高中物理 第2章 磁及其應用 第3節(jié) 電生磁的探索及價值 第4節(jié) 磁的應用及其意義教師用書 魯科版選修1-1

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第3節(jié)　電生磁的探索及價值 第4節(jié)　磁的應用及其意義 課　標　解　讀 重　點　難　點 1.了解奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應的歷程． 2.知道安培定則，能用安培定則判定電流周圍磁場的磁感線方向． 3.了解分子電流假說，能解釋生活中磁化和去磁的有關現(xiàn)象． 4.了解指南針的發(fā)展歷程和對航海事業(yè)的推動作用． 5.了解磁記錄技術的應用及其意義． 6.知道磁懸浮列車的基本原理，了解它作為理想交通工具所具有的優(yōu)勢. 1.電流的磁效應，安培定則的應用磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，磁的應用．(重點) 2.磁現(xiàn)象電本質(zhì)的理解．(難點) 奧斯特的偉大發(fā)現(xiàn)及其科學價值 1.基本知識 (1)哲學思想的魅力：丹麥物理學家奧斯特深受康德哲學思想的影響，堅信自然力統(tǒng)一，電與磁一定存在著某種聯(lián)系，電一定能夠轉(zhuǎn)化為磁． (2)電生磁的探究：1820年首次實驗成功：通過實驗的方式得出了通電導線的周圍存在著磁場，從而揭示了電與磁的內(nèi)在聯(lián)系． 2．思考判斷 (1)法國物理學家安培深受啟發(fā)，研究提出了安培定律，奠定了電動力學的基礎．(√) (2)奧斯特的發(fā)現(xiàn)“打開了黑暗領域的大門”．(√) 電流的磁效應 1.基本知識 電流的周圍存在著磁場，電流磁場的方向可用安培定則來判定． (1)直線電流的磁場 安培定則：用右手握住通電直導線，使伸直拇指的方向與電流的方向一致，則四指彎曲的方向就是電流周圍磁感線的環(huán)繞方向，如圖231所示． 圖231 (2)環(huán)形電流的磁場 安培定則：讓右手彎曲的四指和環(huán)形電流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是環(huán)形載流導線中心軸線上磁感線的方向，如圖232所示． 圖232 (3)通電螺線管的磁場 安培定則：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指的方向跟電流的方向一致，則拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部的磁感線的方向．也就是說，拇指指向通電螺線管的北極．如圖233所示． 圖233 2．思考判斷 (1)通電螺線管內(nèi)部的磁感線的方向從N極指向S極．() (2)磁感線總是由N極出發(fā)指向S極．() 3．探究交流 通電直導線與通電螺線管應用右手螺旋定則來判定磁感線的方向，那么在這兩種情況下，大拇指與四指所代表的指向意義相同嗎？ 【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，四指的指向代表磁感線的方向．在判定通電螺線管磁感線時，四指指向電流的環(huán)繞方向，大拇指指向代表螺線管內(nèi)部磁感線的方向. 探索磁效應產(chǎn)生的秘密 1.基本知識 (1)安培分子電流假說：安培認為，在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部存在著一種環(huán)形電流——分子電流，分子電流使每個物質(zhì)微粒都成為微小的磁體，分子的兩側相當于兩個磁極．如圖234所示． 圖234 (2)磁現(xiàn)象的解釋：沒有磁性的物體，分子電流的取向雜亂無章，分子電流的磁性彼此抵消，總體對外不顯磁性．本來沒有磁性的鐵釘在外磁場的作用下，內(nèi)部分子電流取向大致相同，內(nèi)部的磁性相互抵消，兩端顯示出較強的磁性來．