5.1磁场及其描述 讲义 -2024-2025学年高二上学期物理鲁科版（2019）必修第三册

授课内容（教材版本、单元信息等）： 鲁科版必修三 5.1磁场及其描述 课时安排：1课时 教材分析： 磁场与前面讲过的电场一样是电磁学的核心内容。本节课建立了磁场的概念，阐明了磁场的基本特性和描述磁场的物理量，这些都是进一步学习安培力、电磁感应定律、交变电流等后继课程所不可缺少的必要基础。其中磁感应强度是电磁学的基本概念之一，是本章的重点，而磁场对磁极和电流的作用力(本质上是磁场对运动电荷的作用力)远比电场对电荷的作用力复杂，如何寻找描述磁场强弱和方向的物理量是本章教学的一个难点。 学情分析： 学生在初中学习和日常生活中对于磁现象已经有了粗浅的认识，已经知道了磁场对磁体和通电导体会有力的作用，且知道磁场有强弱和方向，在静电场的学习中也建立了”场”的基本观念，对于场的性质的研究方法及描述方法也积累了一定的经验，这些因素都为本节课的教学奠定基础。 教学目标 知识与技能  1、 知道磁感应强度，会用磁感线可以形象地描述磁场；  2、 了解几种常见的磁场的磁感线空间分布，会判断通电直导线以及通电线圈周围的磁场方向。 过程与方法  1、 在磁场和电场的比较中学会类比的学习方法； 2、 用磁感线形象地描述磁场，体会物理模型在探索自然规律中的应用 。 情感态度与价值观 1、能列举磁在生活中的应用，关注与磁相关的现代科技的发展。 教学重点： 磁感应强度和磁感线概念的建立。 教学难点： 磁感应强度的概念和磁感线。 教学辅助手段：板书、板画 教学过程： 一、新课导入 师：同学们，本节课我们要来学习磁场及其描述。那么通过之前的学习以及生活经验，我们知道，磁体和通电导线周围都存在磁场，而且磁场是有强弱和方向的，那如何描述磁场的强弱和方向呢？这是我们本节课主要探讨的内容。 师：我们知道当磁体的两个磁极靠近时，即使它们未接触，也会表现出同极相斥、异极相吸的特点。那为什么磁体之间没有接触也会产生相互作用呢？它们之间的作用力是通过什么来传递的呢？对了，是通过磁场来传递。磁场是存在于磁体或电流周围的空间的一种特殊物质，能够对磁体产生力的作用，它是客观存在的，但是它却又是看不见摸不着的。这跟我们前面学习的电场有点像，电场也是有强弱和方向，能够对电场中的电荷会产生力的作用，同时它也是看不见摸不着的，所以接下来我们就用类比电场的方法来研究磁场。 二、新课讲授 1.磁感应强度 师：在前面我们已经学习了用电场强度和电场线来描述电场强弱和方向。首先我们来看方向的描述，对于电场，由于电荷在电场中会受到电场力，在物理学中就规定电场中某点电场强度方向与正电荷在该点受到的电场力的方向相同，同样地，由于小磁针在磁场中会受到磁场力，人们就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。 师：接着我们来看强弱的描述，在电场中是用电场强度来描述电场的强弱，物理学中把放入电场中某点的试探电荷受到的电场力与它的电荷量之比称为电场，用公式表示成，这个比值越大，电场强度越强。而磁场对处于其中的磁体和通电导线有力的作用，我们能否类比电场强度，用小磁针来研究磁场的强弱呢？这是不行的，因为N极不能单独存在。小磁针静止时所受的合力为零，因而不能用测量N极受力的大小来确定磁感应强度的大小。由于磁场不仅能对磁体有作用力,还对通电导体有作用力，所以我们可以通过探究磁场对通电直导线的作用来研究磁场的强弱。 师：这个探究实验的装置图在课本127页的图5-3，实验中用两根劲度系数较小的弹簧把一矩形线圈悬挂起来，线圈接在电路中，放入U形磁铁形成的磁场中。如果线圈受到的磁场的作用力越大，那么弹簧形变量也就会越大，我们就是以此来判断线圈的受力变化。那在实验中，影响磁场对通电直导线作用力的大小的因素就可能包括磁场的强弱，线圈中电流的大小以及磁场中通电直导线的长度等，所以研究其中一个因素与通电直导线受到的力的关系，就需要采用控制变量法。这是这个实验的原理和方法，大家知道一下就可以。 师：那么大量的实验表明，通电电流越大，通电直导线在磁场中的长度越长，通电直导线受到的力就越大。