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第三章　電磁場與電磁波初步
1　磁場　磁感線
學習目標 成長記錄
1.了解我國古代在磁現象方面的研究成果及對人類文明的影響。 知識點一
2.理解磁場的存在,知道磁場的特點。 知識點二&要點一
3.知道磁感線的定義和特點,了解幾種常見磁場的磁感線分布。 知識點二&要點二
4.會用安培定則判斷電流的磁場方向。 知識點三&要點三
知識點一　我國古代對磁現象的認識及應用
1.在春秋戰國時期已發現天然磁石具有吸引鐵的性質。
2.任何磁體,不管形狀如何都有兩個位置磁性最強,稱為磁體的兩個極,它們有指示南北方向的本領。
3.北宋時期我們的祖先發明了指南針,并很快將之用于航海,其后100多年傳入歐洲。
4.《史記》和《本草綱目》中記載了磁石能治療疾病。
知識點二　磁場與磁感線
1.磁場:磁體周圍分布著磁場,一切磁相互作用都是通過磁場來實現的。
2.磁感線:磁感線是一些假想的有方向的曲線,可以形象地描述磁場的方向和強弱。曲線上每一點的切線方向為該點的磁場方向,曲線的疏密表示磁場的強弱,曲線疏的地方磁場弱,曲線密的地方磁場強。
3.磁場的方向:在磁場中某一點小磁針N極的受力方向,即小磁針靜止時N極所指方向就是該點磁場的方向。
4.幾種常見磁體周圍的磁感線
5.物質性:磁場和電場一樣,是一種物質,其基本特性是對處在它里面的磁極或電流有力的作用。
知識點三　安培定則
磁感線的方向與電流方向之間的關系可以用安培定則(也叫右手螺旋定則)判定。
1.直線電流的磁場:用右手握住通電導線,讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致,則彎曲的四指所指的方向就是磁感線環繞的方向,如圖甲所示。
2.環形電流的磁場:讓右手彎曲的四指與環形(或螺線管)電流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是環形電流(或螺線管)軸線上磁感線的方向,如圖乙、丙所示。
1.思考判斷
(1)磁場看不見,摸不著,實際不存在。(　×　)
(2)磁體和電流都會產生磁場。(　√　)
(3)磁極與電流的相互作用是通過磁場發生的。(　√　)
(4)奧斯特發現了電流的磁效應。(　√　)
(5)磁感線可以用細鐵屑來顯示,因而是真實存在的。(　×　)
2.思維探究
(1)將一個磁體從中間分成兩部分后,是不是每一部分只有一個磁極呢
(2)環形電流和通電螺線管的磁場與哪種磁體的磁場相似
答案:(1)不是。不管磁體形狀如何,磁體都有兩個磁極。即便將一個磁體分割,分割后的每一部分,仍然有兩個磁極。
(2)環形電流相當于小磁針,通電螺線管相當于條形磁鐵。
要點一　對磁場的理解
如圖所示,兩磁體間、通電導線和磁體間都可以在不接觸的情況下發生作用。
(1)圖甲中兩磁鐵作用時,懸掛的磁鐵在兩種情況下轉動的方向不同,這說明了磁極間的作用有何特點
(2)當給圖乙中導線通電時,與導線平行放置的小磁針發生轉動,表明電流和磁場存在什么關系
答案:(1)同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引。(2)電流周圍產生磁場。
1.磁場的客觀性:磁場雖然看不見、摸不著,不是由分子、原子組成的,但卻是客觀存在于磁體的周圍、電流的周圍。場和實物是物質存在的兩種形式。
2.磁場的基本性質:對放入其中的磁體或電流有力的作用。磁體與磁體之間、磁體與電流之間、電流與電流之間的相互作用都是通過磁場發生的。
3.電場和磁場的區別
項目 電場 磁場
不同點 產生 電荷周圍 磁體、電流、運動電荷周圍
基本 性質 對放入其中的電荷有靜電力的作用 對放入其中的磁體、電流有力的作用
作用 特點 對放入其中的磁體不產生力的作用 對放入其中的靜止電荷無力的作用
相同點 都是不依賴于人的意志而客觀存在的特殊物質,具有質量和能量
[例1] (多選)下列關于磁場的說法中,正確的是(　AD　)
A.磁場和電場一樣,是客觀存在的一種特殊物質
B.磁場是為了解釋磁極間的相互作用而人為規定的
C.磁體與電流之間不能發生相互作用
D.磁體之間、磁體和電流之間、電流和電流之間都能通過磁場發生相互作用
解析:磁場和電場一樣,是客觀存在的特殊物質,不是人為規定的,故A正確,B錯誤;磁體與電流之間也有相互作用,是通過磁場發生的,故C錯誤;磁體之間、磁體和電流之間、電流和電流之間都能通過磁場發生相互作用,故D正確。
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,也是一種客觀存在的物質,具有質量、能量、動量等物質的基本屬性。
[針對訓練1] (多選)關于磁鐵、電流間的相互作用,下列說法正確的是(　BC　)
A.甲圖中,電流不產生磁場,電流對小磁針力的作用是通過小磁針的磁場發生的
B.乙圖中,磁體對通電導線的作用力是通過磁體的磁場發生的
C.丙圖中,電流間的相互作用是通過電流的磁場發生的
D.丙圖中,電流間的相互作用是通過電荷的電場發生的
解析:甲圖中,電流對小磁針力的作用是通過電流的磁場發生的;乙圖中,磁體對通電導線力的作用是通過磁體的磁場發生的;丙圖中,電流對另一個電流力的作用是通過該電流的磁場發生的。綜上所述,選項B,C正確。
要點二　對磁感線的理解
圖甲表示條形磁體的磁感線的分布情況,圖乙表示通電螺線管的磁感線的分布情況,觀察兩幅圖,請思考:
從圖中可以看出,通電螺線管的磁感線是閉合的,而條形磁體的磁感線不閉合,這種判斷對嗎
答案:不對。不管是磁體的磁場,還是電流的磁場,磁感線都是閉合的。
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。
(3)磁感線的方向:磁體外部從N極指向S極,磁體內部從S極指向N極。
(4)磁感線閉合而不相交,不相切,也不中斷。
(5)磁感線上某點的切線方向表示該點的磁場方向。
2.磁感線與電場線的比較
兩種線 磁感線 電場線
相似點 引入 目的 形象描述場而引入的假想線,實際不存在
疏密 場的強弱
切線 方向 場的方向
相交 不能相交(電場中無電荷空間不相交)
不同點 閉合曲線 不閉合,起始于正電荷(或無窮遠),終止于無窮遠(或負電荷)
[例2] 如圖所示,取一塊玻璃板,在其上面均勻地撒上鐵屑,下面放一塊條形磁鐵,輕輕敲擊玻璃板,鐵屑就會有規則地排列起來,以此模擬磁鐵周圍磁感線的形狀。對于該現象,下列說法正確的是(　C　)
A.磁感線是真實存在的
B.玻璃板上沒有鐵屑的地方就沒有磁場
C.該現象可以描述磁鐵周圍的磁場分布情況
D.將鐵屑換成銅屑也可達到相同的實驗效果
解析:磁感線是為了形象地描述磁場而引入的假想曲線,它并不客觀存在,不可認為有磁感線的地方就有磁場,沒有磁感線的地方就沒有磁場,故A,B錯誤;磁鐵周圍的鐵屑排列形狀可模擬磁鐵周圍磁感線的形狀,而磁感線可以描述磁場分布情況,故C正確;磁場對鐵屑有力的作用,對銅屑沒有力的作用,故D錯誤。
[針對訓練2] 磁場中某區域的磁感線如圖所示,則(　B　)
A.a、b兩處的磁場強弱不同,a處磁場比b處磁場強
B.a、b兩處的磁場強弱不同,a處磁場比b處磁場弱
C.a、b兩處磁場方向一定相同
D.a處沒有磁感線,所以a處沒有磁場
解析:由題圖可知,b處的磁感線較密,a處的磁感線較疏,所以a處磁場比b處磁場弱,A錯誤,B正確;磁場中某點的磁場方向與磁感線在該點的切線方向相同,由圖判斷,a、b兩點磁場方向不同,C錯誤;磁感線是用來描述磁場的,不可能在存在磁場的區域內全部畫出磁感線,D
錯誤。
要點三　安培定則的理解及應用
如圖所示,螺線管內部小磁針靜止時N極指向右方。
(1)螺線管內部磁場沿什么方向 螺線管c、d端,哪端為N極
(2)若小磁針放在螺線管上方e處,靜止時N極指向什么方向
(3)電源的a、b端,哪端為正極
答案:(1)由c指向d,d端為N極。
(2)水平向左。
(3)a端。
1.常見永磁體的磁場
2.三種常見電流的磁場
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,磁感線越向外越稀疏,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
[例3] 當導線中分別通以圖示方向的電流,小磁針靜止時N極指向紙外的是(　A　)
解析:由安培定則可知,A圖導線下方磁場垂直紙面向外,故小磁針N極會指向紙外,A正確;B圖螺線管內部磁場向左,故小磁針N極指向左,B錯誤;C圖小磁針處的磁場垂直紙面向內,故小磁針N極指向紙內,C錯誤;D圖環形電流內部磁場垂直紙面向內,故小磁針N極指向紙內,D錯誤。
(1)磁場是分布在立體空間的。
(2)利用安培定則不僅可以判斷磁場的方向,還可以根據磁場的方向判斷電流的方向。
(3)應用安培定則判定直線電流時,四指所指的是導線之外磁場的方向;判定環形電流和通電螺線管電流時,拇指的指向是線圈軸線上磁場的方向。
(4)環形電流相當于小磁針,通電螺線管相當于條形磁鐵,應用安培定則判斷時,拇指所指的一端為它的N極。
[針對訓練3] 如圖所示,a、b是直線電流的磁場,c、d是環形電流的磁場,e、f是通電螺線管的磁場,試在各圖中補畫出電流方向或磁感線方向。
解析:根據安培定則,可以確定a中電流方向垂直紙面向里,b中電流方向從下向上,c中電流方向沿逆時針,d中磁感線方向向下,e中螺線管內磁感線方向向左,螺線管外磁感線方向從左向右,f中磁感線方向向右。
答案:如圖所示
地磁場
　　地磁場是地球周圍空間分布的磁場。它的地磁南極在地理北極附近,地磁北極在地理南極附近;地磁兩極與地理兩極并不完全重合,存在磁偏角,磁感線的分布特點是赤道附近磁場的方向是水平的,兩極附近則與地表垂直,赤道處磁場最弱,兩極最強。
　　在北半球,地磁場的方向斜向下指向地面;在南半球,地磁場的方向斜向上背離地面。地磁場B的水平分量(Bx)總是從地球南極指向北極;而豎直分量(By)則南北相反,在南半球垂直地面向上,在北半球垂直地面向下,如圖所示。
[示例] 中國宋代科學家沈括在《夢溪筆談》中最早記載了地磁偏角:“以磁石磨針鋒,則能指南,然常微偏東,不全南也。”進一步研究表明,地球周圍地磁場的磁感線分布示意如圖所示。結合上述材料,下列說法正確的是(　D　)
A.地理南、北極與地磁場的南、北極完全重合
B.地球內部不存在磁場,地磁南極在地理北極附近
C.地球表面任意位置的地磁場方向都與地面平行
D.信鴿可以借助地磁場來辨別方向
解析:地理南、北極與地磁場的南、北極不重合,有一定的夾角,即為磁偏角,故A錯誤;磁感線是閉合的曲線,地球內部也存在磁場,地磁南極在地理北極附近,故B錯誤;地球磁場從南極附近發出,從北極附近進入地球,其磁感線組成閉合曲線,曲線的切線為該點磁場的方向,故C錯誤;信鴿體內具有某種磁性物質,可以借助地磁場辨別方向,故D正確。
磁懸浮列車