形成磁極，使沒有磁性的物體具有磁性的過程叫做磁化．使磁體失去磁性的過程叫做消磁或去磁． 2．思考判斷 (1)安培環(huán)流假說揭示了磁現(xiàn)象的電本質(zhì)．(√) (2)振動、高溫都能使得分子電流取向變得雜亂無章，使有磁性的物體消磁．(√) 磁的應用及其意義 1.基本知識 (1)指南針：司南是世界上最早的指南工具．在司南的基礎上人們進行創(chuàng)新，又先后制成了一些新的指南工具，如指南魚、指南針等． (2)利用磁可以記憶聲音、圖像和數(shù)據(jù)等信息，隨著技術的發(fā)展，人們所熟知的磁記錄從磁帶到磁鼓、磁盤、記憶棒、磁卡等． (3)磁懸浮列車主要有兩種形式：常規(guī)磁鐵吸引式懸浮和超導排斥式懸?。? 2．思考判斷 (1)指南針自南宋開始用于航海．() (2)被廣泛應用的磁卡是一種磁記錄介質(zhì)片．(√) 安培定則與電流的磁場 【問題導思】　 1．應用什么法則判定不同電流的磁場方向？ 【提示】　安培定則． 2．通電螺線管內(nèi)部的磁感線分布有什么特點？ 【提示】　是勻強磁場． 三種電流磁場的判斷比較見下表 直線電流磁場 環(huán)形電流磁場 通電螺線管的磁場 特點 無磁極，非勻強，距導線越遠處磁場越弱 環(huán)形電流兩側分別是N極和S極，且離圓環(huán)中心越遠，磁場越弱 與條形磁鐵的磁場相似，兩端分別是N極和S極，管內(nèi)是勻強磁場，磁場最強，管外為非勻強磁場 安培定則圖示 立體圖 橫截面圖 縱截面圖 　 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． 　兩根非?？拷一ハ啻怪钡拈L直導線如圖所示，當通以如圖所示方向的電流時，導線平面內(nèi)兩電流所產(chǎn)生的磁場，在哪些區(qū)域內(nèi)是一致的？ 圖235 【審題指導】　利用安培定則來判斷． 【解析】　通電長直導線周圍的磁感線是一系列不等距同心圓，其方向由安培定則確定：如圖所示：I1產(chǎn)生的磁場方向在其上方指向紙外，下方指向紙內(nèi)；I2產(chǎn)生的磁場方向在其左方指向紙內(nèi)，右方指向紙外，這樣可以確定A、C區(qū)域兩電流產(chǎn)生的磁場方向是一致的． 【答案】　A、C區(qū)域中的兩電流產(chǎn)生的磁場方向一致 通電直導線周圍磁場可以通過安培定則進行描述，在某些空間內(nèi)如果同時存在著多個磁場，則在該區(qū)域內(nèi)的磁場應該是多個磁場的矢量和，即磁場可以進行疊加． 1．通電直導線周圍的磁場，其磁場線分布和方向用圖中哪個圖表示最合適 (　　) 【解析】　由安培定則可知通電直導線形成的磁場的磁感線是圍繞直導線的逆時針方向的同心圓，且向外逐漸變稀，所以選項A正確． 【答案】　A 磁現(xiàn)象的電本質(zhì) 【問題導思】　 1．磁現(xiàn)象的電本質(zhì)是什么？ 【提示】　一切磁場都是運動電荷產(chǎn)生的． 2．磁化和退磁現(xiàn)象的原因是什么？ 【提示】　分子電流的排列規(guī)律發(fā)生變化． 1．安培分子電流假說：在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流——分子電流．分子電流使每個物質(zhì)粒子都成為微小的磁體，它的兩側是極性不同的兩個磁極． 2．利用安培分子電流假說解釋磁現(xiàn)象 (1)磁化：一般情況下物質(zhì)內(nèi)部分子電流的取向是雜亂無章的，它們的作用互相抵消，對外不顯磁性，在有外加磁場的作用時，某些物質(zhì)內(nèi)部各分子電流的取向變得大致相同，各分子電流的磁場互相疊加，對外顯示較強的磁作用，在兩端形成兩極． (2)退磁：永磁體之所以具有磁性，是因為它內(nèi)部的分子電流本來就排列整齊，當永磁體受到高溫或猛烈的敲擊時會失去磁性，這是因為激烈的熱作用(或振動)使分子電流的排列又雜亂無章了．對外不顯磁性． 　