第十三章 磁感应强度 磁通量 学习活动设计三：这个巨大的电磁铁磁场有多强

第十三章《磁感应强度 磁通量》学习活动设计三：这个巨大的电磁铁磁场有多强？
　　课前准备：
　　1.我们用什么办法形象的描述磁场在空间的分布？条形磁铁和通电螺线管的磁场是怎样分布的？
　　2.电场的强弱是怎样描述的？
　　3.你对比值定义法了解多少？
　　4.准备好如下器材：强力磁铁、条形磁铁、蹄形磁铁、小磁针、小铁钉、曲别针、花洒、线圈。
　　课堂教学：
　　【任务情境一】
　　巨大的电磁铁能吸起成吨的钢铁，小磁体却只能吸起几枚铁钉，它们的磁性相差很大。那么，它们磁性的强弱该怎样定量的描述呢？

　　【学习任务一】知道磁场是有强弱的。
　　实验一：让学生使用各种磁体吸引质量不同的物体，感受不同的磁铁吸引起重物的情况。
　　提问：为什么有的磁体能吸引起质量很大的物体，而有的只能吸引起小铁钉这样质量小的物体？
　　预测学生回答：磁场有强弱。
　　【学习任务二】知道磁场是有方向的。
　　实验二：让学生在条形磁铁或通电螺线管的磁场中的不同位置放置多个小磁针，稳定后观察每一个小磁针有什么不同。
　　提问：小磁针有什么不同？为什么会这样？
　　预测学生回答：磁场有方向，所以小磁针指向不同。
　　【学习任务三】
　　知道用磁感线的切线方向描述磁场方向（小磁针静止时北极的指向）；用磁感线的疏密描述磁场的强弱。
　　提问一：如何描述磁场的强弱和方向？
　　提示：我们学习了静电场，电场有强弱和方向。我们当时是如何使用电场线的描述电场的强弱和方向的？那磁场是不是也可以采用这种办法呢？
　　预测学生回答：磁感线切线方向表示磁场方向；磁感线疏密表示磁场强弱。
　　教师总结强调：小磁针静止时N极所指向为磁场方向。或者小磁针N极受力方向为磁场方向。
　　提问二：电场除了用电场线描述外，还可用哪个物理量来描述？
　　引入：既然电场的强弱和方向可用电场强度来描述，那么类似磁场的强弱和方向也可用一个物理量来描述，这个量就是磁感应强度。
　　【学习任务四】
　　学习描述磁场强弱的物理量——磁感应强度。
　　提问一：如图，一个电量为+Q的点电荷，空间中A点的场强大小是客观存在的，不随外界条件变化而变化。这个说法是否正确？
　　提示：若在A点的检验电荷电荷量q发生变化，同时观察到它受到的库仑力也随之变化，A点的场强大小也发生变化吗？
　　预测学生回答：A点场强大小是＋Q的属性，与检验电荷的电量、库仑力无关，用这个不变的比值可量度A点场强大小，即。
　　追问：你能找出上图中A点的电场强度方向吗？我们在学习电场时时如何定义电场强度方向的？
　　预测学生回答：电场强度方向由场源电荷决定，且A点场强只有一个方向，＋q检验电荷受力方向始终不变，可以确定＋q的受力方向为该点场强的方向。
　　提问二：如上图通电螺线管右侧A点是否有磁场？磁场是什么方向？
　　提示：如何确定该点磁场方向？（使用什么工具？）
　　预测学生回答：A点存在磁场，且只有一个方向。不同的小磁针放在A点北极受力方向始终一致，也可以说小磁针静止时北极的指向为该点磁场方向。
　　提问三：上图中A点的磁场强弱如何表示？
　　追问：能不能通过在A点换不同小磁针来量度该点磁感应强度？
　　追问：还可以使用什么方法？
　　提示：通电导线在磁场中受力吗？我们先来做个小实验。
　　实验演示一：通电导线的通电方向与磁场方向一致，通电导线不受力。
　　实验演示二：通电导线的通电方向与磁场方向成一定角，通电导线受力小。
　　实验演示三：通电导线的通电方向与磁场方向垂直，通电导线受力最大。
　　实验演示四：使用控制变量法分别改变B、I、L观察磁场力的变化与关系。
　　提问四： 磁场力的大小与哪些因素有关？有什么样的关系？如何用这些物理量来定义磁感应强度？
　　提示：我们在学习电场时如何定义电场强度的？
　　学生讨论与分析得出：
