2019-2020学年高中物理 第5章 磁场与回旋加速器 1 磁与人类文明 2 怎样描述磁场学案 沪科版选修3-1

磁与人类文明 怎样描述磁场1.了解我国古代在磁方面的成就，知道地磁场及认识各种磁性材料.2.知道磁感线的定义，知道条形磁体的磁感线分布及磁感线的特点.(重点)3.知道磁通量是定量描述磁场的物理量，知道磁通量的概念，并会进行计算.(重点)4.了解磁感应强度，知道其方向的规定.(重点、难点)一、改变人类活动的发明指南针是我国古代四大发明之一，我国古人利用磁石指向南北的特性发明了指示方向的司南，在古代这种器具称为“指南针”.指南针的发明，促进了人类文明的传播，使航海事业得到了发展.二、地磁场及磁性材料1.地磁场(1)定义：地球周围存在磁场，这个磁场叫地磁场.(2)地理南北极与地磁南北极的关系：指南针在静止时沿地球南北取向，这表明地球是一个大磁体.地磁的n极(北极)位于地理的南极附近，地磁的s极(南极)位于地理的北极附近.(3)磁偏角地磁的两极跟地理的两极并不重合，地磁轴和地球自转轴两者的夹角约为11，因而水平放置的磁针的指向跟地理子午线之间有一个交角，这个交角叫做磁偏角.2.形形色色的磁性材料(1)磁化：人们通过人工方法使磁性材料获得磁性的过程.(2)退磁：磁性材料被磁化后，在一定条件下会失去磁性，这个过程叫做退磁或去磁.(3)磁性材料的分类根据磁性材料被磁化后退磁的难易程度分为软磁性材料和硬磁性材料.磁化后容易退磁的物质叫做软磁性材料，不容易退磁的物质叫做硬磁性材料.(4)计算机磁盘及磁盘驱动器计算机磁盘是在盘片上均匀地涂上一层极薄的磁性材料构成的，盘片是软塑料薄膜的叫软盘，盘片是硬的铝片或陶瓷片的叫硬盘.盘片按指定格式被磁化，就成了能保存信息的磁盘.三、磁场的描述1.磁场的形象描述(1)实验观察磁感线的分布磁感线：是在磁场中画出的一些有方向的曲线，在这些曲线上，每一点的切线方向都在该点磁场的方向上.磁感线的疏密表示磁场的强弱.磁感线不相交、不相切、不中断、是闭合曲线；在磁体外部，从n极指向s极；在磁体内部，由s极指向n极.(2)匀强磁场磁感应强度大小、方向处处相同的磁场叫匀强磁场，匀强磁场的磁感线是一些间距相同的平行直线.1.在用实验观察时，细铁屑的分布是磁感线吗？提示：不是.2.磁场的定量描述(1)磁通量定义：设在匀强磁场中有一个与磁感线方向垂直的平面，若穿过该平面的磁感线有条，我们就称穿过这个平面的磁通量为.单位：韦伯，简称韦，符号是wb.1 wb1 tm2磁通量是标量，但有正负.(2)磁感应强度定义：垂直穿过某单位面积上的磁通量叫做磁感应强度.定义式：b.单位：特斯拉，简称特.符号是t.1 t1 磁感应强度是矢量，自由小磁针静止时n极所指的方向规定为该点的磁感应强度的方向，简称为磁场的方向.2.穿过某一面积的磁感线条数越多，该处的磁场就越强吗？提示：不一定，穿过某面积的磁感线条数不仅和磁感应强度有关还与该面的放置方式有关.对地磁场的认识学案导引1.指南针指南的原因是什么？2.地磁场的分布和条形磁铁形成的磁场一样吗？1.地磁场：地球本身是一个磁体，附近存在的磁场叫地磁场，地磁的南极在地球北极附近，地磁的北极在地球南极附近，磁感线分布如图所示.2.地磁场的分布特点(1)地磁体周围的磁场分布：与条形磁铁周围的磁场分布情况相似.(2)地理南极正上方磁场方向竖直向上，地理北极正上方磁场方向竖直向下.(3)在赤道正上方，距离地球表面高度相等的各点，磁场的强弱相同，且方向水平向北.(4)在南半球，地磁场方向指向北上方；在北半球，地磁场方向指向北下方.3.