第三章 电磁场与电磁波初步
1 磁场 磁感线
学习目标 成长记录
1.了解我国古代在磁现象方面的研究成果及对人类文明的影响。 知识点一
2.理解磁场的存在,知道磁场的特点。 知识点二&要点一
3.知道磁感线的定义和特点,了解几种常见磁场的磁感线分布。 知识点二&要点二
4.会用安培定则判断电流的磁场方向。 知识点三&要点三
知识点一 我国古代对磁现象的认识及应用
1.在春秋战国时期已发现天然磁石具有吸引铁的性质。
2.任何磁体,不管形状如何都有两个位置磁性最强,称为磁体的两个极,它们有指示南北方向的本领。
3.北宋时期我们的祖先发明了指南针,并很快将之用于航海,其后100多年传入欧洲。
4.《史记》和《本草纲目》中记载了磁石能治疗疾病。
知识点二 磁场与磁感线
1.磁场:磁体周围分布着磁场,一切磁相互作用都是通过磁场来实现的。
2.磁感线:磁感线是一些假想的有方向的曲线,可以形象地描述磁场的方向和强弱。曲线上每一点的切线方向为该点的磁场方向,曲线的疏密表示磁场的强弱,曲线疏的地方磁场弱,曲线密的地方磁场强。
3.磁场的方向:在磁场中某一点小磁针N极的受力方向,即小磁针静止时N极所指方向就是该点磁场的方向。
4.几种常见磁体周围的磁感线
5.物质性:磁场和电场一样,是一种物质,其基本特性是对处在它里面的磁极或电流有力的作用。
知识点三 安培定则
磁感线的方向与电流方向之间的关系可以用安培定则(也叫右手螺旋定则)判定。
1.直线电流的磁场:用右手握住通电导线,让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致,则弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向,如图甲所示。
2.环形电流的磁场:让右手弯曲的四指与环形(或螺线管)电流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形电流(或螺线管)轴线上磁感线的方向,如图乙、丙所示。
1.思考判断
(1)磁场看不见,摸不着,实际不存在。( × )
(2)磁体和电流都会产生磁场。( √ )
(3)磁极与电流的相互作用是通过磁场发生的。( √ )
(4)奥斯特发现了电流的磁效应。( √ )
(5)磁感线可以用细铁屑来显示,因而是真实存在的。( × )
2.思维探究
(1)将一个磁体从中间分成两部分后,是不是每一部分只有一个磁极呢
(2)环形电流和通电螺线管的磁场与哪种磁体的磁场相似
答案:(1)不是。不管磁体形状如何,磁体都有两个磁极。即便将一个磁体分割,分割后的每一部分,仍然有两个磁极。
(2)环形电流相当于小磁针,通电螺线管相当于条形磁铁。
要点一 对磁场的理解
如图所示,两磁体间、通电导线和磁体间都可以在不接触的情况下发生作用。
(1)图甲中两磁铁作用时,悬挂的磁铁在两种情况下转动的方向不同,这说明了磁极间的作用有何特点
(2)当给图乙中导线通电时,与导线平行放置的小磁针发生转动,表明电流和磁场存在什么关系
答案:(1)同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。(2)电流周围产生磁场。
1.磁场的客观性:磁场虽然看不见、摸不着,不是由分子、原子组成的,但却是客观存在于磁体的周围、电流的周围。场和实物是物质存在的两种形式。
2.磁场的基本性质:对放入其中的磁体或电流有力的作用。磁体与磁体之间、磁体与电流之间、电流与电流之间的相互作用都是通过磁场发生的。
3.电场和磁场的区别
项目 电场 磁场
不同点 产生 电荷周围 磁体、电流、运动电荷周围
基本 性质 对放入其中的电荷有静电力的作用 对放入其中的磁体、电流有力的作用
