2020春新教材高中物理 第5章 初识电磁场与电磁波 第1节 磁场及其描述教案 鲁科版必修第三册

第5章 初识电磁场与电磁波课标要求1.能列举磁现象在生产生活中的应用。了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响。关注与磁相关的现代技术发展。2.通过实验，认识磁场。了解磁感应强度，会用磁感线描述磁场。体会物理模型在探索自然规律中的作用。3.知道磁通量。通过实验，了解电磁感应现象，了解产生感应电流的条件。知道电磁感应现象的应用及其对现代社会的影响。4.通过实验，了解电磁波，知道电磁场的物质性。了解电磁波的应用及其带来的影响。5.知道光是一种电磁波。知道光的能量是不连续的。初步了解微观世界的量子化特征。第1节磁场及其描述核心素养物理观念科学思维科学态度与责任1.通过实验，认识磁场2.了解磁感应强度3.会用磁感线描述磁场4.会判断通电直导线和通电线圈周围的磁场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。1.能列举磁现象在生产生活中的应用。2.了解我国古代磁现象的研究成果及其对人类文明的影响。3.关注与磁相关的现代科技的发展。知识点一磁场磁感应强度观图助学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。北极：自由转动的磁体，静止时指北的磁极，又叫n极。南极：自由转动的磁体，静止时指南的磁极，又叫s极。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。定义式b。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 t1 。(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。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。奥斯特实验(1)1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，当给导线通电时，与导线平行放置的小磁针发生转动，如图所示。(2)实验意义：电流的磁效应的发现，首次揭示了电与磁之间的联系。深度理解：自然界有两种基本的物质形态：实物和场。(1)实物即具体的、有形的物质形态，由物质粒子组成。(2)场是物质的另一种存在形态，和实物一样，也是客观存在的。任何一个磁体都有两个磁极，无论怎样分割磁体，磁极总是成对出现，不存在磁单极。进一步探究，由如图所示的探究结果可以发现：当通电导体垂直于磁场方向放置时，不同的电流元受到的磁场力与电流元的比值在同一点是相同的，同一个电流元受到的磁场力与电流元的比值在不同点一般是不同的。比值反映了磁场本身的某种性质，b正是磁感应强度大小的计算式，b的大小与f、il的大小无关。实验时利用被磁化的铁屑来显示磁感线的分布情况，使抽象的磁场变得形象具体，但磁感线是假想出来的，不是由铁屑排列而成的。两个线圈之间的磁场是匀强磁场用“”表示磁场方向垂直于纸面向里，用“”表示磁场方向垂直于纸面向外，用“”表示电流方向垂直于纸面向里，用“”表示电流方向垂直于纸面向外，则可方便、直观地描述磁感线的分布。“”可想象成从箭尾向箭头看到的情景，“”可想象成迎着箭头看到的情景。稳定的环形电流可以等效为小磁针，图中的安培定则描述了磁感应强度的方向与环形电流平面的垂直关系。环形导线可以等效为无数段很短小的直导线，既可用通电直导线周围的磁场来判断，也可根据环形电流的安培定则直接判断。从这个意义上说，安培定则的两种表述是等效的。自然现象美丽的极光极光发生在地球的高纬度地区(磁极)，是太阳风经过地球时在地磁场作用下发生偏转形成的。宇宙射线到达不了地球)核心要点 磁场磁感应强度要点归纳1.磁场的性质(1)客观存在性：与电场一样，也是一种物质，是一种看不见摸不着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)方向性：物理学中规定，磁场中任一点小磁针北极(n极)的受力方向(或小磁针静止时n极的指向)为该处的磁场方向。