　　当通电导线通入的电流越大时，导线受到的磁场力也越大。当通电导线的长度越长时，导线受到的磁场力也越大。当导线方向与磁场方向的夹角改变时，导线的磁场力也改变。当磁场与通电导线垂直时，磁场力F=BIL。
　　师生共同总结：磁场力与电流强度和导线长度乘积之比，对磁场中某一点来说是一恒定值，对磁场中的不同点比值不同。这个比值反映了磁场对通电导线作用的特点，反映了磁场强弱。
　　引入：磁感应强度定义式：。
　　在物理学中，把很短一段通电导线中的电流 I 与导线长度 L 的乘积 IL叫作电流元。方向：该点的磁场方向，即为小磁针静止时北极所指方向。单位：在国际单位制中单位为特斯拉（T）。
　　学生自主活动：根据力学单位制推导磁感应强度的单位。翻阅教材了解各种磁场磁感应强度的大小。学习什么是匀强磁场。
　　问题讨论：学生自行研究并小组讨论得出统一意见。
　　1.磁场中放一根与磁场方向垂直的通电导线，流过的电流是I，导线长度为L,受到的磁场力为F，问：（1）这个位置的磁感应强度是多少？（2）如果把通电导线的电流强度增大到2I，这一点磁感应强度和磁场力各是多少？（3）如果让通电导线平行磁场方向，这时磁感应强度和磁场力各是多少？
　　2.如果通电导线不受磁场力作用，该处是否一定没有磁场呢？
　　3.如果空间存在多个磁场，空间中某点的磁感应强度该如何叠加？
　　提示：磁感应强度是矢量还是标量？
　　【任务情境二】除了磁感应强度B还可以怎样描述磁场的强弱？
　　【学习任务五】学习磁通量。
　　提问一：磁感线的疏密程度表示了磁场的强弱。在上图中，S1和S2两处磁感线的疏密不同，这种不同是如何体现的呢？
　　提示：如果S1和S2都垂直于纸面方向并且面积相同，穿过相同面积磁感线条数谁的多？
　　预测学生回答：穿过相同面积磁感线条数多的就密，磁感应强度就大。
　　引入：设在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S如下图，我们把B与S的乘积叫作穿过这个面积的磁通量，简称磁通。用字母Φ表示磁通量，则Φ＝BS。在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯（weber），简称韦，符号是Wb。1Wb＝1T·m2。
　　【实验探究】得出决定磁通量的因素
　　淋浴花洒，水流模拟磁感线，线圈模拟平面。改变线圈倾斜程度，喷水方式不变，线圈面积不变，穿过线圈平面的水流条数怎么能发生改变？什么情况下穿过的水流条数最多？
　　预测学生回答：磁通量大小不仅与B、S有关，还与B与S夹角有关，且垂直时最大，平行时为零。
　　提问二：如果磁感应强度B不与我们研究的平面垂直，例如下图中的S，那么我们如何计算磁通量？
　　学生思考讨论
　　师生共同总结：用这个面在垂直于磁感应强度B的方向的投影面积S′与B的乘积表示磁通量。
　　提问三：从可以得出，磁感应强度大小的另一种含义是什么呢？
　　学生思考讨论
　　预测学生回答：磁感应强度的大小等于穿过垂直磁场方向的单位面积的磁通量。
　　教师：学习了本节课内容后，学生能够学会描述磁场的强弱与方向。
　　【任务情境三】中国古代在磁场研究与应用方面有什么伟大贡献？
　　学生活动：阅读指南针与郑和下西洋。
　　磁针能够指向南北，是因为地磁场的存在。指南针的广泛使用，促进了人们对地球磁场的认识。地球的地理两极与地磁两极并不重合（如上图所示），因此，磁针并非准确地指南或指北，其间有一个交角，这就是地磁偏角。地磁偏角的数值在地球上的不同地点是不同的。不仅如此，由于地球磁极的缓慢移动，地磁偏角也在缓慢变化。在使用指南针确定南北方向时，只有将地磁偏角考虑在内，才能得出准确的结果。地磁偏角的发现，对于科学的发展和指南针在航海中的应用有着重要作用。我国是最早在航海中使用指南针的国家。郑和下西洋的船队已经装备了罗盘，导航时兼用罗盘和观星，二者互相补充、互相修正。他的航海图叫作“针图”，图中的航线叫作“针路”。明清时期，我国海道针经一类书籍相当丰富。