更加精确的实验表明，在磁场中的某一位置，垂直于磁场方向放入一小段通电直导线，其受到的力跟电流和直导线长度的乘积成正比，也就是说这个比值跟这根通电直导线的长度和电流无关，所以我们可以用这个比值来描述磁场的强弱，这个比值我们称之为磁感应强度，用符号B表示，则有，B越大说明磁场越强。同电场强度一样，磁感应强度也是矢量，磁场中某点磁感应强度的方向就是该点的磁场方向，所以我们就可以用磁感应强度来描述清楚磁场的强弱和方向了。那么在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉，简称为特，符号为T。 师：跟电场一样，磁场也遵从叠加原理。如果有几个磁场同时存在，它们的磁场就互相叠加，这时某点的磁感应强度就等于各个磁场单独存在时在该点磁感应强度的矢量和。 2.磁感线 师：那么我们说用图示法形象直观地描述物理问题是物理研究中常用的一种方法。在电场中我们引入电场线来形象地描述电场，同样地，为了形象地描述磁场，英国物理学家法拉第就提出了磁感线的概念。磁感线是在磁场中画出的一些有方向的假想曲线，实际上是不存在的。 师：磁感线跟电场线有几个相似的地方，首先它们都是为了形象描述场的方向和强弱而假想的线；其次是在描述场的方向上，电场线上各点的切线方向即该点的电场方向，是正电荷所受电场力的方向，而磁感线上各点的切线方向也是该点的磁场方向，是小磁针N极受力方向；再来是它们的疏密程度表述场的强弱，电场线越密集表示电场越强，而磁感线越密集表示磁场越强，最后是它们的分布特点，电场线在除场源电荷之处外，在空间不相交也不中断，而磁感线在整个空间中都是不相交也不中断，但不同点在于电场线是始于正电荷，止于负电荷或无穷远处，或者是始于无穷远处，止于负电荷，它不是闭合曲线，而磁感线是闭合曲线。 （板书：） 磁感线 电场线 相似点 意义 为了形象描述磁场的方向和强弱而假想的线 为了形象描述电场的方向和强弱而假想的线 方向 磁感线上各点的切线方向也是该点的磁场方向，是小磁针N极受力方向 电场线上各点的切线方向即该点的电场方向，是正电荷所受电场力的方向 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 在除场源电荷之处外，在空间不相交，不中断 不同点 是闭合曲线 始于正电荷，止于负电荷或无穷远处，或者是始于无穷远处，止于负电荷，不是闭合曲线 师：虽然我们说次磁场是看不见摸不着，但是在实验中我们常用铁屑在磁场中被磁化的性质来显示出磁感线的形状。大家看课本128页图5-4，其中图（a）是铁屑在条形磁场中的分布，再根据小磁针的N极指向可以确定磁感线的方向，根据实验现象就可以画出条形磁铁的磁感线分布示意图，如图（b）所示，可以看出，在磁体外部，磁感线是由N极出发回到S极，而磁感线是闭合曲线，所以在磁体内部，磁感线变成从S极到N极。 师：对于不同的磁体产生的磁场，磁感线的空间分布是不一样的，图5-5则是两个相距很近的平行异名磁极间的磁感线分布，显然与刚才的条形磁铁的磁感线分布是不一样的，可以看到这两个异名磁极间中央部分的磁感线是一组平行且等距的直线，说明这个区域内各点的磁感应强度大小和方向都相同，我们就称这个区域内的磁场为匀强磁场。所以两个相距很近的异名磁极间中央部分的磁场可以视为匀强磁场，通电螺线管内部的磁场也可视为匀强磁场。 3.电流的磁场 师：既然不同的磁场的磁感线的空间分布不一样，而通电导线在周围空间中也会产生磁场，那电流产生的磁场的磁感线有什么特点呢？同样地，我们可以用铁粉和小磁针来研究通电直导线周围的磁场，大家看课本129页的图5-6的实验装置示意图，在实验探究中，我们把铁粉均匀撒在水平放置的有机玻璃上，直导线垂直穿过玻璃板中央，接通电源使得垂直导线中短暂通过大电流，同时轻轻敲打有机玻璃使铁粉重新分布，可以看到通电直导线周围磁场的磁感线是以电流为中心的同心圆。实验时我们将小磁针放在板上就可以检验磁场的方向，也就可以判断磁感线的环绕方向。 