(3)磁场的基本性质：磁场对放入其中的磁极或电流有力的作用。磁极与磁极之间，磁极与电流之间，电流和电流之间都是通过磁场相互作用的。2.对磁感应强度的理解(1)定义式的适用条件：通电导线垂直磁场放置。(2)磁感应强度的决定因素：磁感应强度反映磁场本身的特性，其值决定于磁场。其值与放入的检验电流的电流强度、导线长度、摆放方向、检验电流是否受到磁场力及检验电流是否存在等均无关系。即使不放入载流导线，磁感应强度也照样存在，故不能说“b与f成正比”或“b与il成反比”。(3)磁感应强度是矢量，其方向就是磁场方向。试题案例例1 (多选)关于磁场，下列说法正确的是()a.磁场的基本性质是对处于其中的磁体或电流有力的作用b.磁场是看不见摸不着、实际不存在的，是人们假想出来的一种物质c.磁场是客观存在的一种特殊物质形态d.磁场的存在与否决定于人的思想，想其有则有，想其无则无解析磁场的基本性质是对放入其中的磁体和电流有力的作用，它是一种看不见、摸不着、实实在在存在的物质，a、c符合题意。答案ac 例2 在匀强磁场中某处p垂直于磁场方向放一个长度l20 cm、通电电流i0.5 a的直导线，测得它受到的最大磁场力f1.0 n，其方向竖直向上。现将该通电导线从磁场中撤走，则p处的磁感应强度为()a.零 b.1 t c.0.1 t d.10 t解析此时导体与磁场方向垂直，由b解得b10 t，磁感应强度与导线无关，故选d。答案d针对训练1 (多选)指南针是我国古代四大发明之一。关于指南针，下列说法正确的是()a.指南针可以仅具有一个磁极b.指南针能够指向南北，说明地球具有磁场c.指南针的指向会受到附近铁块的干扰d.在指南针正上方附近沿指针方向放置一直导线，导线通电时指南针不偏转解析指南针是一个小磁体，具有n、s两个磁极，因为地磁场的作用，指南针的n极指向地理的北极，选项a错误，b正确；因为指南针本身是一个小磁体，所以会对附近的铁块产生力的作用，同时指南针也会受到反作用力，所以会受铁块干扰，选项c正确；在地磁场中，指南针南北指向，当通电直导线在指南针正上方平行于指南针南北放置时，通电导线产生的磁场在指南针处是东西方向，所以会使指南针偏转，选项d错误。答案bc针对训练2 在磁感应强度为b0、方向竖直向上的匀强磁场中，水平放置一根长通电直导线，电流的方向垂直于纸面向里。如图所示，a、b、c、d是以直导线为圆心的同一圆周上的四点，在这四点中()a.b、d两点的磁感应强度相等b.a、b两点的磁感应强度相等c.c点的磁感应强度的值最小d.b点的磁感应强度的值最大解析如图所示，由矢量叠加原理可求出各点的合磁场的磁感应强度，可见b、d两点的磁感应强度大小相等，但方向不同，a项错误；由图知，a、b两点的磁感应强度不相等，a点的磁感应强度最大，c点的磁感应强度最小，b、d项错误，c项正确。答案c核心要点 对磁感线的理解要点归纳1.磁感线的特点(1)为形象描述磁场而引入的假想曲线，实际并不存在。(2)磁感线的疏密表示磁场的强弱，密集的地方磁场强，稀疏的地方磁场弱。故磁感线不相切，若相切，切点处b不可能。(3)磁感线为闭合曲线：磁体外部从n极指向s极，磁体内部从s极指向n极。(4)磁感线上任一点的切线方向表示该点的磁场方向，在稳定磁场中，某点磁场方向唯一确定，所以磁感线不能相交。2.磁感线和电场线的区别与联系比较项目磁感线电场线相同点意义形象地描述磁场方向和相对强弱而假想的线形象地描述电场方向和相对强弱而假想的线方向线上各点的切线方向即该点的磁场方向，是小磁针n极受力的方向线上各点的切线方向即该点的电场方向，是正电荷受电场力的方向疏密表示磁场强弱表示电场强弱特点在空间不相交、不中断除电荷处外，在空间不相交、不中断不同点是闭合曲线静电场中，电场线始于正电荷或无穷远处，止于无穷远处或负电荷，是不闭合的曲线试题案例例3 (多选)关于磁感线，下列说法中正确的是()a.磁感线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致b.磁感线是磁场中客观存在的、肉眼看不见的曲线c.两条磁感线的空隙处不存在磁场，不同磁场形成的磁感线可以相交d.