　　磁懸浮列車是一種現代高科技軌道交通工具,它通過電磁力實現列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導向,再利用直線電機產生的電磁力牽引列車運行。1922年,德國工程師赫爾曼·肯佩爾提出了電磁懸浮原理,繼而申請了磁懸浮列車專利。20世紀70年代以后,隨著工業化國家經濟實力不斷增強,為提高交通運輸能力以適應其經濟發展和民生的需要,德國、日本、美國等國家相繼開展了磁懸浮運輸系統的研發。世界第一條磁懸浮列車示范運營線2003年1月開始在上海運營。2015年10月,中國首條國產磁懸浮線路長沙磁浮線成功試跑。2019年5月23日,中國時速600公里高速磁浮試驗樣車在青島下線。
[示例] (多選)超導是當今高科技的熱點之一,當一塊磁體靠近超導體時,超導體中會產生強大的電流,對磁體有排斥作用,這種排斥力可使磁體懸浮在空中,磁懸浮列車就采用了這項技術。磁體懸浮的原理是(　BD　)
A.超導體中電流產生的磁場方向與磁體的磁場方向相同
B.超導體中電流產生的磁場方向與磁體的磁場方向相反
C.超導體使磁體處于失重狀態
D.超導體對磁體的作用力與磁體的重力相平衡
解析:超導體中電流產生的磁場方向與磁體的磁場方向相反,產生了排斥力,這種排斥力可以使磁體懸浮于空中,故A錯誤,B正確;排斥力可以使磁體懸浮于空中,所以超導體對磁體的作用力與磁體的重力平衡,磁體既沒有超重,也沒有失重,故C錯誤,D正確。
課時作業
1.下列關于磁場和磁感線的說法正確的是(　C　)
A.磁感線總是從磁體的N極出發,到S極終止,所以是不閉合的
B.磁感線可以形象地描述磁場的強弱和方向,是真實存在的
C.磁場和電場一樣,也是一種物質
D.磁感線就是細鐵屑在磁場周圍排列出的曲線
解析:磁感線在磁體的外部是從磁體的N極到S極,在磁體的內部是從S極指向N極,磁體內部的磁感線與外部的磁感線形成閉合曲線,故A錯誤;磁感線可以形象地描述磁場的強弱和方向,但不是真實存在的,故B錯誤;磁場和電場一樣,也是一種客觀存在的物質,故C正確;細鐵屑在磁場周圍排列出的曲線可以形象地反映磁場的分布,但不是磁感線,故D錯誤。
2.如圖所示,假如將一個小磁針放在地球的北極附近的磁極上方,那么小磁針的N極將(　D　)
A.指北
B.指南
C.豎直向上
D.豎直向下
解析:地球北極附近的磁極是地磁場的S極,其上方磁場方向豎直向下,故小磁針的N極將豎直向下,選項D正確。
3.如圖,一個帶負電的橡膠圓盤處在豎直面內,可以繞過其圓心的水平軸高速旋轉,當它不動時,放在它左側軸線上的小磁針處于靜止狀態。當橡膠圓盤從左向右看逆時針高速旋轉時,小磁針的N極(　A　)
A.向右旋轉
B.向左偏轉
C.仍不偏轉
D.僅改變圓盤的轉動方向,偏轉方向不變
解析:電流與負電荷的運動方向相反,則圓盤上的電流方向與旋轉方向相反;再由安培定則可知磁場的方向:左端為S極,右端為N極。由于異名磁極相互吸引,因此小磁針的N極向右旋轉,故A正確。
4.如圖所示,在水平地面上的磁體上方,小輝提著掛在彈簧測力計上的小磁體(下部N極),向右緩慢移動,沿圖示水平路線從A緩慢移到B。則下列圖中能反映彈簧測力計示數F隨位置變化的是(　C　)
解析:條形磁體兩極磁性最強而中間磁性最弱,且同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引,當掛著的小磁體向右移動時,相互吸引力逐漸減小,而越過大磁體中點后,相互排斥力逐漸增大,故可以得出彈簧測力計的示數從A端到B端是逐漸變小的,選項C正確。
5.(多選)磁力玻璃擦是目前很時尚的玻璃清潔器,其原理是利用異名磁極的吸引作用可使玻璃外面的一片跟著里面的一片運動,如圖分別為某玻璃擦改進前和改進后的原理圖,關于兩種磁力玻璃擦是否容易脫落的主要原因,下列說法中正確的是(　AC　)
A.甲圖中前、后面的同名磁極間距較小,同名磁極相互斥力大,容易
脫落
B.甲圖中前、后面的異名磁極間距較小,異名磁極相互引力大,不容易脫落
C.乙圖中前、后面的同名磁極間距較大,同名磁極相互斥力小,不容易脫落
D.乙圖中前、后面的異名磁極間距較大,異名磁極相互引力小,容易
脫落
解析:甲圖中前、后面的同名磁極間距較小,當前、后玻璃相互間位置變化時,使得同名磁極相互斥力迅速變大,同名磁極間作用起主要作用,導致容易脫落,故A正確,B錯誤;乙圖中前、后面的同名磁極間距較大,當前、后玻璃相互間位置變化時同名磁極相互斥力幾乎不變,異名磁極間作用起主要作用,故不容易脫落,故C正確,D錯誤。
6.(多選)如圖所示,能自由轉動的小磁針水平放置在桌面上。當有一束帶電粒子沿與磁針指向平行的方向從小磁針上方水平飛過時,所能觀察到的現象是(　BCD　)
A.小磁針不動
B.若是正電荷飛過,小磁針會發生偏轉
C.若是負電荷飛過,小磁針會發生偏轉
D.若是一根通電導線沿與小磁針指向平行的方向放置在小磁針上方,小磁針會發生偏轉
解析:電流是由運動電荷產生的,當電荷在小磁針上方運動時也會形成電流,從而形成磁場,通電導線周圍也存在磁場,這兩種磁場是等效的,均會使小磁針發生轉動,故A錯誤,B,C,D正確。
7.19世紀20年代,以塞貝克為代表的科學家已認識到,溫度差會引起電流,安培考慮到地球自轉造成了太陽照射后正面與背面的溫度差,從而提出如下假說:地磁場是由繞地球的環形電流引起的。則該假說中的電流方向是(　B　)
A.由西向東垂直于磁子午線
B.由東向西垂直于磁子午線
C.由南向北沿磁子午線方向
D.由赤道向兩極沿磁子午線方向
解析:地球內部磁感線方向由地理北極指向地理南極,如圖所示,則從上往下看,由安培定則可知電流方向為順時針方向,即自東向西,選項B正確。
8.如圖所示為磁場、磁場作用力演示儀中的赫姆霍茲線圈,當在線圈中心處掛上一個小磁針,且與線圈在同一平面內,則當赫姆霍茲線圈中通以如圖所示方向的電流時(　A　)
A.小磁針N極向里轉
B.小磁針N極向外轉
C.小磁針在紙面內向左擺動
D.小磁針在紙面內向右擺動
解析:根據安培定則,通入電流時線圈內部軸線上磁感線方向垂直于紙面向里,而小磁針N極受力方向和磁感線方向相同,故小磁針N極向里轉,選項A正確。
9.如圖所示,一個電子沿逆時針方向做圓周運動,則對于電子的運動下列說法正確的是(　C　)
A.不產生磁場
B.只在圓周的內側產生磁場
C.產生磁場,圓心處的磁場方向垂直于紙面向里
D.產生磁場,圓心處的磁場方向垂直于紙面向外
解析:電子沿逆時針方向做圓周運動,形成的電流方向為順時針方向,電子的運動將在圓周的內側、外側均產生磁場,由安培定則可知圓心處的磁場方向垂直于紙面向里,選項C正確。
10.(多選)如圖所示是云層之間閃電的模擬圖,圖中A、B是位于北、南方向帶有電荷的兩塊陰雨云,在放電的過程中,兩云的尖端之間形成了一個放電通道,發現位于通道正上方的小磁針N極轉向紙里,S極轉向紙外,則關于A、B的帶電情況,下列說法中正確的是(　BD　)
A.帶同種電荷 B.帶異種電荷
C.B帶正電 D.A帶正電
解析:由于小磁針N極轉向紙里,可知該點磁場方向向里,根據安培定則可知,A、B間存在由A向B的電流,由此可知A帶正電,B帶負電,選項B,D正確。
11.如圖所示,長直導線AB、螺線管C、電磁鐵D三者串聯在同一電路中,它們之間相距較遠,產生的磁場互不影響,開關S閉合后,圖中所示的四個可自由轉動的小磁針a、b、c、d的北極靜止時的指向正確的是(　B　)
A.a B.b C.c D.d
解析:可自由轉動的小磁針在磁場中靜止時的北極指向與其所在處磁感線的方向一致,通電直導線AB周圍的磁感線是以導線AB上各點為圓心的同心圓,且都在與導線垂直的平面上,其方向為逆時針方向(俯視),A錯誤;通電螺線管C周圍的磁感線分布與條形磁鐵周圍的磁感線分布相似,可知小磁針b處的磁感線方向由右指向左,小磁針c處的磁感線方向由左指向右,B正確,C錯誤;電磁鐵D周圍的磁感線分布與蹄形磁鐵周圍的磁感線分布相似,可知小磁針d處的磁感線方向是由左指向右,D錯誤。
12.裝有鐵芯的螺線管叫電磁鐵,巨大的電磁鐵能吸起很重的鋼鐵,如圖甲所示。現有一個如圖乙所示的繞有兩個線圈的鐵芯,要使其產生磁性且左端為N極,其四個接頭與電源應怎樣連接
解析:使鐵芯產生磁性并且左端為N極,可有以下五種接法:
(1)只用a、c線圈,a端接電源正極,c端接電源負極。
(2)只用b、d線圈,b端接電源正極,d端接電源負極。
(3)a、b相接,接電源正極,c、d相接,接電源的負極。
(4)b、c相接,a接電源的正極,d接電源的負極。
(5)a、d相接,b接電源的正極,c接電源的負極。
答案:見解析2　磁感應強度　磁通量
學習目標 成長記錄
1.理解磁感應強度的概念,知道磁感應強度是描述磁場強弱和方向的物理量。 知識點一&要點一
2.認識勻強磁場,知道勻強磁場的特點。 知識點一
3.知道磁通量的概念,并會計算磁通量。 知識點二&要點二
知識點一　磁感應強度
1.勻強磁場
(1)定義:如果磁場中各點的磁場強弱和方向都相同,或者說該區域內磁感線相互平行且間距相等,這個磁場叫作勻強磁場。
(2)實例:
①兩個永磁體的異名磁極之間的磁場,除邊緣部分外,可以認為是勻強磁場,如圖所示。
②兩個平行放置的、相距較近的通電線圈間的磁場可近似為勻強磁場,如圖所示。
2.磁感應強度
(1)物理意義:磁感應強度是描述磁場強弱和方向的物理量。
(2)方向:小磁針N極的受力方向,即磁場方向。
(3)公式:B=。
(4)單位:在國際單位制中,磁感應強度的單位是特斯拉,簡稱特,符號是T。1 T=1 。
知識點二　磁通量
1.定義:在磁感應強度為B的勻強磁場中,有一塊垂直于磁感線方向的面積為S的平面,我們定義BS為穿過這個面積的磁通量,簡稱磁通。
2.計算公式:Φ=BS(平面與磁場垂直);若面積為S的平面的垂線與磁場方向的夾角為θ,則Φ=BScos θ。
3.單位:在國際單位制中是韋伯,簡稱韋,符號是Wb,1 Wb=1 T·m2。
1.思考判斷
(1)磁感應強度的方向就是磁場方向。(　√　)
(2)磁感應強度只描述磁場的強弱,而不描述磁場的方向。(　×　)
(3)磁感應強度大小處處相等的區域是勻強磁場。(　×　)
(4)磁通量不僅有大小而且有方向,所以是矢量。(　×　)
(5)勻強磁場的磁感線間隔相等、互相平行。(　√　)
(6)若穿過某一面積的磁通量為0,則該處一定沒有磁場。(　×　)
2.思維探究
(1)運用靜止在磁場中的小磁針可以規定磁感應強度的方向,為何不能類似于定義“電場強度”來確定“磁感應強度”的大小
(2)若通過某面積的磁通量等于零,則該處一定無磁場,你認為對嗎
答案:(1)小磁針可以確定方向,但小磁針有兩個磁極,不能確定所受力的大小,無法由比值方法定義磁感應強度。
(2)不對,磁通量除了與磁感應強度、面積有關外,還與平面和磁場的夾角有關,當平面與磁場平行時,磁通量為零,但存在磁場。
要點一　對磁感應強度的理解
“一個電流元垂直放入磁場中的某點,磁感應強度與電流元受到的力成正比,與電流元成反比。”這種說法是否正確 為什么