师：实验中我们发现当电流的方向改变时，通电直导线周围磁场的磁感线仍然是以电流为中心的同心圆，但此时小磁针的指向发生了改变，这说明通电直导线周围空间的磁场方向与电流方向有关。那么两者之间有什么样的关系呢？针对这个问题，法国物理学家安培就通过实验对通电直导线形成磁场的规律进行了深入的探究，最终非常巧妙地总结出来判断通电直导线周围磁场方向的安培定则，大家看图5-8，如果我们用手握住通电直导线，让伸直的大拇指的方向与电流方向一致，那么其余四指弯曲的方向就是电流周围磁感线的环绕方向，这既是安培定则，那么知道了磁感线的环绕方向，我们就可以确定任一点的磁场方向，即磁感线的切线方向。 师：那如果把通电直导线弯成环形，流过环形导线的电流称为环形电流，那它的磁场又有什么特点呢？其实我们可以把通电圆环看作是由很多小段的通电直导线组成。同样地可以用铁粉来研究环形电流的磁场，看课本130页图5-9的图（a），从铁粉的分布情况可以看出，环形电流磁场的磁感线是一些绕环形电流的闭合曲线。在环形电流的中心轴上，磁感线与环形电流所在的平面垂直，其磁感线分布示意图如5-9的图（b）所示。环形电流的磁场方向也会随着电流方向改变而改变，研究环形电流的磁场时，我们主要关心的是环形电流中心轴上各点的磁场方向，其与环形电流方向的关系也可以用安培定则来判断：根据图5-10，如果我们让右手弯曲四指的方向与环形电流的方向一致，则伸直大拇指所指的方向就是环形电流中心轴线处的磁感线方向。 师：那如果把多个通电环形电流放在一起，就形成了通电螺线管。大家注意比较通电螺线管的磁感线分布示意图5-11跟条形磁铁的磁感线分布示意图5-4，可以发现，通电螺线管外部的磁感线与条形磁铁的磁感线分布相似，其内部的磁感线与螺线管的轴线平行，并且和外部的磁感线相连接，形成了闭合回路。通电螺线管磁场方向的判断跟环形电流相似，如图5-12，用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与电流的方向一致，则伸直的大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向。可以看到在通电螺线管内部磁感线是从S极到N极的。 师：那除了介绍上述几种常见的磁场的磁感线空间分布以外，大家还需要知道地球磁场。大家看课本133页的科学书屋，图5-18即地球磁场的示意图。其实地球本身就是一个大磁体，但它的N极位于地理南极附近，S极位于地理北极附近，正是因为这样，指南针的N极才会指向地理北极，即指向磁场的方向，由此指南针的S极才能指示地理南极。在地球两极，磁针是竖直指向地面，而在赤道上，磁针水平近似指向南北，因为小磁针的指向与地理的正南正北方向之间存在夹角，这个大家了解一下即可。 4.磁的应用及意义 师：刚才主要介绍了几种常见的磁场的磁感线空间分布情况。接着我们来了解一下磁在生活中的应用。磁的应用源远流长，大家最常见的就是指南针，它是我国古代四大发明之一。但早在指南针之前，我国古代劳动人民就已经开始将天然磁石磨制成指示方向的器具，也就是“司南”，它的样子如课本131页的5-14所示，它是现在所用指南针的始祖。 师：那么在现代科学技术中，磁也有着广泛的应用。在现代交通工具中的典型应用是高速磁浮列车。磁浮技术让列车悬浮于轨道之上行驶，极大地减小了列车受到的阻力，列车车速可达600km/h。磁浮列车有常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式两种。常导电磁铁吸引式是根据磁铁异极相吸的原理，让导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车悬浮，而超导电磁铁相斥式是根据磁铁同极相斥的原理，利用车上超导电磁铁形成的磁场与轨道上磁铁形成的磁场所产生的相斥力使车体悬浮。近年来，人们还设想利用超导磁浮技术和真空管道，让列车在真空管中运行，预计最高速度可达几千千米每小时。除此之外，生活中还有很多与磁的应用相关的事例，大家可以课后自行查找资料阅读。 教学反思： 注：教育实习教案须经指导教师指导、审阅并签名确认 学科网（北京）股份有限公司 $$