關于磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，下列說法正確的是(　　) A．磁與電緊密聯(lián)系，有磁必有電，有電必有磁 B．不管是磁體的磁場還是電流的磁場都起源于電荷的運動 C．永久磁鐵的磁性不是由運動電荷產(chǎn)生的 D．根據(jù)安培分子電流假說可知，磁體內(nèi)分子電流總是存在的，因此任何磁體都不會失去磁性 【審題指導】　本題考查對磁現(xiàn)象電本質(zhì)的理解． 【解析】　安培分子電流假說從微觀的角度揭示了磁鐵磁性的本質(zhì)，它使人們認識到，磁鐵的磁場和電流的磁場一樣，都是由電荷運動產(chǎn)生的．故B正確． 【答案】　B 2．一根軟鐵棒放在磁鐵附近會被磁化，這是因為在外磁場的作用下(　　) A．軟鐵棒中產(chǎn)生了分子電流 B．軟鐵棒中分子電流消失了 C．軟鐵棒中分子電流的取向變得雜亂無章 D．軟鐵棒中分子電流的取向變得大致相同 【解析】　軟鐵棒中的分子電流一直存在，并不因為外界的影響而產(chǎn)生或消失，只是未被磁化時，內(nèi)部分子電流雜亂無章，對外不顯磁性，被磁化時各分子電流的取向變得大致相同，兩端顯示較強的磁性，故D正確． 【答案】　D 【備課資源】(教師用書獨具) 電磁繼電器 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路)，通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流、較低的電壓去控制較大的電流、較高的電壓的一種“自動開關”．故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用． 電磁繼電器一般由電磁鐵、銜鐵、彈簧片、觸點等組成，其工作電路由低壓控制電路和高壓工作電路兩部分構成，只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，銜鐵就會在電磁鐵吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯．從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合，當線圈斷電后，電磁鐵的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)吸合．這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的．對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電 時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”. 1．下列說法中正確的是(　　) A．一切磁現(xiàn)象都源于電流或運動電荷 B．靜止的電荷也能產(chǎn)生磁場 C．永磁體的磁場是固有的，與運動電荷或電流無關 D．在外磁場作用下物體內(nèi)分子電流取向大致相同時物體就被磁化 【解析】　磁體的磁場起源于內(nèi)部的分子電流，電流周圍的磁場起源于運動電荷的定向移動．磁體的磁場和電流的磁場一樣，都源于電荷的運動．故A、D選項正確． 【答案】　AD 2．下列說法正確的是(　　) A．指南針S極可指正南方向 B．指南針N極可指正南方向 C．指南針最早是我國發(fā)明的 D．指南針是哥倫布發(fā)明的 【解析】　指南針的S極可以指南，但并不能指正南，與正南方向有一定的磁偏角，所以選項A、B錯．指南針最早是由我國古代人民發(fā)明的，它的出現(xiàn)為哥倫布“發(fā)現(xiàn)新大陸”創(chuàng)造了必要條件，所以選項C對，選項D錯． 【答案】　C 3．下列應用中應該使用硬磁材料的是(　　) A．變壓器的鐵芯　　　 B．磁帶錄音機的磁帶 C．電腦軟盤 D．揚聲器用的磁鐵 【解析】　硬磁材料是指不容易去掉磁性的物質(zhì)．而變壓器鐵芯、磁帶、軟盤需要反復磁化，要用軟磁性材料，故只有D正確． 