第二节 电流的磁场 磁感应强度（导学案）物理沪科版2020必修第三册

第二节 电流的磁场 磁感应强度 导学案 1．理解磁感应强度的概念，知道磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量.2.知道什么是匀强磁场，知道匀强磁场磁感线的特点 .3.理解磁通量的概念，会计算磁通量的大小． 【知识回顾】 一、电流的磁场 电流周围存在磁场（即电流的磁效应）是由丹麦物理学家奥斯特发现的。当通电导线南北（南北/东西）方向平行地放置于小磁针上方时，小磁针会发生偏转。S N I 直线电流的磁场 通电螺线管的磁场 环形电流的磁场 安培定则 立体图 横截面图 纵截面图 磁场特点 不等距的同心圆。无磁极、非匀强磁场，且距导线越远磁场越弱 与条形磁铁的磁场相似，管内为匀强磁场，管外为非匀强磁场 环形电流的两侧分别是极和极，且离圆环中心越远磁场越弱 二、匀强磁场 磁场强弱和方向处处相同的磁场称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一系列疏密间隔_相同_的、同方向的平行直线。 常见的匀强磁场有：N S I 通电密绕直螺线管内部磁场 N S 蹄形磁体两磁极间的磁场 N S 两个平行异名磁极间的磁场 2．磁感线是闭合曲线；磁感线不相交：磁铁外部的磁感线，都从磁铁N极出来，进入S极，在内部，由S极到N极．条形磁铁 蹄形磁铁 3．几种典型磁场的磁感线的分布： ①条形磁铁和蹄形磁铁的磁场 ②电流的磁场 直线电流的磁场 通电螺线管的磁场 环形电流的磁场 安培定则 立体图 横截面图 纵截面图 磁场特点 不等距的同心圆。无磁极、非匀强磁场，且距导线越远磁场越弱 与条形磁铁的磁场相似，管内为匀强磁场，管外为非匀强磁场 环形电流的两侧分别是极和极，且离圆环中心越远磁场越弱 ③地磁场：地球的磁场与条形磁体的磁场相似，其主要特点有三个： Ⅰ、地磁场的极在地球南极附近，极在地球北极附近． Ⅱ、地磁场的水平分量（）总是从地球南极指向北极，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． Ⅲ、在赤道平面上，距离地球表面相等的各点，磁感强度相等，且方向水平向北． ④匀强磁场：磁场中各点的磁感应强度的大小相等、方向相同，磁感线是疏密程度相同、方向相同的平行直线． 通电直导线周围的磁场方向如何判断？ 让一根粗直导线竖直穿过一块均匀撒有铁屑的水平纸板中央。接上直流电源后，轻轻敲击纸板就可以清楚显示出通电导线周围铁屑的分布情况。我们可以发现，当导线中通过 电流时，纸板上的铁屑将环绕着这根导线形成一个个同心圆，如图 11–8（a）所示。清除铁屑后在纸板上画一个以中央为圆心的圆，再将一小磁针放在水平纸板上，导线接通直流电源，沿圆周移动小磁针的位置，观察小磁针 N 极的指向，并把小磁针的指向画在纸板的相应位置上。I B 图 11–8 载流直导线周围的铁屑分布和磁场 （a） （b） 实验表明通电直导线周围磁场的磁感线是一些和导线垂直的平面上以导线为圆心的同心圆；靠近导线处的磁感线较密，磁场较强，离开导线越远磁感线越疏，磁场越弱。 大量的实验都表明，通电直导线中电流方向与其周围磁场的方向满足右手螺旋定则：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，四指的指向就是磁感线的环绕方向，如图 11–8（b）所示。 通常，我们用“⊗”和“⊙”分别表示通电导线中垂直于纸面向内和垂直于纸面向外的电流方向。用“×”和“●”分别表示垂直于纸面向内和垂直于纸面向外的磁场方向。 如图 11–9（a）所示为通电直导线附近磁场的俯视图，中间导线中的电流方向垂直于纸面向外；载流直导线垂直平面上磁场呈同心圆状的分布。如图 11–9（b）所示为通电直导线所在平面上的磁场分布，越靠近导线磁场越强，越远离导线磁场越弱。图 11–9 直线电流周围的磁感线 (a) (b) I I 通电螺线管周围也有磁场，类似于条形磁体周围的磁场。