B＝。
②磁感應強度的單位：在國際單位制中的單位是特斯拉，簡稱特，符號是T。1 T＝1 。
(3)磁感應強度的方向
小磁針靜止時N極所指的方向規定為該點的磁感應強度的方向，簡稱磁場的方向。
二、磁感線與電流的磁場
1.磁感線
(1)定義：在磁場中畫出的一些有方向的曲線，曲線上每一點的切線方向都跟該點的磁感應強度的方向一致。
(2)特點
①磁感線的疏密表示磁場的強弱。磁場強的地方，磁感線較密；磁場弱的地方，磁感線較疏。
②磁感線某點的切線方向表示該點磁感應強度的方向。
2.勻強磁場：在磁場的某個區域內，如果各點的磁感應強度的大小和方向都相同，這個區域的磁場稱為勻強磁場，磁感線是一組平行且等距的直線。
3.電流的磁場
(1)直線電流的磁場
安培定則：用右手握住導線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環繞方向。(如圖甲所示)
(2)環形電流的磁場
環形電流的磁場可用安培定則判斷：右手彎曲的四指所指方向與環形電流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是環形導線中心軸線上磁感線的方向。(如圖乙所示)
(3)通電螺線管的磁場
用右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向與電流方向一致，拇指所指的方向就是螺線管內部磁感線的方向或拇指指向螺線管的北極(如圖丙所示)。
三、磁的應用及意義
1.對磁技術的應用中，首屈一指的當數我國發明的指南針。指南針的發明開啟了航海技術的革命，推動了航海事業的發展。
2.交通與磁：磁懸浮列車有常導電磁鐵吸引方式和超導電磁鐵相斥方式兩種形式。常導電磁鐵吸引式是在導體底部和兩側倒轉向上的頂部安裝磁鐵，在T形導軌的上方和伸臂部分下方分別設作用板和感應鋼板，使導軌鋼板的吸引力與車輛重力平衡，從而使車體懸浮于軌道上運行；超導電磁鐵相斥式是根據磁鐵同極相斥的原理。
3.核磁共振成像技術是磁在醫學診斷方面的應用。
奧斯特實驗
(1)1820年，丹麥物理學家奧斯特發現，當給導線通電時，與導線平行放置的小磁針發生轉動，如圖所示。
(2)實驗意義：電流的磁效應的發現，首次揭示了電與磁之間的聯系。
深度理解：自然界有兩種基本的物質形態：實物和場。
(1)實物即具體的、有形的物質形態，由物質粒子組成。
(2)場是物質的另一種存在形態，和實物一樣，也是客觀存在的。
任何一個磁體都有兩個磁極，無論怎樣分割磁體，磁極總是成對出現，不存在磁單極。
[能力拓展]
一、磁場　磁感應強度
1.磁場的性質
(1)客觀存在性：與電場一樣，也是一種物質，是一種看不見摸不著而又客觀存在的特殊物質。存在于磁體、通電導線、運動電荷、變化電場、地球的周圍。
(2)方向性：物理學中規定，磁場中任一點小磁針北極(N極)的受力方向(或小磁針靜止時N極的指向)為該處的磁場方向。
(3)磁場的基本性質：磁場對放入其中的磁極或電流有力的作用。磁極與磁極之間，磁極與電流之間，電流和電流之間都是通過磁場相互作用的。
2.對磁感應強度的理解
(1)定義式的適用條件：通電導線垂直磁場放置。
(2)磁感應強度的決定因素：磁感應強度反映磁場本身的特性，其值決定于磁場。其值與放入的檢驗電流的電流強度、導線長度、擺放方向、檢驗電流是否受到磁場力及檢驗電流是否存在等均無關系。即使不放入載流導線，磁感應強度也照樣存在，故不能說“B與F成正比”或“B與Il成反比”。
(3)磁感應強度是矢量，其方向就是磁場方向。
二、對磁感線的理解
1.磁感線的特點
(1)為形象描述磁場而引入的假想曲線，實際并不存在。
(2)磁感線的疏密表示磁場的強弱，密集的地方磁場強，稀疏的地方磁場弱。故磁感線不相切，若相切，切點處B→∞不可能。