【答案】　D 4．如圖236所示，甲圖是直線電流的磁場，乙圖是環(huán)形電流的磁場，丙圖是通電螺線管，試在各圖中補畫出電流方向或磁感線方向． 甲　　　　　　　乙　　　　　　　丙 圖236 【解析】　根據(jù)安培定則，可以確定甲中電流方向垂直紙面向里；乙中電流方向是逆時針；丙中磁感線方向螺線管內(nèi)部向左，螺線管外部由左向右． 【答案】　見解析 學業(yè)達標測評(七) (建議用時：45分鐘) 1．如圖237所示，關于奧斯特實驗的意義，下列說法中正確的是(　　) 圖237 A．發(fā)現(xiàn)電流的熱效應，從而揭示電流做功的本質(zhì) B．指出磁場對電流的作用力，為后人進而發(fā)明電動機奠定基礎 C．發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象，為后人進而發(fā)明發(fā)電機奠定基礎 D．發(fā)現(xiàn)通電導體周圍存在磁場，從而把磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象聯(lián)系起來 【解析】　奧斯特實驗，發(fā)現(xiàn)通電導體周圍存在磁場，從而把磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象聯(lián)系起來． 【答案】　D 2．以下情況中能比較正確地反映奧斯特實驗結果的是(　　) 【導學號：31870018】 A．電流由南向北時，其下方的小磁針N極偏向東邊 B．電流由東向西時，其下方的小磁針N極偏向南邊 C．電流由南向北時，其下方的小磁針N極偏向西邊 D．電流由東向西時，其下方的小磁針N極偏向北邊 【解析】　電流沿南北方向時，其下方小磁針才沿東西方向，沒有電流或電流沿東西方向時其下方小磁針都沿南北方向，由安培定則可判定B、C項正確． 【答案】　BC 3.如圖238所示為磁場、磁場作用力演示儀中的亥姆霍茲線圈，在線圈中心處掛上一個小磁針，且與線圈在同一平面內(nèi)，則當亥姆霍茲線圈中通以如圖所示方向的電流時，則(　　) 圖238 A．小磁針N極向里轉(zhuǎn) B．小磁針N極向外轉(zhuǎn) C．小磁針在紙面內(nèi)向左擺動 D．小磁針在紙面內(nèi)向右擺動 【解析】　由安培定則可知，螺線管內(nèi)部的磁感線向里，小磁針N極的受力方向即為該處的磁場方向． 【答案】　A 4．我國古代所用的導航工具羅盤的工作原理是(　　) A．同名磁極相斥，異名磁極相吸 B．磁場的方向為小磁針靜止時北極的受力方向 C．磁體的磁場磁極處最強 D．磁感線是閉合的曲線 【解析】　地球是個大磁場，并且地理北極與地磁南極基本重合，羅盤相當于小磁針，當羅盤靜止時，在地磁場的作用下其N極指北．所以選項B正確． 【答案】　B 5．下列說法正確的是(　　) A．電鈴中的電磁鐵可以用永磁體代替 B．磁化的過程是一種物質(zhì)分子變成另外一種物質(zhì)分子的過程 C．磁化和消磁是物體內(nèi)部分子電流的取向發(fā)生變化 D．磁體及電流的磁性都源于電荷的運動 【解析】　根據(jù)電鈴需要用電路的通斷控制小錘的運動可知電鈴只能用電磁鐵，故選項A錯，根據(jù)安培分子電流假說可分析判斷選項B錯誤，選項C正確，選項D正確． 【答案】　CD 6．如圖239所示是云層之間閃電的模擬圖，圖中A、B是位于南、北方向帶有電荷的兩塊雷雨云，在放電的過程中，兩云的尖端之間形成了一個放電通道，發(fā)現(xiàn)位于通道正上方的小磁針N極轉(zhuǎn)向紙里，S極轉(zhuǎn)向紙外，則關于A、B的帶電情況說法中，正確的是(　　) 圖239 A．帶同種電荷 　　　　 B．帶異種電荷 C．B帶正電 D．A帶正電 【解析】　云層間的閃電必須發(fā)生在異種電荷之間，且放電過程中在放電通道上形成等效電流．由于閃電必須發(fā)生在異種電荷之間，故選項A錯誤，選項B正確．