2021届高中物理新教材同步必修第三册 第13章 1　磁场　磁感线

1磁场磁感线[学习目标]1．知道磁场的概念，知道磁体与磁体间、磁体与电流间、电流与电流间的作用是通过磁场发生的.2.理解磁感线的概念，知道磁感线的特点.3.理解安培定则，会用安培定则判断电流的磁场方向．一、电和磁的联系磁场1．磁体间的相互作用：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引．2．奥斯特实验：把导线放置在指南针的上方，通电时磁针发生了转动．实验意义：奥斯特实验发现了电流的磁效应，即电流可以产生磁场，首次揭示了电与磁的联系．3．磁场：磁体与磁体之间、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，是通过磁场发生的，磁场是磁体或电流周围一种看不见、摸不着的特殊物质．二、磁感线1．磁场的方向：物理学规定，在磁场中的某一点，小磁针静止时N极所指方向就是这一点的磁场方向．2．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场方向一致，这样的曲线就叫作磁感线．(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场的方向．三、安培定则1．直线电流的磁场安培定则：如图1甲所示，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环绕的方向．直线电流周围的磁感线环绕情况如图乙所示．图12．环形电流的磁场安培定则：如图2所示，让右手弯曲的四指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轴线上磁感线的方向．图23．通电螺线管的磁场安培定则：如图3所示，右手握住螺线管，让弯曲的四指与螺线管电流方向一致，伸直的拇指所指的方向就是螺线管轴线上磁场的方向或者说拇指所指的方向是它的北极的方向．图3判断下列说法的正误．(1)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殊物质．(√)(2)磁感线可以形象地描述各磁场的强弱和方向，它每一点的切线方向都和小磁针放在该点静止时N极所指的方向一致．(√)(3)磁感线可以用细铁屑来显示，因而是真实存在的．(×)(4)通电直导线周围磁场的磁感线是以导线为圆心的圆．(√)(5)通电螺线管周围的磁场类似于条形磁铁周围的磁场．(√)一、磁场与磁感线导学探究如图4所示，通电导线放在磁铁附近，悬挂导线的细线偏离竖直方向，说明通电导线受到力的作用，磁铁对通电导线的作用力是如何产生的？图4答案磁铁在周围产生了磁场，磁场对通电导线产生了作用力．知识深化1．磁场(1)磁场的客观性：磁场与电场一样，也是一种物质，是一种看不见而又客观存在的特殊物质．存在于磁体、通电导线、运动电荷、变化电场、地球的周围．(2)磁场的基本性质：对放入其中的磁极、电流、运动的电荷有力的作用，而且磁体与磁体、磁体与电流、电流与电流间的相互作用都是通过磁场发生的．2．磁感线(1)定义：磁感线是为了形象地描述磁场而人为假想的曲线，曲线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同．(2)特点：①在磁体外部，磁感线从N极发出，进入S极；在磁体内部由S极回到N极．②磁感线的疏密程度表示磁场的强弱，磁感线越密的地方磁场越强；磁场方向即过该点的磁感线的切线方向．③磁感线闭合而不相交，不相切，也不中断．④磁感线是人们为了形象描述磁场而假想的线，并不真实存在．(3)几种特殊磁体外部的磁感线分布(如图5所示)：图5(多选)下列有关磁场的说法中，正确的是()A．磁体周围的空间存在看不见、摸不着的磁场B．磁极间的相互作用是通过磁场发生的C．磁场是有方向的，在磁场中的不同位置，其磁场方向一般不同D．在磁场中的某点，小磁针南极所受磁场力的方向与该点的磁场方向相同答案ABC解析磁场虽然看不见、摸不着，但它是一种客观存在的特殊物质，它的基本性质是对放入其中的磁体产生力的作用；磁极间的相互作用就是通过磁场发生的；磁场具有方向性，在磁场中的某点，小磁针北极所受磁场力的方向与该点的磁场方向一致，南极所受磁场力的方向与该点的磁场方向相反(磁场方向的另一种描述方法)，故A、B、C正确，D错误．1．电场、磁场、重力场(引力场)，它们有非常接近的性质：看不见，摸不着，但却是客观存在的特殊物质．