(3)磁感線為閉合曲線：磁體外部從N極指向S極，磁體內部從S極指向N極。
(4)磁感線上任一點的切線方向表示該點的磁場方向，在穩定磁場中，某點磁場方向唯一確定，所以磁感線不能相交。
2.磁感線和電場線的區別與聯系
比較項目 磁感線 電場線
相同點 意義 形象地描述磁場方向和相對強弱而假想的線 形象地描述電場方向和相對強弱而假想的線
方向 線上各點的切線方向即該點的磁場方向，是小磁針N極受力的方向 線上各點的切線方向即該點的電場方向，是正電荷受電場力的方向
疏密 表示磁場強弱 表示電場強弱
特點 在空間不相交、不中斷 除電荷處外，在空間不相交、不中斷
不同點 是閉合曲線 靜電場中，電場線始于正電荷或無窮遠處，止于無窮遠處或負電荷，是不閉合的曲線
三、電流的磁場及磁的應用
1.條形磁鐵和蹄形磁鐵的磁場
2.常見電流的磁場
安培定則 立體圖 橫截面圖 縱截面圖
直線電流
以導線上任意點為圓心垂直于導線的多組同心圓，越向外越稀疏，磁場越弱
環形電流
內部磁場比環外強，磁感線越向外越稀疏
通電螺線管
內部為勻強磁場且比外部強，方向由S極指向N極，外部類似條形磁鐵，由N極指向S極
3.記錄與磁：利用磁我們不僅可以記錄聲音影像，還可以記錄其他各種信息，如磁信息卡、磁防盜卡、磁簽到卡等。
磁卡的使用
[隨堂演練]
1．下列說法正確的是（　　）
A．速度、平均速度、位移、加速度均為矢量
B．做勻速圓周運動的物體，速度不變
C．2017 年 8 月 6 日中國標槍女將呂會擲出 67.59 m，67.59 m 是標槍的路程
D．電場強度、電流強度、磁感應強度均為矢量
2．在磁感應強度為B0、方向豎直向上的勻強磁場中，水平放置一根長通電直導線，電流的方向垂直于紙面向里。如圖所示，a、b、c、d是以直導線為圓心的同一圓周上的四點，在這四點中（　　）
A．b、d兩點的磁感應強度相同 B．a、b兩點的磁感應強度相等
C．c點的磁感應強度的值最小 D．b點的磁感應強度的值最大
3．下列物理量屬于矢量的是（　　）
A．磁感應強度 B．磁通量 C．電勢 D．電動勢
4．下列物理量的單位用國際單位制的基本單位表示正確的是（　　）
A．力的單位 B．電量的單位
C．功率的單位 D．磁感應強度的單位T
5．有一等邊三角形abc，d是ac延長線上的一點，c是bd的中點，三條通電長直導線垂直穿過紙面，分別位于等邊三角形的三個頂點，三條導線電流大小相等，電流方向如圖。此時位于c處的導線受到的安培力為F。若把位于a處的導線移到d點處，位于c的導線受到的安培力為F，則的值為（　　）
A．1 B．2 C． D．
6．三根平行的長直通電導線，分別通過一個等腰直角三角形的三個頂點且與三角形所在平面垂直，如圖所示。現在使每根通電導線在斜邊中點O處所產生的磁感應強度大小均為B，則下列說法中正確的有（　　）
A．O點處實際磁感應強度的大小為B
B．O點處實際磁感應強度的大小為B
C．O點處實際磁感應強度的方向與斜邊夾角為90°
D．O點處實際磁感應強度的方向沿斜面向下
7．如圖一所示是某磁敏電阻在室溫下的電阻隨磁感應強度B變化的特性曲線，其中，在0.4T≤B≤1.2T的范圍內，圖線為直線.測試時，磁敏電阻的軸向方向與磁場方向垂直.
（1）試結合圖一，寫出在0.4 T≤B≤1.2 T的范圍內，隨B變化的關系式= _______.
（2）某同學想利用該磁敏電阻去測量某磁場的磁感應強度B，他找到了如圖二所示的器材，并連好部分導線.
①該同學所選器材的規格為：電源（電動勢3 V，內阻不計）；磁敏電阻（無磁場時的阻值Ω）；滑動變阻器（最大電阻約10Ω）；電流表（量程2.5mA，內阻約10Ω）；電壓表（量程3V，內阻約3kΩ）.
