2019-2020学年高中物理 第5章 磁场与回旋加速器 3 探究电流周围的磁场学案 沪科版选修3-1

探究电流周围的磁场1.了解直线电流、环形电流、通电线圈的磁感线分布，并会运用安培定则判定电流的磁场方向.(重点)2.知道磁现象的电本质，了解安培分子电流假说.一、电流的磁场1.观察直线电流磁场的分布直线电流磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在跟导线垂直的平面上，如图所示.2.探究通电线圈的磁场(1)环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线.在环形导线的中心轴线上，磁感线和环形导线的平面垂直.(2)通电螺线管外部磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，也是从北极出来，进入南极.螺线管内部的磁感线跟螺线管的轴线平行，方向由南极指向北极，并和外部的磁感线连接，形成闭合曲线.3.安培定则(1)判定直线电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系时，安培定则表述为：用右手握住导线，让大拇指指向电流的方向，则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向.(2)判定环形电流和通电螺线管的电流方向和磁感线方向之间的关系时要统一表述为：让弯曲的四指所指的方向跟电流方向一致，大拇指所指的方向就是环形电流或通电螺线管内部磁感线的方向(这里把环形电流看作是一匝的线圈).4.直线电流周围的磁感应强度的大小b.5.通电螺线管的磁场bni.二、探究磁现象的本质1.安培分子电流假说在原子、分子等物质微粒的内部存在着一种环形电流分子电流，分子的两侧相当于两个磁极.2.磁现象的电本质磁铁的磁场和电流的磁场是一样的，都是由电荷的运动产生的.根据安培假设的思想，认为磁场是由于运动电荷产生的，这种思想如果对地磁场也适用，而目前在地球上并没有发现相对地球定向移动的电荷，那么由此推断，地球应该带什么电呢？提示：根据地磁分布和安培定则知地球应带负电.三种常见电流磁场的特点学案导引1.谁发现电流周围存在磁场的？通过什么现象说明这一点？2.电流磁场和磁体磁场有区别吗？怎样判断电流磁场的方向？1.三种常见的电流的磁感线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(1)由于各种磁体周围的磁场都是磁极处磁场最强，所以在两极磁感线最密.(2)没有磁感线的地方，并不表示那里没有磁场存在，通过磁场中任一点总能而且只能画出一条磁感线.(3)图中的“”号表示磁场方向垂直纸面向里，“”号表示磁场方向垂直纸面向外.2.安培定则(右手螺旋定则)的应用方法(1)分清“因”和“果”：在判定直线电流磁场的方向时，大拇指指“原因”：电流方向；四指指“结果”：磁场绕向.在判定环形电流磁场方向时，四指指“原因”：电流绕向；大拇指指“结果”：环内沿中心轴线的磁感线方向，即指n极.(2)优先采用整体法：一个任意形状的电流(如三角形、矩形)的磁场，从整体效果上可等效为环形电流的磁场.再根据安培定则确定磁场的方向，即磁感线的方向.如图所示，甲、乙是直线电流的磁场，丙、丁是环形电流的磁场，戊、己是螺线管电流的磁场，试在各图中补画出电流方向或磁感线方向.思路点拨 解答本题可按以下思路分析：解析根据安培定则，可以确定甲中电流方向垂直纸面向里，乙中电流的方向从下向上，丙中电流方向是逆时针，丁中磁感线的方向向下，戊中磁感线方向向左，已中磁感线的方向向右.答案应用安培定则时，关键要明确在直线电流、环形电流、通电螺线管的磁场中，弯曲的四指指向各代表什么方向，拇指指向各代表什么方向. 1.(多选)下列所示各图中，小磁针的指向正确的是()解析：选abd小磁针n极受力方向是该点的磁感应强度方向，由安培定则及地磁场、条形磁铁、蹄形磁铁磁场分布可知选项a、b、d正确.探究磁现象的本质学案导引安培如何从分子电流的角度理解铁棒被磁化或被消磁的？1.安培分子电流假说内容安培认为，在原子、分子等物质微粒的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，分子的两侧相当于两个磁极，如图所示.2.安培假说对有关磁现象的解释(1)磁化现象：一根软铁棒，在未被磁化时，内部各分子电流的取向杂乱无章.它们的磁场互相抵消，对外不显磁性，当软铁棒受到外界磁场的作用，各分子电流取向变得大致相同时，两端显示较强的磁作用，形成磁极，软铁棒就被磁化了.(2)磁体的消磁：磁体在高温或猛烈敲击，即在激烈的热运动或机械运动影响下，分子电流取向又变得杂乱无章，磁体磁性消失.分子电流假说揭示了电和磁的本质联系.