匀强磁场的磁感线是等间距的平行直线解析磁感线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向，a正确；磁感线是为了形象描述磁场而假想的曲线，可以用实验来模拟，但实际并不存在，b错误；磁感线的疏密反映磁场的强弱，但不表示空隙处不存在磁场，磁场是充满某个区域的；不同磁场源产生的磁场在某一区域叠加，磁感线描绘的是叠加后的合磁场，某处的磁感应强度是唯一的，磁感线不相交，c错误；匀强磁场的强弱和方向处处相同，其磁感线是等间距的平行直线，d正确。答案ad针对训练3 (多选)下列关于电场线和磁感线的说法正确的是()a.电场线和磁感线都是电场或磁场中实际存在的线b.磁场中两条磁感线一定不相交，但在复杂电场中的电场线是可以相交的c.电场线是一条不闭合曲线，而磁感线是一条闭合曲线d.电场线越密的地方，电场越强，磁感线越密的地方，磁场也越强解析电场线与磁感线分别是为了形象描述电场、磁场而引入的假想线，实际不存在，a错误；两种场线的切线方向均表示相应的场方向，两种场线都不会相交，b错误；电场线起始于正电荷或无限远、终止于负电荷或无限远，而磁感线在磁体外部由n极指向s极，在磁体内部由s极指向n极，组成闭合曲线，c正确；电场线越密，表示该处电场越强；磁感线越密，表示该处磁场越强，d正确。答案cd核心要点 电流的磁场及磁的应用要点归纳1.条形磁铁和蹄形磁铁的磁场2.常见电流的磁场安培定则立体图横截面图纵截面图直线电流以导线上任意点为圆心垂直于导线的多组同心圆，越向外越稀疏，磁场越弱环形电流内部磁场比环外强，磁感线越向外越稀疏通电螺线管内部为匀强磁场且比外部强，方向由s极指向n极，外部类似条形磁铁，由n极指向s极3.记录与磁：利用磁我们不仅可以记录声音影像，还可以记录其他各种信息，如磁信息卡、磁防盗卡、磁签到卡等。磁卡的使用试题案例例4 电路没接通时三个小磁针方向如图所示，试确定电路接通后三个小磁针的转向及最后的指向。解析接通电源后，螺线管的磁场内部从左指向右，外部从右指向左，如图所示，故小磁针1逆时针转动，小磁针3顺时针转动，小磁针2基本不动。答案小磁针1逆时针转动，小磁针3顺时针转动，小磁针2基本不动方法总结小磁针在磁场中受力的判断方法(1)当小磁针处于磁体产生的磁场中，或环形电流、通电螺线管外部时，可根据同名磁极相斥，异名磁极相吸来判断小磁针的受力方向。(2)当小磁针处于直线电流的磁场中或处于环形电流、通电螺线管内部时，应该根据小磁针n极受力方向与通过该点的磁感线的切线方向相同，来判断小磁针的受力方向。针对训练4 如图所示为磁场作用力演示仪中的赫姆霍兹线圈，在线圈中心处挂上一个小磁针，且与线圈在同一平面内，则当赫姆霍兹线圈中通以如图所示方向的电流时()a.小磁针n极向里转b.小磁针n极向外转c.小磁针在纸面内向左摆动d.小磁针在纸面内向右摆动解析由于线圈中电流沿顺时针方向，根据安培定则可以确定，线圈内部轴线上磁感线方向垂直于纸面向里。而小磁针n极受力方向和磁感线方向相同，故小磁针n极向里转。答案a针对训练5 音箱中的扬声器、电话、磁盘、磁卡等生活中的许多器具都利用了磁体的磁性。请选择一个你熟悉的器具，简述它是怎样利用磁体的磁性来工作的。答案扬声器发声的机理：磁体产生的磁场对附近的通电线圈产生力的作用，从而使线圈振动，带动扬声器的纸盆振动，发出声音。耳机和电话的听筒能够发声也是这个道理。磁带为一具有磁性敷层的合成树脂长带，用于记录声音和影像。1.(对磁场的理解)下列关于磁场的说法中正确的是()a.磁体周围的磁场看不见、摸不着，所以磁场不是客观存在的b.将小磁针放在磁体附近，小磁针会发生偏转是因为受到磁场力的作用c.把磁体放在真空中，磁场就消失了d.当磁体周围撒上铁屑时才能形成磁场，不撒铁屑磁场就消失解析磁场和电场一样具有物质性，是客观存在的，与有无铁屑及磁体所处环境均无关，故a、c、d错误，b正确。答案b2.(对磁感应强度概念的理解)下列关于磁感应强度的概念的说法正确的是()a.放在某处的小磁针n极不受磁场力作用，该处磁场的磁感应强度可能不为0b.放在某处的小磁针n极受到了磁场力作用，该处磁场的磁感应强度一定不为0c.