由題意知，放電過程相當于有電流從小磁針的下方通過，由小磁針N極轉(zhuǎn)向紙里可知，小磁針所在處的磁場方向指向紙里，由于該位置在等效電流上方，故由安培定則可知電流方向由A→B，則A帶正電，B帶負電，即選項D正確． 【答案】　BD 7．下列說法中正確的是(　　) A．錄音帶就是利用磁性材料來記錄聲音信息的 B．現(xiàn)在使用的銀行卡可以與強磁體放在一起 C．磁懸浮列車只能借助磁體間的斥力實現(xiàn)懸浮 D．指南針是中國古代四大發(fā)明之一 【解析】　錄音帶是利用磁性材料來記錄聲音信號的，選項A對．我們使用的各種磁卡不能與強磁體放在一起，否則會使磁卡上磁性材料記錄的信息產(chǎn)生錯誤或丟失，故選項B錯．磁懸浮列車既可以通過吸引力來懸浮，也可以利用排斥力來懸浮，故選項C錯．指南針是中國古代四大發(fā)明之一，選項D對． 【答案】　AD 8．下列物品中必須用到磁性材料的是(　　) A．DVD碟片 B．計算機上的磁盤 C．IC電話卡 D．喝水用的搪瓷杯子 【解析】　DVD光盤是塑料做成的，IC電話卡內(nèi)部是集成電路，喝水用的杯子可以用非磁性材料，故只有B正確． 【答案】　B 9．通電螺線管內(nèi)有一在磁場力作用下處于靜止的小磁針，磁針指向如圖2310所示，則(　　) 圖2310 A．螺線管的P端為N極，a接電源的正極 B．螺線管的P端為N極，a接電源的負極 C．螺線管的P端為S極，a接電源的正極 D．螺線管的P端為S極，a接電源的負極 【解析】　由小磁針靜止時N極指向可判定螺線管內(nèi)部磁場方向由Q指向P，由安培定則可判定P端為N極，電流由b流入螺線管，即b接電源正極，a接負極，故B項正確． 【答案】　B 10．若地磁場是由地球表面帶電產(chǎn)生的，則地球表面帶電情況為(　　) A．正電 B．負電 C．南半球為正電，北半球為負電 D．無法確定 【解析】　由于地磁場的N極在地理南極附近，由安培定則可知，環(huán)形電流的方向為由東向西．但由于地球的自轉(zhuǎn)方向為自西向東，所以地球表面必須帶負電． 【答案】　B 11．在圖2311所示的裝置中，有兩個薄鐵片(舌簧片)ab和cd，它們的外端固定在一塊木板上，里端相互交疊但相隔一段很小的距離，舌簧片連接在一個有燈泡的電路中．如果拿一根條形磁鐵平行地靠近舌簧片，小燈泡就亮起來．如果讓磁鐵在上面的水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，小燈泡就一閃一閃地發(fā)光．為什么？ 圖2311 【解析】　當條形磁鐵平行地靠近舌簧片，兩個舌簧片都被磁化，而且b、c兩端是異名磁極，相互吸引而接觸，使電路接通，小燈泡就亮起來．如果讓磁鐵在上面的水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，當磁鐵轉(zhuǎn)到與舌簧片平行時，兩舌簧片由于被磁化而相互吸引，電路接通，小燈泡發(fā)光；當磁鐵轉(zhuǎn)到與舌簧片垂直時，兩舌簧片退磁而相互分開，電路斷開，小燈泡熄滅．若磁鐵不停地轉(zhuǎn)動，則兩舌簧片時而被磁化，時而退磁，b、c兩端時而相互吸引接觸，時而分開，電路時通時斷，小燈泡就一閃一閃地發(fā)光． 【答案】　見解析 12．利用電流的磁效應，可以用小磁針和一些導線做成一種簡便的靈敏電表(如圖2312所示)，用它可以檢查電路或電器是否有斷路的地方．使用的時候，先轉(zhuǎn)動底板，使磁針靜止的方向跟它上方的導線方向平行，然后用兩支表筆去接觸要檢查的電路的兩端，從磁針是否偏轉(zhuǎn)就能知道電路中是否有斷路的地方．試說明這種電表的原理． 圖2312 【解析】　我們知道直線電流產(chǎn)生的磁場的磁感線是一系列以導線上各點為圓心的同心圓，放在導線上面的磁針將受到磁場力的作用，方向與導線垂直．因此，為了檢測導線中是否有電流，使用前需要把磁針調(diào)整到與導線平行的位置，如果兩表筆接觸電路時，磁針偏轉(zhuǎn)，說明導線中有電流通過，電路導通；如果兩表筆接觸電路，磁針不偏轉(zhuǎn)，則電路中存在斷路． 【答案】　見解析