作用 特点 对放入其中的磁体不产生力的作用 对放入其中的静止电荷无力的作用
相同点 都是不依赖于人的意志而客观存在的特殊物质,具有质量和能量
[例1] (多选)下列关于磁场的说法中,正确的是( AD )
A.磁场和电场一样,是客观存在的一种特殊物质
B.磁场是为了解释磁极间的相互作用而人为规定的
C.磁体与电流之间不能发生相互作用
D.磁体之间、磁体和电流之间、电流和电流之间都能通过磁场发生相互作用
解析:磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质,不是人为规定的,故A正确,B错误;磁体与电流之间也有相互作用,是通过磁场发生的,故C错误;磁体之间、磁体和电流之间、电流和电流之间都能通过磁场发生相互作用,故D正确。
自然界有两种基本的物质形态:实物和场。
(1)实物即具体的、有形的物质形态,由物质粒子组成。
(2)场是物质的另一种存在形态,和实物一样,也是一种客观存在的物质,具有质量、能量、动量等物质的基本属性。
[针对训练1] (多选)关于磁铁、电流间的相互作用,下列说法正确的是( BC )
A.甲图中,电流不产生磁场,电流对小磁针力的作用是通过小磁针的磁场发生的
B.乙图中,磁体对通电导线的作用力是通过磁体的磁场发生的
C.丙图中,电流间的相互作用是通过电流的磁场发生的
D.丙图中,电流间的相互作用是通过电荷的电场发生的
解析:甲图中,电流对小磁针力的作用是通过电流的磁场发生的;乙图中,磁体对通电导线力的作用是通过磁体的磁场发生的;丙图中,电流对另一个电流力的作用是通过该电流的磁场发生的。综上所述,选项B,C正确。
要点二 对磁感线的理解
图甲表示条形磁体的磁感线的分布情况,图乙表示通电螺线管的磁感线的分布情况,观察两幅图,请思考:
从图中可以看出,通电螺线管的磁感线是闭合的,而条形磁体的磁感线不闭合,这种判断对吗
答案:不对。不管是磁体的磁场,还是电流的磁场,磁感线都是闭合的。
1.磁感线的特点
(1)为形象描述磁场而引入的假想曲线,实际并不存在。
(2)磁感线的疏密表示磁场的强弱,密集的地方磁场强,稀疏的地方磁场弱。
(3)磁感线的方向:磁体外部从N极指向S极,磁体内部从S极指向N极。
(4)磁感线闭合而不相交,不相切,也不中断。
(5)磁感线上某点的切线方向表示该点的磁场方向。
2.磁感线与电场线的比较
两种线 磁感线 电场线
相似点 引入 目的 形象描述场而引入的假想线,实际不存在
疏密 场的强弱
切线 方向 场的方向
相交 不能相交(电场中无电荷空间不相交)
不同点 闭合曲线 不闭合,起始于正电荷(或无穷远),终止于无穷远(或负电荷)
[例2] 如图所示,取一块玻璃板,在其上面均匀地撒上铁屑,下面放一块条形磁铁,轻轻敲击玻璃板,铁屑就会有规则地排列起来,以此模拟磁铁周围磁感线的形状。对于该现象,下列说法正确的是( C )
A.磁感线是真实存在的
B.玻璃板上没有铁屑的地方就没有磁场
C.该现象可以描述磁铁周围的磁场分布情况
D.将铁屑换成铜屑也可达到相同的实验效果
解析:磁感线是为了形象地描述磁场而引入的假想曲线,它并不客观存在,不可认为有磁感线的地方就有磁场,没有磁感线的地方就没有磁场,故A,B错误;磁铁周围的铁屑排列形状可模拟磁铁周围磁感线的形状,而磁感线可以描述磁场分布情况,故C正确;磁场对铁屑有力的作用,对铜屑没有力的作用,故D错误。
[针对训练2] 磁场中某区域的磁感线如图所示,则( B )
A.a、b两处的磁场强弱不同,a处磁场比b处磁场强
B.a、b两处的磁场强弱不同,a处磁场比b处磁场弱
C.a、b两处磁场方向一定相同
D.a处没有磁感线,所以a处没有磁场