为了解释地球的磁性，19世纪安培假设：地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流i引起的.在下列四个图中，正确表示安培假设中环形电流方向的是()思路点拨 解此题的关键有两点：(1)地磁场的n极、s极与地理位置北极和南极的关系.(2)正确的应用安培定则.解析地磁场是从地理的南极附近出来，进入地理的北极附近，除两极外地表上空的磁场都具有向北的磁场分量，由安培定则，环形电流外部磁场方向向北可知，b正确.a图地表上空磁场方向向南，故a错误.c、d在地表上空产生的磁场方向是东西方向，故c、d错误.答案b2.(多选)用安培分子电流假说可以解释下列哪些现象()a永久磁铁的磁场b直线电流的磁场c环形电流的磁场 d软铁棒被磁化的现象解析：选ad安培分子电流假说是为解释磁体的磁现象而提出的，所以选项a、d是正确的.而通电导线周围的磁场是由其内部自由电荷定向移动形成的宏观电流产生的.分子电流和宏观电流虽然都是由运动电荷引起的，但产生的原因是不同的. 典型问题安培定则与力学知识的综合(多选)南极考察队队员在地球南极附近用弹簧测力计竖直悬挂一未通电螺线管，如图所示.下列说法正确的是()a若将a端接电源正极，b端接电源负极，则弹簧测力计示数将减小b若将a端接电源正极，b端接电源负极，则弹簧测力计示数将增大c若将b端接电源正极，a端接电源负极，则弹簧测力计示数将增大d不论螺线管通电情况如何，弹簧测力计示数均不变x(aal(判断螺线管,的磁极方向)判断地球磁场,在南极的方向)解析分析弹簧测力计示数是否变化或怎样变化，关键在于确定螺线管与地磁场之间的作用情况.一方面，可以将地球等效处理为一个大磁铁，地理南极相当于磁铁的n极，因而在南极附近地磁场方向近似竖直向上，如图所示.另一方面，可利用安培定则判定通电螺线管在周围产生的磁场方向，再根据“同名磁极相斥，异名磁极相吸”原理可判定螺线管与地磁场之间的作用情况，故正确选项为a、c答案ac题干中的“在地球南极附近”是磁极的北极是解决本题的关键所在，如果忽略了这一点也必将忽略了地磁场的存在，从而找不到解答本题的思路. 随堂检测1.(多选)关于安培分子电流假说的说法正确的是()a安培观察到物质内部有分子电流存在就提出了假说b为了解释磁铁产生磁场的原因，安培提出了假说c事实上物体内部并不存在类似的分子电流d根据后来科学家研究，原子内电子绕核旋转形成环形电流与安培分子电流假说相符解析：选bd为了解释磁铁产生磁场的原因，安培提出了分子电流假说，安培提出分子电流假说时，人们还不知道物质内电子绕核高速旋转的微观结构，所以称为假说，根据后来科学家研究，原子内电子绕核旋转形成环形电流与安培分子电流假说相符，选项b、d正确.2.(多选)如图所示为电流产生磁场的磁感线分布图，正确的图是()解析：选ada图中电流方向向上，由右手螺旋定则可得磁场为逆时针(从上向下看)，故a正确；b图中电流方向向下，由右手螺旋定则可得磁场为顺时针(从上向下看)，故b错误；c图中电流为环形电流，由右手螺旋定则可知，内部磁场应向右，故c错误；d图中根据图示电流方向，由右手螺旋定则可知，内部磁感线方向向右，故d正确.3.如图所示，圆环上带有大量的负电荷，当圆环沿顺时针方向转动时，a、b、c三枚小磁针都要发生转动，以下说法正确的是()aa、b、c的n极都向纸里转bb的n极向纸外转，而a、c的n极向纸里转cb、c的n极都向纸里转，而a的n极向纸外转db的n极向纸里转，而a、c的n极向纸外转解析：选b由于圆环带负电荷，故当圆环沿顺时针方向转动时，等效电流的方向为逆时针，由安培定则可判断环内磁场方向垂直纸面向外，环外磁场方向垂直纸面向里，磁场中某点的方向，即是放在该点的小磁针静止时n极的指向，所以b的n极向纸外转，a、c的n极向纸里转.4.(多选)对于通电螺线管，下列说法正确的是()a通电螺线管表现出来的磁性相当于条形磁铁，一端相当于n极，另一端相当于s极b通电螺线管外部的磁感线也是从n极出来，进入s极的c通电螺线管内部的磁感线与螺线管轴线平行，由s极指向n极d把小磁针放在通电螺线管内，小磁针静止时，小磁针的n极指向螺线管的s极解析：选abc通电螺线管表现出来的磁性相当于条形磁铁，其性质与条形磁铁相同，螺线管的磁感线在外部由n极指向s极，在内部由s极指向n极，在螺线管内部，小磁针n极方向指向螺线管的n极.5.如图所示，abcd是一环形导线，在c、d处用导线与直导线ab接通，图中标出了环形电流的磁感线方向，则可知a、b两端中接电源正极的是端，放在ab下方的小磁针极将转向纸外.解析：环形导线内的磁场为ac、bd上电流形成的合磁场，由安培定则可知，电流方向如图所示，则接电源正极的是b端，放在ab下方的小磁针n极转向纸外.答案：bn 课时作业一、单项选择题1.在做“奥斯特实验”时，下列操作中现象最明显的是()a沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的延长线上b沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的正下方c电流沿南北方向放置在磁针的正上方d电流沿东西方向放置在磁针的正上方解析：选c把导线沿南北方向放置在地磁场中处于静止状态的磁针的正上方，通电时磁针发生最明显的偏转，因为这种情况下电流的磁场方向和地磁场方向恰好垂直.2.在同一平面内有四根彼此绝缘的通电直导线，如图所示，四导线中电流i1i3i2i4，要使o点磁场增强，则应该()a切断i1b切断i2c切断i3 d切断i4解析：选d从图中可得i1、i3、i2在o点产生的磁感应强度的方向都为垂直纸面向里，而i4在o点产生的磁感应强度方向为垂直纸面向外，故要使o点磁场增强，则应该切断i4，d正确.3.指南针静止时，其位置如图中虚线所示，若在其上方放置一水平方向的导线，并通以恒定电流，则指南针转向图中实线所示位置，据此可能是()a导线南北放置，通有向北的电流b导线南北放置，通有向南的电流c导线东西放置，通有向西的电流d导线东西放置，通有向东的电流解析：选b若导线南北放置，通有向北的电流，根据安培定则可知，小磁针n极将向西偏转，与图中实线所示位置相反，故a错误；导线南北放置，通有向南的电流时，根据安培定则可知，小磁针n极将向东偏转，可转向图中实线所示位置，故b正确；导线东西放置，通有向西的电流，根据安培定则可知，小磁针n极将向南偏转，故c错误；导线东西放置，通有向东的电流，根据安培定则可知，小磁针n极不偏转，故d错误.4.把小磁针放在环形电流中央，通以如图所示顺时针方向电流，则小磁针n极指向为()a水平向左b垂直环形电流所在平面向里c水平向右d垂直环形电流所在平面向外解析：选b通电时，据安培定则得出环形线圈的前面是s极、后面是n极，故其磁感线的方向：环形线圈外面是垂直于纸面向外，环形线圈里面是垂直纸面向里，而小磁针静止时的n极指向与线圈的磁感线的方向是一致的，所以垂直环形电流所在平面向里，故b正确.5.一根电缆埋藏在一堵南北走向的墙体中，在墙的西侧放一指南针时，它的指向刚好比原来旋转180.由此可以判定，这根电缆中电流的方向是()a可能是向北 b可能是竖直向下c可能是向南 d可能是竖直向上解析：选d指南针静止时n极指北，在电缆产生的磁场作用下比原来旋转180，即此时n极指南，可知此处的磁场方向向南，根据安培定则只有d正确.6.下列所说的情况中，不可能的是()a一环形电流产生的磁场，环内的磁感线与环外的磁感线数目相等b电流产生的磁场比磁极产生的磁场强c磁感线在空间某处中断d某两处的磁感线疏密一样解析：选c磁感线是闭合的，所以环形电流环内与环外的磁感线数目应该是相等的；电流产生的磁场和磁极产生的磁场大小没有必然联系，电流产生的磁场有可能比磁极产生的磁场强；但磁感线是闭合的，它不可能在空间某处中断；磁感线疏密一样说明磁场强度大小相等，这也是有可能的.7.如图所示为一种利用电磁原理制作的充气泵的结构示意图，其工作原理类似打点计时器，当电流从电磁铁的接线柱a流入，吸引小磁铁向下运动时，以下选项中正确的是()a电磁铁的上端为n极，小磁铁的下端为n极b电磁铁的上端为s极，小磁铁的下端为s极c电磁铁的上端为n极，小磁铁的下端为s极d电磁铁的上端为s极，小磁铁的下端为n极解析：选d当电流从a端流向电磁铁时，据安培定则可确定电磁铁的上端为s极，此时能吸引小磁铁向下运动，故说明小磁铁的下端为n极.8.如图所示，a、b两根垂直纸面的直导体通有等值的电流，两导线旁有一点p，p点到a、b距离相等，要使p点磁场方向向右，则a、b中电流的方向()a向纸外b向纸里ca中电流向纸外；b中向纸里da中电流向纸里；b中向纸外解析：选c要使p点磁场向右，应使a中电流的磁场垂直ap斜向上，使b中电流的磁场垂直bp斜向下，根据安培定则知a中电流向纸外，b中电流向纸里，故答案为c二、多项选择题9.如图所示是云层之间闪电的模拟图，图中b、a是位于南、北方向带有电荷的两块阴雨云，在放电的过程中在两云的尖端之间形成了一个放电道，发现位于通道正上方的小磁针n极转向纸里，s极转向纸外，则关于a、b的带电情况，下列说法中正确的是()a带同种电荷b带异种电荷cb带正电da带正电解析：选bd云层间闪电必须发生在异种电荷之间，故b对；在云层间放电时，形成的强电场和高温将空气电离成正离子和负离子，并在强电场的作用下做定向移动，形成电流.由题意知，从南往北看，磁场是逆时针的，根据安培定则可以判断电流是从a流向b的，故可知a带正电，b带负电，所以d选项正确.10.如图所示，一束带电粒子沿水平方向飞过小磁针的上方，并与小磁针的指向平行，能使小磁针的n极转向读者，那么这束带电粒子可能是