資源簡介

第一節　磁現象與磁場
[學習目標]
核心素養 學習目標
物理觀念 知道磁場的概念，知道磁感線的概念及安培定則，并能解釋相關的自然現象
科學思維 能用磁感線描述磁場的強弱，會用安培定則判定常見的磁場分布
科學探究 學會實驗探究通電直導線周圍的磁場，學會與他人交流合作，能獨立完成實驗報告，提高科學實驗探究能力
科學態度與責任 體驗磁現象在現代生活中的應用，培養學生熱愛科學的精神，培養將物理學原理應用于實驗生活的能力
知識點一　磁現象與磁場
1．電現象和磁現象的相似性
電現象 磁現象
自然界中存在正電荷和負電荷 磁體上存在S極和N極
同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引 同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引
2．磁場
(1)來源：磁體周圍和電流周圍都存在磁場，一切磁相互作用都是通過磁場來實現的。
(2)基本性質：對放入其中的磁體或通電導體有力的作用。
　磁場概念的建立
所有與磁現象有關的相互作用，都是通過磁場發生的，可與電荷間的相互作用相類比，如圖所示。
1：思考辨析(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)磁場看不見，摸不著，實際不存在。 (×)
(2)磁體上各部分的磁性并不都是相同的。 (√)
知識點二　磁感線
1．磁感線
(1)定義：在磁場中畫出一些曲線，使曲線上每一點的切線方向都跟這一點的磁場方向一致，這樣的曲線叫作磁感線。
(2)特點：①磁感線的疏密程度表示磁場的強弱。
②磁感線上某點的切線方向表示該點磁感應強度的方向。
(3)方向：在磁體外部從N極到S極，磁體內部從S極到N極，是閉合(選填“閉合”或“開放”)曲線。
(4)物理意義：用來形象描述磁場的假想線，實際上并不存在。
2．安培定則
(1)直線電流的磁場：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環繞的方向，如圖甲。
甲　　　　　乙　　　　　　　　丙
(2)環形電流的磁場：讓右手彎曲的四指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軸線上磁感線的方向，如圖乙。
(3)通電螺線管的磁場：右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向跟電流方向一致，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N極，如圖丙。
　磁感線是假想的曲線，實際并不存在，沒有磁感線的地方，并不表示就沒有磁場。
2：思考辨析(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)磁感線是假想的曲線，沒有實際意義。 (×)
(2)沒有磁感線的地方，就沒有磁場。 (×)
(3)安培定則中，彎曲四指所指方向均為磁場的方向。 (×)
知識點三　安培分子電流假說
1．分子電流假說：在原子、分子等物質微粒的內部都存在一種環形電流——分子電流，分子電流使每個物質分子都成為一個微小的磁體。
2．安培的假設能很好地解釋磁化和退磁。
3．磁現象的本質：磁鐵的磁場和電流的磁場一樣，都是電荷的運動產生的。
知識點四　地磁場
1．概念：地球由于本身具有磁性而在其周圍形成的磁場叫作地磁場。
2．方向：地球磁體的N極位于地理南極附近，地球磁體的S極位于地理北極附近。
　地磁極與地理極之間的夾角稱為磁偏角，在地球上的不同位置，磁偏角是不同的。
3．思考辨析(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)在地球赤道上，小磁針的N極指向地磁南極。 (√)
(2)地球的磁場與條形磁體的磁場相似，并且地理位置的南北極即為地球磁場的南北極。 (×)
考點1　對磁感線的理解
如圖是U形磁體的磁感線。
試探究：(1)a點沒有磁感線，a點的磁感應強度等于零嗎？
