磁场与回旋加速器51磁与人类文明52怎样描述磁场课标

第5章磁场与回旋加速器
5.1 磁与人类文明
5.2怎样描述磁场
一、课标要求
1、知道磁体有吸铁性和指向性；知道磁体间的相互作用规律；了解磁化现象。

2、理解和掌握磁通量的定义、大小和单位；理解和掌握磁感应强度的方向和大小、单位。

能用磁感应强度的定义式进行有关计算。

3、培养学生探究物理现象的兴趣，提高综合学习能力。

4、了解我国古代的科技成就对航海事业的发展做出的贡献；使学生养成良好的科学态度和求是精神。

二、课前复习
1、磁体上一般有两个磁极，南极和北极。

同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。

磁体之间的相互作用是通过磁场发生的。

2、物理学中规定磁场的方向：在磁场中的任一点，小磁针静止时北极所指的方向就是那一点磁场的方向。

三、自主探究
1、改变人类活动的发明
思考与讨论：我国古代对磁现象的研究有哪些主要成就；现代轮船上是否还利用罗盘导航？
提示：（1）我国古代对磁现象的研究成就：
①磁石性质的最早认识:春秋战国时期，我们的祖先已经认识到磁石能吸引铁的性质。

并很快应用于兵器制造中。

②人工磁化材料技术：北宋时期既掌握了利用地磁场磁化铁片的方法。

③指南针技术与应用：指南针是我国古代的“四大发明”之一，最早将指南针用于航海。

④磁偏角与磁倾角的发现:静止在地面上的指南针的方向（即地磁场磁感线方向）与地理子午线并不完全重合，其间存在一个很小的偏角叫磁偏角，最早发现这个偏角的科学家是我国宋代的沈括。

这一重大发现在航海中有重要的指导意义，比哥伦布1462年的同类发现要早400多年。

⑤磁与电现象最早的“相提并论”：东汉的王充在《论衡·乱龙篇》中的同一处记载：“顿牟缀芥、慈石引鍼”。

可见，我国古代很早就把磁与电放在一起，相提并论了，这种“并论”的观点比奥斯特发现电与磁的联系要早近两千年。

地磁场的南磁极（S极）在地球的北端，北磁极（N极）在地球的南端。

地磁的两极跟地理的两极并不重合，地磁轴和地球自转轴存在夹角，称为磁偏角。

思考与讨论：“磁极倒转”的原因；地磁场与天文、地质、气象、采矿、航天和信息技术等方面的密切关系。

提示：（1）关于地磁场会发生“磁极倒转”的原因说法不一。

有人认为有可能是巨大陨石与地球发生猛烈碰撞的结果；也有人认为，银河系本上是一个磁场，使地磁场的极性类似于罗盘中的指南针，随着银河磁场的方向而发生变化……
（2）地磁场与天文、地质、气象、采矿、航天和信息技术等方面有着密切的关系。

①行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。

②地磁场的变化能影响无线电波的传播。

当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。

③地磁场能阻挡宇宙射线和来自太阳的高能带电粒子，减少了来自太空的宇宙射线的侵袭，地球上生物才得以生存滋长。

如果没有了这个保护盾，外来的宇宙射线，会将最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死，根本无法在地球上滋生。

④地球上某些地区的岩石和矿物具有磁性，地磁场在这些埋藏矿物的区域会发生剧变，利用这种地磁异常可探测矿藏，寻找铁、镍、铬、金以及石油等地下资源。

⑤地磁变化、臭氧变化和气温变化起源于同一变化机制。

地磁层阻挡太阳高能粒子进入大气层是强地磁场对应冷气候的原因。

近百年来全球变暖可能与地磁场减弱有关。

3、形形色色的磁性材料
（1）人们通过人工方法使磁性材料获得磁性的过程叫做磁化。

磁性材料被磁化后，在一定条件下会失去磁性，这个过程叫做退磁。

（2）磁性材料按磁化后退磁的难易程度分为：磁化后容易退磁的物质叫做软磁性材料，不容易退磁的物质叫做硬磁性材料：
软磁性材料适用于需要反复磁化的场合，可以用来制造天线磁棒、磁头、计算机的记忆元件，以及变压器、交流电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等等。

常见的金属软磁性材料有软铁、硅钢、镍铁合金等，常见的软磁铁氧体有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等。

硬磁性材料适合被制成永磁体，应用在扬声器、话筒等电器设备中。

常见的金属硬磁性
材料有碳钢、钨钢、铝镍钴合金等，常见的硬磁铁氧体有钡铁氧体和锶铁氧体等。

天然磁石也是硬磁性材料。

思考与讨论：生活中有哪些家电设备用到磁性材料？请举例说明它的作用。

提示：磁性材料的应用很广泛，可用于电声、电信、电表、电机中，还可作记忆元件、微波元件等。

可用于记录语言、音乐、图像信息的磁带、计算机的磁性存储设备、乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡等。