請在圖二中用筆畫線代替導線將磁敏電阻接入電路，并能在實驗中，調節滑動變阻器滑片時得到如下表所示的數據：（_______）
1 2 3 4 5 6
0.00 0.45 0.91 1.50 1.79 2.71
mA 0.00 0.30 0.60 1.00 1.20 1.80
②忽略電路中電流產生的磁場，根據表中數據和上述信息，求出所測磁場的磁感應強度B的大小為__________T. （取一位有效數字）
8．某物理興趣小組在學習了電流的磁效應后，得知通電長直導線周圍某點磁場的磁感應強度B的大小與長直導線中的電流大小I成正比，與該點離長直導線的距離r成反比。該小組欲利用如圖甲所示的 實驗裝置驗證此結論是否正確，所用的器材有：長直導線、學生電源、直流電流表（量程為0~3A）、滑動變 阻器、小磁針（置于刻有360°刻度的盤面上）、開關及導線若干：
實驗步驟如下：
a.將小磁針放置在水平桌面上，等小磁針靜止后，在小磁針上方沿小磁針靜止時的指向水平放置長直 導線，如圖甲所示；
b.該小組測出多組小磁針與通電長直導線間的豎直距離 r、長直導線中電流的大小I及小磁針的偏轉 角度θ；
c.根據測量結果進行分析，得出結論。 回答下列問題：
（1）某次測量時，電路中電流表的示數如圖乙所示，則該電流表的讀數為______A；
（2）在某次測量中，該小組發現長直導線通電后小磁針偏離南北方向的角度為30°（如圖丙所示），已知實驗所在處的地磁場水平分量大小為B0=3×10－5T，則此時長直導線中的電流在小磁針處產生的磁感應強度B的大小為_______T（結果保留兩位小數）；
（3）該小組通過對所測數據的分析，作出了小磁針偏轉角度的正切值tanθ與之間的圖像如圖丁所示，據此得出了通電長直導線周圍磁場的磁感應強度B與通電電流I成正比，與離長直導線的距離r成反比的結論， 其依據是______；
（4）通過查找資料，該小組得知通電長直導線周圍某點的磁感應強度B與電流I及距離r之間的數學關系為，其中為介質的磁導率。根據題給數據和測量結果，可計算出=_______ 。
參考答案
1．A
【詳解】
A．速度、平均速度、位移、加速度均為矢量，A正確；
B．做勻速圓周運動的物體，速度大小不變，方向時刻在變，B錯誤；
C．67.59 m是標槍的水平射程，不是標槍的路程，C錯誤；
D．電流強度是標量，D錯誤。
故選A。
2．C
【詳解】
D．用右手螺旋定則判斷通電直導線在a點由向上的磁場，還有電流產生的向上的磁場，根據磁場疊加原理，磁感應強度的值最大，方向向上，故D錯誤；
AB．b點由向上的磁場，還有電流產生的水平向左的磁場，疊加后，方向向左上，d點磁場疊加后磁場方向為右上，故AB錯誤；
C．c點兩個磁場方向相反，疊加后，磁感應強度變小，故c點磁感應強度的值最小，故C正確。
故選C。
3．A
【詳解】
A．磁感應強度有大小又有方向，即為矢量，故A正確；
B．磁通量為穿過某平面的磁感線條數，則有大小和方向，但是磁通量的疊加不滿足矢量疊加法則，即為標量，故B錯誤；
CD．電勢、電動勢都是只有大小沒有方向的標量，故CD錯誤。
故選：A。
4．C
【詳解】
A. 力的單位是N，即，故A錯誤；
B. 電量的單位C，即，故B錯誤；
C. 功率的單位是W，即，故C正確；
D. 磁感應強度的單位T，即，故D錯誤。
故選C。
5．B
【詳解】
根據安培定則，a、b處導線在c處產生的磁感應強度、，大小相等，方向成，如圖所示，合成后的磁感應強度為B
把位于a處的導線移到d點處后，b、d兩處的導線在c處產生的磁場等大同向，都是垂直于bc邊向上，合成后的磁感應強度為2B，因此
選項B正確，故選B。
6．B
【詳解】
AB．由題意可知，三平行的通電導線在O點產生的磁感應強度大小相等，方向如圖
則有
A錯誤，B正確；
CD．設O點處實際磁感應強度的方向與斜邊的夾角為α，根據矢量的合成與分解的法則，結合三角函數關系，則有
所以磁感應強度的方向與斜邊夾角為arctan2，故CD錯誤。
故選B。
7．（kΩ） 0.8
【詳解】
（1）根據圖像可知，0.4 T≤B≤1.2 T的范圍內， 隨B變化圖像為直線，由數學知識，設隨B變化的關系式為
（kΩ）
將題圖中（），（）代入上式解得，，，故隨B變化的關系式為
（kΩ）
（2）①因磁敏電阻的阻值較大，故應采用電流表內接法，根據題表所示數據，滑動變阻器應采用分壓式接法，故實物圖如答圖所示；
②由求出每次R的測量值，再采用多次測量取平均值的方法，則得：
由題圖甲所示圖像可知，待測磁場的磁感應強度B為0.8T.
8．2.00 電流產生的磁感應強度，而偏角的正切值與成正比
【詳解】
（1）[1]電流表量程為3A，則最小分度為0.1A，由指針示數可知電流為2.00A；
（2）[2]電流產生向東的磁場，則指針指向地磁場分量和電流磁場的合磁場方向，如圖所示
則有
解得
（3）[3]由圖可知，偏角的正切值與成正比，而根據（2）中分析可知
則可知與成正比，故說明通電長直導線周圍磁場的磁感應強度與通電電流成正比，與長導線的距離成反比；
（4）[4]由公式
可知，圖象的斜率
解得

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