可以用右手螺旋定则来判断通电螺线管环绕的电流方向与螺线管内部磁场方向之间的关系，如图 11–10（a）所示。如果螺线管很长，而且绕得很密，其内部的磁感线就近似为平行于螺线管轴线的、同方向、间隔均匀的直线，如图 11–10（b）所示。通电螺线管的磁场可以看成是由许多环形电流的磁场叠加而成的，环形电流内部磁场方向也可以用右手螺旋定则来判断。 图 11–10 通电螺线管的磁感线 (a) (b) N S I 图 11–11 分子电流假说示意图 (a) (b) 安培观察到通电螺线管的磁场和条形磁体的磁场很相似，提出了分子电流假说。 安培认为在分子等物质微粒的内部，存在着一种环形电流——分子电流，使每个分子成为微小的磁体，分子的两侧相当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，如图 11–11（a）所示。它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，如图 11–11（b）所示。在垂直于导体的平面上，相邻分子间的电流作用抵消，所有分子电流的总效果显示出宏观的磁性。 安培的分子电流假说与现代原子分子结构的概念相符合，分子电流对应核外电子绕核旋转形成的电流；除了能够解释软铁棒被磁化的现象以外，还能够解释磁体受到高温或猛烈敲击会失去磁性的现象，这是由于分子电流的取向由大致相同变成杂乱无章所致。 拓 展 视 野 如何定量地描述磁场的强弱？ 磁体在周围空间产生磁场，另一块磁体在此磁场中会受到磁场力的作用。通电导线在周围空间产生的磁场也会对其中的磁体产生磁场力的作用；反之，通电导线在磁场中也会受到磁场力的作用。 与定义电场强度类似，假定我们将长度 Δl 足够短的电流元 IΔl 放在磁场中任意点 P，如果电流元受到的最大磁场力为 F，则我们可以用 F 与 IΔl 之比来定义 P 点描述磁场大小和方向的物理量——磁感应强度（magnetic induction） B = 磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，符号为 T。磁感应强度是矢量，在某一点磁感应强度的方向就是放在该点可以在任意方向自由转动的小磁针 N 极的指向，也是磁感线在该点的切线方向。磁场中某处磁感应强度的大小和方向是磁场本身的性质，与其中是否存在电流元及电流的大小无关。 实际情形中，磁场的强弱可以有很大的区别。表 11–1 列出了一些磁场的磁感应强度大小的近似值。 自 主 活 动 将螺线管串接 10 Ω 电阻和开关后接入 3 节 1.5 V 干电池组成的电源，如图 11–12（a）所示。 将磁传感器（收集所在位置磁场的磁感应强度数据）与计算机相连接。 螺线管放置在水平桌面上，调节磁传感器的高度，使探测管正好处在螺线管的轴线上，如图 11–12（b）所示。 合上开关，记录磁传感器探测管的前端插入螺线管内部的距离 d 与相应磁感应强度 B 的测量值，绘制 B–d 曲线。 表 11–1 一些磁场的磁感应强度大小的近似值 地点 磁感应强度 中子星表面 108 T 钕磁体附近 100 T 小条形磁体附近 10−2 T 地球表面 10−5 T 星际空间 10−10 T 磁屏蔽室内 10−14 T 从实验结果不难发现，在通电螺线管中心轴线上靠近中央处的磁感应强度几乎不随位置变化。 磁场强弱和方向处处相同的磁场称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一系列疏密间隔相同的、同方向的平行直线。通电密绕直螺线管内部的磁场，靠得很近的两个平行异名磁(b) 图 11–12 用磁传感器研究通电螺线管内部的磁感应强度 (a) 10 Ω 磁传感器 探测管 极之间中央部分的磁场，或者较大的蹄形磁体两磁极间的磁场，都可以近似看作匀强磁场，如图 11–13 和图 11–14 所示分别为铁屑显示的部分区域近似存在匀强磁场的磁场分布和磁感线。 图 11–14 蹄形磁体两磁极间的磁场 N S 图 11–13 两个平行异名磁极间的磁场 N S 磁体是科学研究的工具。