磁场及其描述

【学习目标】

【学习重难点】

1．能列举磁现象在生产生活中的应用。

2．关注与磁相关的现代科技的发展。

3．用磁感线描绘通电直导线和通电线圈周围的磁场，体会物理模型在探索自然规律中的作用。

【学习过程】

知识点一  磁场  磁感应强度

[观图助学]

指南针为什么指南？鸽子千里归巢是靠什么导航的呢？

用铁钉和一段导线制作一个电磁铁。将导线绕在铁钉上，把导线的两端接到一个带有开关的电源上，款数一次能吸起多少枚别针？

1．磁场

（1）磁体和电流周围的空间存在一种特殊的物质——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）电流元：在物理学中，把很短一段通电导线中的电流I与导线长度l的乘积Il叫做电流元。

（2）磁感应强度：将电流元Il垂直放入磁场，它受到的磁场力F与Il的比值叫做磁感应强度。

① 定义式B＝Il(F)。

② 磁感应强度的单位：在国际单位制中的单位是特斯拉，简称特，符号是T。1 T＝1 A·m(N)。

（3）磁感应强度的方向

小磁针静止时N极所指的方向规定为该点的磁感应强度的方向，简称磁场的方向。

[思考判断]

（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）磁场的基本性质是对处在磁场中的磁极或电流有力的作用。（√）

（3）磁感应强度的方向与小磁针静止时N极的指向一定相同。（√）

（4）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。（×）

知识点二  磁感线与电流的磁场

[观图助学]

用铁屑模拟磁感线的分布，你的结论是什么？

1．磁感线

（1）定义：在磁场中画出的一些有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向都跟该点的磁感应强度的方向一致。

（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 磁感线某点的切线方向表示该点磁感应强度的方向。

2．匀强磁场：在磁场的某个区域内，如果各点的磁感应强度的大小和方向都相同，这个区域的磁场称为匀强磁场，磁感线是一组平行且等距的直线。

3．电流的磁场

（1）直线电流的磁场

安培定则：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的环绕方向。（如图甲所示）

（2）环形电流的磁场

环形电流的磁场可用安培定则判断：右手弯曲的四指所指方向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中心轴线上磁感线的方向。（如图乙所示）

（3）通电螺线管的磁场

用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与电流方向一致，拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向或拇指指向螺线管的北极（如图丙所示）。

[思考判断]

（1）磁感线从磁体N极出发，到S极终止。（×）

（2）磁感线可以用细铁屑来显示，因而是真实存在的。（×）

（3）磁感线闭合而不相交，不相切，也不中断。（√）

（4）磁感线上某点切线所指的方向就是该点磁场的磁感应强度方向。（√）

（5）通电直导线周围磁场的磁感线是闭合的圆环。（√）

知识点三  磁的应用及意义

1．对磁技术的应用中，首屈一指的当数我国发明的指南针。指南针的发明开启了航海技术的革命，推动了航海事业的发展。

2．交通与磁：磁悬浮列车有常导电磁铁吸引方式和超导电磁铁相斥方式两种形式。常导电磁铁吸引式是在导体底部和两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设作用板和感应钢板，使导轨钢板的吸引力与车辆重力平衡，从而使车体悬浮于轨道上运行；超导电磁铁相斥式是根据磁铁同极相斥的原理。

3．核磁共振成像技术是磁在医学诊断方面的应用。

【学习小结】

                         基本特性

        定义——特性    方向性

                        物质性

磁场                            大小方向

                磁感应强度B    叠加

        描述              特点

                磁感线    电流的磁场

【达标检测】

[基础过关]

1．（多选）下列说法中正确的是（    ）

A．磁场是客观存在的一种物质

B．磁体上磁性最强的部分叫磁极，任何磁体都有两个磁极

C．磁体或电流在自己周围的空间会产生磁场

D．磁体与磁体间的相互作用是通过磁场发生的，而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不是通过磁场发生的。

答案  ABC

2．《新民晚报》报道一则消息：“上海的雨点鸽从内蒙古放飞后，历经20余天，返回上海市区鸽巢。”信鸽这种惊人的远距离辨认方向的本领，实在令人称奇。科学家们曾做过这样一个实验：把几百只训练有素的信鸽分成两组，在一组信鸽的翅膀下各缚一块小磁铁，而在另一组信鸽的翅膀下各缚一块大小相同的铜块，然后把它们带到离鸽舍一定距离的地方放飞，结果绝大部分缚铜块的信鸽飞回到鸽舍，而缚着磁铁的信鸽全部飞散了。科学家的实验支持了下列哪种猜想（    ）

A．信鸽对地形地貌有极强的记忆力

B．信鸽能发射并接收某种超声波

C．信鸽能发射并接收某种次声波

D．信鸽体内有某种磁性物质，它能借助地磁场辨别方向

解析  信鸽有远距离辨认方向的本领，是因为其体内有某种磁性物质，它能借助地磁场来辨别方向。

答案  D

3．下列关于磁感应强度的方向的说法中，正确的是（    ）

A．某处磁感应强度的方向就是一小段通电导体放在该处时所受磁场力的方向

B．小磁针S极受磁场力的方向就是该处磁感应强度的方向

C．垂直于磁场放置的通电导线的受力方向就是磁感应强度的方向

D．磁场中某点的磁感应强度的方向就是该点的磁场方向

解析  磁场中某点的磁感应强度的方向表示该点的磁场方向，磁场方向也是该点的小磁针N极在该处的受力方向。但磁场中通电导线的受力方向不是磁感应强度的方向。

答案  D

4．（多选）磁感线是用来形象地描述磁场的曲线，下图分别描述的是条形磁铁、蹄形磁铁、通电直导线、环形电流周围的磁感线分布情况，其中不正确的是（    ）

解析  根据磁体外部的磁感线从N极到S极，可知A、B均错误；根据安培定则可知，直导线中电流向下，则磁感线的方向（俯视）沿顺时针方向，故C错误；根据安培定则，环形导线的电流方向与磁感线的方向关系如题图所示，故D正确。