下面以录音机录音和放音为例说明磁性材料的作用：磁带录音机主要由机内话筒、磁带、录放磁头、放大电路、扬声器、传动机构等部分组成。

录音时，声音使话筒中产生随声音而变化的感应电流——音频电流，在磁头的缝隙处产生随音频电流变化的磁场，磁带紧贴着磁头缝隙移动，磁带上的磁粉层被磁化，故磁带上就记录下了声音的磁信号。

放音时是录音的逆过程，放音时，磁带紧贴着放音磁头的缝隙通过，磁带上变化的磁场使磁头线圈中产生感应电流，感应电流的变化线磁信号相同，这个电流经放大后，送到扬声器，扬声器就把音频电流还原成声音。

4、磁场的形象描述：
实验观察磁感线的分布：
①条形磁铁磁感线的分布：条形磁铁外部磁感线从N
极到S极，两极附近磁感线稠密，中间部分磁感线稀疏。

②异名磁极间磁感线的分布：在异名磁极中间区域里
磁感线从N极指向S极，并均匀分布。

③匀强磁场磁感线的分布：磁感线的间距相等、相互平行且指向相同。

思考与讨论：磁感线的分布与磁场强弱的关系；磁感线的特点；磁感线与电场线的比较？
提示：
（1）磁感线的分布与磁场强弱的关系：磁感线越密的地方，表示磁场越强；磁感线稀疏的地方，表示磁场弱。

（2）磁感线的特点：
①磁感线是为了形象的描述磁场而假想的磁感线，并不是客观存在的；
②磁感线的疏密表示磁场的强弱；
③磁感线某点的切线方向表示该点的磁场方向，即小磁针N极的受力方向；
④任意两条磁感线不相交；
⑤磁体的外部磁感线有N极指向S极，在内部由S极指向N极，它是闭合有方向曲线；
⑥平行等间距的磁感线表示匀强磁场的磁感线。

（3）磁感线与电场线的比较：
①共同点：磁感线和电场线都是假想的线，客观不存在；疏密都能表示大小，切线方向表示场的方向；不能相交。

②区别：电场线是从正电荷或无穷远出发，终止于无穷远或负电荷，是不闭合的曲线；
而磁感线在磁体的外部磁感线有N 极指向S 极，在内部由S 极指向N 极，它是闭合有方向曲线。

5、磁场的定量描述
（1）磁通量的概念：
①定义：设在匀强磁场中，有一个与磁感线垂直的面积为S 的平面，若穿过该平面的磁感线有φ条，我们就称穿过这个平面的磁通量为φ。

②单位：韦伯，符号：Wb 。

③物理意义：表示穿过某一面积的磁感线净条数．
④标量，但正负号不代表大小，表示从该面穿入或穿出。

（2）磁感应强度的概念： ①定义：垂直穿过某单位面积上的磁通量叫做磁感应强度。

②表达式：B=S φ ③单位：特斯拉，符号：T 。

1T=1 Wb/s ④物理意义：表示该处磁场的强弱。

⑤矢量（标量或矢量），磁感应强度的方向为该点的磁场方向。

思考与讨论：当平面与磁场方向不垂直时，磁通量怎样表示？磁通量与匝数是否有关？ 提示：
（1）磁通量BS =φ，S 为垂直于磁场方向的有效面积。

当B S ⊥时，φ=BS ；当B S //时，φ=0 ；当S 与B 夹角为θ，φ=θsin BS
（2）磁通量与线圈的匝数无关。

四、典型例题
知识点1、对磁性的理解
例1、如图所示：A 为电磁铁，C 为胶木秤盘，A 和C(包括支架)的总质量为M ，B 为铁片，质量为m ，整个装置用轻绳悬挂于O 点．当电磁铁通电，铁片被吸引
上升的过程中，轻绳上拉力F 的大小为( )
A ．F=Mg
B ．Mg<F<(M+m)g
C ．F=(M+m)g
D ．F>(M+m)g 答案：D
解析：当电磁铁通电，铁板被吸引上升的过程中，铁片具有向上的加速度，导致整个装置的重心具有向上的加速度，处于超重状态，从而F>(M+m)g ．
点拨提升：本题将磁性的理解与牛顿第二定律中超重失重现象相结合，解题的关键是电
磁铁通电，铁片受到的吸引力大于重力，加速上升，处于超重状态。