借助强磁场有助于我们“看到”物质本性和科学规律。强磁场是半导体、超导、特殊功能材料和器件研究不可缺少的条件，同时强磁场下的核磁共振，又是生命科学、医学研究的必要工具。2017 年 9 月，中国科学院强磁场科学中心成功建成“稳态强磁场实验装置”。在此建设过程中，取得了一系列成就，成功研制了由内部水冷磁体和外部超导磁体组合而成的混合磁体，最大磁感应强度达 43 T。另外，该中心建成了国际首创水冷磁体扫描隧道显微镜系统、扫描隧道 – 磁力 – 原子力组合显微镜系统，以及强磁场下低温、超高压实验系统，使得我国稳态强磁场相关实验条件达到国际领先水平。 图 11–15 电磁铁控 制的智能通道闸 STSE 电磁铁是通电产生磁性的一种装置，其结构为在铁芯的外部缠绕通电线圈。工业上使用起重电磁铁吊运钢材、铁砂等导磁材料，或者用电磁铁作电磁机械手夹持钢铁等导磁材料。在实际生活中电磁铁是电磁继电器、电磁阀门、电子门锁、智能通道闸和电磁流量计等的核心部件之一。如图 11–15 所示的半自动式智能通道闸就是通过电磁铁来控制机芯的运转和停止的。 一般而言，电磁铁所产生的磁场与电流大小、线圈匝数及铁芯都有关。另外，为了使电磁铁断电后立即消磁，往往采用消磁较快的软铁或硅钢材料来制作电磁铁。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后立即失去磁性；磁性的强弱能用电流的大小来控制；磁极可以由电流的方向来控制。 一、单选题 1．下列物理量属于矢量且单位正确的是（　　） A．功率（W） B．温度（K） C．电势差（V） D．磁感应强度（T） 【答案】D 【详解】A．功率是标量，单位（W）正确，但不符合矢量条件，故A错误； B．温度是标量，单位（K）正确，但不符合矢量条件，故B错误； C．电势差是标量，单位（V）正确，但不符合矢量条件，故C错误； D．磁感应强度是矢量，方向由磁场方向决定，单位（T）正确，故D正确。 故选D。 2．今年是国际计量大会修订国际单位制的65周年，小明同学想对物理量和单位进行归类，下列物理量和单位的组合中，物理量是矢量且单位为国际基本单位的是（　　） A．路程mol B．力N C．磁感应强度cd D．电流元A 【答案】D 【详解】A．路程是标量，其国际单位为m，而非mol，故A错误； B．力是矢量，但其单位N是导出单位（1N=1kg·m/s²），故B错误； C．磁感应强度是矢量，但其国际单位是T，而非坎德拉（cd），且T是导出单位，故C错误； D．电流元是矢量，其单位为安培（A），属于国际基本单位，故D正确。 故选D。 3．关于磁场，下列说法正确的是（　　） A．通电导线在磁场中受到的安培力越大，该位置的磁感应强度越大 B．一小段通电导体在磁场中某处不受磁场力作用，则该处磁感应强度一定为零 C．垂直磁场放置的通电导线受力的方向就是磁感应强度的方向 D．小磁针N极所受磁场力的方向就是该处磁感应强度的方向 【答案】D 【详解】A．安培力公式为，安培力大小与磁感应强度、电流、导线长度及电流与磁场的夹角均有关。若（导线与磁场平行），即使很大，仍为零。因此安培力大不能直接说明大，故A错误； B．当导线与磁场方向平行时（或），，此时，但可能不为零。因此不受力不代表为零，故B错误； C．根据左手定则，安培力方向垂直于磁场方向和电流方向构成的平面。当导线垂直磁场放置时，安培力方向与磁场方向垂直，而非相同，故C错误； D．物理学上磁场中某点的磁感应强度方向规定为小磁针N极静止时所指的方向，故D正确。 故选D。 4．今年是国际计量大会修订国际单位制的65周年，小明同学想对物理量和单位进行归类，下列物理量和单位的组合中，物理量是矢量且单位为国际基本单位的是（　　） A．位移m B．力N C．磁感应强度T D．电流A 【答案】A 【详解】A．位移是矢量，单位m是国际基本单位，故A正确。 B．力是矢量，单位N是国际导出单位，故B错误。 C．磁感应强度是矢量，单位T是国际导出单位，故C错误。 D．电流是标量，单位A是国际基本单位，故D错误。 故选A。 5．