解析:由题图可知,b处的磁感线较密,a处的磁感线较疏,所以a处磁场比b处磁场弱,A错误,B正确;磁场中某点的磁场方向与磁感线在该点的切线方向相同,由图判断,a、b两点磁场方向不同,C错误;磁感线是用来描述磁场的,不可能在存在磁场的区域内全部画出磁感线,D
错误。
要点三 安培定则的理解及应用
如图所示,螺线管内部小磁针静止时N极指向右方。
(1)螺线管内部磁场沿什么方向 螺线管c、d端,哪端为N极
(2)若小磁针放在螺线管上方e处,静止时N极指向什么方向
(3)电源的a、b端,哪端为正极
答案:(1)由c指向d,d端为N极。
(2)水平向左。
(3)a端。
1.常见永磁体的磁场
2.三种常见电流的磁场
安培定则 立体图 横截面图 纵截面图
直线电流
以导线上任意点为圆心垂直于导线的多组同心圆,磁感线越向外越稀疏,磁场越弱
环形电流
内部磁场比环外强,磁感线越向外越稀疏
通电螺线管
内部为匀强磁场且比外部强,方向由S极指向N极,外部类似条形磁铁,由N极指向S极
[例3] 当导线中分别通以图示方向的电流,小磁针静止时N极指向纸外的是( A )
解析:由安培定则可知,A图导线下方磁场垂直纸面向外,故小磁针N极会指向纸外,A正确;B图螺线管内部磁场向左,故小磁针N极指向左,B错误;C图小磁针处的磁场垂直纸面向内,故小磁针N极指向纸内,C错误;D图环形电流内部磁场垂直纸面向内,故小磁针N极指向纸内,D错误。
(1)磁场是分布在立体空间的。
(2)利用安培定则不仅可以判断磁场的方向,还可以根据磁场的方向判断电流的方向。
(3)应用安培定则判定直线电流时,四指所指的是导线之外磁场的方向;判定环形电流和通电螺线管电流时,拇指的指向是线圈轴线上磁场的方向。
(4)环形电流相当于小磁针,通电螺线管相当于条形磁铁,应用安培定则判断时,拇指所指的一端为它的N极。
[针对训练3] 如图所示,a、b是直线电流的磁场,c、d是环形电流的磁场,e、f是通电螺线管的磁场,试在各图中补画出电流方向或磁感线方向。
解析:根据安培定则,可以确定a中电流方向垂直纸面向里,b中电流方向从下向上,c中电流方向沿逆时针,d中磁感线方向向下,e中螺线管内磁感线方向向左,螺线管外磁感线方向从左向右,f中磁感线方向向右。
答案:如图所示
地磁场
地磁场是地球周围空间分布的磁场。它的地磁南极在地理北极附近,地磁北极在地理南极附近;地磁两极与地理两极并不完全重合,存在磁偏角,磁感线的分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的,两极附近则与地表垂直,赤道处磁场最弱,两极最强。
在北半球,地磁场的方向斜向下指向地面;在南半球,地磁场的方向斜向上背离地面。地磁场B的水平分量(Bx)总是从地球南极指向北极;而竖直分量(By)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,如图所示。
[示例] 中国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中最早记载了地磁偏角:“以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。”进一步研究表明,地球周围地磁场的磁感线分布示意如图所示。结合上述材料,下列说法正确的是( D )
A.地理南、北极与地磁场的南、北极完全重合
B.地球内部不存在磁场,地磁南极在地理北极附近
C.地球表面任意位置的地磁场方向都与地面平行
D.信鸽可以借助地磁场来辨别方向
解析:地理南、北极与地磁场的南、北极不重合,有一定的夹角,即为磁偏角,故A错误;磁感线是闭合的曲线,地球内部也存在磁场,地磁南极在地理北极附近,故B错误;地球磁场从南极附近发出,从北极附近进入地球,其磁感线组成闭合曲线,曲线的切线为该点磁场的方向,故C错误;信鸽体内具有某种磁性物质,可以借助地磁场辨别方向,故D正确。