答案:這種說法不正確;磁感應強度的大小是由磁場本身決定的,不隨電流元大小及電流元所受力的大小的變化而變化。即使不放入電流元,磁感應強度也照樣存在。
1.定義式B=的理解
(1)適用條件:通電導線垂直磁場放置。
(2)定義式B=適用于任何磁場,在非勻強磁場中IL為電流元,相當于電場中的“試探電荷”。
(3)B與F和IL的關系:磁場在某位置的磁感應強度的大小與方向是客觀存在的,與通過導線的電流大小、導線的長短無關,故不能說“B與F成正比”或“B與IL成反比”,但可以通過I、L和F的測量求B。
2.磁感應強度B的方向
某點磁感應強度的方向不是放在該處的通電導線的受力方向。它的方向有以下幾種表述方式:
(1)小磁針靜止時N極所指的方向,或小磁針靜止時S極所指的反方向。
(2)小磁針N極受力的方向(不論小磁針是否靜止),或S極受力的反方向。
(3)磁感應強度的方向就是該點的磁場方向。
[例1] 勻強磁場中長2 cm的通電導線垂直于磁場方向放置,當通過導線的電流為2 A時,它受到的磁場力大小為4×10-3 N,問:該處的磁感應強度B是多大 若磁場、電流不變,導線長度減小到 1 cm,該處的磁感應強度又是多大
解析:由磁感應強度的表達式B=得到B= T=0.1 T,磁感應強度由磁場本身來決定,與導線長度無關,故導線長度減小到1 cm時,磁感應強度仍為0.1 T。
答案:0.1 T　0.1 T
關于磁感應強度問題的兩點提醒
(1)磁感應強度取決于磁場本身,與是否放入通電導線、通電導線受力的大小及方向無關。
(2)B=是指電流方向與磁場方向垂直時,為定值,該定值能反映磁場的強弱,并把它定義為磁感應強度。
[針對訓練1] 關于磁感應強度,下列說法正確的是(　B　)
A.根據B=可知,在磁場中某確定位置,磁感應強度與磁場力成正比,與電流和導線長度的乘積成反比
B.一小段通電直導線放在磁感應強度為零的位置上,它受到的磁場力一定等于零
C.一小段通電直導線在空間某處不受磁場力作用,那么該處的磁感應強度一定為零
D.磁場中某處的磁感應強度的方向,跟電流在該處所受磁場力的方向相同
解析:B=是采用比值法定義的,B與F、IL等無關,不能說B與F成正比,與IL成反比,故A錯誤;磁感應強度的方向就是小磁針北極所受磁場力的方向,選項B正確;由于通電導體在磁場中所受磁場的作用力除與B、I、L有關外,還與放置情況有關,通電導體不受磁場力并不說明該處無磁場,磁感應強度B也不一定等于,選項C,D 錯誤。
要點二　磁通量的理解和計算
(1)如圖所示,平面S在垂直于磁場方向上的投影面積為S′,則通過面積S的磁通量是多大
(2)若磁場增強,即B增大,通過面積S的磁通量是否增大
答案:(1)BS′。
(2)由Φ=BS′可知,B增大時,通過面積S的磁通量增大。
1.磁通量的物理意義
表示磁場中穿過某一平面的磁感線條數,且為穿過的磁感線的凈條數。
2.磁通量的計算
(1)勻強磁場,磁感線與平面垂直時:Φ=BS。
(2)勻強磁場,磁感線與平面不垂直時:Φ=BSsin θ,公式中的θ是平面與磁感線的夾角,Ssin θ是平面在垂直于磁感線方向的投影面積。
3.磁通量的正、負值含義
(1)磁通量是標量,但有正、負。若規定磁感線從某平面穿入時,磁通量為正值,則磁感線從該平面穿出時即為負值。
(2)若某一平面有正反兩個方向的磁感線穿過,穿過正向的磁通量為Φ1,反向的磁通量為Φ2,則穿過該平面的磁通量Φ=Φ1-Φ2。
[例2] 如圖所示,線圈平面與水平方向夾角θ=60°,線圈平面面積S=0.4 m2,勻強磁場磁感應強度B=0.6 T,方向豎直向下。
(1)穿過線圈的磁通量Φ為多少
(2)把線圈以cd為軸順時針轉過120°角,則通過線圈磁通量的變化量大小為多少
解析:(1)線圈在垂直磁場方向上的投影面積
S⊥=Scos 60°=0.4× m2=0.2 m2,
穿過線圈的磁通量
Φ=BS⊥=0.6×0.2 Wb=0.12 Wb。
(2)線圈以cd為軸順時針方向轉過120°角后變為與磁場垂直,但由于此時磁感線從線圈平面穿入的方向與原來相反,此時通過線圈的磁通量
Φ2=-BS=-0.6×0.4 Wb=-0.24 Wb,
故磁通量的變化量
ΔΦ=|Φ2-Φ1|=|(-0.24)-0.12| Wb
=0.36 Wb。
答案:(1)0.12 Wb　(2)0.36 Wb
求ΔΦ的三種方法
導致磁通量變化的原因不同,求解磁通量變化量的方法也有差異,常見以下三種情景:
(1)磁感應強度B不變,由于有效面積S發生變化導致磁通量變化,此時ΔΦ=B·ΔS。
(2)面積S不變,由于磁感應強度B發生變化導致磁通量變化,此時ΔΦ=ΔB·S。
(3)磁感應強度B和有效面積S均發生變化,這種情況的ΔΦ=B2S2-B1S1,不能用ΔB·ΔS求解磁通量變化量。
[針對訓練2]
如圖,A、B圓環共面且彼此絕緣,對A圓環通電,圖中區域Ⅰ、Ⅱ面積相等。設Ⅰ中的磁通量為ФⅠ,Ⅱ中的磁通量為ФⅡ,則ФⅠ、ФⅡ大小關系為(　A　)
A.ФⅠ>ФⅡ B.ФⅠ<ФⅡ
C.ФⅠ=ФⅡ D.無法確定
解析:根據安培定則可知,該環形電流的磁場在A圓環內磁場的方向垂直于紙面向里,在A圓環外的磁場方向垂直于紙面向外;而A圓環內部的磁感應強度大于外部的磁感應強度,可知當區域Ⅰ、Ⅱ面積相等時,Ⅰ中的磁通量ФⅠ大于Ⅱ中的磁通量ФⅡ,故A正確,B,C,D錯誤。
磁感應強度的疊加
1.磁感應強度是矢量,當空間存在幾個磁體(或電流)時,某點的磁場為各個磁體(或電流)在該點產生磁場的矢量和。
2.對于幾個電流產生的磁場,先用安培定則確定電流在某點的磁場方向,然后運用平行四邊形定則將幾個磁感應強度合成。
[示例] 有兩根長直導線a、b互相平行放置,如圖所示為導線的截面圖。在圖示的平面內,O點為兩根導線連線的中點,M、N為兩根導線附近的兩點,它們在兩導線連線的中垂線上,且與O點的距離相等。若兩導線中通有大小相等、方向相同的恒定電流I,則下列關于線段MN上各點的磁感應強度的說法正確的是(　D　)
A.M點和N點的磁感應強度大小相等,方向相同
B.M點和N點的磁感應強度大小不等,方向相反
C.在線段MN上各點的磁感應強度都不可能為零
D.在線段MN上只有一點的磁感應強度為零
解析:根據安培定則判斷可知,兩根通電導線產生的磁場方向均沿逆時針方向,M、N關于O點對稱,兩根通電導線在M、N兩點產生的磁感應強度大小相等,根據平行四邊形定則進行合成可得,M點和N點的磁感應強度大小相等,M點磁場方向向下,N點磁場方向向上,故A,B錯誤;只有當兩根通電導線在某一點產生的磁感應強度大小相等、方向相反時,合磁感應強度才為零,分析可知只有O點的磁感應強度為零,故C錯誤,D正確。
電流天平
　　磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質,但卻是客觀存在的。磁場充斥在我們的生活中,電子設備周圍存在磁場,醫療技術中也廣泛應用了磁場,比如核磁共振。地磁變化幫助人們認識地球變化、勘探地質,因此,磁場的測量已成為生活中必不可少的環節。
　　電流天平是用來測量兩平行通電導體之間的力或用以測量磁感應強度的儀器,如圖甲所示。天平橫臂用環氧樹脂覆銅板制成,圖乙是天平橫臂側視圖,圖丙是它的俯視圖。橫臂上的“U”形導體一端直接與一個黃銅刀口相通,另一端通過轉換開關與另一個刀口連通。改變轉換開關的位置,可選擇“U”形導體受力部分的長度為CD段(40 mm)或C′D段(20 mm)。橫臂上的兩個刀口在使用時各放在一個黃銅刀槽上。刀槽裝在銅支架的上部,起著支持天平橫臂和通電觸點的雙重作用。銅支架的下端分別用導線與底座左邊的兩接線柱連接。激磁線圈接在底座右邊的兩接線柱下端。
　　圖乙中,裝在轉換開關旁邊的平衡螺母兼作為轉換開關旋鈕。用平衡螺母可以調節橫臂的重心位置。當重心位置低于兩刀口的支點所連成的直線時,重心愈往下移,橫臂的穩定性愈好,但靈敏度降低;重心愈接近支點連線,橫臂靈敏度愈高,但愈不易穩定。橫臂上還裝有平衡螺母,鉤碼掛鉤和一個指針。
[示例] 如圖甲、乙所示是實驗室里用來測量磁場力的一種儀器——電流天平,某同學在實驗室里,用電流天平測算通電螺線管中的磁感應強度,他測得的數據記錄如下,請你算出通電螺線管中的磁感應強度B。
已知:CD段導線長度為4×10-2 m;天平平衡時鉤碼重力為4×10-5 N;通過導線的電流為 0.5 A。
解析:由題意知,I=0.5 A,G=4×10-5 N,l=4×10-2 m。電流天平平衡時,導線所受磁場力的大小等于鉤碼的重力,即F=G,
由磁感應強度的定義式B=得
B== T=2×10-3 T,
所以,通電螺線管中的磁感應強度為2×10-3 T。
答案:2×10-3 T
課時作業
1.(多選)一電流元放在同一勻強磁場中的四個位置,如圖所示,已知電流元的電流I、長度L和受力F,則可以用表示磁感應強度B的是(　AC　)
解析:當通電導線垂直于磁場方向時,可用表示磁感應強度B。B,D中電流的方向不與磁場方向垂直,不可用表示磁感應強度,選項A,C正確。
2.關于磁感應強度B,電流I、導線長度L和電流所受磁場力F的關系,下面的說法中正確的是(　A　)
A.在B=0的地方,F一定等于零
B.在F=0的地方,B一定等于零
C.若B=1 T,I=1 A,L=1 m,則F一定等于1 N
D.若L=1 m,I=1 A,F=1 N,則B一定等于1 T
解析:在無磁場處,通電導線一定不受磁場力,但由于通電導線所受磁場力與導線放置情況還有關,說明不受磁場力處磁感應強度不一定為0,選項A正確,B錯誤;公式B=或F=ILB只適用于通電導線垂直于磁場方向的情況,選項C,D錯誤。
3.(多選)有一段直導線長為0.5 cm,通以4 A電流,把它置于磁場中的某點時,受到的磁場力為0.2 N,則該點的磁感應強度B的值可能是(　CD　)
A.5 T B.8 T C.10 T D.13 T
解析:當通電導線垂直放入磁場時,由公式B=得B= T=10 T,若不是垂直放入磁場時,則磁感應強度比10 T要大,所以該點磁感應強度可能值為≥10 T,選項C,D正確。
4.先后在磁場中A、B兩點引入長度相等的短直導線,導線與磁場方向垂直。如圖所示,圖中a、b兩圖線分別表示在磁場中A、B兩點導線所受的力F與通過導線的電流I的關系。下列說法中正確的是(　B　)
A.A、B兩點磁感應強度相等
B.A點的磁感應強度大于B點的磁感應強度
C.A點的磁感應強度小于B點的磁感應強度
D.無法比較磁感應強度的大小
解析:導線受到的磁場力F=ILB=BL·I,對于題圖給出的FI圖線,直線的斜率k=BL,由圖可知ka>kb,又因A、B兩處導線的長度L相同,故A點的磁感應強度大于B點的磁感應強度,選項B正確。
5.兩足夠長直導線均折成直角,按圖示方式放置在同一平面內,EO與O′Q在一條直線上,PO′與OF在一條直線上,兩導線相互絕緣,通有相等的電流I,電流方向如圖所示。若一根無限長直導線通過電流I時,所產生的磁場在距離導線d處的磁感應強度大小為B,則圖中與導線距離均為d的M、N兩點處的磁感應強度大小分別為(　B　)