如图所示，相同的长直导线、、、、的中点分别固定在圆周的五等分点处，导线与圆周所在平面垂直，且通有同样的电流。关于圆心点处的磁感应强度，下列说法正确的是（　　） A．的大小不为，方向平行于圆周所在平面 B．的大小不为，方向垂直于圆周所在平面 C．若导线中的电流反向，则的方向平行 D．若导线中的电流反向，则的方向垂直 【答案】D 【详解】AB．若导线中通有同样的电流，则每根导线在点产生的磁感应强度大小相等，且均与导线与点的连线垂直，如下图所示 由对称性可知，点处的磁感应强度为，故AB错误； CD．、、、四根导线在处产生的合磁感应强度与导线中原电流产生的磁感应强度等大反向，若导线中的电流反向，则导线中电流产生的磁感应强度也与导线中原电流产生的磁感应强度等大反向，均垂直于，故磁场的方向垂直，故C错误，D正确。 故选D。 6．如图，四根与纸面垂直的固定长直细导线，横截面分别位于正方形的四个顶点，通有大小相等的电流，其中导线L1、L2、L3中的电流方向垂直纸面向里，导线L4中的电流方向垂直纸面向外。O点为正方形的中心，已知每根导线中的电流在O点产生的磁感应强度大小为B，则O点的磁感应强度（　　） A．方向由O点沿纸面指向L1，大小为2B B．方向由O点沿纸面指向L2，大小为B C．方向由O点沿纸面指向L3，大小为2B D．方向由O点沿纸面指向L4，大小为B 【答案】A 【详解】由右手螺旋定则可知，通电导线在O点产生的磁场方向由O点沿纸面指向，通电导线在O点产生的磁场方向由O点沿纸面指向，通电导线在O点产生的磁场方向由O点沿纸面指向，通电导线在O点产生的磁场方向由O点沿纸面指向，叠加后O点的磁感应强度方向由O点沿纸面指向，大小为2B。 故选A。 7．以下关于矢量和标量的说法正确的是（　　） A．同一个物理量在一些情况下是矢量，在另一些情况下也可以是标量 B．电流有方向，故电流是矢量；功有正负，但功是标量 C．力、位移、磁感应强度、加速度、电势能都是矢量 D．功率是标量 【答案】D 【详解】A．矢量和标量的性质是物理量的固有属性，不会因情况而改变，故A错误； B．电流虽有方向，但其运算遵循代数加减（如并联电路总电流为各支路电流之和），故电流是标量；功的正负仅表示做功效果，不改变其标量性质，故B错误； C．力、位移、磁感应强度、加速度均为矢量，但电势能只有大小无方向，是标量，故C错误； D．功率由功（标量）和时间（标量）的比值定义，属于标量，故D正确。 故选D。 8．如图所示，AC是四分之一圆弧，O为圆心，A、C处各有一垂直纸面的通电直导线，电流大小相等，方向均垂直纸面向里，整个空间还存在一个磁感应强度大小为B的匀强磁场，O处的磁感应强度恰好为零。下列说法正确的是（　　） A．两通电直导线相互排斥 B．A处直导线在O处产生的磁感应强度大小为 C．若将C处直导线移走，则O处的磁感应强度大小变为 D．若将A处直导线中的电流反向、大小不变，则O处的磁感应强度方向竖直向下 【答案】C 【详解】A．同向通电直导线相互吸引，故A错误； B．A处直导线在O处产生的磁感应强度大小为B1，则C处直导线在O处产生的磁感应强度大小为B1，根据矢量的叠加可得 所以 故B错误； C．若将C处直导线移走，则O处的合磁感应强度大小与C处导线在O处的磁感应强度大小相等，即，故C正确； D．若将A处直导线中的电流反向、大小不变，则AC处直导线在O处产生的磁感应强度为B，方向与匀强磁场方向垂直，所以O处的磁感应强度大小为，故D错误。 故选C。 二、多选题 9．关于磁感应强度的定义式，下列说法正确的是（　　） A．若某电流元不受到磁场的作用力，该位置的磁感应强度不一定为零 B．磁感应强度B是矢量，方向与F的方向相同 C．根据定义式可知，磁场中某点的磁感应强度B与F成正比，与IL成反比 D．该定义式采用了比值定义法，反映磁场本身的性质，与是否存在电流元无关 【答案】AD 【详解】A．当电流元与磁场方向平行时，即使磁感应强度不为零，电流元也不受力，故A正确； B．磁感应强度方向由磁场本身决定，由左手定则可知磁感应强度方向与力F方向垂直，故B错误； C．