2．磁场不仅有大小而且有方向．磁场的方向规定为小磁针N极受力方向或者小磁针静止时N极所指的方向或者磁感线的切线方向．下列关于磁感线的说法中正确的是()A．磁感线可以形象地描述磁场的强弱与方向B．磁感线总是从磁铁的N极发出，到S极终止C．磁感线就是细铁屑在磁铁周围排列的曲线，没有细铁屑的地方就没有磁感线D．沿磁感线的方向磁场逐渐减弱答案A解析磁场是一种看不见的特殊物质，人们为了形象地描述磁场而引入了磁感线这一假想的曲线，它可以表示磁场的强弱与方向，选项A正确；在磁铁外部，磁感线从磁铁的N极发出，从磁铁的S极进入，在磁铁内部磁感线由S极回到N极，构成闭合曲线，选项B错误；磁感线是人们假想的曲线，与有无铁屑无关，选项C错误；磁场的强弱由磁感线的疏密程度表示，而与磁感线的方向无关，选项D错误．二、安培定则导学探究1．演示实验：将一根与电源、开关相连接的直导线用架子架高，沿南北方向水平放置．将小磁针平行地放在直导线的上方和下方，请观察直导线通、断电时小磁针的偏转情况．观察到什么现象？通过这个现象可以得出什么结论呢？答案观察到通电时小磁针发生偏转，断电时小磁针又回到原来的位置．通电后导线周围的小磁针发生偏转，说明通电后导线周围的空间对小磁针产生力的作用，由此我们可以得出：通电导线和磁体一样，周围存在着磁场．2．重做上面的实验，请观察当电流的方向改变时，小磁针N极的偏转方向是否发生变化．观察到什么现象？这说明什么？答案观察到电流的方向改变时，小磁针N极的偏转方向发生改变，说明电流的磁场方向也发生变化．知识深化电流磁场的方向利用安培定则进行判断．1.直线电流的磁场(1)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环绕的方向，如图6所示．图6(2)画法：如图7所示图7(3)特点：是非匀强磁场，距导线越远处磁场越弱．2．通电螺线管的磁场(1)安培定则：右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是螺线管轴线上磁感线的方向，如图8所示．图8(2)磁感线特点两端分别是N极和S极，管内是匀强磁场，管外是非匀强磁场，画法如图9所示．图93．环形电流的磁场(1)安培定则：让右手弯曲的四指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轴线上磁感线的方向，如图10所示．图10(2)磁感线的特点两侧分别是N极和S极，离圆环中心越远，磁场越弱，画法如图11所示．图11如图12所示，a、b是直线电流的磁场截面图，c、d是环形电流的磁场截面图，e、f是螺线管电流的磁场立体的截面图．试在各图中补画出电流方向或磁感线方向．图12答案见解析解析根据安培定则，可以确定a中电流方向垂直纸面向里，b中电流方向从下向上，c中电流方向是逆时针方向，d中磁感线方向向下，e中磁感线方向向左，f中磁感线方向向右．电路没接通时三个小磁针方向如图13所示，接通电路后确定三个小磁针的转向及最后N极的指向．(其中小磁针3在螺线管内部)图13答案小磁针1逆时针转动，最后N极指向左方小磁针2顺时针转动，最后N极指向右方小磁针3顺时针转动，最后N极指向右方．解析由安培定则可知螺线管内部磁场方向由左向右，故小磁针3顺时针转动，最后N极指右；小磁针1所在位置处磁场方向向左，故小磁针1逆时针转动，最后N极指左；小磁针2所在位置处磁场方向向右，小磁针2顺时针转动，最后N极指右．1．通电螺线管外部的磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，也是从N极出来，进入S极．通电螺线管内部的磁感线跟螺线管的轴线平行，方向由S极指向N极，并和外部的磁感线连接，形成环绕的闭合曲线．2．判断小磁针N极的指向，需要先判断小磁针所在处那一点的磁感线方向．针对训练当导线中分别通以图示方向的电流，小磁针静止时北极指向读者的是()答案C解析通电直导线电流方向从左向右，根据安培定则，则有小磁针所处的位置磁场方向垂直纸面向里，所以小磁针静止时北极背离读者，故A错误；通电直导线电流方向竖直向上，根据安培定则，磁场的方向为逆时针(从上向下看)，因此小磁针静止时北极背离读者，故B错误；环形导线的电流方向如题图C所示，根据安培定则，则有小磁针所处的位置磁场方向垂直纸面向外，所以小磁针静止时北极指向读者，故C正确；根据安培定则，结合电流的方向，则通电螺线管的内部磁场方向由右向左，则小磁针静止时北极指向左方，故D错误．