高中物理练习：探究电流周围的磁场

5.3 探究电流周围的磁场

[学科素养与目标要求]

物理观念：1.掌握安培定则,知道几种电流周围的磁感线分布特点；2.知道磁现象的电本质,了解安培分子电流假说的内容.

科学思维：1.会用安培定则判断电流周围的磁场方向；2.能用安培分子电流假说解释简单的磁现象.

一、电流的磁场

(1)让一直导线垂直穿过一块水平硬纸板,将小磁针放置在水平硬纸板各处,接通电源.观察小磁针在各处的指向,分析直线电流的磁感线的特点.

(2)用相同的方法研究环形电流磁场的磁感线的分布,也可用细铁屑模拟磁感线的分布,分析其磁感线的特点.

(3)用细铁屑模拟通电螺线管的磁感线分布,分析其磁感线的特点.

答案见要点总结.

[要点总结]

1.电流周围的磁感线方向可根据安培定则判断.

2.直线电流的磁场：用右手握住导线,让大拇指指向电流的方向,弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向.

特点：以导线上各点为圆心的同心圆,圆所在平面与导线垂直,越向外越稀疏.(如图1所示)

图1

3.环形电流的磁场：让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上磁感线的方向.

特点：内部比外部强,磁感线越向外越疏.(如图2所示)

图2

4.通电螺线管的磁场：用右手握住螺旋管,让弯曲的四指指向电流的方向,那么大拇指所指的方向就是螺旋管中心轴线上磁感线的方向.

特点：内部为匀强磁场,且内部磁感应强度比外部强.内部磁感线方向由S极指向N极,外部由N极指向S 极.(如图3所示)

图3

例1 如图4所示为电流产生磁场的分布图,正确的分布图是( )

图4

A.①③

B.②③

C.①④

D.②④

答案 C

解析由右手螺旋定则可以判断出直线电流产生的磁场方向,①正确,②错误.③和④为环形电流,注意让弯曲的四指指向电流的方向,可判断出③错误,④正确.故正确选项为C.

例2 电路没接通时两枚小磁针方向如图5,试确定电路接通后两枚小磁针的转向及最后的指向.

图5

答案见解析

解析接通电源后,螺线管的磁场为：内部从左指向右,外部从右指向左,如图所示,故小磁针1逆时针转动至N极水平向左,小磁针2顺时针转动至N极水平向右.

小磁针在磁场中受力的判断方法

1.当小磁针处于磁体产生的磁场中,或环形电流、通电螺线管外部时,可根据同名磁极相斥,异名磁极相吸

来判断小磁针的受力方向.

2.当小磁针处于直线电流的磁场中或处于环形电流、通电螺线管内部时,应该根据小磁针N极所指方向与通过该点的磁感线的切线方向相同,来判断小磁针的受力方向.

针对训练1 当导线中分别通以图示方向的电流,小磁针静止时北极指向读者的是( )

答案 C

解析通电直导线电流从左向右,根据右手螺旋定则,则有小磁针所处的磁场方向垂直纸面向里,所以小磁针静止时北极背离读者,故A错误；通电直导线电流竖直向上,根据右手螺旋定则,磁场的方向为逆时针(从上向下看),因此小磁针静止时北极背离读者,故B错误；环形导线的电流方向如题图C所示,根据右手螺旋定则,则有小磁针所处的磁场方向垂直纸面向外,所以小磁针静止时北极指向读者,故C正确；根据右手螺旋定则,结合电流的方向,则通电螺线管的内部磁场方向由右向左,则小磁针静止时北极指向左,故D错误.

二、探究磁现象的本质

磁铁和电流都能产生磁场,而且通电螺线管外部的磁场与条形磁铁的磁场十分相似,它们的磁场有什么联系？

答案它们的磁场都是由电荷的运动产生的.

[要点总结]

1.安培分子电流假说

法国学者安培提出：在原子、分子等物质微粒的内部存在着一种环形电流——分子电流.每个物质微粒由于分子电流的存在都成为微小的磁体,它的两侧相当于两个磁极.(如图6所示).

图6

2.当铁棒中分子电流的取向大致相同时,铁棒对外显磁性(如图7甲所示)；当铁棒中分子电流的取向变得杂乱无章时,铁棒对外不显磁性(如图乙所示).

图7

3.安培分子电流假说说明一切磁现象都是由电荷的运动产生的.

例3 (多选)关于安培分子电流假说的说法正确的是( )

A.安培观察到物质内部有分子电流存在就提出了假说

B.为了解释磁铁产生磁场的原因,安培提出了假说

C.事实上物质内部并不存在类似的分子电流

D.根据后来科学家研究,原子内电子绕核旋转形成环形电流与安培分子电流假说相符

答案BD

三、磁感应强度矢量的叠加

磁感应强度是矢量,当空间存在几个磁体(或电流)时,每一点的磁场等于各个磁体(或电流)在该点产生磁场的矢量和.磁感应强度叠加时遵循平行四边形定则.

例4 (2017·全国卷Ⅲ)如图8,在磁感应强度大小为B0的匀强磁场中,两长直导线P和Q垂直于纸面固定放置,两者之间的距离为l.在两导线中均通有方向垂直于纸面向里的电流I时,纸面内与两导线距离均为l 的a点处的磁感应强度为零,如果让P中的电流反向、其他条件不变,则a点处磁感应强度的大小为( )

图8

A.0B.

3

3

B0C.

2 3

3

B0D.2B0

答案 C

解析如图甲所示,P、Q中的电流在a点产生的磁感应强度大小相等,设为B1,由几何关系可知,B1＝

3

3

B0.

如果让P中的电流反向、其他条件不变,如图乙所示,由几何关系可知,a点处磁感应强度的大小B＝

B 2

0＋B 2

1＝2 3

3

B0,故选项C正确,A、B、D错误.