A.B,0 B.0,2B C.2B,2B D.B,B
解析:兩直角導線可以等效為如圖所示兩直導線,由安培定則可知,兩直導線在M處的磁感應強度方向分別為垂直紙面向里、垂直紙面向外,故M處的磁感應強度為零;兩直導線在N處的磁感應強度方向均為垂直紙面向里,故N處的磁感應強度為2B,故B正確。
6.如圖所示,勻強磁場的磁感應強度為B,方向與水平方向的夾角為30°,一面積為S的矩形線圈處于磁場中,并繞著它的一條邊從水平位置Ⅰ(圖中實線位置)轉到豎直位置Ⅱ(圖中虛線位置)。則在此過程中磁通量的變化量的大小為(　C　)
A.BS B.BS
C.BS D.2BS
解析:取線圈在水平位置時穿過線圈的磁通量為正,則Φ1=
BSsin 30°=BS;線圈處于豎直位置時,磁感線從線圈另一面穿過,磁通量Φ2=-BScos 30°=-BS,故磁通量的變化量為ΔΦ=Φ2-Φ1=
-BS,即變化量的大小為|ΔΦ|=BS,C正確。
7.如圖所示,A為通電線圈,電流方向如圖所示,B、C為與A在同一平面內的兩同心圓,ΦB、ΦC分別為穿過兩圓面的磁通量的大小,下述判斷中正確的是(　A　)
A.穿過兩圓面的磁通量方向是垂直紙面向外
B.穿過兩圓面的磁通量方向是垂直紙面向里
C.ΦB=ΦC
D.ΦB<ΦC
解析:由環形電流的磁場特點可知,全部磁感線在線圈內部垂直紙面向外,在線圈外部全部磁感線向里且分布在很大的空間內,所以B、C圓面都有垂直紙面向里和向外的磁感線穿過,且線圈內部的磁感線條數比線圈外部的磁感線條數多,垂直紙面向外的磁感線條數相同,垂直紙面向里的磁感線條數不同,B圓面的較少,C圓面的較多,所以穿過B、C的磁通量方向垂直紙面向外,且ΦB>ΦC,選項A正確。
8.如圖甲所示,載有電流為I的閉合回路由兩個大小不同的半圓形導線連接而成,兩半圓的圓心重合在O處,已知大半圓導線在圓心O處產生的磁感應強度大小為B1,整個回路在圓心O處產生的磁感應強度大小為B。現保持電流I不變,僅將小半圓導線繞直徑翻轉180°,如圖乙所示,此時整個回路在圓心O處產生的磁感應強度大小為(　A　)
A.B-2B1 B.B+2B1
C.B+B1 D.B-B1
解析:圖甲中大半圓導線在圓心O處產生的磁感應強度大小為B1,設小半圓在圓心O處產生的磁感應強度大小為B2,整個回路在圓心O處產生的磁感應強度大小為B,根據安培定則可知B1和B2均垂直紙面向里,有B=B1+B2,則有B2=B-B1。保持電流I不變,僅將小半圓導線繞直徑翻轉180°,根據對稱性可知小半圓在圓心O處產生的磁感應強度大小依然為B2,方向反向,且B2>B1,則總磁感應強度為B′=B2-B1=B-2B1,即總的磁感應強度大小為(B-2B1),方向垂直紙面向外。故選A。
9.如圖所示,有一個垂直紙面向里的勻強磁場,磁感應強度B=0.8 T,磁場有明顯的圓形邊界,圓心為O,半徑為 10 cm。現于紙面內先后放上a、b兩個圓形單匝線圈,圓心均在O處,a線圈半徑為10 cm,b線圈半徑為15 cm,計算結果均保留兩位有效數字,問:
(1)在B減為0.4 T的過程中,a和b中磁通量分別改變多少
(2)磁感應強度B大小不變,方向繞直徑轉過30°過程中,a線圈中磁通量改變多少
(3)磁感應強度B大小、方向均不變,線圈a繞直徑轉過180°過程中,a線圈中磁通量改變多少
解析:(1)a線圈面積正好與圓形磁場區域重合,
Φ1=Bπr2,Φ2=B1πr2,
ΔΦ=|Φ2-Φ1|=|(B1-B)πr2|=1.3×10-2 Wb。
b線圈面積大于圓形磁場面積,即線圈的一部分面積在磁場區域外,有磁感線穿過的面積與a線圈相同,故磁通量的變化量與a線圈相同。
(2)磁場轉過30°,a線圈面積在垂直磁場方向的投影面積為
πr2cos 30°,
則Φ3=Bπr2cos 30°,
ΔΦ′=|Φ3-Φ1|=Bπr2(1-cos 30°)
=3.4×10-3 Wb。
(3)以線圈a正對讀者的一面為觀察對象,初狀態磁感線從該面穿入,線圈轉180°過后,磁感線從該面穿出,故
ΔΦ″=BS-(-BS)=2BS=5.0×10-2 Wb。
答案:(1)1.3×10-2 Wb　1.3×10-2 Wb
(2)3.4×10-3 Wb　
(3)5.0×10-2 Wb3　電磁感應現象及其應用
學習目標 成長記錄
1.了解電磁感應現象的探索過程,知道電磁感應現象和感應電流概念。 知識點一、二&要點一
2.理解感應電流產生的條件。 知識點三&要點二
3.了解電磁感應規律的發現對社會發展的意義。 知識點四
知識點一　奧斯特實驗的啟迪
　1820年,奧斯特發現了電流的磁效應,即電能生磁。
知識點二　電磁感應現象的發現
1.1831年,法拉第發現了“磁生電”現象,他將“磁生電”現象分為五類:(1)變化中的電流;(2)變化中的磁場;(3)運動中的恒定電流;(4)運動中的磁場;(5)運動中的導線。
2.法拉第將這些“磁生電”現象命名為電磁感應,這些現象中產生的電流叫作感應電流。
知識點三　感應電流產生的條件
1.探究導體棒在磁場中運動是否產生電流
操作 有無電流
導體棒靜止 無
導體棒平行 磁感線運動 無
導體棒切割 磁感線運動 有
實驗表明:當閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時,電路中有感應電流產生。
2.模仿法拉第的實驗
操作觀察 電流表指針偏轉情況 (填“偏轉”或“不偏轉”)
A全部 在B中 A在B的 正上方 A、B相 互垂直
開關接通瞬間 偏轉 偏轉 不偏轉
電流穩定 不偏轉 不偏轉 不偏轉
開關斷開瞬間 偏轉 偏轉 不偏轉
滑動變阻器 電阻減小 偏轉 偏轉 不偏轉
滑動變阻器 電阻增大 偏轉 偏轉 不偏轉
實驗表明:只要穿過閉合導體回路的磁通量發生變化,閉合導體回路中就產生感應電流。
知識點四　電磁感應規律的發現對社會發展的意義
1.發電機利用電磁感應的原理,能夠把機械能轉化為電能,擴大了人們利用能源的途徑;變壓器的發明使電能大規模應用成為可能;感應電動機的出現,使人類進入了電氣時代。
2.電磁感應還被廣泛地應用于各種電路控制器件、傳感器、電子技術和信息技術之中,為生產、生活和科研等各個領域的電氣化、自動化、信息化奠定了基礎。
3.電磁感應的發現,對于人們認識物質世界及其統一性,在科學思想和科學方法的發展和創新等方面,有著深刻的意義。
4.在法拉第發現電磁感應的基礎上,麥克斯韋建立了電磁場理論,并預言了電磁波的存在,為信息時代的到來奠定了基礎。
1.思考判斷
(1)法拉第不但發現了電流的磁效應,還發現了電磁感應現象。(　×　)
(2)“磁生電”是一種在變化、運動的過程中才能出現的效應。(　√　)
(3)閉合線圈內有磁場,就有感應電流。(　×　)
(4)穿過閉合線圈的磁通量發生變化,一定能產生感應電流。(　√　)
(5)閉合線圈和磁場發生相對運動,不一定能產生感應電流。(　√　)
2.思維探究
(1)引起閉合電路中的磁通量變化的因素有哪些
(2)
如圖所示,把一條大約10 m長電線的兩端連在一個靈敏電流計的兩個接線柱上,形成閉合導體回路。兩個同學迅速搖動這條導線,可以發電嗎 你認為兩個同學沿哪個方向站立時,發電的可能性比較大
答案:(1)引起磁通量變化的因素有:①磁感應強度B發生變化;②閉合電路的面積發生變化;③磁感應強度B和線圈平面的夾角θ發生變化。
(2)可以發電。由于地磁場是南北方向的,兩個同學沿東西方向站立,搖動這條導線,穿過回路的磁通量發生變化就有感應電流產生。
要點一　電磁感應現象發現的過程
(1)奧斯特發現電流的磁效應引發了怎樣的思考 法拉第對此持有怎樣的觀點
(2)法拉第經歷了大量的失敗,失敗的原因是什么
答案:(1)奧斯特發現電流的磁效應引發了科學家們從電流磁效應的對稱角度的思考:既然電流能夠引起磁針的運動,那么磁體也會使導線產生電流。法拉第堅信:磁與電之間應該有類似的“感應”。
(2)失敗的主要原因在于,他認為既然奧斯特的實驗表明有電流就有磁場,那么有了磁場自然就應該有電流,他在實驗中用的都是恒定電流產生的磁場。
1.奧斯特的“電生磁”
電流的磁效應顯示了載流導體對磁針的作用力,揭示了電現象與磁現象之間存在的某種聯系。奧斯特實驗中,通電導線南北方向放置,導線下面的小磁針發生偏轉。
2.法拉第的“磁生電”
“磁生電”是一種在變化、運動的過程中才出現的效應,法拉第把引起電流的原因概括為五類,它們都與變化和運動相聯系,這就是:變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體。
[例1] (多選)下列說法正確的是(　CD　)
A.發現電磁感應現象的科學家是奧斯特,發現電流的磁效應的科學家是法拉第
B.奧斯特的思維和實踐沒有突破當時人類對電和磁認識的局限性
C.產生感應電流的原因都與變化或運動有關
D.電磁感應現象的發現使人們找到了“磁生電”的方法,開辟了人類的電氣化時代
解析:發現電磁感應現象的科學家是法拉第。奧斯特發現了電流的磁效應,他的思維和實踐突破了人類對電與磁認識的局限性,A、B錯誤;產生感應電流的原因都與變化或運動有關,C正確;電磁感應現象的發現,宣告了電磁學的誕生,開辟了人類的電氣化時代,D正確。
要點二　感應電流的產生條件
　如圖所示,若將線框abcd放在如圖位置,則線框上下、左右振動時,是否產生感應電流
答案:上下、左右振動時,都產生感應電流。
1.感應電流產生的兩個條件:
(1)電路閉合;
(2)穿過電路的磁通量發生變化。
2.穿過閉合電路的磁通量發生變化,常見的情況有以下幾種:
(1)磁感應強度B不變,線圈面積S發生變化,如閉合電路的一部分導體切割磁感線時。
(2)線圈面積S不變,磁感應強度B發生變化,如線圈與磁體之間發生相對運動時或者磁場是由通電螺線管產生而螺線管中的電流變化時。
(3)磁感應強度B和線圈面積S同時發生變化,此時可由ΔΦ=Φ1-Φ0計算并判斷磁通量是否變化。
(4)線圈面積S不變,磁感應強度B也不變,但二者之間夾角發生變化,如線圈在磁場中轉動時。
[例2] 下列給出了與感應電流產生條件相關的四幅情景圖,其中判斷正確的是(　D　)
A.圖甲,金屬圓形線圈水平放置在通電直導線的正下方,增大電流,線圈中有感應電流
B.圖乙,正方形金屬線圈繞豎直虛線轉動的過程中,正方形線圈中持續有感應電流
C.圖丙,正電荷q順時針做減速圓周運動過程中,同心共面金屬線圈中沒有感應電流
D.圖丁,金屬桿在外力F作用下向右運動過程中,若磁場減弱,回路不一定會產生感應電流
解析:圖甲,圓形線圈的放置位置使直導線電流產生的磁場穿過線圈的磁通量為零,即使增大電流,磁通量不變且保持為零,線圈中不會有感應電流產生,故選項A錯誤;圖乙,正方形線圈由圖示位置繞豎直虛線轉動90°后的半個圓周內,磁通量不變且保持為零,此過程線圈中無感應電流,而在磁場中轉動的半個圓周線圈中有感應電流,所以正方形線圈中無持續的感應電流,選項B錯誤;圖丙,正電荷q順時針做減速圓周運動表明等效電流順時針減小,產生的磁場減弱,穿過金屬線圈的磁通量發生了變化,所以線圈中有感應電流產生,選項C錯誤;圖丁,金屬桿在力F作用下向右運動過程中,閉合線圈面積增大,若磁場減弱,則穿過閉合線圈的磁通量不一定改變,回路中不一定會產生感應電流,故選項D正確。
