高二物理（人教大纲版）第二册 第十五章 磁场 一、磁场、磁感线(备课资料)VIP

专心 爱心 用心 1 备课资料 一 指南针的家世 指南针跟造纸 活字印刷和火药一起被列为我国的四大发明 这些发明的每一项都充满 着动人的传奇 指南针的家世尤其如此 慈爱的石头 指南针的前身是司南 司南是磁石磨成的 磁石主要是指磁铁矿 Fe3O4 它在各种矿 石中显得特别引人注目 不仅磁石与磁石互相吸引 而且磁石还能吸铁 至今民间还将一切 永久磁体称为吸铁石 考古学家已经发现的我国古代铁器 还没有早于商代的 因此 磁石 吸铁现象的发现最早就在三千几百年前 我们的先人对这种现象很感兴趣 可是还不可能真 正理解 于是 他们就拿母子情来解释 石头是铁的妈妈 其中磁石是慈母 能吸引自己的 儿子 铁 非磁石不是慈母 不能吸引自己的儿子 这就是东汉时代的学者高诱一本正经 地发表的议论 代表当时的普遍看法 所以先秦和秦汉古书都将磁石写成 慈石 大约到 了唐朝 慈 字才改为 磁 近代磁学告诉我们 磁石的两端有南北极之分 铁放在磁石附近 就被磁化而暂时变成 了磁铁 磁铁也有南北极 而它的南北极的排列顺序与磁石的一样 两者以异名磁极相向 这样铁就由于异名磁极相吸而被磁石拉过去了 古人对于那些给人印象深刻的自然现象 往往喜欢编成传奇性的故事 关于磁石吸铁就 流行着不少传说 比如 1 秦始皇统一中国后 在首都陕西咸阳建造了规模宏大 豪华异常的宫殿 阿房宫 秦始皇施行暴政 也怕有人行刺他 为了防备刺客 他下令用磁石来垒砌阿房宫的北阙门 如果有人身藏铁制兵器从北阙门进宫来 磁石就会对兵器产生引力 这样刺客就会被发现 遭到拘捕 2 三国时代 南方某条江中的一段水底蕴藏着磁铁矿 铁制附件多的船只驶过这里 就会被江底的磁铁矿吸引而不能前进 3 晋朝大将马隆率部与羌族军队作战 他设了一条 磁石计 来对付骁 xi o 勇善战 的羌兵 将羌兵诱入事先在两旁堆垒着大量磁石的小路 羌兵身披铁甲 被两旁磁石吸引而 行动困难 以为天神降罚 大惊逃窜 而晋兵穿皮革护身服 不受磁石影响 乘机追击羌兵 大获全胜 阿房宫北阙门上的磁石对刺客贴身暗藏的铁兵器 江底的磁铁矿对从它上面驶过的船 只的铁附件 路旁堆垒的磁石对羌兵身上的铁甲 都会有一定的引力 但是磁石 磁铁矿 的磁性太弱了 恐怕不足以使刺客 船只和羌兵止步不前 看来这些故事是在传闻中加油添 酱而失实了 不过它们包含的科学想象还是很有根据的 关于磁石与磁石之间的磁力作用 也有传说下来的故事 据说 汉武帝的时候 有位叫 栾大的人 用磁石做成 斗棋 这些磁性棋子能相吸 相斥 放在一起还能互相碰撞不止 像打架似的 这个故事指出磁石与磁石之间不仅能相吸 而且能相斥 是有意义的 磁性棋子也有磁 南北极 两个棋子挨近 异名磁极相向就相吸 同名磁极相向就相斥 但是许多棋子放到一 起 不会像游乐场里的碰碰车那样不停地相碰撞 故事说它们相碰撞不止 是没有根据的 也根本没有可能 即使用现代磁性最强的人造永久磁体来制造 斗棋 并且通过表面加工 使棋子与棋盘间几乎没有摩擦力 将这些棋子撒到棋盘上 也并不能没完没了地斗下去 它 们在乱斗一阵之后 便会很快地顺着地磁的南北方向整齐地排好队 安静下来 这时每两 