指南针指南的原因地球的磁场很弱，其表面的磁场比一条小磁铁近旁的磁场弱得多，然而，能自由旋转的小磁针已显示出地磁场对它的作用，指南针正是利用这一原理制成的.人们使用指南针以防止旅游、探险时迷路.地球是一个大磁体：在地面上放置一个小磁针，小磁针的南极指向地球的北极；地磁场的北极在地理南极附近；赤道附近地磁场的方向和地面平行；北半球地磁场方向相对地面是斜向上的；地球上任何地方的地磁场方向都是和地面平行的.以上关于地磁场的描述正确的是()abc d思路点拨 解决此类问题应先明确地磁场的分布特点及地球表面各处地磁场的方向.解析本题考查地磁场的特点与分布，地磁场与条形磁铁的磁场相似，主要有三个特点：(1)地磁场的n极在地理南极附近，s极在地理北极附近，磁感线分布如图所示.(2)在磁场b的水平分量(bx)总是从地理南极指向北极，而竖直分量(by)则南北相反，在南半球垂直地面向上，在北半球垂直地面向下.(3)在赤道平面上，距离地球表面相等的各点，磁感应强度相等，且方向水平向北.故正确答案为d答案d本题易误认为也正确，误认为正确的原因是受“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”的影响，简单套用这一结论而不理解指南针指南北的原理.误认为正确的原因是不清楚地磁场的分布情况.以后在解决此类问题时应弄清物理现象的原理，指南针的指向取决于指南针所处位置的磁场方向，其n极指向该处磁场方向，地磁场由南向北，其方向并非与地面平行，所以小磁针的南极指向地球南方. 1.关于地磁场下列说法中正确的是()a地理位置的南、北极即为地磁场的南、北极b在赤道上的小磁针的n极在静止时指向地理南极c在赤道上的小磁针的n极在静止时指向地理北极d地磁场在地表附近某处有两个分量，水平分量指向地理的北极附近，竖直分量一定竖直向下解析：选c根据地磁场的特点可知：地理北极附近为地磁场南极，地理南极附近为地磁场北极，但并不重合，a错误；小磁针由于受到地磁场的作用，静止时，n极总指向地理北极，b错误，c正确；在赤道正上方，地磁场方向水平向北，在南半球地磁场的竖直分量向上，在北半球竖直分量向下，d错误.对磁感线的进一步理解学案导引1.磁感线就是磁体周围的磁场吗？2.如何用磁感线说明磁场的特点？1.对磁感线的理解(1)磁感线是为了形象地研究磁场而假想的曲线，并不是客观存在于磁场中的真实曲线.(2)磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线较密的地方磁场较强，磁感线较疏的地方磁场较弱.(3)磁场中某一点，磁感线的方向、磁场的方向和小磁针静止时n极所指的方向，三者是一致的.(4)任意两条磁感线不能相交，也不能相切.(5)没有画磁感线的地方，并不表示那里没有磁场的存在.通过磁场中的任意一点总能而且只能画出一条磁感线.(6)磁场中的任意一条磁感线都是闭合曲线.2.磁感线与电场线的比较比较项目磁感线电场线相似点意义用来形象地描述磁场方向和强弱而假想的线用来形象地描述电场方向和强弱而假想的线方向某点的切线方向为磁场方向，也是小磁针n极的受力方向某点的切线方向为电场方向，也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在空间不相交不同点闭合曲线始于正电荷或无穷远处，止于负电荷或无穷远处，不是闭合曲线(1)从电场、磁场的概念理解两种场线的相同点：矢量性线的切线方向；强弱线的疏密；方向的唯一性空间任一点场线不相交.