對感應電流產生條件的兩點理解
(1)在閉合回路中是否產生感應電流,取決于穿過閉合回路的磁通量是否發生變化,而不取決于穿過閉合回路磁通量的大小。
(2)閉合回路的部分導體做切割磁感線運動是引起閉合回路磁通量變化的具體形式之一。但閉合回路的部分導體做切割磁感線運動時,不一定總會引起閉合回路的磁通量變化。如圖所示,矩形線框abcd在范圍足夠大的勻強磁場中,在垂直磁場的平面內向右平動,雖然ad、bc邊都切割磁感線,但磁場穿過閉合回路abcd的磁通量沒有變化,因而沒有產生感應電流。
[針對訓練] 下列情況能產生感應電流的是(　D　)
A.如圖甲所示,導體AB沿著磁感線方向運動時
B.如圖乙所示,條形磁體插入線圈中不動時
C.如圖丙所示,小螺線管A插入大螺線管B中不動,開關S一直接通,滑動變阻器滑片的位置不變時
D.如圖丙所示,小螺線管A插入大螺線管B中不動,開關S一直接通,當改變滑動變阻器滑片的位置時
解析:產生感應電流的條件是穿過閉合回路的磁通量發生變化,前提條件是電路要閉合,且閉合回路的磁通量發生變化,或者閉合回路的一部分導體做切割磁感線運動,D正確。
法拉第心系“磁生電”
1.法拉第的成功實驗:法拉第發現的電磁感應使人們對電和磁內在聯系的認識更加深入,宣告了電磁學作為一門統一學科的誕生,為電磁學的發展做出了重大貢獻。同時也推動了電氣化時代的到來。
2.法拉第對引起感應電流的原因概括
“磁生電”現象的本質特征是:變化、運動
[示例] (多選)如圖是法拉第最初研究電磁感應現象的裝置,下列說法正確的是(　ABD　)
A.當右邊磁鐵S極離開B端時,線圈中產生感應電流
B.當右邊磁鐵S極離開B端,并在B端附近運動時,線圈中產生感應電流
C.當磁鐵保持圖中狀態不變時,線圈中有感應電流
D.當磁鐵保持圖中狀態不變時,線圈中無感應電流
解析:當磁鐵離開B端或在B端附近運動時,線圈所處位置磁場變化,穿過線圈的磁通量變化,產生感應電流,A,B正確;當磁鐵保持圖中狀態不變時,穿過線圈的磁通量不變,線圈中無感應電流,C錯誤,D正確。
電磁爐
　　電磁爐又名電磁灶,它無需明火或傳導式加熱而讓熱直接在鍋底產生,因此熱效率得到了極大的提高。電磁爐是利用電磁感應加熱原理制成的電氣烹飪器具,由高頻感應加熱線圈(即勵磁線圈)、高頻電力轉換裝置、控制器及鐵磁材料鍋底炊具等部分組成。使用時,加熱線圈中通入交變電流,線圈周圍便產生一交變磁場,交變磁場的磁力線大部分通過金屬鍋體,在鍋底中產生大量渦流,從而產生烹飪所需的熱。在加熱過程中沒有明火,因此安全、衛生。
[示例] 如圖所示,A、B兩線圈繞在同一個鐵環上,線圈A與恒壓電源連接,線圈B與靈敏電流計連接,假設此實驗是在同一個不受外界磁場影響的環境中進行的,下列描述正確的是(　B　)
A.閉合開關瞬間,電流計指針不發生偏轉
B.斷開開關瞬間,電流計指針發生偏轉
C.開關閉合狀態下,線圈A中電流恒定,電流計指針發生偏轉
D.開關斷開狀態下,線圈B中產生的電流很小,電流計指針不偏轉
解析:在開關閉合、斷開瞬間,線圈B中的磁通量會發生變化,產生了感應電流,電流計指針發生偏轉,故A錯誤,B正確;開關閉合狀態下,線圈A中電流恒定,穿過線圈B的磁通量不發生變化,沒有感應電流產生,電流計指針不偏轉,故C錯誤;開關斷開狀態下,線圈B中沒有磁通量的變化,不會產生感應電流,故D錯誤。
課時作業
1.在法拉第時代,下列驗證“由磁產生電”設想的實驗中,能觀察到感應電流的是(　D　)
A.將繞在磁鐵上的線圈與電流表組成一閉合回路,然后觀察電流表的變化
B.在一通電線圈旁放置一連有電流表的閉合線圈,一段時間后觀察電流表的變化
C.將一房間內的線圈兩端與相鄰房間的電流表連接,往線圈中插入條形磁鐵后,再到相鄰房間去觀察電流表的變化
D.繞在同一鐵環上的兩個線圈,分別接電源和電流表,在給線圈通電或斷電的瞬間,觀察電流表的變化
解析:同時滿足電路閉合和穿過電路的磁通量發生變化這兩個條件,電路中才會產生感應電流。本題中的A,B選項都不會使得電路中的磁通量發生變化,不滿足產生感應電流的條件,故A,B錯誤;C選項中磁鐵插入線圈時,雖有短暫電流產生,但未能及時觀察,C項錯誤;在給線圈通電、斷電瞬間,會引起穿過另一線圈的磁通量發生變化,產生感應電流,因此D項正確。
2.下列現象中,屬于電磁感應現象的是(　D　)
A.小磁針在通電導線附近發生偏轉
B.通電線圈在磁場中轉動
C.磁鐵吸引小磁針
D.因閉合線圈在磁場中運動而產生電流
解析:因閉合線圈在磁場中運動而產生電流,是電磁感應現象,故選項D正確。
3.在電磁感應現象中,下列說法正確的是(　C　)
A.導體相對磁場運動,導體內一定會產生感應電流
B.導體做切割磁感線運動,導體內一定會產生感應電流
C.穿過閉合線圈的磁通量發生變化,線圈中一定有感應電流
D.閉合線圈在磁場中做切割磁感線運動,線圈中一定會產生感應電流
解析:導體相對磁場運動,若運動方向平行于磁場或沒有形成閉合回路,導體內都不會產生感應電流,A錯誤;導體做切割磁感線運動,若沒有形成閉合回路,導體內就不會產生感應電流,B錯誤;穿過閉合線圈的磁通量發生變化,線圈中一定有感應電流,C正確;閉合線圈在磁場中做切割磁感線運動,只要磁通量不變,就不會產生感應電流,D錯誤。
4.如圖所示,繞在鐵芯上的線圈與電源、滑動變阻器和開關組成一閉合回路,在鐵芯的右端套有一個表面絕緣的銅環a,下列各種情況下銅環a中不產生感應電流的是(　A　)
A.線圈中通以恒定的電流
B.通電時,使滑動變阻器的滑片P勻速移動
C.通電時,使滑動變阻器的滑片P加速移動
D.將開關突然斷開的瞬間
解析:線圈中通以恒定電流時,銅環a處磁場不變,穿過銅環的磁通量不變,銅環中不產生感應電流;滑動變阻器滑片移動或開關斷開時,線圈中電流變化,銅環a處磁場變化,穿過銅環的磁通量變化,會產生感應電流,故選A。
5.(多選)如圖所示,A、B兩回路中各有一開關S1、S2,且回路A中接有電源,回路B中接有靈敏電流計,下列操作及相應的結果中可能的是(　AD　)
A.先閉合S2,后閉合S1的瞬間,電流計指針偏轉
B.S1、S2閉合后,在斷開S2的瞬間,電流計指針偏轉
C.先閉合S1,后閉合S2的瞬間,電流計指針偏轉
D.S1、S2閉合后,在斷開S1的瞬間,電流計指針偏轉
解析:回路A中有電源,當S1閉合后,回路中有電流,在回路的周圍產生磁場,回路B中有磁通量,在S1閉合或斷開的瞬間,回路A中的電流從無到有或從有到無,電流周圍的磁場發生變化,從而使穿過回路B的磁通量發生變化,此時若S2是閉合的,則回路B中有感應電流,電流計指針偏轉,所以選項A,D正確。
6.(多選)假如宇航員登月后想探測一下月球表面是否有磁場,他手邊有一只靈敏電流表和一個小線圈,則下列推斷不正確的是(　ABD　)
A.直接將電流表放于月球表面,看是否有示數來判斷磁場的有無
B.將電流表與線圈組成閉合回路,使線圈沿某一方向運動,如電流表無示數,則可判斷月球表面無磁場
C.將電流表與線圈組成閉合回路,使線圈沿某一方向運動,如電流表有示數,則可判斷月球表面有磁場
D.將電流表與線圈組成閉合回路,使線圈在某一平面內沿各個方向運動,如電流表無示數,則可判斷月球表面無磁場
解析:直接將電流表放于月球表面,沒有閉合回路,不會產生感應電流,不能判定磁場的有無,選項A錯誤;將電流表與線圈組成閉合回路,使線圈沿某一方向運動,電流表無示數,但若使線圈沿另一方向運動,電流表可能有示數,故不能說明無磁場,選項B錯誤;如果線圈沿某一方向運動,電流表有示數,則說明月球表面一定有磁場,選項C正確;將電流表與線圈組成閉合回路,使線圈在某一平面內沿各個方向運動,但有可能在這個平面內磁感線與閉合回路平行,沒有磁感線穿過回路,所以不能斷定月球表面有無磁場,選項D錯誤。
7.如圖所示,一通電螺線管b放在閉合金屬線圈a內,螺線管的中心線正好和線圈的一條直徑MN重合。要使線圈a中產生感應電流,可采用的方法有(　D　)
A.將螺線管在線圈a所在平面內轉動
B.使螺線管上的電流發生變化
C.使線圈a以MN為軸轉動
D.使線圈a以與MN垂直的一條直徑為軸轉動
解析:圖中位置,穿過線圈a中的磁通量為零,使螺線管上的電流發生變化,或使螺線管在線圈a所在平面內轉動,或使線圈a以MN為軸轉動,穿過線圈中的磁通量依然總是為零,只有使線圈a以與MN垂直的一條直徑為軸轉動,才能改變穿過線圈中的磁通量,D項正確。
8.(多選)動圈式話筒和磁帶錄音機都應用了電磁感應現象,圖甲所示是話筒原理圖,圖乙所示是錄音機的錄音、放音原理圖,由圖可知(　ABD　)
A.話筒工作時磁鐵不動線圈振動而產生感應電流
B.錄音機放音時變化的磁場在靜止的線圈里產生感應電流
C.錄音機放音時線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產生變化的磁場
D.錄音機錄音時線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產生變化的磁場
解析:話筒工作時,通過閉合線圈振動改變磁通量,產生感應電流,故A正確;錄音時是電生磁,即利用了電流的磁效應原理,放音時是磁生電,即利用了電磁感應原理,故B,D正確,C錯誤。
9.在研究電磁感應現象的實驗中所用的器材如圖所示。它們是:①電流計、②直流電源、③帶鐵芯的線圈A、④線圈B、⑤開關、⑥滑動變阻器。
(1)試按實驗的要求在實物圖上連線(圖中已連好一根導線);
(2)怎樣才能使線圈B中有感應電流產生 試舉出兩種方法。
解析:(1)如圖所示。
(2)將斷開的開關閉合;將閉合的開關斷開;閉合開關后,改變滑動變阻器滑片的位置;閉合開關后,將線圈A插入線圈B;閉合開關后,將線圈A從線圈B中拔出(任選其二)。
答案:見解析
10.如圖所示,有一個100匝的線圈,其橫截面是邊長為L=0.20 m 的正方形,放在磁感應強度B=0.50 T 的勻強磁場中,線圈平面與磁場垂直。若將這個線圈橫截面的形狀由正方形改變成圓形(橫截面的周長不變),則在這一過程中穿過線圈的磁通量改變了多少
解析:線圈橫截面為正方形時的面積
S1=L2=(0.20)2 m2=4.0×10-2 m2,
穿過線圈的磁通量
Φ1=BS1=0.50×4.0×10-2 Wb=2.0×10-2 Wb,
截面形狀為圓形時,其半徑r==,
截面積大小S2=π() 2= m2,
穿過線圈的磁通量
Φ2=BS2=0.50× Wb=2.55×10-2 Wb,
所以,磁通量的變化量
ΔΦ=Φ2-Φ1=(2.55-2.0)×10-2 Wb=5.5×10-3 Wb。
答案:5.5×10-3 Wb4　電磁波的發現及其應用
學習目標 成長記錄
1.知道麥克斯韋電磁場理論的主要內容及重要地位。 知識點一&要點一
2.知道赫茲實驗及其重要意義。 知識點一
3.知道電磁波譜及電磁波的特性。 知識點二&要點二
4.了解電磁波的應用。 知識點三&要點三
知識點一　電磁場
1.麥克斯韋的電磁場理論
(1)變化的磁場能夠在周圍空間產生電場
①若磁場隨時間變化快,產生的電場強。
②磁場隨時間的變化不均勻時,產生變化的電場。
③穩定的磁場周圍不產生電場。
(2)變化的電場能夠在周圍空間產生磁場
①若電場隨時間變化快,則產生的磁場強。
②若電場隨時間的變化不均勻,則會產生變化的磁場。
③穩定的電場周圍不產生磁場。
2.電磁場:變化的電場和變化的磁場交替產生,形成不可分割的統一體,稱為電磁場。
知識點二　電磁波和電磁波譜
1.電磁波:變化的電場和磁場交替產生而形成的電磁場是由近及遠傳播的,這種變化的電磁場在空間的傳播稱為電磁波。
2.電磁波的速度:麥克斯韋從理論上預見了電磁波的存在,并計算出其傳播速度等于光速,指出了光是電磁波的一種形態。
3.電磁波的實驗證實:赫茲第一次用實驗證實了電磁波的存在,還用實驗證明電磁波跟所有波動現象一樣,能產生反射、折射、干涉、衍射等現象,從而證實了麥克斯韋的電磁場理論。
4.電磁波的波長(λ)、頻率(f)、波速(c)的關系:c=λf。
5.在真空中,電磁波的速度c=3.0×108 m/s。
6.電磁波譜
(1)定義:我們按波長(或頻率)的順序把所有電磁波排列起來,稱之為電磁波譜。
(2)排列:按波長由長到短依次為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。
知識點三　電磁波的應用
1.利用電磁波傳遞信息
電磁波可以通過電纜、光纜進行有線傳輸,也可實現無線傳輸。電磁波的頻率越高,相同時間內傳遞的信息量越大,光的頻率比無線電波的頻率高得多,因此光纜可以傳遞更多的信息。
2.利用電磁波的能量
(1)太陽光是大自然饋予我們的最常見、最普遍的電磁波能量,這種清潔能源,被我們通過不同裝置轉化為電能或內能。
(2)微波爐也是利用電磁波的能量來加熱食物的。
1.思考判斷
(1)恒定電流周圍產生磁場,磁場又產生電場。(　×　)
(2)電磁波和光在真空中的傳播速度都是3.0×108 m/s。(　√　)
(3)只要有電場和磁場,就能產生電磁波。(　×　)
(4)電磁波在同種介質中只能沿直線傳播。(　×　)
(5)麥克斯韋預言并驗證了電磁波的存在。(　×　)
2.思維探究
(1)怎樣才能形成電磁波
(2)電磁場與靜電場、磁場相同嗎
(3)如圖,中國女航天員王亞平在“天宮一號”為中小學生授課。思考一下,王亞平授課的視頻是怎樣傳到地面上的
答案:(1)周期性變化的電場周圍產生周期性變化的磁場,這個變化的磁場又引起新的變化的電場,在空間交替變化并傳播出去的電磁場就形成了電磁波。
(2)不同。電磁場是動態的,并且電場和磁場不可分割;靜電場、磁場單獨存在。
(3)通過電磁波來傳遞。
要點一　麥克斯韋電磁場理論的理解
空間存在如圖所示的電場,那么在空間能不能產生磁場 在空間能不能形成電磁波
答案:如圖所示的電場是均勻變化的,根據麥克斯韋電磁場理論可知會在空間激發出磁場,但磁場恒定,不會激發出新的電場,故不會產生電磁波。
1.對麥克斯韋電磁場理論的理解
恒定的電場不產生磁場 恒定的磁場不產生電場
均勻變化的電場在周圍空間產生恒定的磁場 均勻變化的磁場在周圍空間產生恒定的電場
不均勻變化的電場在周圍空間產生變化的磁場 不均勻變化的磁場在周圍空間產生變化的電場
振蕩電場產生同頻率的振蕩磁場 振蕩磁場產生同頻率的振蕩電場
2.電磁場的產生
如果在空間某處有周期性變化的電場,那么這個變化的電場就在它周圍空間產生周期性變化的磁場,這個變化的磁場又在它周圍空間產生變化的電場——變化的電場和變化的磁場是相互聯系著的,形成不可分割的統一體,這就是電磁場。
3.電磁波
變化的電場和變化的磁場總是交替產生的,并且由發生的區域向周圍空間傳播。電磁場由發生區域向遠處的傳播就是電磁波。
[例1] (多選)根據麥克斯韋電磁場理論,下列說法正確的是(　BD　)
A.電場一定能產生磁場,磁場也一定能產生電場
B.變化的電場一定產生磁場
C.穩定的電場也可以產生磁場
D.變化的電場和變化的磁場相互聯系在一起,形成一個統一的、不可分割的電磁場
解析:根據麥克斯韋電磁場理論,變化的電場和變化的磁場相互聯系在一起,形成一個統一的、不可分割的電磁場,D項正確;變化的電場一定產生磁場,穩定的電場不產生磁場,故A,C項錯誤,B項正確。
理解麥克斯韋電磁場理論的關鍵
(1)掌握四個關鍵詞:“恒定的”“均勻變化的”“非均勻變化的”“周期性變化的(即振蕩的)”。
(2)掌握“變化的電場和變化的磁場交替產生,由近及遠地向周圍傳播”。
[針對訓練1] (多選)根據麥克斯韋電磁場理論,變化的磁場可以產生電場。當產生的電場的電場線如圖所示時,可能是(　AC　)
A.向上方向的磁場在增強
B.向上方向的磁場在減弱
C.向上方向的磁場先增強,然后反向減弱
D.向上方向的磁場先減弱,然后反向增強
解析:判斷電場與磁場變化的關系仍可利用楞次定律,只不過是用電場線方向代替了電流方向。向上方向的磁場增強時,感應電流的磁場阻礙原磁場的增強而方向向下,根據安培定則知感應電流方向如題圖中E的方向所示,選項A正確,B錯誤。同理,當磁場反向即向下的磁場減弱時,也會得到如題圖中E的方向,選項C正確,D錯誤。
要點二　電磁波的特性和應用
紅外體溫計不用與人體接觸便可以迅速測量體溫,如圖所示,你知道它的工作原理嗎
答案:根據體溫越高,輻射紅外線越強的原理。
1.電磁波的共性
(1)它們在本質上都是電磁波,它們的行為服從相同的規律,各波段之間的區別并沒有絕對的意義。
(2)都遵守公式c=λf,它們在真空中的傳播速度都是c=3.0×108 m/s。
(3)它們的傳播都不需要介質。
2.不同電磁波的個性及其應用
類別 特點 應用
無線電波 波動性強 通信、廣播、導航
紅外線 熱作用強 加熱、遙測、遙感
可見光 感光性強 照明、照相等
紫外線 化學作用熒光效應 殺菌消毒、治療皮膚病等
X射線 穿透力強 檢查、探測、透視、治療
γ射線 穿透力最強 探測、治療
[例2] 有關電磁波的特性和應用,下列說法正確的是(　D　)
A.紅外線和X射線都有很強的穿透本領,常用于醫學上透視人體
B.過強的紫外線照射有利于人的皮膚健康
C.電磁波中頻率最大的為γ射線,用它來做衍射實驗現象最明顯
D.紫外線和X射線都可以使感光底片感光
解析:紅外線的主要作用是熱效應,也可用于遙測、遙感等,原因是其波長相對較長,容易發生衍射,且一切物體均可自發輻射紅外線,A錯誤;紫外線的主要作用是化學作用和熒光作用,常用于殺毒、防偽、使底片感光等,但過量照射對人體有害,B錯誤;γ射線波長最短,衍射本領最弱,貫穿本領最強,常用于金屬探傷,C錯誤;電磁波是一種能量,均可使底片感光,D正確。
[針對訓練2] (多選)關于無線電波和可見光,下列說法中正確的是(　BD　)
A.無線電波的頻率比可見光的頻率高
B.無線電波的波長比可見光的波長長
C.無線電波的傳播速度比可見光的傳遞速度小
D.無線電波和可見光都可以傳遞信息
解析:根據電磁波按照波長大小的排列順序可得出無線電波的波長大于可見光的波長,但頻率低于可見光的頻率,A錯誤,B正確;各種不同頻率的電磁波在真空中的傳播速度都相同,不同頻率的電磁波在同一介質中的傳播速度不相同,C錯誤;波可以傳遞信息,D正確。
要點三　電磁波的能量及通信
“神舟號”系列飛船的成功發射及正常運行,載人航天測控通信系統立下了很大的功勞,它通過國內外的地面測控站和遍布三大洋的4艘遠洋測量船,保證地面指揮員及時與飛船取得聯系。你知道各測控站點是通過什么途徑對飛船傳遞指令的嗎
答案:各測控站點和飛船之間通過發射和接收載有指令信號的電磁波實現對飛船的測控。
1.電磁波是一種物質,且具有能量。例如生活中常用微波爐來加熱食物,說明微波具有能量;播音員的聲音能從電臺到達我們的收音機,說明電臺發射的電磁波具有能量。
2.電磁波的傳輸:電磁波可以通過電纜、光纜進行有線傳輸,也可實現無線傳輸。電磁波的頻率越高,相同時間內傳遞的信息量越大。
[例3] (多選)下列能說明電磁波具有能量的依據是(　ACD　)
A.可見光射入人的眼睛,人看到物體
B.紅外線波長較長
C.通過收音機我們能聽到播音員的聲音
D.γ射線具有很強的貫穿能力
解析:人眼看到物體,說明人眼感受到了可見光的能量;紅外線波長較長是其本身的特性;收音機能夠探測到空中的無線電波,是因為收音機天線中感應出了電流,有電流就有能量;γ射線的貫穿能力強說明γ射線具有很高的能量。
[針對訓練3] 下列過程中,沒有直接利用電磁波的是(　A　)
A.電冰箱冷凍食物 B.用手機通話
C.微波爐加熱食物 D.用收音機收聽廣播
解析:手機通話、微波爐加熱食物、收音機收聽廣播都是利用電磁波。電冰箱冷凍食物沒有用到電磁波。故A符合題意。
電磁波與聲波的比較
　　名稱 項目　　 電磁波 聲波
不 同 點 產生 由周期性變化的電場、磁場產生 由物體的振動產生
本質 是物質,是電磁現象,是電磁振蕩的傳播 不是物質,是聲波在介質中的傳播
傳播 機理 電磁場交替感應 質點間相互作用
傳播 介質 不需要介質(在真空中仍可傳播) 必須有介質(真空中不能傳播)
速度 特點 由介質和頻率決定,在真空中等于光速(c=3.0×108 m/s) 僅由介質決定
相 同 點 能量 都攜帶能量并傳播能量
公式 v=λf
遵循 規律 均可發生反射、折射、干涉、衍射等現象
[示例] 飛機“黑匣子”在水下定位主要依靠超聲波而不是無線電波。“黑匣子”入水后,超聲波脈沖發生器啟動,向周圍水域發射信號。下列關于無線電波和超聲波的說法正確的是(　B　)
A.均能在真空中傳播
B.均能發生干涉和衍射
C.從水中進入空氣傳播速度均變小
D.在真空中傳播速度均為3.0×108 m/s
解析:無線電波能在真空中傳播,而超聲波只能在介質中傳播,A錯誤;一切波都能發生干涉和衍射現象,B正確;超聲波在水中傳播速度比在空氣中大,無線電波在水中的傳播速度比在空氣中小,C錯誤;無線電波在真空中傳播速度為3.0×108 m/s,超聲波不能在真空中傳播,D錯誤。
雷達
　　雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設備。電磁波遇到障礙物會發生反射,雷達就是利用電磁波的這個特性工作的。波長短的電磁波,傳播的直線性好。有利于用電磁波定位,因此雷達用的是微波。
　　雷達有一個可以轉動的天線,它能向一定方向發射無線電脈沖,每次發射的時間短于1 μs,兩次發射的時間間隔大約是0.1 ms。這樣,發射出去的無線電波遇到障礙物時,可以在這個時間間隔內反射回來被天線接收。
　　無線電波的傳播速度是c,測出從發射無線電波到接收反射波的時間t,就可以確定障礙物的距離l,再根據發射無線電波的方向和仰角,便可以確定障礙物的位置了。實際上,障礙物的距離等數據由電子電路自動計算并在熒光屏上顯示。