磁悬浮列车
磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具,它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向,再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。1922年,德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理,继而申请了磁悬浮列车专利。20世纪70年代以后,随着工业化国家经济实力不断增强,为提高交通运输能力以适应其经济发展和民生的需要,德国、日本、美国等国家相继开展了磁悬浮运输系统的研发。世界第一条磁悬浮列车示范运营线2003年1月开始在上海运营。2015年10月,中国首条国产磁悬浮线路长沙磁浮线成功试跑。2019年5月23日,中国时速600公里高速磁浮试验样车在青岛下线。
[示例] (多选)超导是当今高科技的热点之一,当一块磁体靠近超导体时,超导体中会产生强大的电流,对磁体有排斥作用,这种排斥力可使磁体悬浮在空中,磁悬浮列车就采用了这项技术。磁体悬浮的原理是( BD )
A.超导体中电流产生的磁场方向与磁体的磁场方向相同
B.超导体中电流产生的磁场方向与磁体的磁场方向相反
C.超导体使磁体处于失重状态
D.超导体对磁体的作用力与磁体的重力相平衡
解析:超导体中电流产生的磁场方向与磁体的磁场方向相反,产生了排斥力,这种排斥力可以使磁体悬浮于空中,故A错误,B正确;排斥力可以使磁体悬浮于空中,所以超导体对磁体的作用力与磁体的重力平衡,磁体既没有超重,也没有失重,故C错误,D正确。
课时作业
1.下列关于磁场和磁感线的说法正确的是( C )
A.磁感线总是从磁体的N极出发,到S极终止,所以是不闭合的
B.磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向,是真实存在的
C.磁场和电场一样,也是一种物质
D.磁感线就是细铁屑在磁场周围排列出的曲线
解析:磁感线在磁体的外部是从磁体的N极到S极,在磁体的内部是从S极指向N极,磁体内部的磁感线与外部的磁感线形成闭合曲线,故A错误;磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向,但不是真实存在的,故B错误;磁场和电场一样,也是一种客观存在的物质,故C正确;细铁屑在磁场周围排列出的曲线可以形象地反映磁场的分布,但不是磁感线,故D错误。
2.如图所示,假如将一个小磁针放在地球的北极附近的磁极上方,那么小磁针的N极将( D )
A.指北
B.指南
C.竖直向上
D.竖直向下
解析:地球北极附近的磁极是地磁场的S极,其上方磁场方向竖直向下,故小磁针的N极将竖直向下,选项D正确。
3.如图,一个带负电的橡胶圆盘处在竖直面内,可以绕过其圆心的水平轴高速旋转,当它不动时,放在它左侧轴线上的小磁针处于静止状态。当橡胶圆盘从左向右看逆时针高速旋转时,小磁针的N极( A )
A.向右旋转
B.向左偏转
C.仍不偏转
D.仅改变圆盘的转动方向,偏转方向不变
解析:电流与负电荷的运动方向相反,则圆盘上的电流方向与旋转方向相反;再由安培定则可知磁场的方向:左端为S极,右端为N极。由于异名磁极相互吸引,因此小磁针的N极向右旋转,故A正确。
4.如图所示,在水平地面上的磁体上方,小辉提着挂在弹簧测力计上的小磁体(下部N极),向右缓慢移动,沿图示水平路线从A缓慢移到B。则下列图中能反映弹簧测力计示数F随位置变化的是( C )