(2)从两种场的区别理解两种场线的区别：电场正负电荷分离电场线有始、终(不闭合)；磁场n、s极不分离磁感线闭合.(3)在没有画磁感线的地方，并不表示没有磁场存在.(4)若多个磁体或电流的磁场在空间某区域叠加，磁感线描述的是叠加后的磁场的磁感线分布情况，不能认为该区域有多条磁感线相交.关于磁场、磁感线，下列说法正确的是()a磁场并不是真实存在的，而是人们假想出来的b磁铁周围磁感线的形状，与铁屑在它周围排列的形状相同，说明磁场呈线条形状，磁感线是磁场的客观反映c磁感线可以用来表示磁场的强弱和方向d磁感线类似电场线，它总是从磁体的n极出发，至s极终止思路点拨 解此题要注意两点：(1)磁场的物质性(2)磁感线的特点及用途解析磁针放在磁体的周围受到力的作用，说明磁体在周围空间产生了磁场，磁场是一种客观物质，由此可知选项a是错误的；人们为了形象地描绘磁场，用图形磁感线将抽象的磁场描绘出来，磁感线是假想的曲线，客观上并不存在，铁屑在磁场中被磁化为小磁针，在磁场的作用下转动，最终规则地排列起来，显示出磁感线的分布特点，并非磁场的客观反映.电流的磁场和磁体的磁场的磁感线都是闭合曲线，在磁体外从n极到s极，在磁体内从s极到n极，而电场线从正电荷出发到负电荷终止，不闭合.由此可知选项b、d是错误的，选项c正确.答案c用磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向，它是一种理想化模型，并不真正存在.由于磁体的n极和s极是不可分离的，所以磁感线总是闭合的曲线，可以这样理解和记忆：磁感线n、s极不可分离磁感线闭合. 2.关于磁感线的说法，正确的是()a磁感线总是从n极出发，终止于s极b磁感线是客观存在的、肉眼看不见的曲线c磁感线上任一点的切线方向表示该点磁场的方向，磁感线的疏密程度表示磁场的强弱d磁感线就是磁场中铁粉排列成的曲线解析：选c磁感线是闭合不相交的、假想的、实际不存在的线.是为了形象描述磁场而引入的线.故选c磁通量和磁感应强度学案导引1.磁通量是如何定量描述磁场的？磁通量和磁感线间有什么关系？2.磁通量越大，磁场就越强吗？磁场的方向能用磁通量表示吗？1.对磁通量的理解(1)关于磁通量也可以这样定义：在匀强磁场中，磁感应强度b与垂直磁场的面积s的乘积，叫做穿过这个面积的磁通量.(2)若平面与磁场垂直bs.若平面与磁场不垂直bscos (为s与垂直于b的平面间的夹角)bssin (为b与平面间的夹角)由此可见，在计算磁通量时一定要注意、角的位置.(3)磁通量虽然是标量，但有正、负，若规定磁感线从某一侧穿入平面时为正值，则从该侧穿出平面为负值.从两个相反方向穿过某一平面的磁通量可相互抵消.(4)在匀强磁场b中，若磁感线与平面不垂直，公式bs中的s应为平面在垂直于磁感线方向上的投影面积.如图所示，在水平方向的匀强磁场中，平面abcd与垂直于磁感线方向的平面的夹角为，则穿过面积abcd的磁通量应为bscos .scos 即为面积s在垂直于磁感线方向的投影，我们称之为“有效面积”.若磁感线沿相反方向穿过同一平面，且正向磁感线条数为1，反向磁感线条数为2，则磁通量等于穿过平面的磁感线的净条数(磁通量的代数和)，即12.2.磁感应强度的理解(1)磁感应强度是定量描述磁场强弱的物理量，其作用相当于用电场强度描述电场.磁场中穿过垂直于磁感线的单位面积的磁感线条数等于该处的磁感应强度.(2)磁感应强度越大的地方，磁感线越密集.(3)磁场中某点的磁感应强度的大小取决于磁场本身，与其他因素无关.(4)磁感应强度有方向，其方向也就是该处的磁场方向，与该处的磁感线的切线方向相同，也与放在该处的小磁针的n极的受力方向相同.