[示例] 某雷達工作時,發射電磁波的波長為λ=20 cm,每秒脈沖數n=5 000,每個脈沖持續時間t=0.02 μs,問電磁波的頻率為多少 最大的偵察距離是多少
解析:一般電磁波在空氣中的傳播速度就認為等于光速c=3.0×108 m/s。由公式c=λf得f==1.5×109 Hz。
雷達工作時發射電磁脈沖,每個脈沖持續時間t=0.02 μs,在兩個脈沖時間間隔內,雷達必須接收反射回來的電磁脈沖,否則會與后面的電磁脈沖重疊而影響測量。設最大偵察距離為s,而兩脈沖間隔Δt= s=200 μs 0.02 μs,脈沖持續時間可以略去不計,所以
s==3×104 m。
答案:1.5×109 Hz　3×104 m
課時作業
1.(多選)關于物理學史,下列說法正確的是(　AC　)
A.最早發現電和磁有密切聯系的科學家是奧斯特
B.電磁感應現象是庫侖發現的
C.建立完整的電磁場理論的科學家是麥克斯韋
D.最早證明有電磁波存在的科學家是牛頓
解析:1820年4月,丹麥科學家奧斯特發現了電流的磁效應;1831年,英國科學家法拉第發現了電磁感應現象;19世紀中葉,英國科學家麥克斯韋建立了經典電磁場理論;德國科學家赫茲最早證明了電磁波的存在。故A,C項正確。
2.(多選)以下關于電磁波的說法中正確的是(　CD　)
A.只要電場或磁場發生變化,就能產生電磁波
B.電磁波傳播需要介質
C.電磁波在真空中的傳播速度等于光速
D.電磁波具有能量,電磁波的傳播是伴隨有能量向外傳遞的
解析:如果電場(或磁場)是均勻變化的,產生的磁場(或電場)是穩定的,就不能再產生新的電場(或磁場),也就不能產生電磁波;電磁波的傳播不需要介質;電磁波在真空中的傳播速度等于光速c=3×108 m/s;電磁波具有能量,它的傳播是伴隨有能量傳遞的。故選項C,D正確。
3.下列各組電磁波,按波長由長到短的正確排列是(　B　)
A.γ射線、紅外線、紫外線、可見光
B.紅外線、可見光、紫外線、γ射線
C.可見光、紅外線、紫外線、γ射線
D.紫外線、可見光、紅外線、γ射線
解析:在電磁波譜中,電磁波的波長由長到短排列順序依次是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線,由此可判定B正確。
4.(多選)關于電磁波譜,下列說法正確的是(　ACD　)
A.高原上的人皮膚黑與紫外線輻射過強有關
B.醫院里常用X射線對病房和手術室進行消毒
C.利用紫外線的熒光效應可設計防偽措施
D.γ射線波長比X射線波長短
解析:高原上的紫外線輻射比平原強很多,而紫外線可使皮膚變黑,A正確;紫外線有顯著的化學作用,可利用紫外線消毒,B錯誤;在紫外線的照射下,許多物質會發出熒光,根據這個特點可以設計防偽措施,C正確;γ射線波長比X射線波長短,D正確。
5.(多選)下列關于無線電波的敘述正確的是(　AD　)
A.無線電波是波長從幾十千米到幾毫米的電磁波
B.無線電波在任何介質中傳播速度均為3.0×108 m/s
C.無線電波不能產生干涉和衍射現象
D.無線電波由真空進入介質傳播時,波長變短
解析:無線電波的波長是從幾十千米到幾毫米的電磁波,故選項A正確;干涉、衍射是一切波都具有的特性,故選項C錯誤;無線電波由真空進入介質時,波速變小,故選項B錯誤;由v=λf知,頻率不變,波速變小,波長變短,故選項D正確。
6.“遠望”號航天測量船通過發射和接收一種波,對“嫦娥一號”進行跟蹤、測量與控制。這種波是(　D　)
A.紅外線 B.紫外線
C.超聲波 D.微波
解析:紅外線的主要應用是電視機、空調的遙控器,故A錯誤。紫外線用來殺菌消毒,故B錯誤。超聲波是聲波,不能在真空中傳播,故C錯誤。微波是電磁波,跟蹤、測控就是利用了它,故D正確。
7.(多選)關于電磁波,下列說法正確的是(　BD　)
A.電磁波可以傳遞信息,聲波不能傳遞信息
B.手機在通話時涉及的波既有電磁波又有聲波
C.太陽光中的可見光和醫院“B超”中的超聲波傳播速度相同
D.電磁波頻率越高,相同時間內傳遞的信息量越大
解析:電磁波和聲波都可以傳遞信息,也可以傳播能量,故A錯誤。講話時,將聲波轉化為電信號,經電路處理后,由高頻電磁波發射出去,所以手機在通話時涉及的波既有電磁波又有聲波,故B正確。太陽光中的可見光是電磁波,醫院“B超”中的超聲波是聲波,這兩種波的波速不同,故C錯誤。電磁波頻率越高,相同時間內可承載的信息量越大,故D正確。
8.(多選)移動通信誕生于19世紀末,發展到20世紀中葉以后個人移動電話逐漸普及,下列關于移動電話功能的判斷正確的是(　AB　)
A.移動電話可以發射電磁波
B.移動電話可以接收電磁波
C.移動電話只是一個電磁波發射器
D.移動電話只是一個電磁波接收器
解析:因為移動電話能將我們的聲音信息用電磁波發射到空中,同時它也能在空中捕獲電磁波,得到對方講話的信息。所以移動電話既能發射電磁波,也能接收電磁波。故A,B正確。
9.目前雷達發出的電磁波頻率多在200～1 000 MHz的范圍內,下列關于電磁波的說法正確的是(　D　)
A.真空中,上述頻率范圍的電磁波的波長在30～150 m 之間
B.電磁波是由恒定不變的電場或磁場產生的
C.波長越短的電磁波越容易繞過障礙物,便于遠距離傳播
D.測出從發射無線電波到接收反射回來的無線電波的時間,就可以確定障礙物的距離
解析:根據λ=,電磁波頻率在200～1 000 MHz 的范圍內,則電磁波的波長范圍在0.3～1.5 m之間,故選項A錯誤;依據麥克斯韋的電磁場理論,變化的磁場產生電場,變化的電場產生磁場,故選項B錯誤;波長越長的電磁波越容易繞過障礙物,便于遠距離傳播,故選項C錯誤;電磁波在空氣中的傳播速度約為3×108 m/s,只要測出時間就可以求距離,即s=,故選項D正確。
10.(多選)蝙蝠在洞穴中飛來飛去時,它利用超聲波脈沖導航非常有效,這種超聲波脈沖的頻率高于20 000 Hz,能持續1 ms或不到1 ms的短促發射,且每秒重復發射數次。已知蝙蝠在一次正朝著表面平直的墻壁飛撲捕食的過程中,發出的超聲波頻率為35 000 Hz,下列說法正確的是(　CD　)
A.蝙蝠發出的超聲波屬于電磁波
B.結合題圖可知超聲波頻率比微波頻率要高
C.超聲波反射前后波速大小相等
D.蝙蝠接收到從墻壁反射回來的超聲波脈沖頻率大于墻壁接收到的頻率
解析:蝙蝠發出的超聲波屬于機械波,故A錯誤;微波屬于無線電波,微波的頻率為f== Hz=3×106 Hz,高于超聲波頻率35 000 Hz,故B錯誤;機械波的波速由介質決定,超聲波反射前后波速大小相等,故C正確;由多普勒效應可知,接收到從墻壁反射回來的超聲波脈沖頻率大于墻壁接收到的頻率,故D正確。
11.飛機失事后,為了分析事故的原因,必須尋找黑匣子,而黑匣子在30天內能以37.5 kHz的頻率自動發出信號,人們就可利用探測儀查找黑匣子發出的電磁波信號來確定黑匣子的位置。那么黑匣子發出的電磁波波長是多少 若接收電路是由LC電路組成的,其中該接收裝置里的電感線圈L=4.0 mH,此時產生電諧振的電容為多大 (c=3×
108 m/s)
解析:由公式c=λf得,
λ== m=8 000 m。
由公式f=得,
C=
= F
=4.5×10-9 F。
答案:8 000 m　4.5×10-9 F5　微觀世界的量子化
學習目標 成長記錄
1.知道光的波粒二象性及實物粒子同樣具有波粒二象性。 知識點一&要點一
2.知道能量是量子化的,知道能量子的概念、普朗克常量及光子的量子化。 知識點二&要點三
3.知道能級的概念,知道能級躍遷的特點。 知識點二&要點二
(對應學生用書第84～85頁)
知識點一　波粒二象性
1.光既具有波動性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。
2.光的波動性的證明:光能發生干涉和衍射等波特有的現象。
3.光的粒子性的證明:光電效應等現象證明了光具有粒子性。
4.光子的能量:ε=hν,其中h=6.626×10-34J·s,稱為普朗克常量,最早提出量子理論的是普朗克。
5.波粒二象性并不只是光才有的特性,而是微觀世界的共性,實驗已證明電子、質子等實物粒子同樣具有波動性。
知識點二　能量量子化
1.能級:原子的能量是量子化的,即一系列不連續的值,這些不連續的、量子化的能量值稱為能級。
2.特點
(1)原子處于能量最低的狀態(稱為基態),這是最穩定的狀態,在某些情況下(例如受到高速運動的電子的撞擊等),可能會變到能量較高的狀態(稱為激發態)。
(2)躍遷:當氫原子的能量發生變化時,只能從某個能級“跳躍”到另一個能級,這個過程稱為躍遷。
(3)原子從較低的能級躍遷到較高的能級,必須吸收能量;反之,則要釋放出能量。這兩個過程中吸收或釋放出的能量都等于兩能級的能量差。
1.思考判斷
(1)光電效應證實了光具有波動性。(　×　)
(2)微觀粒子的能量只能是能量子的整數倍。(　√　)
(3)能量子的能量不是任意的,其大小與電磁波的頻率成正比。(　√　)
(4)電子吸收某種頻率條件的光子時會從較低的能量態躍遷到較高的能量態。(　√　)
(5)原子從高能態向低能態躍遷時輻射任意頻率的光子。(　×　)
2.思維探究
(1)光的衍射現象和光的干涉現象說明光具有波動性。光電效應現象說明光具有粒子性。那么光究竟是什么
(2)普朗克提出能量子的意義是什么
答案:(1)大量事實說明,光是一種波,同時也是一種粒子,光具有波粒二象性。
(2)破除了宏觀世界“能量連續變化”的傳統觀念,揭示了微觀粒子的能量是分立的。
要點一　光的波粒二象性
簡述人們對光本性的認識發展過程。
1.光子是能量為hν的微粒,表現出粒子性,而光子的能量與頻率ν有關,體現了波動性,所以光子是統一了波粒二象性的微粒。
2.光在不同條件下的表現不同,大量光子表現出波動性,個別光子表現出粒子性;光在傳播時表現出波動性,光和其他物質相互作用時表現出粒子性;頻率低的光波動性更強,頻率高的光粒子性更強。
[例1] 有關光的本性,下列說法正確的是(　D　)
A.光既具有波動性,又具有粒子性,兩種性質是不相容的
B.光的波動性類似于機械波,光的粒子性類似于質點
C.大量光子才具有波動性,個別光子只具有粒子性
D.由于光既具有波動性,又具有粒子性,無法只用其中一種去說明光的一切行為,只能認為光具有波粒二象性
解析:光既具有波動性,又具有粒子性,但它又不同于宏觀觀念中的機械波和粒子。波動性和粒子性是光在不同情況下的不同表現,是同一客體的兩個不同側面、不同屬性,我們無法用其中的一種去說明光的一切行為,只能認為光具有波粒二象性。只有選項D正確。
對光的波粒二象性的理解
(1)光既有波動性又有粒子性,二者是統一的。
(2)光表現為波動性,只是光的波動性顯著,粒子性不顯著而已。
(3)光表現為粒子性,只是光的粒子性顯著,波動性不顯著而已。
[針對訓練1] 對于光的波粒二象性的說法中,正確的是(　D　)