(2)磁感線是起始于N極，終止于S極嗎？
提示：(1)磁感應強度不等于零，磁體周圍存在磁場，磁感線是形象地描述磁場而引入的假想曲線，實際并不存在，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。
(2)不是。磁感線是閉合曲線，沒有起點和終點，圖中沒有畫出磁體內部的磁感線。
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。
(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。
2．幾種典型磁場的磁感線分布
磁體 條形磁鐵 蹄形磁鐵 同名磁極間 異名磁極間
分布圖
特點 (1)關于條形磁鐵對稱(2)磁鐵內部近似勻強磁場(3)中垂線上各點磁感線方向與磁鐵平行 (1)關于磁鐵中軸線對稱，方向相反(2)中軸線上各點磁感線方向均垂直于中軸線 (1)關于兩磁極的連線及連線的中垂線均對稱(2)兩磁極連線上磁感線的方向沿連線，中點最弱(3)兩磁極連線的中垂線上磁場方向沿中垂線 (1)關于兩磁極的連線及連線的中垂線對稱(2)中垂線上各點磁感線方向相同(3)在連線上中點的磁場最弱
【典例1】　如圖中繪出了磁鐵的磁感線及其旁邊小磁針靜止時所指的方向(小磁針黑色端表示N極)，其中正確的是(　　)
A　　　　B　　　　C　　　　D
思路點撥：(1)磁感線的切線方向為磁感應強度方向。
(2)小磁針靜止時N極指向為磁感應強度方向。
A　[小磁針靜止時N極所指的方向與磁場方向相同，故選項A正確，D錯誤；磁體外部磁場方向應從N極指向S極，故選項B、C錯誤。]
磁感線與電場線的比較
兩種線 磁感線 電場線
不同點 閉合曲線 不閉合，起始于正電荷或無限遠，終止于無限遠或負電荷
相似點 引入目的 為形象描述場而引入的假想曲線，實際并不存在
疏密 表示場的強弱
切線方向 表示場的方向
是否相交 不相交
[跟進訓練]
1．如圖所示，假設將一個小磁針放在地球的北極點上，那么小磁針的N極將(　　)
A．指北
B．指南
C．豎直向上
D．豎直向下
D　[地磁場的分布規律與條形磁鐵類似，在地理北極附近，地磁場豎直向下，此處小磁針的N極應豎直向下，D正確。]
考點2　安培定則的理解與應用
根據安培假說的物理思想：磁場來源于運動電荷。如果用這種思想解釋地球磁場的形成，根據地球上空并無相對地球定向移動的電荷的事實，認為地磁場是由于地球的自轉所形成。那么由此推斷，地球總體應該是帶正電還是帶負電？
提示：因在地球的內部地磁場從地球北極指向地球的南極，根據右手螺旋定則可判斷出地球表現環形電流的方向應從東到西，而地球是從西向東自轉，所以只有地球表面帶負電荷才能形成上述電流。綜上所述，地球總體應該帶負電。
三種常見的電流的磁感線分布特點
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
【典例2】　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。
思路點撥：(1)“×”表示B垂直紙面向里，“·”表示B垂直紙面向外。
(2)正確使用安培定則。
[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中螺線管內部磁感線方向向左，f中磁感線方向向右。
[答案]　如圖所示
電流磁場的三點說明
(1)應用安培定則判定電流周圍磁場的方向時，直線電流判定的是導線之外磁場的方向，環形電流和通電螺線管判定的是線圈軸線上磁場的方向。
(2)當小磁針處于磁體產生的磁場中，或環形電流、通電螺線管外部時，可根據同名磁極相斥，異名磁極相吸來判斷小磁針的受力方向。
(3)當小磁針處于直線電流的磁場中或處于環形電流、通電螺線管內部時，應該根據小磁針N極所指方向與通過該點的磁感線的切線方向相同，來判斷小磁針的受力方向。
[跟進訓練]
2．如圖所示，分別給出了導線中的電流方向或磁場中某處小磁針靜止時N極的指向或磁感線方向。請畫出對應的磁感線(標上方向)或電流方向。