解析:条形磁体两极磁性最强而中间磁性最弱,且同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,当挂着的小磁体向右移动时,相互吸引力逐渐减小,而越过大磁体中点后,相互排斥力逐渐增大,故可以得出弹簧测力计的示数从A端到B端是逐渐变小的,选项C正确。
5.(多选)磁力玻璃擦是目前很时尚的玻璃清洁器,其原理是利用异名磁极的吸引作用可使玻璃外面的一片跟着里面的一片运动,如图分别为某玻璃擦改进前和改进后的原理图,关于两种磁力玻璃擦是否容易脱落的主要原因,下列说法中正确的是( AC )
A.甲图中前、后面的同名磁极间距较小,同名磁极相互斥力大,容易
脱落
B.甲图中前、后面的异名磁极间距较小,异名磁极相互引力大,不容易脱落
C.乙图中前、后面的同名磁极间距较大,同名磁极相互斥力小,不容易脱落
D.乙图中前、后面的异名磁极间距较大,异名磁极相互引力小,容易
脱落
解析:甲图中前、后面的同名磁极间距较小,当前、后玻璃相互间位置变化时,使得同名磁极相互斥力迅速变大,同名磁极间作用起主要作用,导致容易脱落,故A正确,B错误;乙图中前、后面的同名磁极间距较大,当前、后玻璃相互间位置变化时同名磁极相互斥力几乎不变,异名磁极间作用起主要作用,故不容易脱落,故C正确,D错误。
6.(多选)如图所示,能自由转动的小磁针水平放置在桌面上。当有一束带电粒子沿与磁针指向平行的方向从小磁针上方水平飞过时,所能观察到的现象是( BCD )
A.小磁针不动
B.若是正电荷飞过,小磁针会发生偏转
C.若是负电荷飞过,小磁针会发生偏转
D.若是一根通电导线沿与小磁针指向平行的方向放置在小磁针上方,小磁针会发生偏转
解析:电流是由运动电荷产生的,当电荷在小磁针上方运动时也会形成电流,从而形成磁场,通电导线周围也存在磁场,这两种磁场是等效的,均会使小磁针发生转动,故A错误,B,C,D正确。
7.19世纪20年代,以塞贝克为代表的科学家已认识到,温度差会引起电流,安培考虑到地球自转造成了太阳照射后正面与背面的温度差,从而提出如下假说:地磁场是由绕地球的环形电流引起的。则该假说中的电流方向是( B )
A.由西向东垂直于磁子午线
B.由东向西垂直于磁子午线
C.由南向北沿磁子午线方向
D.由赤道向两极沿磁子午线方向
解析:地球内部磁感线方向由地理北极指向地理南极,如图所示,则从上往下看,由安培定则可知电流方向为顺时针方向,即自东向西,选项B正确。
8.如图所示为磁场、磁场作用力演示仪中的赫姆霍兹线圈,当在线圈中心处挂上一个小磁针,且与线圈在同一平面内,则当赫姆霍兹线圈中通以如图所示方向的电流时( A )
A.小磁针N极向里转
B.小磁针N极向外转
C.小磁针在纸面内向左摆动
D.小磁针在纸面内向右摆动
解析:根据安培定则,通入电流时线圈内部轴线上磁感线方向垂直于纸面向里,而小磁针N极受力方向和磁感线方向相同,故小磁针N极向里转,选项A正确。
9.如图所示,一个电子沿逆时针方向做圆周运动,则对于电子的运动下列说法正确的是( C )
A.不产生磁场
B.只在圆周的内侧产生磁场
C.产生磁场,圆心处的磁场方向垂直于纸面向里
D.产生磁场,圆心处的磁场方向垂直于纸面向外
解析:电子沿逆时针方向做圆周运动,形成的电流方向为顺时针方向,电子的运动将在圆周的内侧、外侧均产生磁场,由安培定则可知圆心处的磁场方向垂直于纸面向里,选项C正确。
10.(多选)如图所示是云层之间闪电的模拟图,图中A、B是位于北、南方向带有电荷的两块阴雨云,在放电的过程中,两云的尖端之间形成了一个放电通道,发现位于通道正上方的小磁针N极转向纸里,S极转向纸外,则关于A、B的带电情况,下列说法中正确的是( BD )
A.带同种电荷 B.带异种电荷
C.B带正电 D.A带正电