答案  ABC

5．先后在磁场中A、B两点引入长度相等的短直导线，导线与磁场方向垂直。如图所示，图中A、B两图线分别表示在磁场中A、B两点导线所受的力F与通过导线的电流I的关系。下列说法中正确的是（    ）

A．A、B两点磁感应强度相等

B．A点的磁感应强度大于B点的磁感应强度

C．A点的磁感应强度小于B点的磁感应强度

D．无法比较磁感应强度的大小

解析  导线受到的磁场力F＝IlB＝BlI，对于题图给出的F－I图线，直线的斜率k＝Bl，由图可知k_a＞k_b，又因A、B两处导线的长度l相同，故A点的磁感应强度大于B点的磁感应强度，B项正确。

答案  B

6．两长直通电导线互相平行，电流方向相同，其截面处于一个等边三角形的A、B处，如图所示，两通电导线在C处的磁感应强度均为B，则C处总磁感应强度的大小为（    ）

A．2B   B．B

C．0 D．B

解析  根据安培定则（右手螺旋定则）可以判断A导线在C处的磁感应强度大小为B，方向在纸面内垂直于连线AC；B导线在C处的磁感应强度大小为B，方向在纸面内垂直于连线BC。如图所示，由平行四边形定则得到C处的总磁感应强度的大小B′＝2×Bcos 30°＝B。

答案  D

7．磁场中放一根与磁场方向垂直的通电导线，通过的电流为2.5 A，导线长为1 cm，它受到的磁场力为5.0×10^－2 N。

（1）求这个位置的磁感应强度大小；

（2）如果仅把通电导线中的电流增大到5 A，求这一位置的磁感应强度大小。

解析  （1）由磁感应强度的定义式得：

B＝Il(F)＝2.5×1×10－2(5.0×10－2) T＝2 T。

（2）磁感应强度B是由磁场自身决定的，和导线的长度、电流的大小无关，所以该位置的磁感应强度还是2 T。

答案  （1）2 T  （2）2 T

[能力提升]

8．如甲、乙、丙、丁四幅图所示，当闭合开关后，判断通电导线周围的磁场中小磁针A、B静止时N极的指向，正确的是（    ）

A．外、里；里、外；右、左；上、下

B．里、外；外、里；右、左；上、下

C．外、里；里、外；左、右；上、下

D．外、里；里、外；右、左；下、上

解析  根据安培定则可知，甲图中环形电流的方向为逆时针方向，内部的磁场方向向外，所以a的N极指向外，b的N极指向里；乙图中环形电流的方向为顺时针方向，所以内部的磁场方向向里，a的N极指向里，b的N极指向外；丙图中通电螺线管内部的磁场方向向上，U形电磁铁的右端是N极，左端是S极，所以a的N极指向右，b的N极指向左；丁图中通电螺线管内部的磁场方向向下，电磁铁的下端是N极，上端是S极，所以b的N极指向下，a的N极指向上。选项A正确。

答案  A

9．（多选）磁力玻璃擦是目前很时尚的玻璃清洁器，其原理是利用异名磁极的吸引作用可使玻璃外面的一片跟着里面的一片运动，如图分别为某玻璃擦改进前和改进后的原理图。关于两种磁力玻璃擦是否容易脱落的主要原因，下列说法中正确的是（    ）

A．甲图中前、后面的同名磁极间距较小，同名磁极相互间的斥力大，容易脱落

B．甲图中前、后面的异名磁极间距较小，异名磁极相互间的引力大，不容易脱落

C．乙图中前、后面的同名磁极间距较大，同名磁极相互间的斥力小，不容易脱落

D．乙图中前、后面的异名磁极间距较大，异名磁极相互间的引力小，容易脱落

解析  由图示可知，甲图中前、后面的同名磁极间距较小，同名磁极相互间的斥力大，容易脱落，故A正确，B错误；乙图中前、后面的同名磁极间距较大，同名磁极相互间的斥力小，不容易脱落，故C正确，D错误。

答案  AC

10.如图所示为某种用来束缚原子的磁场的磁感线分布情况，以O点为坐标原点，沿z轴正方向磁感应强度B大小的变化最有可能为（    ）

解析  磁感线的疏密程度表示B的大小，沿z轴正方向B先减小后增大，故最有可能的为图C．

答案  C

11．在城市建设施工中，经常需要确定地下金属管线的位置，如图所示。有一种探测方法是，首先给金属长直管线通上电流，再用可以测量磁场强弱、方向的仪器进行以下操作：①用测量仪在金属管线附近的水平地面上找到磁感应强度最强的某点，记为a；②在a点附近的地面上，找到与a点磁感应强度相同的若干点，将这些点连成直线EF；③在地面上过a点垂直于EF的直线上，找到磁场方向与地面夹角为45°的B、C两点，测得B、C两点距离为L。由此可确定金属管线（    ）

A．平行于EF，深度为2(L)

B．垂直于EF，深度为L

C．垂直于EF，深度为2(L)

D．平行于EF，深度为L

解析  用测量仪在金属管线附近的水平地面上找到磁感应强度最强的某点，记为a，说明地面上a点离金属管线最近；找到与a点磁感应强度相同的若干点，将这些点连成直线EF，故说明这些点均离金属管线最近，故电流应该是平行于EF；画出左侧视图，如图所示。B、C间距为L，且磁场方向与地面夹角为45°，故金属管线深度为2(L)，故A正确。

答案  A