　　从1405年到1433年，郑和先后7次下西洋，向南到达爪哇，向西到达波斯湾和红海的麦加，最远到达赤道以南的非洲东海岸。郑和下西洋产生的影响是多方面的。它开拓了我国在南洋群岛、印度洋沿岸国家的海外市场，刺激了我国的商品生产，对当时我国资本主义因素的增长有一定的推动作用。它还开辟了从中国到红海、非洲东海岸的航道，绘制了航海地图，总结了当时的航海技术和航海地理知识，对沟通东西方海路交通作出了重大贡献。郑和的航海图连同船队其他人的著作，介绍了他们经过的国家的山川地貌和风土人情，极大地开阔了中国人的地理视野。郑和的航海活动不但是中国海上探险事业的巨大成就，也是世界地理发展史上的光辉记录。
　　【学习小结】
　　1.在实验的基础上，类比电场强度，定义描述磁场强弱和方向的物理量——磁感应强度，并进一步体会微元法和利用物理量之比定义物理量的方法。
　　2.知道磁感应强度的定义，知道其方向、大小、定义式和单位。会用磁感应强度的定义式进行有关计算。
　　3.知道匀强磁场的特点。
　　4.知道磁通量，会计算在匀强磁场中通过某一面积的磁通量。
　　5.了解中国古代在指南针使用方面的情况，激发学生民族自豪感。
　　【学习评价自测】
　　1.关于磁感应强度，下列说法正确的是( )
　　A.若长为L、电流为I的导体在某处受到的磁场力为F，则该处的磁感应强度必为
　　B.由知，B与F成正比，与IL成反比
　　C.由知，一小段通电导体在某处不受磁场力，说明该处一定无磁场
　　D.某点磁感应强度的方向就是小磁针北极在此点所受磁场力的方向
　　答案：D
　　解析：A选项，只有当通电导线垂直放入磁场中，磁感应强度才为，若导线与磁场不垂直，则磁感应强度大于，故A错误。B选项，是采用比值定义法定义的，B与F、IL等无关，不能说B与F成正比，与IL成反比，故B错误。
　　C选项，一小段通电导线在某处不受磁场力，该处不一定无磁场，也可能是因为导线与磁场平行，故C错误。D选项，磁感应强度的方向就是改点的磁场方向，也就是小磁针北极所受磁场力的方向，故D正确。
　　2.(多选)下列说法正确的是( )
　　A.电荷在电场中某处不受电场力的作用，则该处的电场强度一定为零
　　B.一小段通电导线在某处不受磁场力的作用，则该处磁感应强度一定为零
　　C.把一个试探电荷放在电场中的某点，它受到的电场力与所带电荷量的比值表示该点电场的强弱
　　D.把一小段通电导线放在磁场中某处，它所受到的磁场力与该小段通电导线的长度和电流的乘积的比值表示该处磁场的强弱
　　答案：AC
　　解析：A选项，因为某点的电场强度等于位于该点的点电荷所受的电场力大小与点电荷的电荷量的比值，不受电场力，电场强度自然为0，故A项正确。B选项，一小段通电导线在某处不受磁场力的作用，该处磁感应强度可能为零，也可能不为零，是由于通电导线与磁场平行，故B错误。C选项，表征电场中某点电场的强弱，是把一个试探电荷放在电场中的该点受到的电场力与所带电荷量的比值。D选项，一小段通电导线在磁场中所受的磁场力方向与该处磁感应强度方向是垂直关系，故D错误。
　　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，则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：磁感线是闭合曲线，磁铁内部穿过线圈的磁感线条数等于外部所有磁感线的总和，图中内部磁感线线比外部多．外部的磁感线与内部的磁感线方向相反，外部的磁感线将内部抵消，Ⅰ位置磁铁外部磁感线条数少，将内部磁感线抵消少，则Ⅰ位置磁通量大．而Ⅰ位置磁铁外部磁感线条数多，将内部磁感线抵消多，则Ⅱ位置磁通量小。