第13章 1. 磁场 磁感线-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第十三章 电磁感应与电磁波初步 第十三章 电磁感应与电磁波初步 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 型在探究自然规律中的作用。 能用磁感 应强度描述磁场的性质， 能用磁感线模 型分析磁场中比较简单的问题， 并得出 结论。 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。 5. 通过实例， 了解电磁波的应用及其带来 的影响。 6. 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。 知 识 结 构 磁通量： Ф=BS （ B 垂直 S ） 磁场对电流的作用： 安培力—— F=BIL （ B 与 I 垂直） 磁生电： 法拉第领悟到是一种变化、 运动过程中才能出现的效应 产生感应电流条件： 闭合回路， 磁通量 变化 电磁感 应现象 与应用 用 磁 感 应 强 度 磁体的磁场 条形磁体的磁场 蹄形磁体的磁场 同名磁极的磁场 异名磁极的磁场 辐向磁体的磁场 地磁 磁 $ $ $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ $ $ % 场 直线电流的磁场 环形电流的磁场 通电线圈的磁 用 磁 场 磁场方向的 判定—— 安培定则 物理意义： 表征磁场强弱的物理量， 由磁场本身性质决定 大小： B= F IL （ B 与 I 垂直） 方向： 小磁针静止时 N 极指向 国际制单位： 特斯拉 （ T 磁 $ $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ $ $ % ） 电 磁 场 与 电 磁 波 磁 $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ % 磁 感 线 的 分 布 磁 $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ % 磁 场 的 描 述 磁 $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ % 磁 $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ % 磁 场 电流周 围磁场 磁 $ $ $ $ # $ $ $ $ % 磁场的概念： 存在于磁体或电流周围的一种 特殊物质 磁场的产生： 磁体和电流周围存在磁场 （运动电荷产生的） 麦克斯韦电磁场理论： 变化的磁场产生电场， 变化的电场产生磁场 电磁场： 变化的电场和磁场总是相互联系的， 形成一个不可分割的统一的电磁场 概念： 变化的电场和变化的磁场交替产生， 由近及远地向周围传播， 空间形成 电磁波 概念： 按电磁波的波长或频率大 小的顺序把它们排列起来， 就是电磁波谱 波速 = 波长 × 频率 电 磁 场 和 电 磁 波 磁 $ $ $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ $ $ $ % 用 应用 磁 $ $ $ $ $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ $ $ $ $ % 电 磁 波 电磁波 谱能量 81 学 高 中 物 理 必 修 第三册 （人教版） 知 识 梳 理 知识点 1 电和磁的联系 1. 磁作用： 同名磁极相互排斥， 异名磁极相 互吸引。 2. 电流磁效应： 1820 年， 奥斯特发现把一 根导线平行地放在磁针的上方， 给导线通 电时， 磁针发生了偏转， 说明电流也能产 生磁场， 这个现象称为电流的磁效应。 3. 意义： 用实验展示了电与磁的联系。 知识点 2 磁场 1. 指南针是我国的四大发明之一。 我国是最 早在航海上使用指南针的国家。 2. 指南针为远洋航海做出了巨大贡献。 3. 磁场。 （ 1 ） 磁体在空间产生磁场。 （ 2 ） 磁体与磁体之间的相互作用都是通过磁 场发生的。 （ 3 ） 磁场的基本性质是对放入其中的磁体或 电流有力的作用。 4. 物理学上规定： 小磁针北极受力的方向， 也就是小磁针静止时北极所指的方向， 就 是那一点磁场的方向。 5. 磁性的地球。 （ 1 ） 地球相当于一个大磁体， 磁体的北极 1. 磁场 磁感线 规 律 公 式 1. 磁感应强度： 大小： B= F IL （ B 与 I 垂直）。 2. 磁通量： 椎=BS （ B 垂直 S ）。 3. 波速： v=λf 。 提 纲 挈 领 1. 本章以 “磁场” 为中心， 突出 “电与磁的 联 系 和 转 化 ——磁 场——电 磁 感 应 现 象——电磁场与电场波——能量量子化” 的知识主干线。 2. 在知识上， 本章特点是内容繁杂、 抽象、 难懂， 应用性较强。 本章是对电与磁的研 究， 发展成了电磁场与电磁波的理论。 知 道电磁场的物质性， 能说出电磁感应现象 在生产生活中应用的实例， 能利用场的性 质解释有关电磁波的现象。 初步了解微观 世界的量子化特征， 形成初步的物质观、 运动与相互作用观和能量观， 并能解释简 单的自然现象， 解决简单的实际问题。 能 用比值法定义电磁感应， 能用磁感线分析 比较简单问题， 并得出结论， 知道磁通量 是一个重要的物理量。 能 量 量 子 化 热辐射和黑体 普朗克能量量子化假说 能级： 原子的可能状态是不连续的， 各状态对 应的能量也是不连续的， 这些能量值叫 作能级 ! # # # # # " # # # # # $ N S I N F + - - - - - + + + + 乙 丙甲 82 学 第十三章 电磁感应与电磁波初步 （ N 极） 在地理的南极附近， 磁体的南 极 （ S 极） 在地理的北极附近。 地理两 极与地磁两极并不重合， 它们之间存在 着一个夹角， 这个角就是磁偏角。 （ 2 ） 火星不像地球那样是个全球性的磁场， 因此不能在火星上使用指南针。 6. 磁感线。 （ 1 ） 磁感线的概念。 磁感线是为了形象地描述磁场而人为引 入的线， 磁场中实际上并不存在磁感线。 （ 2 ） 磁感线的特点。 ① 在磁体外部， 磁感线从北极发出， 回到南 极； 在磁体内部从南极回到北极。 因此， 磁感线是闭合的曲线。 ② 磁感线的疏密表示磁场的强弱， 磁感线越 密的地方磁场越强； 磁场方向在过该点的 磁感线的切线上， 每一点的切线方向都与 该点的磁场方向一致。 ③ 磁感线不相交， 不相切， 也不中断。 （ 3 ） 常见永磁体的磁场磁感线分布。 知识点 3 电流磁场的方向 1. 直线电流磁场的磁感线。 （ 1 ） 分布： 以导线为圆心的一些同心圆。 （ 2 ） 安培定则。 右手握住导线， 让伸直的拇指的方向与 电流的方向一致， 那么， 弯曲的四指所指的 方向就是磁感线的环绕方向。 2. 环形导线、 螺线管磁感线。 （ 1 ） 分布： 外部从 N 极到 S 极， 内部从 S 极 到 N 极， 每一条磁感线都是闭合的曲线。 （ 2 ） 安培定则： 右手握住螺线管， 让弯曲的 四指所指的方向跟电流的方向一致， 拇 指所指的方向就是螺线管内部磁感线的 方向。 3. 通电螺线管的磁场。 如图所示 ， 通电螺 线管外部的磁场与条形 磁铁十分相似 ， 左端相 当于条形磁铁的 N 极。 知识点 4 安培分子电流假说 1. 分子电流假说： 任何物质的分子中都存在 环形电流——分子电流， 分子电流使每个 物质微粒都成为一个微小的磁体。 2. 安培的假设能很好地解释磁化和退磁。 3. 磁现象的本质： 磁铁的磁场和电流的磁场 N N N NS N S S 条形磁铁 蹄形磁铁 异名磁极 同名磁极 地理北极 地轴 地理南极 N S N S I B I S N 磁感线分布 安培定则 环形电流的磁场 I I 磁感线分布 安培定则 直线电流的磁场 N S 通电螺线管的磁场 83 学 高 中 物 理 必 修 第三册 （人教版） 一样， 都是由电荷的运动产生的。 要 点 突 破 要点 1 电流的磁效应 1. 电流磁效应的发现。 1820 年 ， 丹麦物理学家奥斯特发现 ， 导线通电后， 其下方与导线平行的小磁针会 发生偏转， 如图为奥斯特发现电流磁效应的 实验装置。 2. 