个南北相邻的棋子都是以异名磁极相向的 因为地球是一块无比庞大的磁体 所以每一个棋 子都会像一根指南针那样 以自己的南北极指向地磁南北极 根据现代科学可以进一步说 即使将所有的棋子连同棋盘都封闭在一个圆球形铁室里 专心 爱心 用心 2 使棋盘上的棋子不受地磁的影响 这些棋子也不可能不停地相斗 同样会在相斗一阵后 顺着某个方向一个个头尾相向排好队 停下不动 只不过这时就不一定顺着南北地磁极的方 向排队了 也可能顺着其他任何方向 两个磁性棋子彼此挨近 同名磁极相向就相斥 异名磁极相向必相吸 如果现代科学证明 斗棋 不可能没完没了地斗下去的话 那么前面三个吸铁的故事 在现代技术的基础上倒是有实现的可能性 现代技术能造出许多种类的人造永久磁体 它们 的磁力可以比磁铁矿强得多 不过 要产生强大的磁力 一般不是利用永久磁体 而是利用 电磁铁 把铁条绕上金属绕圈 一通电它就产生磁性 电流断开又失去磁性 这就是电磁铁 只 要通上强大的电流 或增多金属线圈的匝数 电磁铁就可以产生强大的磁力 因此 利用电 磁铁甚至可以造出电磁起重机 来装卸钢铁器材 把成千上万斤重的钢铁吊起来 如果用强大的电磁铁来代替故事里的磁石 那么情况就完全不同了 这种电磁铁对于刺 客暗藏的铁兵器 船上的铁件 羌兵身披的铁甲的引力将十分可观 当然 现在也用不着采 取这样苯拙的办法 比如 要检查进宫的人是否身藏铁兵器 并不需要在宫门安装庞大的电 磁铁 只消给门卫配备一个便携式的磁性探测器就行 这是一种小巧的电子仪器 只要进宫 的人身上有铁器 它就会作出反应 发出报警的声音 电磁铁 电磁铁还显示出磁的本质 磁性是电流造成的 不仅电磁铁的磁性是电流造成的 就是 一切磁体的磁性也是电流造成的 只不过那不是导线里的电流 而是磁性物质的分子中存 在着的微小的环形电流 称为分子电流 这些分子电流有规则的排列起来 在宏观上便显示 出磁性 光辉的司南 指南针是磁性指南器中的一种 但却不是最古老的一种 现在知道的最古老的磁性指南 器叫 司南 战国时代韩国 在今山西东南和河南中部 学者韩非 公元前 280 前 233 年 说过 先王 主持制造司南来定方向 又有记载说 战国时代郑国 首都在河南新郑 的国君派人去远方采掘玉石 这些人往往随身携带司南来指示方向 以防迷路 据东汉学者 王充 27 79 年 说 司南形状像勺子 放在地盘上 勺柄指南 它大概是用磁铁矿石琢磨 而成的 技术史家已经将它复原 模型现在陈列在北京中国历史博物馆里 专心 爱心 用心 3 司南是什么时候问世的呢 韩非说是 先王 主持制造的 我国先秦时代所说的 先王 一般是指夏禹 商汤 周文王和周武王 就算是最晚的 先王 周武王吧 司南的出现也 在公元前十一世纪 距今大约三千年了 这不是没有可能的 古书上就有三千到五千年前的指南车的传说 1 大约在五千年前 居住在辽东 山东 苏北一带的东夷族的军事领袖蚩尤带兵北伐 在河北涿鹿与华族的炎帝 黄帝联军决战 黄帝部队是华军的主力 涿鹿又是黄帝当时的首 都 黄帝 蚩尤之间战斗特别激烈 在战斗中忽然浓雾迷漫 伸手不见五指 黄帝就采用指 南车来指示方向 最后彻底击败了东夷军 从而实现华 夷的大融合 2 在三千年前左右的西周初期 南海有一个叫越裳氏的部族 派遣使臣带了礼物白雉 