灵活运用超重、失重知识、对一些动力学问题的答更为简捷、准确．
知识点2、对磁场、磁感线的理解
例2、关于磁场和磁感线的描述，正确的是（）
A、磁场时科学家空想出来的，实际并不存在
B、只要有电荷，其周围一定存在磁场
C、由于实验中可以呈现“磁感线“，因此磁场中一定有磁感线
D、磁感线可以形象地描述磁场，有了磁感线就可以了解磁场的方向和强弱
答案：D
解析：磁场是一种物质，它是客观存在的，A错；通电导线周围存在磁场，即运动的电荷周围存在磁场，静止的电荷周围没有磁场，故B错；磁感线是人们为了描述磁场分布、强弱等引入的假想的曲线，磁感线不是客观存在的，C错D正确。

点拨提升：对磁场、磁感线概念、特点的充分理解是学习磁场的基础。

知识点3、对磁通量的理解
例3、条形磁铁竖直放置，闭合圆环水平放置，条形磁铁中心线穿过圆环中心，如图所示。

若圆环为弹性环，其形状由Ⅰ扩大为Ⅱ，那么圆环内磁通量变化情况是（）A．磁通量增大
B．磁通量减小
C．磁通量不变
D．条件不足，无法确定
答案：B。

解析：磁通量是标量，但是有正负之分。

从一个面进入为正的话从另一个面进入就是负的。

条形磁铁内部的磁感线由N极指向S极，向下；外部磁感线由S极指向N极，向上，内部磁感线的条数远远多于外部的，故在Ⅰ时，合磁通量应该是向上的。

形状由Ⅰ扩大为Ⅱ，向上的条数不变，但是向下的条数却增多，但是向下的还是比向上的多，所以磁通量是减小的。

点拨提升：磁通量是标量，磁通量应该是穿过线圈的磁感线的净条数。

所以在判断磁通量时一定要注意磁感线的方向。

五、检测归纳（建议用时10分钟）
1、关于地磁场，下列叙述正确的是（）
A、地磁场的北极在地理北极附近
B、地磁场的磁感线总与地面平行，且由南指向北
C、地面上小磁针北极在地磁场中静止时总是指向北方
D、在赤道上空，地磁场的方向由南向北且与地面平行
答案：CD
解析：地磁场的北极在地理南极附近，地磁场的南极在地理北极附近，故A错；地磁场的磁感线只有在赤道上空是与地面平行。

在北半球，地磁场的磁感线方向北偏下；南半球，北偏上。

故B错，CD正确。

2、关于磁性材料的选用，正确的说法是（）
A、指南针应用软性材料制造
B、电磁起重机的线圈内的铁芯应用软磁性材料
C、计算机的硬盘应用硬磁性材料
D、银行卡应该用硬磁性材料
答案：BCD
解析：软磁性材料适用于需要反复磁化的场合，可以用来制造天线磁棒、磁头、计算机的记忆元件，以及变压器、交流电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等等。

硬磁性材料适合被制成永磁体，应用在扬声器、话筒等电器设备中。

故A错BCD正确。

3、关于磁场和磁感线的描述，正确的说法有 ( )
A．磁极之间的相互作用是通过磁场发生的，磁场和电场一样，也是一种物质
B．磁感线可以形象地描述各点磁场的强弱和方向，它每一点的切线方向都和小磁针放在该点静止时北极所指的方向一致
C．磁感线从磁体的N极出发，终止于磁体的S极
D．磁感线就是细铁屑在磁铁周围排列出的曲线，没有细铁屑的地方就没有磁感线
答案：AB
解析：磁场是客观存在的，磁极之间的相互作用是通过磁场实现的，A对；磁场的方向就是小磁针在该点静止时N极所指的方向，也就是磁感线在该点的切线方向，B对；磁感线是闭合曲线，磁体的外部磁感线由N极指向S极，在内部由S极指向N极，C错；细铁屑在磁场中的排列显示磁感线的分布情况，但是没有细铁屑的地方不一定没有磁场，D错。

4、关于磁通量，下列说法中正确的是 ( )
A、磁通量不仅有大小，还有方向，所以是矢量
B、在匀强磁场中，穿过面积大的线圈的磁通量一定比穿过面积小的线圈的磁通量大
C、磁通量大磁感应强度不一定大
D、把某线圈放在磁场中的M、N两点，若фM>фN，则M处的磁感应强度一定大于N处的磁感应强度
答案：C
解析：磁通量是标量，A错；磁通量的大小与磁感应强度、线圈面积、及线圈与磁场方向有关，故BD错，C对。

5、如图所示，在x 轴和y 轴构成的平面直角坐标系中，过原点再做一个z 轴，就构成了空间直角坐标系。

匀强磁场的磁感应强度B=0.2T ，方向沿x 轴的正方向
ab=dc=0.4cm,bc=ef=ad=0.3cm, be=cf=0.3cm 。

通过面积S 1
（abcd ）、S 2（befc ）、S 3（aefd ）的磁通量1φ、2φ、3φ各是
多少？
答案与解析：
（1）W b BS BS abcd 024.011===φ
（2）W b BS 090cos 022==φ
（3）W b BS 024.0bae cos 33=∠=φ
六、学生自我总结：
七、巩固反馈
1、以下用途的物体应该用硬磁性材料的是（ ）
A 、录音机磁头线圈的铁芯
B 、录音、录像磁带上的磁性材料
C 、电脑用的磁盘
D 、电铃上的电磁铁铁芯
答案：BC 解析：磁带、磁盘需要永久保存信息，应选用不易退磁的硬磁性材料，而录音机磁头、电磁铁铁芯的磁性要求应随时随电信号的强弱而改变，应选用可以重复磁化的软磁性材料。