一边长为10 cm的正方形线圈放在匀强磁场中，当线圈平面与磁场方向成30角时，若通过线圈的磁通量为2.5103 wb，则该磁场的磁感应强度b为多少？思路点拨解析线圈垂直于磁场方向的面积sl2sin 300.10.1 m25103m2，则b t0.5 t.答案0.5 t利用公式b进行计算时，必须明确b与s垂直的前提，若不垂直时可采用两种方法处理：(1)将面积s向垂直磁场方向投影.(2)将磁感应强度b进行分解，利用与面积垂直的磁感应强度的分量. 3.关于磁通量，下列说法中正确的是()a磁通量不仅有大小而且有方向，所以是矢量b磁通量越大，磁感应强度越大c通过某一平面的磁通量为零，该处磁感应强度不一定为零d磁通量就是磁感应强度解析：选c磁通量是标量，没有方向，故a不对.由bs知是由b和s两个因素决定，越大，有可能是由于s较大造成的，所以，认为磁通量越大，磁感应强度越大是错误的，由bs知，当线圈平面与磁场平行时，s0，0，但磁感应强度b不为零，故c对，磁通量和磁感应强度是两个不同的物理量，故d不对.典型问题磁感应强度的叠加磁感应强度是矢量，当空间存在几个磁体(或电流)时，每一点的磁场为各个磁体(或电流)在该点产生磁场的矢量和.磁感应强度叠加时遵循平行四边形定则.如图所示，两根相互平行的长直导线过纸面上的m、n两点，且与纸面垂直，导线中通有大小相等、方向相反的电流.a、o、b在m、n的连线上，o为mn的中点，c、d位于mn的中垂线上，且a、b、c、d到o点的距离均相等.关于以上几点处的磁场，下列说法正确的是()ao点处的磁感应强度为零ba、b两点处的磁感应强度大小相等，方向相反cc、d两点处的磁感应强度大小相等，方向相同da、c两点处的磁感应强度的方向不同解析根据安培定则判断：两直线电流在o点产生的磁场方向垂直于mn向下，o点的磁感应强度不为0，故选项a错误；a、b两点处的磁感应强度大小相等，方向相同，故选项b错误；根据对称性，c、d两点处的磁感应强度大小相等，方向相同，故选项c正确；a、c两点处的磁感应强度方向相同，故选项d错误.答案c(多选)如图所示，两根平行长直导线相距2l，通有大小相等、方向相同的恒定电流，a、b、c是导线所在平面内的三点，左侧导线与它们的距离分别为、l和3l.关于这三点处的磁感应强度，下列判断正确的是()aa处的磁感应强度大小比c处的大bb、c两处的磁感应强度大小相等ca、c两处的磁感应强度方向相同db处的磁感应强度为零解析：选ad磁感应强度为矢量，由安培定则可判断每根导线在其左侧产生的磁场方向向里，在其右侧产生的磁场方向向外.因导线中电流相等，每条导线在离导线越近处产生的磁场越强，故babc，选项a正确.而b处因两根导线产生的磁感应强度大小相等，方向相反，故b处磁感应强度为零，选项d正确.随堂检测1.指南针是我国古代四大发明之一，东汉学者王充在论衡一书中描述的“司南”是人们公认的最早的磁性定向工具，关于指南针能指示南北方向是由于()a指南针的两个磁极相互吸引b指南针的两个磁极相互排斥c指南针能吸引铁、钴、镍等物质d地磁场对指南针的作用解析：选d用指南针指示方向，是由于地球本身是一个大磁体，地球的磁场对磁体产生力的作用，地球的南极在地磁的n极附近，地球的北极在地磁的s极附近，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引，故指南针指示南北方向，因此选项d正确，a、b、c错误.2.