向周成王朝贡 越裳的语言与华夏相差很远 要经过三重翻译才能交谈 这时大约是周公姬 旦执政 那使臣返国 周公怕他路途遥远迷失方向 送给他一辆指南车 一般说的指南车 并不是指磁性指南器 而是指机械式的指南器 它利用齿轮组的作用 不论车子怎样转向 都能使立在车上的木人手指南方 指南车大抵是东汉 三国时代发明的 可惜由于战乱而失传 后来历代都有不少专家加以重新创造 不过 构造上有粗略记载的只 有北宋时代的燕肃和吴德仁重新创造的指南车 现在它们的复原模型也陈列在中国历史博物 馆里 指南车的设计思想相当卓越 但是在工艺上要达到设计要求十分困难 传说归传说 它 大概从来没有真正实用过 只是作为帝王出行的仪仗 摆摆样子的 在黄帝 周公时代 看 来不具备制造指南车的技术条件 因为考古发现的最早的齿轮是晚到战国时代的 不过要是 那时的指南车实际上是司南之类磁性指南器 那情况就不同了 特别是在周公时代 制造司 南的技术条件是具备的 而且中原地区的河北磁县 武安都有丰富的磁铁矿资源 据近年来 国外考古发现 连公元前十世纪的美洲印第安人也有创造磁性指南器的迹象 远比司南原 始 而那时的印第安社会恐怕还大大落后于我国黄帝时代呢 罗盘和航海 司南是我国古代领先于世界的光辉发明 但是 指南勺和地盘之间的摩擦力难以降低 而且天然磁石的磁性不强 因此做成的司南很难达到实用程度 必须进一步发展 才能发挥 更大作用 西晋时代出现了指南鱼 北宋时代对指南鱼有较详细的记载 那是钢片制的鱼形小船 2 寸长 5 分宽 用的时候漂在水面 鱼头指南 在阴雨天或没有星星的夜晚行军 可以用 专心 爱心 用心 4 它指示方向 制造指南鱼的钢片本来是没有磁性的 它是怎样磁化的呢 先把它放在炉里烧 红 再夹出来 鱼头翘起朝南 鱼尾下垂冲北 利用地磁的作用磁化 最后放到水里冷却 它就带上磁性了 更重要的是 北宋时代出现了指南针 它是一根用磁石摩擦而磁化的钢针 用得最多的 是 水针 就是加浮子使针漂浮在水面来指向 指南鱼和水针漂在水面 摩擦力小 转向 灵敏 但水面动荡不定 使用不方便 最有实用价值的是旱针 它将指南针支起来指向 旱 针加上方位盘 就叫 罗盘 或 罗经盘 方位盘标有 48 个方位 罗盘使用最方便 一直 流传到今天 罗盘的伟大贡献在于航海 茫茫大海 一望无际 没有地形地物可以利用 船上的水手 怎样判断方向呢 北宋朱彧 y 记载他父亲朱服于 1098 1102 年间在广州的见闻说 当 时的海员们白天靠观察太阳 夜晚靠观察星星 阴雨天靠指南针来定向导航 到了南宋时代 航海就更加依赖指南针 当时的商船从福建泉州开往海南岛 往往日夜看守指南针 元代的 海船上更有专门放置罗盘的 针房 那是闲人不准入内的 明代大航海家三宝太监郑和 下西洋 率领庞大的船队直抵东非 在这当中罗盘也立了大功 我国发明的指南针 大约从十二和十三世纪之交开始 经过阿拉伯国家传人欧洲 后来 哥伦布发现了美洲大陆和麦哲伦环球航行 如果没有罗盘 那真是不可想象的呢 应该指出 指南针所指示的方向不是正南 而是与正南差一个角度 我们将这个角度称 为磁偏角 磁偏角的发现我国早于世界大约四百年 磁偏角是怎样产生的呢 它主要是由地理两极与地磁两极不重合产生的 不同地点的磁 偏角一般不同 