三、安培分子电流假说1.法国学者安培提出：在物质内部，存在着一种环形电流——分子电流．分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极．(如图14所示)图142．当铁棒中分子电流的取向大致相同时，铁棒对外显磁性；当铁棒中分子电流的取向变得杂乱无章时，铁棒对外不显磁性．(多选)下列说法正确的是()A．奥斯特提出“分子电流”假说，认为永磁体的磁场和通电导线的磁场均由运动的电荷产生B．安培提出“分子电流”假说，认为永磁体的磁场和通电导线的磁场均由运动的电荷产生C．根据“分子电流”假说，磁铁受到强烈震动时磁性会减弱D．根据“分子电流”假说，磁铁在高温条件下磁性会减弱答案BCD解析“分子电流”假说是由安培提出来的；根据安培的“分子电流”假说可知，磁铁及通电导线的磁性是由内部运动电荷产生的磁场叠加而成的；磁铁在高温和强烈震动下分子电流会变得杂乱，从而使磁性减弱，故B、C、D正确．1．(磁场的概念)下列关于磁场的说法中，正确的是()A．磁场和电场一样，是客观存在的特殊物质B．磁场是为了解释磁极间相互作用而人为规定的C．磁极与磁极之间是直接发生作用的D．磁场只有在磁极与磁极、磁极与电流发生作用时才产生答案A解析磁场是客观存在于磁极或电流周围的一种物质，是不以人的意志为转移的，所以A正确，B、D错误；磁极与磁极之间、磁极与电流之间、电流与电流之间的作用都是通过它们的磁场发生的，所以C错误．2．(磁感线)关于磁感线与电场线的描述，正确的是()A．电场线起止于电荷，磁感线起止于磁极B．电场线一定是不闭合的，磁感线一定是闭合的C．磁感线是自由小磁针在磁场力作用下的运动轨迹D．电场线和磁感线实际上均存在，只是肉眼看不到答案B解析磁感线没有起点也没有终点，是闭合的曲线；静电场中的电场线不是闭合曲线，起始于正电荷(或无穷远处)，终止于无穷远处(或负电荷)，故A错误，B正确．磁感线是描述磁场强弱和方向的曲线，当磁感线是曲线时，小磁针在磁场力作用下的运动轨迹并不一定与其重合，故C错误；电场线和磁感线都是为了描述抽象的场而人为引入的曲线，实际上并不存在，故D错误．3.(磁场的方向)(多选)条形磁铁上部一小磁针平衡时N极指向如图15所示，假定磁铁内部也有一小磁针，平衡时如图所示，则下列说法正确的是()图15A．磁铁c端是N极，d端是S极B．磁铁c端是S极，d端是N极C．小磁针a端是N极，b端是S极D．小磁针a端是S极，b端是N极答案BD解析小磁针静止时N极的指向即为该处的磁场方向，条形磁铁外部磁感线方向是由N极指向S极，而内部是由S极指向N极，由题图中上面小磁针静止时N极所指的方向可判定磁铁d端是N极，c端是S极；磁铁内部的小磁针，由内部磁场方向可判定，a端是S极，b端是N极，故B、D正确，A、C错误．4．(电流的磁场)如图16所示，两根非常靠近且互相垂直并互相绝缘的长直导线，当通以如图所示方向的电流时，电流所产生的磁场在导线所在平面内的哪个区域内方向是一致且向里的()图16A．区域Ⅰ B．区域ⅡC．区域Ⅲ D．区域Ⅳ答案A解析由安培定则可知，I1电流在其上方产生的磁场方向垂直纸面向里，I2电流在其右方产生的磁场方向垂直纸面向里，故只有在区域Ⅰ，两个电流产生的磁场才都向里，选项A正确．5．(电流的磁场)为了判断一个未知正负极的蓄电池极性，某同学将该蓄电池通过电阻跟螺线管连接起来，发现小磁针的N极立即向螺线管偏转，如图17所示．用M、N和P、Q分别表示蓄电池和螺线管两极，下列判断正确的是()图17A．蓄电池M端为正极B．蓄电池N端为正极C．螺线管P端为S极D．螺线管内部磁场方向由P指向Q答案B解析小磁针的N极向螺线管偏转说明小磁针所在位置磁场方向向左，即螺线管P端为N极，Q端为S极，选项C错误；在螺线管的内部，磁场方向由S极指向N极，所以螺线管内部磁场方向由Q指向P，选项D错误；根据安培定则可知，在蓄电池外部电流从N流向M，蓄电池N端为正极，选项A错误，B正确．考点一磁场和磁感线1．关于磁场的下述说法中，正确的是()A．磁极之间的相互作用是通过磁场发生的B．看不见、摸不着的磁场不是客观存在的C．只有磁体周围才存在磁场D．地球周围不存在磁场答案A解析磁场对放入其中的磁体一定有磁场力作用，磁极之间相互作用是通过磁场发生的，选项A正确；磁场是客观存在的一种物质，虽然看不见，摸不着，但可通过小磁针来体现其存在，选项B错误；在整个地球周围空间中都有磁场的存在，只不过在磁体的周围，磁场比较强，磁场可以很明显的表现出来，离磁体远的地方，磁场比较弱，磁场不容易表现出来，所以不是只有磁体周围才存在磁场，选项C、D错误．