解析:由于小磁针N极转向纸里,可知该点磁场方向向里,根据安培定则可知,A、B间存在由A向B的电流,由此可知A带正电,B带负电,选项B,D正确。
11.如图所示,长直导线AB、螺线管C、电磁铁D三者串联在同一电路中,它们之间相距较远,产生的磁场互不影响,开关S闭合后,图中所示的四个可自由转动的小磁针a、b、c、d的北极静止时的指向正确的是( B )
A.a B.b C.c D.d
解析:可自由转动的小磁针在磁场中静止时的北极指向与其所在处磁感线的方向一致,通电直导线AB周围的磁感线是以导线AB上各点为圆心的同心圆,且都在与导线垂直的平面上,其方向为逆时针方向(俯视),A错误;通电螺线管C周围的磁感线分布与条形磁铁周围的磁感线分布相似,可知小磁针b处的磁感线方向由右指向左,小磁针c处的磁感线方向由左指向右,B正确,C错误;电磁铁D周围的磁感线分布与蹄形磁铁周围的磁感线分布相似,可知小磁针d处的磁感线方向是由左指向右,D错误。
12.装有铁芯的螺线管叫电磁铁,巨大的电磁铁能吸起很重的钢铁,如图甲所示。现有一个如图乙所示的绕有两个线圈的铁芯,要使其产生磁性且左端为N极,其四个接头与电源应怎样连接
解析:使铁芯产生磁性并且左端为N极,可有以下五种接法:
(1)只用a、c线圈,a端接电源正极,c端接电源负极。
(2)只用b、d线圈,b端接电源正极,d端接电源负极。
(3)a、b相接,接电源正极,c、d相接,接电源的负极。
(4)b、c相接,a接电源的正极,d接电源的负极。
(5)a、d相接,b接电源的正极,c接电源的负极。
答案:见解析2 磁感应强度 磁通量
学习目标 成长记录
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。 知识点一&要点一
2.认识匀强磁场,知道匀强磁场的特点。 知识点一
3.知道磁通量的概念,并会计算磁通量。 知识点二&要点二
知识点一 磁感应强度
1.匀强磁场
(1)定义:如果磁场中各点的磁场强弱和方向都相同,或者说该区域内磁感线相互平行且间距相等,这个磁场叫作匀强磁场。
(2)实例:
①两个永磁体的异名磁极之间的磁场,除边缘部分外,可以认为是匀强磁场,如图所示。
②两个平行放置的、相距较近的通电线圈间的磁场可近似为匀强磁场,如图所示。
2.磁感应强度
(1)物理意义:磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。
(2)方向:小磁针N极的受力方向,即磁场方向。
(3)公式:B=。
(4)单位:在国际单位制中,磁感应强度的单位是特斯拉,简称特,符号是T。1 T=1 。
知识点二 磁通量
1.定义:在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一块垂直于磁感线方向的面积为S的平面,我们定义BS为穿过这个面积的磁通量,简称磁通。
2.计算公式:Φ=BS(平面与磁场垂直);若面积为S的平面的垂线与磁场方向的夹角为θ,则Φ=BScos θ。
3.单位:在国际单位制中是韦伯,简称韦,符号是Wb,1 Wb=1 T·m2。
1.思考判断
(1)磁感应强度的方向就是磁场方向。( √ )
(2)磁感应强度只描述磁场的强弱,而不描述磁场的方向。( × )
(3)磁感应强度大小处处相等的区域是匀强磁场。( × )
(4)磁通量不仅有大小而且有方向,所以是矢量。( × )
(5)匀强磁场的磁感线间隔相等、互相平行。( √ )
(6)若穿过某一面积的磁通量为0,则该处一定没有磁场。( × )
2.思维探究
(1)运用静止在磁场中的小磁针可以规定磁感应强度的方向,为何不能类似于定义“电场强度”来确定“磁感应强度”的大小
(2)若通过某面积的磁通量等于零,则该处一定无磁场,你认为对吗