同一地点的磁偏角也会随时间而变动 掌握各地磁偏角数据 可以更好地利 用指南针 二 有磁单极子吗 早在公元前 300 多年 古希腊哲学家柏拉图就在他著的 蒂迈欧篇 中谈到 神奇的 石头 即磁石 这本著作可能是人类记述磁现象的最早的书 而发现磁石有两个 极 最 早的记载就数我们中国人的了 东汉哲学家王充 于公元 83 年将他的 85 篇文章编著成 论 衡 其中就有磁极和罗盘的介绍 在这部名著中 介绍了磁石有两个极 每个极都能吸引 金属屑 而且两极之一 称 亲北极 指向北方而另一极 亲南极 指向南方 还介 绍了 指南匙 即一块刻成大熊星座形状的磁石 当把它放在光滑的铜板上时就会旋转 直到匙把指向南极 对磁石的极性的认识 西方人直到 1269 年才有记载 但到了 16 世纪后半叶 他们对电 和磁认识的深化 就远远超过了我们中国人 在英国伊利莎白时代 既是医师又是物理学家 的吉尔伯特 对磁现象有了更科学更深入的认识 他根据 1269 年马里阔特对磁极的记载 正确地猜测到了罗盘的原理 他认为 地球本身就是一个大磁体 其磁极的 亲南极 在地 专心 爱心 用心 5 球北极附近 吸引用来做罗盘的磁体的 亲北极 他还注意到 虽然电与磁有相似之处 但二者是不同的现象 磁石只吸引铁 而且不用摩擦 而琥珀吸引任何材料的碎屑 却有一 个先决条件 即要与适当材料摩擦电化之后才行 到了 1820 年 丹麦哥本哈根大学的物理教授奥斯特发现了电磁性 即电现象和磁现象 有着深刻联系的特性 奥斯特发现 不仅载流导线施力于像罗盘一类的磁体 磁体也施力于 带电流的线圈 线圈的一端起着磁体北极一样的作用 而另一端就像磁南极 于是 对于理 解磁性的基本原理 人们不再是通过研究铁或地球的磁性 而是通过研究电磁性来深化理 解 近代人已认识到 磁石或马蹄铁的磁性是铁原子内的电流造成的 而地磁则是行星内部 熔岩中的电流引起的 它们分别涉及到铁原子在固体中如何定向排列和物质在地球内如何 运动的秘密 在奥斯特发现电流可以产生磁力之后十余年 英国物理学家法拉第发现了与奥斯特的 发现相反的现象 即突变的磁场能产生电流 法拉第研究了电和磁相互感应的实验之后 提 出了电磁场这个反映电磁统一性的概念 在这些工作的基础上 苏格兰物理学家麦克斯韦 于 1861 年推导出了统一描述电磁现象的方程组 被人称为麦克斯韦方程组 建立了单一 电磁场的理论 至此 人们终于明白了电现象和磁现象的根源 不论是电还是磁 都是物质 的基本电荷运动的结果 不论是电磁学理论 还是实验现象或日常经验 都支持这样一个重要结论 电荷 不 论是正的还是负的 都可以单独地存在 而磁极 磁南极和磁北极 却不能单独存在 它 们必须同时存在于同一个磁体之中 事实上 你折断一根磁棒 南极和北极总是在折断处同 时出现 你在一个螺线圈中通过电流 螺线圈的一端是南极 而另一端必是北极 那么 有 没有单独的磁极存在呢 或问 有没有磁单极子呢 1931 年 量子电动力学的创立者 正电子的预言者狄拉克 根据电与磁的对称性 推 测有磁单极子即只有磁南极或磁北极的粒子存在 就像带电物质带有基本电荷e一样 磁单 极子则带有基本磁荷g 狄拉克预言了电荷和磁荷之间的定量关系为 eg n 2 自然单位制 这里n是任意整数 