电流的磁效应的物理意义。 展示了电和磁的联系， 说明了电与磁之 间存在相互作用。 对电与磁研究的深入发展 具有划时代的意义。 可以说， 奥斯特的发现 “打开了黑暗领域的大门”。 例 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： 在做奥斯特实验时， 为减弱地球磁场 的影响， 导线应南北放置在小磁针的正上方 或正下方， 这样电流产生的磁场为东西方 向， 会使小磁针有明显的偏转。 若导线东西 放置， 电流所产生的磁场为南北方向， 小磁 针有可能不发生偏转， 故 A 、 B 、 D 错误， C 正确。 答案： C 变式训练 1 （多选） 下列说法正确的是 （ ） A. 小磁针放在一根通电直导线附近， 小磁 针没有转动， 说明电流没有磁效应 B. 两根通电直导线相互垂直放置， 解除固 定后都发生转动， 说明了电流的磁效应 C. 奥斯特发现的电流磁效应现象， 首次揭 示了电与磁之间是有联系的 D. 以上说法均错误 要点 2 常见的几种电流磁场方向 1. 直线电流的磁场。 如图所示： （ 1 ） 纵截面图中的 “ × ” 表示磁场方向垂直 进入纸面， “·” 表示磁场方向垂直射 出纸面。 （ 2 ） 直线电流的磁场无磁极， 距导线越远， 磁场越弱。 2. 通电螺线管的磁场。 如图所示： 3. 环形电流的磁场。 两侧是 N 极和 S 极， 离圆环中心越远， 电池组 电流 导线 磁针 I I I 立体图 俯视图 纵截面图 SN 立体图 I 横截面图 N S I 纵截面图 84 学 第十三章 电磁感应与电磁波初步 磁场越弱， 如图所示。 例 2 如图， 分别给出了导线中的电流方向 或磁场中某处小磁针 N 极的指向或磁感线 方向。 请画出对应的磁感线 （标上方向） 或 电流方向。 解析： 根据安培定则， 可以确定： 答案： 见解析图 变式训练 2 有一束电子流沿 x 轴正方向高速运动， 如图所示， 电子流在 z 轴上的 P 点所产生的 磁场方向是 （ ） A． 沿 y 轴正方向 B． 沿 y 轴负方向 C． 沿 z 轴正方向 D． 沿 z 轴负方向 要点 3 对地磁场的理解 1. 地球的磁场与条形磁铁的磁场相似， 其主 要特点有三个。 （ 1 ） 地磁场的 N 极在地球南极附近， S 极在 地球北极附近。 （ 2 ） 地磁场的水平分量总是从地球南极指向 地球北极， 而竖直分量在南半球垂直地 面向上， 在北半球垂直地面向下。 （ 3 ） 赤道平面上， 距离地球表面高度相等的 点， 磁场强弱相同， 且方向水平向北。 2. 地磁偏角的数值在地球上的不同地点是不 同的， 而且由于地球磁极的缓慢移动， 磁 偏角也在缓慢变化。 3. 地磁场的磁感线形状如图所示。 例 3 （多选） 云层 之间闪电的模拟图如 图所示， 图中 A 、 B 是位于南、 北方向带有电荷的两块阴雨云， 在放电的过程中， 两云的尖端之间形成了一 个放电通道， 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 的带电情况的说法中正确的是 （ ） A. 带同种电荷 B. 带异种电荷 C. B 带正电 D. A 带正电 解析： 由于闪电必发生在异种电荷之间， 故 A 错误， B 正确； 放电过程相当于有电流从 小磁针的下方通过， 因 N 极转向纸里， 所以 小磁针所在处磁场方向向里， 由安培定则 N S I I I N S 立体图 横截面图 纵截面图 （ 1 ） （2 ） （ 3 ） （ 4 ） 乙 例 2 题图 （ 1 ） （2 ） （ 3 ） （ 4 ） 甲 N N N N x y z P O 变式训练 2 题图 地磁南极 地理北极 地磁北极 地理南极 地理两极与地磁两极不重合 S N S N B 北 A 南 例 3 题图 85 学 高 中 物 理 必 修 第三册 （人教版） 知， 电流方向由 A→B ， 则 A 带正电， B 带 负电， 故 C 错误， D 正确。 