答案:(1)小磁针可以确定方向,但小磁针有两个磁极,不能确定所受力的大小,无法由比值方法定义磁感应强度。
(2)不对,磁通量除了与磁感应强度、面积有关外,还与平面和磁场的夹角有关,当平面与磁场平行时,磁通量为零,但存在磁场。
要点一 对磁感应强度的理解
“一个电流元垂直放入磁场中的某点,磁感应强度与电流元受到的力成正比,与电流元成反比。”这种说法是否正确 为什么
答案:这种说法不正确;磁感应强度的大小是由磁场本身决定的,不随电流元大小及电流元所受力的大小的变化而变化。即使不放入电流元,磁感应强度也照样存在。
1.定义式B=的理解
(1)适用条件:通电导线垂直磁场放置。
(2)定义式B=适用于任何磁场,在非匀强磁场中IL为电流元,相当于电场中的“试探电荷”。
(3)B与F和IL的关系:磁场在某位置的磁感应强度的大小与方向是客观存在的,与通过导线的电流大小、导线的长短无关,故不能说“B与F成正比”或“B与IL成反比”,但可以通过I、L和F的测量求B。
2.磁感应强度B的方向
某点磁感应强度的方向不是放在该处的通电导线的受力方向。它的方向有以下几种表述方式:
(1)小磁针静止时N极所指的方向,或小磁针静止时S极所指的反方向。
(2)小磁针N极受力的方向(不论小磁针是否静止),或S极受力的反方向。
(3)磁感应强度的方向就是该点的磁场方向。
[例1] 匀强磁场中长2 cm的通电导线垂直于磁场方向放置,当通过导线的电流为2 A时,它受到的磁场力大小为4×10-3 N,问:该处的磁感应强度B是多大 若磁场、电流不变,导线长度减小到 1 cm,该处的磁感应强度又是多大
解析:由磁感应强度的表达式B=得到B= T=0.1 T,磁感应强度由磁场本身来决定,与导线长度无关,故导线长度减小到1 cm时,磁感应强度仍为0.1 T。
答案:0.1 T 0.1 T
关于磁感应强度问题的两点提醒
(1)磁感应强度取决于磁场本身,与是否放入通电导线、通电导线受力的大小及方向无关。
(2)B=是指电流方向与磁场方向垂直时,为定值,该定值能反映磁场的强弱,并把它定义为磁感应强度。
[针对训练1] 关于磁感应强度,下列说法正确的是( B )
A.根据B=可知,在磁场中某确定位置,磁感应强度与磁场力成正比,与电流和导线长度的乘积成反比
B.一小段通电直导线放在磁感应强度为零的位置上,它受到的磁场力一定等于零
C.一小段通电直导线在空间某处不受磁场力作用,那么该处的磁感应强度一定为零
D.磁场中某处的磁感应强度的方向,跟电流在该处所受磁场力的方向相同
解析:B=是采用比值法定义的,B与F、IL等无关,不能说B与F成正比,与IL成反比,故A错误;磁感应强度的方向就是小磁针北极所受磁场力的方向,选项B正确;由于通电导体在磁场中所受磁场的作用力除与B、I、L有关外,还与放置情况有关,通电导体不受磁场力并不说明该处无磁场,磁感应强度B也不一定等于,选项C,D 错误。
要点二 磁通量的理解和计算
(1)如图所示,平面S在垂直于磁场方向上的投影面积为S′,则通过面积S的磁通量是多大
(2)若磁场增强,即B增大,通过面积S的磁通量是否增大
答案:(1)BS′。
(2)由Φ=BS′可知,B增大时,通过面积S的磁通量增大。
1.磁通量的物理意义
表示磁场中穿过某一平面的磁感线条数,且为穿过的磁感线的净条数。
2.磁通量的计算
(1)匀强磁场,磁感线与平面垂直时:Φ=BS。
(2)匀强磁场,磁感线与平面不垂直时:Φ=BSsin θ,公式中的θ是平面与磁感线的夹角,Ssin θ是平面在垂直于磁感线方向的投影面积。
3.磁通量的正、负值含义
(1)磁通量是标量,但有正、负。若规定磁感线从某平面穿入时,磁通量为正值,则磁感线从该平面穿出时即为负值。