用电子的电荷e的量值同n取作 1 计算此式 可以得到磁荷g的大小 它是电子电荷的 68 5 倍 磁单极子在 1 厘米远处产生的磁场强度约为亿分之一高斯 可见 极其微弱 这样微弱的磁场能否探测得出来呢 回答是没问题的 借助低温技术 即使再弱 一千倍也能测量 如果磁单极子真的存在 那么 物质的磁性就不只是因电荷运动而产生的 还应该加 上磁荷的贡献 麦克斯韦方程将会变得完全对称 电荷量子化的现象 即所有带电物质所带 的电量都是电子电荷的整数倍 就能自然地得以解释 因为此时e n 1 2g 基本电荷本身 就是量子化的 等等 一个能反映某些客观规律的方程 对它的任何一个解 哪怕是很奇怪的 往往总能找 到它的物理内涵 比如狄拉克 1928 年建立的著名的方程 其中的负能量解就奇怪得令人困 惑 狄拉克没有轻易扔掉它 而让它对应反粒子 结果呢 导致了反物质世界的发现 如今 考虑磁单极子这一预言 不论是从电和磁的对称和谐上讲 还是从量子理论的基本需要上 讲 这个预言都是相当漂亮的 是自然界的本来面目并非 十全十美 磁单极子根本就不 存在 还是人类以往的探测手段不够高明 以致它逍遥 法 外 66 年来 在理论和实验 上都陆陆续续地有人在探索这个问题 至今仍得不到明确的答案 从理论上预测 磁单极子具有如下一些性质 它具有极强的游离能力 通过物质时会 很快地损失能量 它在磁场中被加速能获得很高的能量 它被反磁物质所排斥 而被顺磁 物质所吸引 它可以与顺磁性的原子或分子结合成一体 根据这些性质 如果从宇宙来的磁单极子落到地球上 就会因能量损失得太快而滞留 于地表 实验上可以把滞留有磁单极子的岩石粉碎 用强磁场把它吸出来 再设法观测它的 专心 爱心 用心 6 径迹 如果高能加速器的能量够得上产生一对极性相反的磁单极子 就像光生正负电子对一 样 那么磁单极子对将会滞留在靶内 再用上述方法让它们显示径迹 这些实验设想 物理 学家们已进行多次尝试 甚至到人造卫星上做宇宙线观测 从月球上面和深海海底取岩石 样品做分析 其结果都是一无所获 狄拉克教授带着磁单极子之梦 已于 1984 年长眠 他的这一假说 却给粒子物理学 固体物理学 地球物理学 天文学和宇宙学等学科留下了不尽的思考 近几年 在世界各地 在空中 地上 地下 水底已经建成或正在筹建各种大型探测装置 其中不少实验室都把 探测磁单极子列为重要的研究课题 地是大的 可是地在我的脚下 哥伦比亚 里维拉 也许在不远的将来 磁单极子之谜 将在科学家们的脚下水落石出 三 永磁和永电 我国古代曾经流传着一段磁石召铁的故事 秦始皇造的阿房宫 有一扇完全用磁铁铸 成的大门 如果有谁胆敢带着铁制凶器闯进宫内 磁石门就会把他牢牢吸住 如今 虽然阿 房宫已不复存在 磁石门也并非一定真有此事 不过 这个故事说明了我们的祖先很早就认 识了永磁体的特性 至今航海的指南针 磁罗经 收听广播和扩音用的扬声器 医疗用的磁 疗器 以至连学生用的塑料文具盒也都装上了一块小小的永磁体 永磁体的用途可大着哩 自然界里既然有永久磁铁 人们很自然会联想起 有没有一种永久带电的物质呢 这 个问题在十八世纪就提出来了 当时英国科学家法拉第就认为 世界上有永电体的物质 不 过在那时候还没能找到 直到本世纪的 