磁感应强度B由磁场本身决定，与F和IL无关，故C错误； D．定义式为比值定义法，B的大小仅由磁场性质决定，与电流元无关，故D正确。 故选AD。 10．如图所示，两根互相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（　　） A．O点处的磁感应强度为零 B．a、b两点处的磁感应强度大小相等，方向相反 C．c、d两点处的磁感应强度大小相等，方向相同 D．a、c两点处磁感应强度的方向相同 【答案】CD 【详解】A．根据右手螺旋定则，M处导线在O点产生的磁场方向竖直向下，N处导线在O点产生的磁场方向竖直向下，合成后磁感应强度不等于0，故A错误； B．M在a处产生的磁场方向竖直向下，在b处产生的磁场方向竖直向下，N在a处产生的磁场方向竖直向下，b处产生的磁场方向竖直向下，根据对称性以及磁感应强度的叠加知，a、b两点处磁感应强度大小相等，方向相同，故B错误； C．M在c处产生的磁场方向垂直于cM偏下，在d处产生的磁场方向垂直dM偏下，N在c处产生的磁场方向垂直于cN偏下，在d处产生的磁场方向垂直于dN偏下，根据平行四边形定则，知c处的磁场方向竖直向下，d处的磁场方向竖直向下，且合磁感应强度大小相等，故C正确； D．由以上分析可知，a、b、c、d、O五点处磁感应强度的方向都竖直向下，方向相同，故D正确。 故选CD。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第二节 电流的磁场 磁感应强度 导学案 1．理解磁感应强度的概念，知道磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量.2.知道什么是匀强磁场，知道匀强磁场磁感线的特点 .3.理解磁通量的概念，会计算磁通量的大小． 【知识回顾】 一、电流的磁场 电流周围存在磁场（即电流的磁效应）是由丹麦物理学家_________发现的。当通电导线______（南北/东西）方向平行地放置于小磁针上方时，小磁针会发生偏转。S N I 类型 通电直导线 通电螺线管 环形电流 右手螺旋定则 立体图 横截面图 I I 纵截面图 I 磁场特点 磁感线是一些和导线垂直的平面上以导线为圆心的_______圆；靠近导线处的磁感线较密，磁场较______，离开导线越远磁感线越疏，磁场越_______ 内部为_____磁场且比外部_______（强/弱），方向由______极指向_______极；外部类似于________磁体，方向由______极指向_______极 内部磁场比环外_______（强/弱）,磁感线越向外越_________（稀疏/密集） 右手螺旋定则：用右手握住通电______导线，让大拇指指向_______的方向，四指的指向就是__________的环绕方向。 二、匀强磁场 磁场强弱和方向处处___________的磁场称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一系列疏密间隔___________的、同方向的___________直线。 常见的匀强磁场有：N S I 通电密绕直螺线管内部磁场 N S 蹄形磁体两磁极间的磁场 N S 两个平行异名磁极间的磁场 2．磁感线是闭合曲线；磁感线不相交：磁铁外部的磁感线，都从磁铁N极出来，进入S极，在内部，由S极到N极．条形磁铁 蹄形磁铁 3．几种典型磁场的磁感线的分布： ①条形磁铁和蹄形磁铁的磁场 ②电流的磁场 直线电流的磁场 通电螺线管的磁场 环形电流的磁场 安培定则 立体图 横截面图 纵截面图 磁场特点 不等距的同心圆。无磁极、非匀强磁场，且距导线越远磁场越弱 与条形磁铁的磁场相似，管内为匀强磁场，管外为非匀强磁场 环形电流的两侧分别是极和极，且离圆环中心越远磁场越弱 ③地磁场：地球的磁场与条形磁体的磁场相似，其主要特点有三个： Ⅰ、地磁场的极在地球南极附近，极在地球北极附近． Ⅱ、地磁场的水平分量（）总是从地球南极指向北极，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． Ⅲ、在赤道平面上，距离地球表面相等的各点，磁感强度相等，且方向水平向北． ④匀强磁场：磁场中各点的磁感应强度的大小相等、方向相同，磁感线是疏密程度相同、方向相同的平行直线． 