雪龙号南极科考船从南极出发，赴澳大利亚海域附近参与mh370搜寻工作，若沿途不断测量地磁场的强弱和方向，测量结果可能是()a地磁场的大小一直不变，磁场方向始终沿正南、正北方向b地磁场的大小不断变化，磁场方向始终沿正南、正北方向c地磁场的大小一直不变，磁场的方向与正南、正北方向间有一较小的偏角d地磁场的大小不断变化，磁场的方向与正南、正北方向间有一较小的偏角解析：选d磁极附近磁场最强，故磁场大小不断变化.地磁场n极在地理南极附近，但不重合，故d正确.3.(多选)关于磁通量，下列说法中正确的是()a穿过某个平面的磁通量为零，该处磁感应强度一定为零b穿过任何一个平面的磁通量越大，该处磁感应强度一定越大c匝数为n的线圈放在磁感应强度为b的匀强磁场中，线圈面积为s，且与磁感线垂直，则穿过该线圈的磁通量为bsd穿过垂直于磁感应强度方向的某一个平面的磁感线的数目等于穿过该面的磁通量的绝对值解析：选cd公式b的应用条件是bs，当b与s不垂直时，b或s取有效值.当b与s平行时，0，但b不一定等于0，所以a、b错.bs与线圈的匝数无关，只与线圈面积和磁感应强度有关，所以c对.穿过垂直于磁感线方向平面的磁感线的条数为穿过此平面的磁通量，故d对.4.(多选)关于磁感线的性质和概念，下列说法正确的是()a磁感线上各点的切线方向就是各点的磁感应强度的方向b磁场中任意两条磁感线均不相交c铁屑在磁场中的分布曲线就是磁感线d磁感线总是从磁体的n极指向s极解析：选ab磁感应强度的方向就是磁场的方向，磁感线的切线方向就是磁场方向，因此选项a是正确的；两条磁感线相交就说明在两线相交处有两个切线方向，即两个磁感应强度方向，这是不可能的，磁场中某点磁感应强度是唯一确定的，磁感应强度的方向也只有一个，因此两条磁感线不能相交，选项b是正确的.磁感线是为形象描述磁场的磁感应强度分布而假想的一组曲线，不是真实存在的，但铁屑的分布曲线只能证明磁感线描述磁场的方法是正确的，而铁屑不是磁感线，选项c是错误的.在通电螺线管内部，在条形磁体内部的磁感线应是从s极指向n极，选项d错误.5.如图所示，有一个垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度b0.8 t，磁场有明显的圆形边界，圆心为o，半径为1.0 cm.现在纸面内先后放上圆线圈，圆心均在o处，a线圈半径为1.0 cm，10匝；b线圈半径为2.0 cm，1匝；c线圈半径为0.5 cm，1匝.问：(1)在b减为0.4 t的过程中，a和b中磁通量各改变多少？(2)在磁场方向转过30角的过程中，c中的磁通量改变多少？解析：(1)a线圈半径为1.0 cm，正好和圆形磁场区域的半径相等，而b线圈半径为2.0 cm，大于圆形磁场区域的半径，但穿过a、b线圈中的磁感线的条数相等，因此在求通过b线圈中的磁通量时，面积s只能取圆形磁场区域的面积.设圆形磁场区域的半径为r，改变前线圈磁通量1b1r2，改变后线圈磁通量2b2r2，对线圈a，磁通量的改变量：|21|(0.80.4)3.14(1.0102)2 wb1.256104wb，对线圈b，磁通量的改变量：|21|(0.80.4)3.14(1.0102)2 wb1.256104wb.(2)原图中线圈平面与磁场方向垂直，若用公式bssin 求磁通量，此时190；当磁场方向转过30角时，磁场方向与线圈平面之间的夹角为260.对线圈c：设c线圈的半径为r，1br2sin 1，2br2sin 2，磁通量的改变量：|21|br2(sin 90sin 60)0.83.14(5103)2(10.866) wb8.4106 wb.