A.一束傳播的光,有的光是波,有的光是粒子
B.光波與機械波是同樣的一種波
C.光的波動性是由于光子間的相互作用而形成的
D.光是一種波,同時也是一種粒子,光子說并未否定電磁說,在光子能量ε=hν中,頻率ν仍表示的是波的特性
解析:光既有波動性又有粒子性,不能說有的光是波,有的光是粒子,故A錯誤;光波與機械波不是同一種波,故B錯誤;光的波動性是光本身的一種屬性,不是光子間的相互作用而形成的,故C錯誤;光是一種波,同時也是一種粒子,光子說并未否定電磁說,在光子能量ε=hν中,ν仍表示波的特性,故D正確。
要點二　能級
如圖所示,為什么原子的發射光譜是一些分立的亮線
答案:原子的能級是分立的,原子自發地從高能級向低能級躍遷釋放的光子能量也是分立的,因此原子的發射光譜是一些分立的亮線。
1.能級特點:原子處于最低的能級時,原子是最穩定的;原子處于高能級時,原子是不穩定的,會向低能級躍遷。
2.原子躍遷
(1)原子處于低能級向高能級躍遷需要吸收能量,等于前后兩個能級之差。
(2)原子從高能級可以自發地向低能級躍遷,躍遷釋放出光子的能量等于前后兩個能級之差。
3.量子力學的成就:很好地描述了微觀粒子運動的規律,在現代科學技術中發揮重要作用。核能的利用,計算機和智能手機的制造,激光技術等的應用都離不開量子力學。
[例2] (多選)有關氫原子光譜的說法,正確的是(　ABC　)
A.氫原子的發射光譜只有一些分立的亮線
B.氫原子光譜說明氫原子只發出特定頻率的光
C.氫原子光譜說明氫原子能級是分立的
D.氫原子光譜線的頻率與氫原子能級的能量差無關
解析:原子的發射光譜是原子躍遷時形成的,由于原子的能級是分立的,所以氫原子的發射光譜只有一些分立的亮線,原子發出的光子的能量正好等于原子躍遷時的能級差,故氫原子只能發出特定頻率的光,綜上所述,選項D錯誤,A,B,C正確。
[針對訓練2] (多選)關于原子躍遷的下列說法正確的是(　BD　)
A.原子可以從低能級自發地向高能級躍遷
B.原子可以自發地從高能級向低能級躍遷
C.原子躍遷釋放或吸收的能量可以是任意值
D.原子躍遷釋放或吸收的能量是分立的
解析:原子可以從低能級向高能級躍遷需要吸收能量,故A錯誤;原子可以自發地從高能級向低能級躍遷,故B正確;原子的能量是分立的,原子躍遷釋放或吸收的能量等于能級差,所以也是分立的,故C錯誤,D正確。
對物質波的理解
物質的 分類 (1)由分子、原子、電子、質子及由這些粒子組成的物質。 (2)“場”也是物質,像電場、磁場、電磁場這種看不見的,不是由實物粒子組成的,而是一種客觀存在的特殊物質
物質波的 普遍性 任何物體,都存在波動性,我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性,是因為宏觀物體對應的波長太小的緣故
[示例] (多選)下列說法中正確的是(　BD　)
A.物質波屬于機械波
B.物質波與機械波有本質區別
C.只有像電子、質子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性
D.德布羅意認為,任何一個運動著的物體,小到電子、質子,大到行星、太陽,都有一種波和它對應,這種波叫物質波
解析:物質波是一切運動著的物體所具有的波,與機械波性質不同,A錯誤,B正確;宏觀物體也具有波動性,只是干涉、衍射現象不明顯,看不出來,C錯誤;德布羅意認為,任何一個運動著的物體,小到電子、質子,大到行星、太陽,都有一種波和它對應,這種波叫物質波,D正確。
神光Ⅱ高功率激光實驗裝置
　　神光Ⅱ裝置是當前我國規模最大、國際上為數不多的高性能、高功率釹玻璃激光裝置。2000年運行以來性能穩定,光束質量及運行輸出指標要求已與當今國際高水平的大型激光驅動器光束輸出質量水平相當,具備了高水平運行的綜合技術能力。該裝置上進行的物理實驗已取得一系列階段性重大成果,其中慣性約束聚變直接驅動打靶,獲得單發4×109中子,是國際同類裝置獲中子產額的最高水平,為我國慣性約束聚變研究做出了重大貢獻。神光Ⅱ為我國慣性約束聚變、X射線激光、材料在極高壓狀態下的參數測量等前沿領域開展科學研究提供不可替代的實驗手段,是該領域的重要實驗平臺。
[示例] 神光Ⅱ裝置是國際上為數不多的高功率固體激光系統,利用它可獲得能量為2 400 J、波長λ=0.35 μm的紫外激光。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,則該紫外激光所含光子數為多少
解析:紫外線的波長已知,由此可求得紫外線能量子的值,再根據激光發射的總能量為2 400 J,即可求得紫外激光所含光子數,紫外激光能量子的值為
ε== J=5.68×10-19 J,
則該紫外激光所含光子數
n===4.23×1021(個)。
答案:4.23×1021個
課時作業
1.關于光子的能量,下列說法中正確的是(　B　)
A.光子的能量跟它的頻率成反比
B.光子的能量跟它的頻率成正比
C.光子的能量跟它的速度成正比
D.光子的能量跟它的速度成反比
解析:由光子的能量ε=hν可知,光子的能量與它的頻率成正比,B
正確。
2.對于帶電微粒的輻射和吸收能量時的特點,以下說法正確的是(　A　)
A.以某一個最小能量值一份一份地輻射或吸收
B.輻射和吸收的能量可以不是某一最小值的整數倍
C.吸收的能量可以是連續的
D.輻射和吸收的能量都可以是連續的
解析:帶電微粒輻射和吸收能量時是以最小能量值——能量子ε的整數倍一份一份地輻射或吸收的,是不連續的,故選項A正確,B,C,D均錯誤。
3.(多選)下列關于光的波粒二象性的說法中正確的是(　BCD　)
A.光顯示粒子性時是分立而不連續的,無波動性;光顯示波動性時是連續而不分立的,無粒子性
B.光的頻率越高,其粒子性越明顯;光的頻率越低,其波動性越明顯
C.光的波動性可以看作是大量光子運動的規律
D.頻率大的光更容易發生光電效應
解析:光既不能看成宏觀現象中的波,也不能看成微觀現象中的粒子,即光具有波粒二象性,A錯誤;光的波動性和粒子性都與光的頻率有關,隨著頻率的增大,波動性減弱而粒子性增強,B正確;大量光子表現出波動性,少量光子則表現出粒子性,C正確;頻率大的光子能量大,更容易發生光電效應,D正確。
4.用來衡量數碼相機性能的一個重要的指標就是像素,1像素可理解為光子打在光屏上的一個亮點,現知300萬像素的數碼相機拍出的照片比30萬像素的數碼相機拍出的等大的照片清晰得多,其原因可解釋為(　D　)
A.像素的多少,與光的本質無關
B.像素少,光的波動性顯著
C.像素多,說明大量光子具有粒子性
D.像素的多少能說明光具有波粒二象性,像素多,光的波動性顯著
解析:根據光的波粒二象性,當光同其他物質發生作用時,這種作用是“一份一份”進行的,表現出粒子的性質,少量或個別光子容易顯示出光的粒子性;光在傳播時,表現出波的性質,大量光子產生的效果往往顯示出波動性。像素越多,光子與物質作用的個數越多,波動性越明顯,照片越清晰,D正確。
5.(多選)原子的能量量子化現象是指(　CD　)
A.原子的能量是不可以改變的
B.原子的能量與電子的軌道無關
C.原子的能量狀態是不連續的
D.原子具有分立的能級
解析:根據玻爾理論,原子處于一系列不連續的能量狀態中,這些能量值稱為能級,原子不同的能量狀態對應不同的軌道,故選項A,B錯誤,C,D正確。
6.人眼對綠光較為敏感,正常人的眼睛接收到波長為 530 nm 的綠光時,只要每秒鐘有6個綠光的光子射入瞳孔,眼睛就能察覺。普朗克常量為6.63×10-34 J·s,光速為3×108 m/s,則人眼能察覺到綠光時所接收到的最小功率約是(　A　)
A.2.3×10-18 W B.3.8×10-19 W
C.7.0×10-10 W D.1.2×10-18 W
解析:由于只要每秒有6個綠光的光子射入瞳孔,眼睛就能察覺,而
ε=hν=h,則P= W≈2.3×10-18 W,故A正確。
7.(多選)關于光的波粒二象性的理解正確的是(　AD　)
A.大量光子的行為往往表現出波動性,個別光子的行為往往表現出粒子性
B.光在傳播時是波,而與物質相互作用時就轉變成粒子
C.高頻光是粒子,低頻光是波
D.波粒二象性是光的根本屬性,有時它的波動性顯著,有時它的粒子性顯著
解析:光的波粒二象性指光有時候表現出的粒子性較明顯,有時候表現出的波動性較明顯,選項D正確;大量光子的效果往往表現出波動性,個別光子的行為往往表現出粒子性,選項A正確;光在傳播時波動性顯著,光與物質相互作用時粒子性顯著,選項B錯誤;頻率高的光粒子性顯著,頻率低的光波動性顯著,選項C錯誤。
8.(多選)下列說法正確的是(　AB　)
A.微觀粒子的能量變化是跳躍式的
B.能量子與電磁波的頻率成正比
C.紅光的能量子比綠光大
D.電磁波波長越長,其能量子越大
解析:微觀粒子的能量變化是跳躍式的,選項A正確;由ε=hν可知,能量子與電磁波的頻率成正比,選項B正確;紅光的頻率比綠光小,由ε=hν可知,紅光的能量子比綠光小,選項C錯誤;電磁波波長越長,其頻率越小,能量子越小,選項D錯誤。
9.由于內部發生激烈的熱核聚變,太陽每時都在向各個方向產生電磁輻射,若忽略大氣的影響,在地球上垂直于太陽光的每平方米的截面上,每秒鐘接收到的這種電磁輻射的總能量約為1.4×103 J。已知日地間的距離R=1.5×1011 m,普朗克常量h=6.6×10-34 J·s。假如把這種電磁輻射均看成由波長為0.55 μm的光子組成的,那么,由此估算太陽每秒鐘向外輻射的光子總數的數量級約為(　A　)
A.1045 B.1041 C.1035 D.1030
解析:設地面上1 m2的面積上每秒接收的光子數為n,根據ν=,ε=
hν,總能量Pt=nε,其中c為真空中的光速,代入數據解得n=
3.89×1021個/m2。設想一個以太陽為球心,以日地間距離R為半徑的大球面包圍著太陽,大球面接收的光子數即太陽輻射的全部光子數,則所求的可見光光子數為N=n·4πR2=3.89×1021×4×3.14×
(1.5×1011)2(個)≈1×1045(個),故A正確,B,C,D錯誤。
10.某廣播電臺的發射功率為10 kW,其電磁波的波長為187.5 m。
(1)該電臺每秒鐘從天線發射多少個能量子
(2)若發射的能量子四面八方視為均勻的,試求在離天線2.5 km處直徑為2 m的鍋形天線每秒鐘接收的光子個數以及接收功率。
解析:(1)每個能量子的能量
ε=hν=h= J≈1.06×10-27 J,
則每秒鐘電臺發射上述波長的光子數
N==個≈1×1031個。
(2)以電臺發射天線為中心,則半徑為R=2.5 km的球表面積S=4πR2,而接收天線的面積S′=πr2,則每秒接收能量子數
n=()×N=4×1023個,
接收功率P收=·P=4×10-4 W。
答案:(1)1×1031個
(2)4×1023個　4×10-4 W

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