通电直导线周围的磁场方向如何判断？ 让一根粗直导线竖直穿过一块均匀撒有铁屑的水平纸板中央。接上直流电源后，轻轻敲击纸板就可以清楚显示出通电导线周围铁屑的分布情况。我们可以发现，当导线中通过 电流时，纸板上的铁屑将环绕着这根导线形成一个个同心圆，如图 11–8（a）所示。清除铁屑后在纸板上画一个以中央为圆心的圆，再将一小磁针放在水平纸板上，导线接通直流电源，沿圆周移动小磁针的位置，观察小磁针 N 极的指向，并把小磁针的指向画在纸板的相应位置上。I B 图 11–8 载流直导线周围的铁屑分布和磁场 （a） （b） 实验表明通电直导线周围磁场的磁感线是一些和导线垂直的平面上以导线为圆心的同心圆；靠近导线处的磁感线较密，磁场较强，离开导线越远磁感线越疏，磁场越弱。 大量的实验都表明，通电直导线中电流方向与其周围磁场的方向满足右手螺旋定则：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，四指的指向就是磁感线的环绕方向，如图 11–8（b）所示。 通常，我们用“⊗”和“⊙”分别表示通电导线中垂直于纸面向内和垂直于纸面向外的电流方向。用“×”和“●”分别表示垂直于纸面向内和垂直于纸面向外的磁场方向。 如图 11–9（a）所示为通电直导线附近磁场的俯视图，中间导线中的电流方向垂直于纸面向外；载流直导线垂直平面上磁场呈同心圆状的分布。如图 11–9（b）所示为通电直导线所在平面上的磁场分布，越靠近导线磁场越强，越远离导线磁场越弱。图 11–9 直线电流周围的磁感线 (a) (b) I I 通电螺线管周围也有磁场，类似于条形磁体周围的磁场。可以用右手螺旋定则来判断通电螺线管环绕的电流方向与螺线管内部磁场方向之间的关系，如图 11–10（a）所示。如果螺线管很长，而且绕得很密，其内部的磁感线就近似为平行于螺线管轴线的、同方向、间隔均匀的直线，如图 11–10（b）所示。通电螺线管的磁场可以看成是由许多环形电流的磁场叠加而成的，环形电流内部磁场方向也可以用右手螺旋定则来判断。 图 11–10 通电螺线管的磁感线 (a) (b) N S I 图 11–11 分子电流假说示意图 (a) (b) 安培观察到通电螺线管的磁场和条形磁体的磁场很相似，提出了分子电流假说。 安培认为在分子等物质微粒的内部，存在着一种环形电流——分子电流，使每个分子成为微小的磁体，分子的两侧相当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，如图 11–11（a）所示。它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，如图 11–11（b）所示。在垂直于导体的平面上，相邻分子间的电流作用抵消，所有分子电流的总效果显示出宏观的磁性。 安培的分子电流假说与现代原子分子结构的概念相符合，分子电流对应核外电子绕核旋转形成的电流；除了能够解释软铁棒被磁化的现象以外，还能够解释磁体受到高温或猛烈敲击会失去磁性的现象，这是由于分子电流的取向由大致相同变成杂乱无章所致。 拓 展 视 野 如何定量地描述磁场的强弱？ 磁体在周围空间产生磁场，另一块磁体在此磁场中会受到磁场力的作用。通电导线在周围空间产生的磁场也会对其中的磁体产生磁场力的作用；反之，通电导线在磁场中也会受到磁场力的作用。 与定义电场强度类似，假定我们将长度 Δl 足够短的电流元 IΔl 放在磁场中任意点 P，如果电流元受到的最大磁场力为 F，则我们可以用 F 与 IΔl 之比来定义 P 点描述磁场大小和方向的物理量——磁感应强度（magnetic induction） B = 磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，符号为 T。