[解析]　如果已知電流的方向，可用右手螺旋定則判斷磁感線的方向。如果已知小磁針靜止時N極指向，那么小磁針N極所指方向就是磁感線方向。
[答案]　用安培定則來判斷，分別如下列各圖所示。
1．如圖所示的“司南”是人們公認的最早的磁性定向工具，司南能指南北的原因是(　　)
A．地球周圍有電場　　 B．地球周圍有磁場
C．月球周圍有磁場 D．太陽周圍有磁場
B　[地球周圍存在磁場，磁場方向外部由地理南極指向地理北極，所以司南能指南北，B正確。]
2．地球是一個大磁體：①在地面上放置一個小磁針，小磁針的南極指向地磁場的南極；②地磁場的北極在地理南極附近；③赤道附近地磁場的方向和地面平行；④北半球地磁場方向相對地面是斜向上的；⑤地球上任何地方的地磁場方向都是和地面平行的。以上關于地磁場的描述正確的是(　　)
A．①②④　　B．②③④　　C．①⑤　　　D．②③
D　[地磁場類似于條形磁鐵磁場，地磁南極在地理的北極附近，而地磁的北極在地理的南極附近。]
3．如圖所示，當開關S閉合后，小磁針處在通電電流的磁場中的位置正確的是(　　)
A　　　　　B　　　　　C　　　　　D
D　[依據安培定則，判斷出電流的磁場方向；再根據小磁針靜止時N極的指向為磁場的方向，判知D正確。]
4．(新情境題，以“尖端放電”為背景，考查直線電流的磁場)
情境：云層之間閃電的模擬圖如圖所示，圖中B、A是位于南、北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。
問題：試分析B、A的帶電情況。
[解析]　云層間放電必須發生在異號電荷之間，在云層間放電時，形成的強電場和高溫將空氣電離成正離子和負離子，并在強電場的作用下做定向移動，形成電流，相當于通電直導線形成的磁場。由題意知，從南往北看，磁場是逆時針的，根據安培定則可以判斷電流是從A流向B的，故可知A帶正電，B帶負電。
[答案]　見解析
回歸本節知識，自我完成以下問題：
1．寫出磁感線的特點？
提示：切線方向表示該點的磁場方向，疏密表示強弱的閉合曲線。
2．試寫出直線電流的磁場？
提示：用右手握住通電直導線，讓伸直的拇指所指的方向與電流的方向一致，則四指彎曲方向就是直線電流周圍磁感線的環繞方向。
3．磁現象的電本質是什么？
提示：磁鐵的磁場，電流的磁場都是由電荷的運動產生的。
指南針與鄭和下西洋
磁針能夠指向南北，是因為地磁場的存在。指南針的廣泛使用，促進了人們對地球磁場的認識。地球的地理兩極與地磁兩極并不重合(如圖)，因此，磁針并非準確地指南或指北，其間有一個交角，這就是地磁偏角。地磁偏角的數值在地球上的不同地點是不同的。不僅如此，由于地球磁極的緩慢移動，地磁偏角也在緩慢變化。在使用指南針確定南北方向時，只有將地磁偏角考慮在內，才能得出準確的結果。地磁偏角的發現，對于科學的發展和指南針在航海中的應用都很重要。
地理兩極與地磁兩極不重合
我國是最早在航海中使用指南針的國家。鄭和下西洋的船隊已經裝備了羅盤，導航時兼用羅盤和觀星，二者互相補充、互相修正。他的航海圖叫作“針圖”，圖中的航線叫作“針路”。明清時期，我國海道針經一類書籍相當豐富。
從1405年到1433年，鄭和先后7次下西洋，向南到達爪哇，向西到達波斯灣和紅海的麥加，最遠到達赤道以南的非洲東海岸。鄭和下西洋產生的影響是多方面的。它開拓了我國在南洋群島、印度洋沿岸國家的海外市場，刺激了我國的商品生產，對當時我國資本主義因素的增長有一定的推動作用。它還開辟了從中國到紅海、非洲東海岸的航道，繪制了航海地圖，總結了當時的航海技術和航海地理知識，對溝通東西方海路交通作出了重大貢獻。鄭和的航海圖連同船隊其他人的著作，介紹了他們經過的國家的山川地貌和風土人情，大大開闊了中國人的地理視野。鄭和的航海活動不但是中國海上探險事業的巨大成就，也是世界地理發展史上的光輝記錄。
　(1)地磁場的N極在哪里？
(2)在赤道上，磁感線的方向如何？
提示：(1)在地理南極附近。
(2)水平指向北。

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