磁场中某位置处的磁感应强度的大小，与放在该处的电流元的放法有关d.磁场中某位置处的磁感应强度的方向，与该处电流元所受到的磁场力方向可能一致解析小磁针在磁场中一定会受到磁场力作用，选项a错误，b正确；磁场中某处的磁感应强度大小和方向都由磁场本身决定，选项c错误；磁场中某位置处的磁感应强度的方向，与该处电流元所受到的磁场力方向一定不一致，选项d错误。答案b3.(对磁感线的理解)关于磁感线，下列说法中正确的是()a.两条磁感线的空隙处一定不存在磁场b.磁感线不可能从s极到n极c.磁场不一定都是由磁铁产生的d.两个磁场叠加的区域，磁感线可能相交解析磁感线是为了形象描绘磁场而假想的一组有方向的曲线，曲线上任一点的切线方向表示该点的磁场方向，曲线疏密表示磁场的强弱，但不表示空隙处不存在磁场，磁场是充满某个区域的，a错误；磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场，c正确；在磁体外部磁感线从n极到s极，内部从s极到n极，磁感线在任何情况下都不相交，所以b、d错误。答案c4.(磁现象在生活中的应用)如图所示是医生用来取出病人吞下的金属物品的仪器。当仪器顶部接触金属物品时，医生将手控环内推，再拉出整条塑料管。(1)你能说出这种仪器的原理吗？(2)如果小孩不慎吞下的是易拉罐拉环或一个回形针，哪种物体可以用这种仪器取出来？(3)如果把活动永磁铁换成电磁铁，你认为是不是更实用呢？解析(1)当仪器顶部接触金属物品时，将手控环内推，其上的活动永磁铁使固铁磁化，磁化后吸引铁磁性金属物品，然后拉出整条塑料管，即可把这种金属物品取出。(2)由于磁铁只能吸引铁磁性物质，易拉罐拉环是铝合金材料的，不是铁磁性物质，所以不能取出；而回形针是由铁磁性物质制成的，可以用此仪器取出。(3)电磁铁的磁性强弱可以随电流的变化而变化，如果是误吞了比较重的铁磁性物体，可通过调节电流的大小使磁性增强，把它取出来，故使用电磁铁会更实用一些。答案见解析5.(磁感应强度的大小)如图所示是实验室里用来测量磁场力的一种仪器电流天平，某同学在实验室里，用电流天平测算通电螺线管中的磁感应强度，他测得的数据记录如下所示，请你算出通电螺线管中的磁感应强度b。cd段导线长度：4102 m天平平衡时钩码重力：4105 n通过导线的电流：0.5 a解析由题意知，i0.5 a，g4105 n，l4102 m。电流天平平衡时，导线所受磁场力的大小等于钩码的重力，即fg。由磁感应强度的定义式b得b t2.0103 t。所以通电螺线管中的磁感应强度为2.0103 t。答案2.0103 t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abc2.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d3.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d4.(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abc5.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filbbli，对于题图给出的fi图线，直线的斜率kbl，由图可知kakb，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b6.两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.bc.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b2bcos 30b。答案d7.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5.0102 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 t2 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