1919 年 日本科学家才把它制造出来 那么 这种永电体是什么样的呢 最早的制造者是用融化的蜂蜡 树脂等不导电物质 放在电容器中加强电场 并在电场中冷却凝固 这样 原来不导电的蜂蜡 树脂的表面就 会带电 即使以后不再外加电场 它表面的电荷仍会长时期地滞留下来 经久不变 成了 永电体 日本制成的世界上第一块永电体在博物馆里放了 45 年之久 经测量 它的电荷量 只减少约五分之一 永电体又称为驻极体 因为它所带的电荷能长久驻扎在不导电体表面 所以人们给它起 了这么个美名 有趣的是驻极体与永磁体有着许多类似的性质 把一根条形磁铁折成两段 每段都具有南 北两极 把驻极体分割开来 每一部分的表面也都出现着正 负电荷 要长 久保持永久磁铁的磁性 应当用一块软铁把它的两个磁极连接起来使磁路闭合 要想把驻 极体的电荷保存得更长久 也要用一根导线把两极短接 近年来 人们用高分子材料制成性能良好的驻极体 如驻极体传声器 驻极体扬声器 驻极体电话等等 由于它制成的电声器件体积小 重量轻 使用期长 因此 驻极体在许 多领域中都有着广泛的用途 它不失为一种很有发展前途的新材料 目前对驻极体的形成机 理和应用技术的研究正方兴未艾 专心 爱心 用心 7 四 太阳风暴 1 什么是 太阳风暴 太阳活动每隔 11 年左右进入一个新的高峰期 由于它的能量增加使得其自身活动加强 会发射强大的电磁辐射 即电磁波 如紫外线 X 射线 高能粒子流 主要成分是质子和 少量重离子 等离子体流 主要由数量相等的电子和质子组成 一般把太阳向宇宙空间 释放出由大量带电粒子所形成的带电粒子流叫做 太阳风暴 或 太阳风 有人形象地比 喻 太阳风暴 是太阳发怒了或太阳像人一样打了个喷嚏 太阳风 分两种类型 1 5 106 km h 的低速 太阳风 和 3 0 106 km h 的高速 太阳风 2 太阳风暴 对人类有何影响 1 当 太阳风暴 掠过地球时 会使地磁场发生变化 引起地磁暴 电离层暴 并 影响通讯 特别是短波通讯 如 2000 年 7 月 14 日 太阳风暴 使北京地区的短波通讯一度 中断 20 分钟 2 对地面的电力网 管道和其他大型结构发送强大的电荷 影响输电 输油 输气 管线系统的安全 如 1989 年在加拿大 美国北部曾经好几次由于这样的事故造成变压器烧 毁 停电几十小时 损失达上亿美元 3 太阳风暴 对运行的卫星也是一个重大的考验 1989 年 3 月的 太阳风暴 使 美国气象局卫星 欧洲空间局海事卫星 日本通讯卫星和气象卫星出现了故障 有的姿态 控制失灵 美国发现号航天飞机飞行时遇到的阻力比前几次飞行时增加了 15 飞机急剧 下降 幸好带有足够的燃料 采取紧急措施 才避免机毁人亡 4 人类是 太阳风暴 的直接受害者 一次 太阳风暴 的辐射量对一个人来说很 容易达到相当于多次胸部 X 射线检查的水平 它还会引起人体免疫力的下降 容易引起病疫 癌症的发病率增高 太阳风暴 也会使人的情绪容易波动 甚至车祸增多 5 太阳风暴 以后会造成气温升高 科学家说 太阳打个喷嚏 指太阳风 地 球要发烧几天 3 太阳活动高峰年大家在生活中要注意什么 对一般人来说 太阳活动高峰年的影响就是太阳辐射加强 首先是紫外线加强 其次是 X 射线加强