答案：(1)a1.256104 wbb1.256104 wb(2)c8.4106 wb课时作业一、单项选择题1.地球是一个大磁体，它的磁场分布情况与一个条形磁铁的磁场分布情况相似，以下说法正确的是()a地磁场的方向是沿地球上经线方向的b地磁场的方向是与地面平行的c地磁场的方向是从北向南的d在地磁南极上空，地磁场的方向是竖直向下的解析：选d地理南北极与地磁南北极不重合，所以地磁场方向与经线有夹角即磁偏角；地磁场方向不与地面平行，它们之间的夹角称为磁仰角；在地磁极附近，磁场方向与地面是垂直的.2.磁性水雷是用一个可绕轴转动的小磁针来控制起爆电路的，军舰被地磁场磁化后就变成了一个浮动的磁体，当军舰接近磁性水雷时，就会引起水雷的爆炸，其依据是()a磁体的吸铁性b磁极间的相互作用规律c电荷间的相互作用规律d磁场对电流的作用原理解析：选b军舰已被磁化，是小磁针与磁化的军舰发生作用，故属于磁极间的相互作用，b正确.3.现有甲、乙两根钢棒，当把甲的一端靠近乙的中部时，没有力的作用；而把乙的一端靠近甲的中部时，二者相互吸引，则()a甲有磁性，乙无磁性b甲无磁性，乙有磁性c甲、乙均无磁性 d甲、乙均有磁性解析：选b条形磁体两端磁性最强，中部磁性最弱，当甲的一端对乙中部没有吸引力，说明甲一定没有磁性，但不能判定乙是否有磁性，而乙的一端对甲中部有吸引力，则可判定乙有磁性，故选b4.一平面线圈用细杆悬于p点，开始时细杆处于水平位置，释放后让它在如图所示的匀强磁场中运动.已知线圈平面始终与纸面垂直，当线圈第一次通过位置b和位置c的过程中，下列对磁通量变化判断正确的是()a一直变大 b一直变小c先变大后变小 d先变小后变大解析：选c由题图可知， 线圈由a经过b到c的过程中，线圈垂直磁场方向的面积先增大后减小，通过线圈的磁通量为bs，可见通过线圈的磁通量先变大后变小.5.如图所示，在条形磁铁外套有a、b两个大小不同的圆环，穿过a环的磁通量a与穿过b环的磁通量b相比较()aabbab，故a对，b、c、d都错.6.一磁感应强度为b的匀强磁场方向水平向右，一面积为s的矩形线圈abcd如图所示放置，平面abcd与竖直方向成角，将abcd绕ad轴转180角，则穿过线圈平面的磁通量的变化量是()a0 b2bsc2bscos d2bssin 解析：选c线圈在图示位置时，磁通量为：1bscos 线圈绕ad轴向下转过180时，磁通量为：2bscos 所以该过程中，通过线圈的磁通量的变化量为：|21|2bscos |2bscos .二、多项选择题7.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物质b磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向，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，因而是真实存在的解析：选ab条形磁铁内部磁感线从s极到n极，c不正确，磁感线是为了形象描述磁场而假设的一组有方向的闭合的曲线，实际上并不存在，所以选项d不正确；磁场是一种客观存在的物质，所以选项a正确；磁感线上每一点切线方向表示磁场方向，磁感线的疏密表示磁场的强弱，小磁针静止时n极受力方向和n极指向均为磁场方向，所以选项b正确.8.以下关于地磁场的说法中正确的是()a地磁场是地球的盾牌，起着保护地球上生命的作用b地磁场的n极在地理位置的南极附近，但不与南极重合c地磁场的方向会随时间的流逝而缓慢变化d在行星中，只有地球有磁场解析：选abc宇宙中