2．(多选)下列说法中正确的是()A．磁体在空间中能产生磁场，磁场使磁体间不必接触便有相互作用B．在磁场中的某一点，小磁针仅在磁场力作用下静止时北极所指的方向，就是那一点的磁场方向C．当两个磁体的同名磁极相互靠近时，两条磁感线有可能相交D．磁体周围的磁感线都是闭合的曲线答案ABD解析磁体间的作用力是通过磁场发生的，可以不用接触便产生相互作用，A项对；小磁针仅在磁场力作用下静止时北极的指向是北极受力的方向，就是那一点的磁场方向，B项对；磁感线是闭合的曲线且不能相交，C项错，D项对．3．(多选)关于磁场和磁感线的描述，下列说法中正确的是()A．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殊物质B．磁感线可以形象地描述各磁场的强弱和方向，它每一点的切线方向都和小磁针放在该点静止时北极所指的方向一致C．磁感线总是从磁铁的N极出发，到S极终止的D．磁感线可以用细铁屑来显示，因而是真实存在的答案AB解析磁感线是为了形象地描述磁场而假想的有方向的闭合的曲线，实际上并不存在，在磁体内部，磁感线由S极指向N极，所以选项C、D错误；磁场是客观存在的特殊物质，所以选项A正确；磁感线上每一点的切线方向表示磁场方向，磁感线的疏密表示磁场的强弱，小磁针北极受力方向、静止时北极指向均为磁场方向，所以选项B正确．4．如图所示，小磁针所指方向正确的是()答案A解析题图A中小磁针所在位置磁感线方向向上，因此小磁针N极指向上方，选项A正确；题图B中小磁针所在位置磁感线方向水平向右，因此小磁针N极指向右，选项B错误；由题图C中所给磁感线方向可知，小磁针N极指向左上方，选项C错误；题图D中小磁针所在位置磁场方向沿磁感线水平向左，因此小磁针N极应指向左，选项D错误．考点二电流的磁场5．下列各图中，用带箭头的细实线表示通电直导线周围磁感线的分布情况，其中正确的是()答案D6．如图所示为电流产生磁场的分布图，其中正确的是()答案D解析题图A中电流方向向上，由安培定则可知磁场方向为逆时针(从上向下看)，故A错误；题图B中电流方向向下，由安培定则可知磁场方向为顺时针(从上向下看)，B错误；题图C、D中电流为环形电流，由安培定则可知，内部磁场方向应向右，故C错误，D正确．7．下列各图中，电流及其产生的磁场方向均正确的是()答案C8.如图1所示，一枚小磁针放在半圆形导线环的环心O处，当导线中通以如图所示方向的电流时，小磁针将如何偏转()图1A．沿顺时针方向转动B．沿逆时针方向转动C．N极转向纸里，S极转向纸外D．N极转向纸外，S极转向纸里答案C解析由安培定则知，环形电流内部磁场方向垂直纸面向里，故N极转向纸里，C正确．9．关于通电螺线管磁极的判断，下列示意图中正确的是()答案A10．通电螺线管附近放置四个小磁针，如图2所示，当小磁针静止时，图中小磁针的指向正确的是(涂黑的一端为N极)()图2A．aB．bC．cD．d答案B解析由安培定则判断出螺线管的左侧相当于条形磁铁的N极，右侧相当于S极，故在小磁针a、c、d处磁场方向水平向左，小磁针b处磁场方向水平向右，小磁针静止时N极应沿磁感线方向，只有小磁针b指向正确，选项B正确．11.(多选)(2018·北京市第五中学期末)如图3所示，放在通电螺线管内部中间的小磁针，静止时小磁针的N极指向右侧(螺线管的c端)，则下列判断正确的是()图3A．c为通电螺线管的S极，d为通电螺线管的N极B．d为通电螺线管的S极，c为通电螺线管的N极C．a为电源的正极、b为电源的负极D．a为电源的负极、b为电源的正极答案BC解析小磁针N极指向右侧，可知螺线管内部磁场方向由左向右，根据安培定则可知c为通电螺线管的N极、a为电源的正极，选项A、D错误，B、C正确．12.实验室有一旧的学生直流电源，输出端的符号模糊不清，无法辨认正负极．某同学设计了下面判断电源极性的方法：在桌面上放一个小磁针，在磁针东面附近放一螺线管，如图4所示，闭合开关后，小磁针指南的一端向东偏转，下述判断正确的是()图4A．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答案C解析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．13.弹簧测力计下挂一条形磁铁，其N极一端位于