磁感应强度是矢量，在某一点磁感应强度的方向就是放在该点可以在任意方向自由转动的小磁针 N 极的指向，也是磁感线在该点的切线方向。磁场中某处磁感应强度的大小和方向是磁场本身的性质，与其中是否存在电流元及电流的大小无关。 实际情形中，磁场的强弱可以有很大的区别。表 11–1 列出了一些磁场的磁感应强度大小的近似值。 自 主 活 动 将螺线管串接 10 Ω 电阻和开关后接入 3 节 1.5 V 干电池组成的电源，如图 11–12（a）所示。 将磁传感器（收集所在位置磁场的磁感应强度数据）与计算机相连接。 螺线管放置在水平桌面上，调节磁传感器的高度，使探测管正好处在螺线管的轴线上，如图 11–12（b）所示。 合上开关，记录磁传感器探测管的前端插入螺线管内部的距离 d 与相应磁感应强度 B 的测量值，绘制 B–d 曲线。 表 11–1 一些磁场的磁感应强度大小的近似值 地点 磁感应强度 中子星表面 108 T 钕磁体附近 100 T 小条形磁体附近 10−2 T 地球表面 10−5 T 星际空间 10−10 T 磁屏蔽室内 10−14 T 从实验结果不难发现，在通电螺线管中心轴线上靠近中央处的磁感应强度几乎不随位置变化。 磁场强弱和方向处处相同的磁场称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一系列疏密间隔相同的、同方向的平行直线。通电密绕直螺线管内部的磁场，靠得很近的两个平行异名磁(b) 图 11–12 用磁传感器研究通电螺线管内部的磁感应强度 (a) 10 Ω 磁传感器 探测管 极之间中央部分的磁场，或者较大的蹄形磁体两磁极间的磁场，都可以近似看作匀强磁场，如图 11–13 和图 11–14 所示分别为铁屑显示的部分区域近似存在匀强磁场的磁场分布和磁感线。 图 11–14 蹄形磁体两磁极间的磁场 N S 图 11–13 两个平行异名磁极间的磁场 N S 磁体是科学研究的工具。借助强磁场有助于我们“看到”物质本性和科学规律。强磁场是半导体、超导、特殊功能材料和器件研究不可缺少的条件，同时强磁场下的核磁共振，又是生命科学、医学研究的必要工具。2017 年 9 月，中国科学院强磁场科学中心成功建成“稳态强磁场实验装置”。在此建设过程中，取得了一系列成就，成功研制了由内部水冷磁体和外部超导磁体组合而成的混合磁体，最大磁感应强度达 43 T。另外，该中心建成了国际首创水冷磁体扫描隧道显微镜系统、扫描隧道 – 磁力 – 原子力组合显微镜系统，以及强磁场下低温、超高压实验系统，使得我国稳态强磁场相关实验条件达到国际领先水平。 图 11–15 电磁铁控 制的智能通道闸 STSE 电磁铁是通电产生磁性的一种装置，其结构为在铁芯的外部缠绕通电线圈。工业上使用起重电磁铁吊运钢材、铁砂等导磁材料，或者用电磁铁作电磁机械手夹持钢铁等导磁材料。在实际生活中电磁铁是电磁继电器、电磁阀门、电子门锁、智能通道闸和电磁流量计等的核心部件之一。如图 11–15 所示的半自动式智能通道闸就是通过电磁铁来控制机芯的运转和停止的。 一般而言，电磁铁所产生的磁场与电流大小、线圈匝数及铁芯都有关。另外，为了使电磁铁断电后立即消磁，往往采用消磁较快的软铁或硅钢材料来制作电磁铁。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后立即失去磁性；磁性的强弱能用电流的大小来控制；磁极可以由电流的方向来控制。 一、单选题 1．关于电场强度和磁感应强度概念的比较，下列说法正确的是（　　） A．电荷在某处不受电场力作用，则该处电场强度不一定为零 B．一小段通电导线在某处不受磁场力作用，则该处磁感强度不一定为零 C．某点的电场强度的方向，与该点检验正电荷受到的电场力方向不一致 D．某点磁感应强度的方向，与该点一小段通电导线受到的磁场力方向一致 2．如图所示，ACD为一边长为L的等边三角形，两根完全相同的无限长直导线分别垂直纸面固定于A、D两个顶点，两根长直导线中的电流大小相等且方向均垂直纸面向里，此时C处的磁感应强度大小为。