2、下面关于磁场和磁感线的说法中正确的是： ( )
A 、两条磁感线的空隙处一定不存在磁场
B 、描述磁场分布的磁感线一定是闭合的且不论在什么情况下，磁感线都不会相交
C 、铁屑在磁场中分布所形成的曲线就是磁感线
D 、沿着磁感线的方向磁场逐渐减弱
答案：B 解析：并用细铁屑在磁场中的排列显示磁感线的分布情况。

磁感线是人们为了描述磁场分布、强弱等引入的假想的曲线，没有磁感线的地方不一定
没有磁场，我们利用细铁屑在磁场中的排列显示磁感线的分布情况。

故AC 错，磁感线的疏密表示磁场的强弱，故D 错。

3、关于磁感线和电场线，下述说法正确的是
（ ） A ．磁感线是闭和曲线，而静电场的电场线不是闭和曲线。

B ．磁感线和电场线都是一些互相平行的曲线。

C ．磁感线起始于N 极，终止于S 极；电场线起始于正电荷，终止于负电荷。

D ．磁感线和电场线都只能分别表示磁场和电场的方向。

答案：A
解析：磁感线和电场线都是疏密表示场的大小，方向表示场的方向，故BD 错；电场线是从正电荷或无穷远出发，终止于无穷远或负电荷，是不闭合的曲线；而磁感线在磁体的外部磁感线有N 极指向S 极，在内部由S 极指向N 极，它是闭合有方向曲线。

故A 对C 错。

4、下列说法中，正确的是（ ）
A 、磁感应强度是矢量，大小就是单位面积内的磁通量，方向就是磁通量的方向
B 、磁通量的大小等于穿过磁场中单位面积磁感线的条数
C 、磁通量的单位是韦伯，1Wb=1Tm 2
D 、通过线圈的磁场越强，线圈的匝数越多，线圈的磁通量越大
答案：C
解析：磁通量是标量，没有方向，故A 错；磁通量表示穿过某一面积的磁感线净条数．故B 错；磁通量的大小与线圈的匝数无关，与磁感应强度、线圈面积、及线圈与磁场方向有关，故D 错。

5、如图所示，通有恒定电流的导线MN 与闭合金属框共面，第一次将金属框由I 平移到
Ⅱ，第二次将金属框绕cd 边翻转到Ⅱ，设先后两次通过金属框的磁
通量变化分别为△φ1和△φ2，则（ C ）
A.△φ1>△φ
2 B.△φ1=△φ 2
C.△φ1<△φ
2 D.不能判断
答案：C 解析：设金属框在I 的磁通量为1φ（1φ>0），平移到Ⅱ时磁通量为2φ（2φ>0），则第二
次绕cd 边翻转到Ⅱ时磁通量为—2φ，所以21φφφ-=∆12122φφφφφ+=--=，
故△φ1<△φ2
6、将面积是0.5m 2
的导线环放在匀强磁场中，环面与磁场方向垂直，已知穿过这个导线环的磁通量是2.0×10-2Wb ，磁感应强度为
答案与解析：当面与磁场垂直时，B=S φ=0.04T 7、一个面积为S 的长方形线圈abcd 一半处于磁感应强度为B 的
匀强磁场中，这时穿过线圈的磁通量为 Wb ，当线圈以
ab 为轴从图中位置转过600的瞬间，穿过线圈的磁通量为 Wb 。

答案与解析：磁通量BS =φ，S 为在磁场中且垂直于磁场方向的有效面积。

所有面垂直于磁场时，2
abcd S B =φ= BS/2；当线圈以ab 为轴从图中位置转过600的瞬间，线圈abcd 全部进入磁场，==060cos abcd BS φ BS/2
8、一块没有标明磁性的条形磁铁，要确定它的磁性，身边有螺线管、电源、开关、导线、塑料盘和一盆水，你能利用这些器材设计两种判断极性的方法吗？
答案与解析：方法一、如图所示，连接电路，闭合开关，由安培定则可以判断螺线管B
端为N 极，A 端为S 极，让条形磁体一端靠近A 端（或B 端）,若相互
吸引（或排斥）,该端为N 极，反之为S 极。

方法二、将条形磁铁放入塑料盘中，然后放在水中，待盘静止不
动时，指南的一端为S 极，指北的一端为N 极。