答案： BD 变式训练 3 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 （ ） 要点 4 对磁感线的理解 磁感线与电场线的比较 例 4 地球是一个大磁体： ① 在地面上放置 一个小磁针， 小磁针的南极指向地磁场的南 极； ② 地磁场的北极在地理南极附近； ③ 赤 道附近地磁场的方向和地面平行； ④ 北半球 地磁场方向相对地面是斜向上的； ⑤ 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 （ ） A. ①②④ B. ②③④ C. ①⑤ D. ②③ 解析： 地球的磁场与条形磁铁的磁场相似， 其特点主要有： ① 地磁场的 N 极在地理南 极附近， S 极在地理北极附近。 ② 地磁场的 水平分量总是从地理南极指向北极， 而竖直 分量则南北相反， 在南半球垂直地面向上， 在北半球垂直地面向下。 ③ 在赤道正上方， 距离地球表面相等的各点， 磁场的强度相 等， 且方向水平向北。 故选 D 。 答案： D 变式训练 4 （多选 ） 中国宋 代科学家沈括在 《梦 溪笔谈》 中最早记载 了地磁偏角： “以磁 石磨 针 锋 ， 则 能 指 南， 然常微偏东， 不 全南也。” 进一步研究表明， 地球周围地磁 场分布示意图如图， 结合上述材料， 下列说 法正确的是 （ ） A． 地理南、 北极与地磁场的南、 北极不重合 B． 地球内部也存在磁场， 地磁南极在地理 北极附近 C． 地球表面任意位置的地磁场方向都与地 面平行 D． 地球表面的磁场的竖直分量在南半球垂 直于地面向上， 在北半球垂直于地面向下 I 西 东 I 西 东 西 东 I 西 东 I DC BA 两种线 磁感线 电场线 相 似 点 意义 用来形象地描述磁 场方向和相对强弱 而假想的线 用来形象地描述电 场方向和相对强弱 而假想的线 方向 线上某点的切线方 向为磁场方向， 也 是磁针 N 极的受力 方向 线上某点的切线方 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 是闭合曲线 不是闭合曲线 地轴 地球自转方向 变式训练 4 题图 86 学 第十三章 电磁感应与电磁波初步 2. 磁感应强度 磁通量 知 识 梳 理 知识点 1 磁感应强度 1. 安培力。 （ 1 ） 定义： 通电导体在磁场中受到的力叫作 安培力。 （ 2 ） 大小： F＝BIl 。 适用条件： 导体与磁场 垂直。 （ 3 ） 安培力方向的判断。 ① 安培力的方向可用左手定则判断。 ② 左手定则： 伸开左手， 使大 拇指跟其余四指垂直， 并且 都跟手掌在一个平面内。 把 手放入磁场中让磁感线垂直 穿入手心， 并使伸开的四指 指向电流的方向， 那么， 大拇指所指的方 向就是通电导线在磁场中所受安培力的方 向。 （如图） 2. 磁感应强度。 （ 1 ） 定义： 当通电导线与磁场方向垂直时， 通电导线所受的安培力 F 跟电流 I 和导 线长度 l 的乘积 Il 的比值。 （ 2 ） 公式： B＝ F Il 。 （ 3 ） 单位： 特斯拉， 简称特， 符号 T 。 （ 4 ） 方向： 某处的磁感应强度方向为该处的 磁场方向。 （ 5 ） 与磁感线的关系。 磁感应强度和磁感线是一致的， 磁感线 上每一点的切线方向与该点磁感应强度方向 一致， 磁感线的疏密程度表示磁感应强度的 大小， 这样就可从磁感线的分布情况形象地 看出磁感应强度的方向和强弱。 知识点 2 匀强磁场 1. 定义： 如果磁场中各点的磁感应强度的大小 相等、 方向相同， 这个磁场称为匀强磁场。 2. 磁感线特点： 匀强磁场中的磁感线是一组 方向一致的等间距平行线。 知识点 3 磁通量 1. 概念。 （ 1 ） 定义： 在匀强磁场中有一个与磁场方向 垂直的平面， 平面的面积为 S ， 则磁感 应强度 B 与面积 S 的乘积， 叫作穿过这 B I F S N 拓 展 创 新 为什么金属会被磁化和消磁 ? 因为在带磁的物体内， 会有很多的微小 区域——磁畴， 这些磁畴方向一致， 所以使 物体显示出磁性。 所以磁化就是要让金属的磁畴按一定顺 序排列， 而消磁则是通过外力的作用， 如加 热、 撞击， 使磁畴方向杂乱无章。 值得注意的是， 并非所有材料都可以被 磁化， 只有铁、 镍及铁镍与稀土的合金材料 才会受到磁化影响。 变式训练答案 1. BC ２. Ａ ３. Ｂ ４. ＡＢＤ 87