已知通电长直导线在其周围某点处产生的磁感应强度大小为（k为常量，r为该点到通电直导线的距离），若仅将D处长直导线中的电流方向改为垂直纸面向外，则C处磁感应强度大小为（　　） A． B． C． D． 3．某同学设计了一个测量微弱磁场的实验装置。先在水平实验台上放置一枚小磁针，发现小磁针N极指北，然后他把一直导线沿南北方向置于小磁针正上方，并通入恒定电流，发现小磁针的N极稳定后指向为北偏西45°，设通电直导线的磁场在小磁针位置的磁感强度大小为B，已知当地地磁场的磁感应强度的水平分量大小为。下列说法正确的是（　　） A．直导线中通入的电流方向由南向北 B．的方向由北向南 C．，方向水平向东 D．，方向水平向东 4．如图所示，直导线AB、螺线管E、U形磁体D三者相距较远，磁场相互不影响，开关闭合后，小磁针N极（黑色一端）指示磁场方向正确的是（　　） A．a B．b C．c D．d 5．如图所示，小磁针放置在螺线管轴线的左侧，当闭合开关S后，不计其他磁场的影响，小磁针静止时N极的指向是（　　） A．向右 B．向左 C．向上 D．向下 6．铁环上绕有绝缘的通电导线，环竖直放置，电流方向如图所示，则铁环中心O处的磁场方向为（　　） A．向下 B．向上 C．垂直纸面向里 D．垂直纸面向外 7．两组同学分别测量通电螺线管内磁感强度分布实验，两组实验得到如图所示同一坐标下的B-d的图线，已知两组同学实验操作准确合理，仪器正常工作，则图线不同的可能原因是（　　） A．传感器在螺线管轴线上移动，两组螺线管加的电压不同 B．传感器在螺线管轴线上移动，两组移动传感器速度不同 C．传感器在螺线管轴线上移动，一次在螺线管内部移动，另一次在螺线管外部移动 D．传感器在螺线管轴线上移动，两组传感器移动的方向相反 二、多选题 8．小刘同学用铁钉与漆包线绕成电磁铁，当接通电路后，放在其上方的小磁针N极立即转向左侧，如图所示。则此时（　　） A．漆包线A端接电池负极 B．铁钉内磁场方向向右 C．铁钉左端为电磁铁的N极 D．漆包线内电流由B流向A 三、综合题 类比是学习中常用的方法之一，可将陌生的知识与熟识的事物相联系，降低学习难度。 9．库仑定律与万有引力定律类似，均为距离平方反比定律。在正点电荷Q的电场中，一个电量为的粒子（重力不计），在与Q间距处由静止释放，此时的电势能为 ；当其运动至与Q间距时，其动能增量为 。已知引力势能，静电力常量记为k。 在研究全电路时，我们可以将电源内部抬升电势的部分类比为向高处抽水的水泵；电阻类比为自高处流向低处的水流遇到的阻碍。则由此类比可知： 10．在电源内部抬升电势的部分，非静电力做（　　） A．正功 B．负功 11．在闭合回路中，电流流过电源的抬升电势部分（即对应电动势）和内阻部分时，分别发生怎样的能量转化（　　） A．电动势：电能→其他能；内阻：其他能→电能 B．均为电能→其他能 C．电动势：其他能→电能；内阻：电能→其他能 D．均为其他能→电能 电荷产生电场，电场对电荷有力的作用。电流产生磁场，磁场对电流有力的作用。则结合所学知识，可推测如图所示的通电螺线管（叉与点均表示电流方向）内部的磁场 12．方向为：（　　） A．向左 B．向右 C．向上 D．向下 13．大小为（　　） A．近似为匀强磁场 B．靠近电流处更强 C．中轴线处更强 用如图所示的电路研究通电螺线管的磁场（虚线框内是螺线管）。用磁传感器测量螺线管内外的磁感应强度分布。 14．虚线框内螺线管（空心线圈）符号是（　　） A． B． C． D． 15．合上开关，固定滑片位置，记录磁传感器探测管前端插入螺线管内部的距离d与相应的磁感应强度B，正确操作后得到的实验图像应是（　　） A． B． C． D． 16．用国际基本单位表示磁感应强度单位： 。 17．若通电后，在螺线管正上方小磁针N极向右，如图所示，则此时螺线管左侧为 （选填A．N极    B．S极）。 18．（计算）移动滑片，多次测量通过螺线管的电流强度I、通电螺线管内部正中间磁感应强度B和电池两端电压U，以此绘出和图线。求电源电动势。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $