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2019-2020年高中物理（SWSJ）魯科版選修3-1教學案：第5章 第2節(jié) 用磁感線描述磁場(含答案) 1. 磁感線是為描述磁場而假想的線，磁感線上某點的切線方向表示該點磁場的方向，磁感線越密，磁場越強。 2．通電直導線的磁場：用右手握住導線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。 3．環(huán)形電流的磁場：右手彎曲的四指表示環(huán)形電流的方向，則伸直的拇指所指的方向是環(huán)形導線中心軸線處的磁感線方向。 4．通電螺線管的磁場：用右手握住螺線管，讓彎曲四指所指方向與電流方向一致，拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向，也就是說，拇指指向通電螺線管的北極。 一、用磁感線描述磁體的磁場 1．磁感線 在磁場中畫出的一些有方向的假想曲線。 2．特點 (1)在磁感線上，任意一點的切線方向都跟該點的磁場方向相同，都代表磁場中該點小磁針N極受力的方向。 (2)磁感線的疏密表示磁場的強弱。磁感線分布越密的地方，磁場越強；磁感線分布越疏的地方，磁場越弱。 (3)磁感線是閉合曲線。在磁體外部，磁感線從N極到S極。在磁體內(nèi)部，磁感線從S極到N極。 二、用磁感線描述電流的磁場 1．直線電流的磁場 安培定則(又叫右手螺旋定則)：用右手握住導線，讓伸直的拇指所指的方向與電流的方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向(如圖521所示)。 　　　　　　　 　　　 圖521　　　　　　　　圖522 2．環(huán)形電流的磁場 安培定則：右手彎曲的四指表示環(huán)形電流的方向，則伸直的拇指所指的方向是環(huán)形導線中心軸線處的磁感線方向(如圖522所示)。 圖523 3．通電螺線管的磁場 安培定則：用右手握住螺線管，讓彎曲四指所指的方向與電流方向一致，拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向，也就是說拇指指向通電螺線管的北極(N極)(如圖523所示)。 1．自主思考——判一判 (1)磁感線是假想的曲線，沒有實際意義。() (2)磁感線是閉合曲線。(√) (3)沒有磁感線的地方，就沒有磁場。() (4)安培定則中，彎曲四指所指方向均為磁場的方向。() (5)電磁鐵的強弱由線圈中的電流和匝數(shù)共同決定。(√) 2．合作探究——議一議 (1)將磁鐵固定在有機玻璃下，把鐵粉撒在有機玻璃上，并輕輕敲打玻璃板，會發(fā)現(xiàn)鐵粉排列成一些有規(guī)律的曲線。我們能不能認為這些鐵粉排成的線就是磁感線呢？ [提示]　不能。實驗時利用被磁化的鐵屑來顯示磁感線的分布情況，只是研究磁感線的一種方法，使得看不見、摸不著的磁場變得具體形象，給研究帶來方便。其實，磁感線只是為了研究磁場而引進的假想的線，并不是真實存在的。另外，被磁化的鐵屑所顯示的磁感線分布僅是一個平面上的磁感線分布情況，磁鐵周圍的磁場是分布在磁鐵周圍的整個空間的。 (2)磁感線為何不相交？ [提示]　磁場中任一點的磁場方向都是確定的，即只有一個方向，這是實驗事實(把小磁針放到某點，靜止時N極有唯一確定的指向)。若有兩條磁感線相交，根據(jù)磁感線的定義，在交點處就有兩個方向，這與事實不符。 (3)在用安培定則判斷通電直導線和通電螺線管的磁場時，大拇指和四指的指向所代表的意義相同嗎？ [提示]　不相同。在判定通電直導線磁感線的方向時，大拇指指向電流的方向，四指指向磁感線的方向。在判定通電螺線管磁感線的方向時，四指指向電流的環(huán)繞方向，大拇指指向螺線管內(nèi)部磁感線的方向。 磁感線的理解與應用 1．磁感線的特點 (1)為形象描述磁場而引入的假想曲線，實際并不存在。 (2)磁感線的疏密表示磁場的強弱，密集的地方磁場強，稀疏的地方磁場弱。 (3)磁感線的方向：磁體外部從N極指向S極，磁體內(nèi)部從S極指向N極。 (4)磁感線閉合而不相交，不相切，也不中斷。 (5)磁感線上某點的切線方向表示該點的磁場方向。 2．幾種典型磁場的磁感線分布 　 磁體 項目　 條形磁鐵 蹄形磁鐵 同名磁極間 異名磁極間 分布圖 特點 (1)關于條形磁鐵對稱 (2)內(nèi)部近似勻強磁場 (3)中垂線上各點磁感線方向與磁鐵平行 (1)關于磁鐵中軸線對稱，方向相反 (2)中軸線上各點磁感線方向均垂直于中軸線 (1)關于兩磁極的連線及連線的中垂線對稱 (2)連線上的方向指向中點，中點最弱 (3)連線的中垂線上磁場方向向外 (1)關于兩磁極的連線及連線的中垂線對稱 (2)中垂線上各點磁感線方向相同 (3)在連線上中點的磁場最弱 1．關于磁感線的說法，正確的是(　　) A．磁感線總是從磁體的N極出發(fā)指向S極 B．磁感線可以表示磁場的強弱和方向 C．電流在磁場中的受力方向即為該點磁感線的切線方向 D．沿磁感線方向磁場減弱 解析：選B　磁感線是閉合曲線，在磁體外部是從N極到S極，內(nèi)部是由S極到N極，A項錯。用磁感線可形象描述磁場的強弱和方向，即疏密表示強弱，各點的切線方向表示該點的磁場方向。磁場中各點的方向即為處在該點的小磁針N極的受力方向，不是電流的受力方向，B項正確，C項錯。磁感線的疏密表示磁場強弱，與磁感線的方向無關，D項錯。 2．下圖中繪出了磁鐵的磁感線及其旁邊小磁針靜止時所指的方向(小磁針黑色端表示N極)，其中正確的是(　　) 解析：選A　小磁針靜止時N極所指的方向與磁場方向相同，故選項A正確。磁體外部磁場方向應從N極指向S極，故選項B、C、D錯誤。 3.磁場中某區(qū)域的磁感線如圖524所示，則(　　) 圖524 A．a(chǎn)處磁場比b處磁場強 B．b處磁場和a處磁場強度一樣 C．小磁針N極在a處受力比b處受力大 D．小磁針N極在a處受力比b處受力小 解析：選D　因為b處磁感線密，所以b處磁場強，故A、B錯誤。小磁針受力也是b處大，故C錯誤，D正確。 安培定則的應用 三種常見的電流的磁感線分布特點 安培定則 立 體 圖 橫截面圖 縱截面圖 直線電流 以導線上任意點為圓心的多組同心圓，越向外越稀疏，磁場越弱 環(huán)形電流 內(nèi)部磁場比環(huán)外強，磁感線越向外越稀疏 通電螺線管 內(nèi)部為勻強磁場且比外部強，方向由S極指向N極，外部類似條形磁鐵，由N極指向S極 (1)圖中的“”號表示磁場方向垂直紙面向里，“”號表示磁場方向垂直紙面向外。 (2)圖中只是表示出了磁感線的方向，對磁感線的疏密沒有具體表示。 (3)應用安培定則判定電流周圍磁場的方向時，直線電流是判定導線之外磁場的方向，環(huán)形電流和通電螺線管判定的是線圈軸線上磁場的方向?！　　　? 1. (多選)如圖525所示，一束帶電粒子沿著水平方向平行地飛過小磁針上方時，小磁針的S極向紙面內(nèi)偏轉(zhuǎn)，則這束帶電粒子可能是(　　) 圖525 A．向右飛行的正離子束 B．向左飛行的正離子束 C．向右飛行的負離子束 D．向左飛行的負離子束 解析：選BC　小磁針N極的指向即是小磁針所在處的磁場方向，題中小磁針的S極向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn)，說明離子束下方的磁場方向是由紙內(nèi)指向紙外，由安培定則可判定離子束形成的電流方向由右向左。故若為正離子，則應是自右向左運動；若為負離子，則應是自左向右運動。 2.如圖526所示，圓環(huán)上帶有大量的負電荷，當圓環(huán)沿順時針方向轉(zhuǎn)動時，a、b、c三枚小磁針都要發(fā)生轉(zhuǎn)動，以下說法正確的是(　　) 圖526 A．a(chǎn)、b、c的N極都向紙里轉(zhuǎn) B．b的N極向紙外轉(zhuǎn)，而a、c的N極向紙里轉(zhuǎn) C．b、c的N極都向紙里轉(zhuǎn)，而a的N極向紙外轉(zhuǎn) D．b的N極向紙里轉(zhuǎn)，而a、c的N極向紙外轉(zhuǎn) 解析：選B　帶負電圓環(huán)順時針轉(zhuǎn)動，形成逆時針方向等效電流，根據(jù)安培定則，判斷出環(huán)內(nèi)外磁場方向，可知小磁針轉(zhuǎn)動方向。 3．如圖527所示，a、b是直線電流的磁場，c、d是環(huán)形電流的磁場，e、f是螺線管電流的磁場，試在各圖中補畫出電流方向或磁感線方向。 圖527 解析：根據(jù)安培定則，可以確定a中電流方向垂直紙面向里，b中電流的方向從下向上，c中電流方向是逆時針方向，d中磁感線的方向向下，e中磁感線的方向向左，f中磁感線的方向向右。 答案：見解析 1．關于磁感線，下列說法正確的是(　　) A．磁感線是真實存在的，細鐵粉撒在磁鐵附近，我們看到的就是磁感線 B．磁感線始于N極，終止于S極 C．沿磁感線方向磁場減弱 D．磁感線是無頭無尾的閉合曲線 解析：選D　磁感線是人們?yōu)榱诵蜗竺枋龃艌龆傧氲木€，實際不存在，細鐵粉在磁鐵附近的排列可以顯示磁感線的分布，但我們看到的不是磁感線，故A錯；磁感線是閉合曲線，在磁體外部是從N極到S極，在磁體內(nèi)部是從S極到N極，故D對，B錯；磁感線的疏密表示磁場的強弱，沿磁感線方向磁場可能增強，也可能減弱，故C錯。 2．關于磁場和磁感線的描述，下列哪些是正確的(　　) A．磁感線從磁體的N極出發(fā)到磁體的S極終止 B．自由轉(zhuǎn)動的小磁針放在通電螺線管內(nèi)部，其N極指向螺線管的N極 C．磁感線的方向就是磁場方向 D．兩條磁感線的空隙處不存在磁場 解析：選B　磁感線與電場線不同，它是一條閉合曲線，在磁體的外部由N極到S極，而在磁體的內(nèi)部則由S極到N極，故選項A是不正確的。螺線管內(nèi)部的磁感線和條形磁鐵相似，是由S極到N極的，即磁場方向也是從S極指向N極，所以放置其中的小磁針N極必然是指向磁場方向，即螺線管的北極，故選項B正確。只有磁感線是直線時，磁感線的方向才與磁場方向一致，如果磁感線是曲線，那么某點的磁場方向是用該點的切線方向來表示的，所以選項C不正確。磁感線是為了研究問題方便而假想的曲線，磁場中磁感線有無數(shù)條，故提出兩條磁感線之間是否有空隙，是否存在磁場等類似的問題是毫無意義的，故選項D不正確。 3.如圖1所示，兩個相同的導線圓環(huán)共軸平行懸掛，相隔一小段距離。當同時給兩個導線圓環(huán)通以同方向的電流時，兩導線圓環(huán)將(　　) 圖1 A．吸引　　　　　　 B．排斥 C．保持靜止 D．邊吸引邊轉(zhuǎn)動 解析：選A　根據(jù)安培定則，兩環(huán)形電流中間產(chǎn)生的磁場相當于兩個條形磁體的異名磁極，相互吸引。 4.如圖2所示，若一束電子沿y軸正方向定向運動，則在z軸上某點A的磁場方向應為(　　) 圖2 A．沿x軸正方向 B．沿z軸正方向 C．沿x軸負方向 D．沿z軸負方向 解析：選A　首先由電流方向的規(guī)定可知，電子沿y軸正方向定向運動，則電流沿y軸負方向，由安培定則可知A處的磁場方向沿x軸正方向，所以選項A正確。 5．為了解釋地球的磁性，19世紀安培假設：地球的磁場是由繞過地心的軸的環(huán)形電流I引起的。在下列四個圖中，正確表示安培假設中環(huán)形電流方向的是(　　) 解析：選B　地磁場的N極在地理的南極附近，地磁場的S極在地理的北極附近，在地球的內(nèi)部，地磁場的方向由地理的北極附近指向地理南極附近，由安培定則得環(huán)形電流的方向由東向西，故B正確。 6.指南針是我國古代的四大發(fā)明之一。當指南針靜止時，其N極指向如圖3虛線(南北向)所示，若某一條件下該指南針靜止時N極指向如圖實線(N極東偏北向)所示。則以下判斷正確的是(　　) 圖3 A．可能在指南針上面有一導線東西放置，通有由東向西的電流 B．可能在指南針上面有一導線東西放置，通有由西向東的電流 C．可能在指南針上面有一導線南北放置，通有由北向南的電流 D．可能在指南針上面有一導線南北放置，通有由南向北的電流 解析：選C　N極指向表示磁感應強度的方向，根據(jù)題意可知通電直導線在小磁針處的磁場，與原來指向北方的磁場的合磁場方向指向東北方向(如題圖中實線)，選項C對，A、B、D錯。 7. (多選)如圖4所示，一個電子沿逆時針方向做圓周運動，則由于電子的運動將(　　) 圖4 A．不產(chǎn)生磁場 B．在圓周的內(nèi)側(cè)、外側(cè)均產(chǎn)生磁場 C．產(chǎn)生磁場，圓心處的磁場方向垂直于紙面向里 D．產(chǎn)生磁場，圓心處的磁場方向垂直于紙面向外 解析：選BC　電子沿逆時針方向做圓周運動，形成的電流方向為順時針方向，根據(jù)安培定則可判斷電子的運動將在圓周的內(nèi)側(cè)、外側(cè)均產(chǎn)生磁場，且圓心處的磁場方向垂直于紙面向里，選項B、C正確。 8.如圖5所示，a、b是電池的兩個極，A、B、C為通電螺線管軸線上的三點，D為螺線管正上方的一點，將小磁針分別放在A、B、C、D四點，靜止時小磁針S極的指向與電池正極的關系是(　　) 圖5 A．在A點S極向右，a為正極 B．在B點S極向左，b為正極 C．在C點S極向左，b為正極 D．在D點S極向右，a為正極 解析：選D　可用假設法進行判斷，分別設a、b為電源的正極，確定出電流方向，再根據(jù)電流方向確定出A、B、C、D各點的磁場方向，再判定出小磁針的指向，和各選項對比知，選項D正確。 9. (多選)南極考察隊隊員在地球南極附近用彈簧秤豎直懸掛一未通電螺線管，如圖6所示。下列說法正確的是(　　) 圖6 A．若將a端接電源正極，b端接電源負極，則彈簧秤示數(shù)將減小 B．若將a端接電源正極，b端接電源負極，則彈簧秤示數(shù)將增大 C．若將b端接電源正極，a端接電源負極，則彈簧秤示數(shù)將增大 D．不論螺線管通電情況如何，彈簧秤示數(shù)均不變 解析：選AC　一方面，可以將地球等效處理為一個大條形磁鐵，地理南極附近相當于磁鐵的N極，因而在地理南極附近地磁場方向近似豎直向上，如圖所示；另一方面，可利用安培定則確定通電螺線管在其周圍產(chǎn)生的磁場方向，再根據(jù)“同名磁極相斥，異名磁極相吸”的規(guī)律判定通電螺線管與地球之間的作用情況。正確選項為A、C。 10.如圖7所示，一個輕質(zhì)彈簧下端懸掛一個小鐵片，當開關S斷開時，鐵片剛好與水銀槽中水銀接觸。當開關S閉合后，鐵片會(　　) 圖7 A．不動 B．陷入水銀面以下 C．向上運動停止在空中 D．不停地上下振動 解析：選D　當開關S閉合后，彈簧相當于通電螺線管，由于各匝彈簧中通入電流方向相同，相鄰兩匝彈簧線圈之間為異名磁極，則彈簧各匝之間相互吸引使彈簧縮短，將鐵片向上提起；鐵片離開水銀面后，電路斷開，彈簧無磁性，則在鐵片的重力作用下，彈簧伸長，鐵片與水銀面接觸又使電路連通，這個過程循環(huán)往復，使鐵片不停地上下振動。 11．如圖8所示，當開關S接通后，說明電流周圍磁場中的小磁針的偏轉(zhuǎn)情況。 圖8 解析：甲圖線框內(nèi)電流磁感線向內(nèi)，線框外電流磁感線向外，線框內(nèi)小磁針N極向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn)，線框外小磁針N極向紙外偏轉(zhuǎn)；乙圖通電螺線管下端為N極，兩個小磁針順時針偏轉(zhuǎn)；丙圖通電螺線管類似蹄形磁鐵，左側(cè)為N極、右側(cè)為S極，左邊的小磁針順時針偏轉(zhuǎn)，右邊的小磁針逆時針偏轉(zhuǎn)。 答案：見解析 12．裝有鐵芯的螺線管叫電磁鐵，巨大的電磁鐵能吸起很重的鋼鐵，如圖9甲所示。現(xiàn)有一個如圖乙所示的繞有兩個線圈的鐵芯，要使其產(chǎn)生磁性且左端為N極，其四個接頭與電源應怎樣連接？ 圖9 解析：使鐵芯產(chǎn)生磁性并且左端為N極，可有以下五種接法： (1)只用a、c線圈，a端接電源正極，c端接電源負極。 (2)只用b、d線圈，b端接電源正極，d端接電源負極。 (3)a、b相接，接電源正極，c、d相接，接電源的負極。 (4)b、c相接，a接電源的正極，d接電源的負極。 (5)a、d相接，b接電源的正極，c接電源的負極。 答案：見解析