(2)若某一平面有正反两个方向的磁感线穿过,穿过正向的磁通量为Φ1,反向的磁通量为Φ2,则穿过该平面的磁通量Φ=Φ1-Φ2。
[例2] 如图所示,线圈平面与水平方向夹角θ=60°,线圈平面面积S=0.4 m2,匀强磁场磁感应强度B=0.6 T,方向竖直向下。
(1)穿过线圈的磁通量Φ为多少
(2)把线圈以cd为轴顺时针转过120°角,则通过线圈磁通量的变化量大小为多少
解析:(1)线圈在垂直磁场方向上的投影面积
S⊥=Scos 60°=0.4× m2=0.2 m2,
穿过线圈的磁通量
Φ=BS⊥=0.6×0.2 Wb=0.12 Wb。
(2)线圈以cd为轴顺时针方向转过120°角后变为与磁场垂直,但由于此时磁感线从线圈平面穿入的方向与原来相反,此时通过线圈的磁通量
Φ2=-BS=-0.6×0.4 Wb=-0.24 Wb,
故磁通量的变化量
ΔΦ=|Φ2-Φ1|=|(-0.24)-0.12| Wb
=0.36 Wb。
答案:(1)0.12 Wb (2)0.36 Wb
求ΔΦ的三种方法
导致磁通量变化的原因不同,求解磁通量变化量的方法也有差异,常见以下三种情景:
(1)磁感应强度B不变,由于有效面积S发生变化导致磁通量变化,此时ΔΦ=B·ΔS。
(2)面积S不变,由于磁感应强度B发生变化导致磁通量变化,此时ΔΦ=ΔB·S。
(3)磁感应强度B和有效面积S均发生变化,这种情况的ΔΦ=B2S2-B1S1,不能用ΔB·ΔS求解磁通量变化量。
[针对训练2]
如图,A、B圆环共面且彼此绝缘,对A圆环通电,图中区域Ⅰ、Ⅱ面积相等。设Ⅰ中的磁通量为ФⅠ,Ⅱ中的磁通量为ФⅡ,则ФⅠ、ФⅡ大小关系为( A )
A.ФⅠ>ФⅡ B.ФⅠ<ФⅡ
C.ФⅠ=ФⅡ D.无法确定
解析:根据安培定则可知,该环形电流的磁场在A圆环内磁场的方向垂直于纸面向里,在A圆环外的磁场方向垂直于纸面向外;而A圆环内部的磁感应强度大于外部的磁感应强度,可知当区域Ⅰ、Ⅱ面积相等时,Ⅰ中的磁通量ФⅠ大于Ⅱ中的磁通量ФⅡ,故A正确,B,C,D错误。
磁感应强度的叠加
1.磁感应强度是矢量,当空间存在几个磁体(或电流)时,某点的磁场为各个磁体(或电流)在该点产生磁场的矢量和。
2.对于几个电流产生的磁场,先用安培定则确定电流在某点的磁场方向,然后运用平行四边形定则将几个磁感应强度合成。
[示例] 有两根长直导线a、b互相平行放置,如图所示为导线的截面图。在图示的平面内,O点为两根导线连线的中点,M、N为两根导线附近的两点,它们在两导线连线的中垂线上,且与O点的距离相等。若两导线中通有大小相等、方向相同的恒定电流I,则下列关于线段MN上各点的磁感应强度的说法正确的是( D )
A.M点和N点的磁感应强度大小相等,方向相同
B.M点和N点的磁感应强度大小不等,方向相反
C.在线段MN上各点的磁感应强度都不可能为零
D.在线段MN上只有一点的磁感应强度为零
解析:根据安培定则判断可知,两根通电导线产生的磁场方向均沿逆时针方向,M、N关于O点对称,两根通电导线在M、N两点产生的磁感应强度大小相等,根据平行四边形定则进行合成可得,M点和N点的磁感应强度大小相等,M点磁场方向向下,N点磁场方向向上,故A,B错误;只有当两根通电导线在某一点产生的磁感应强度大小相等、方向相反时,合磁感应强度才为零,分析可知只有O点的磁感应强度为零,故C错误,D正确。
电流天平
磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质,但却是客观存在的。磁场充斥在我们的生活中,电子设备周围存在磁场,医疗技术中也广泛应用了磁场,比如核磁共振。地磁变化帮助人们认识地球变化、勘探地质,因此,磁场的测量已成为生活中必不可少的环节。
电流天平是用来测量两平行通电导体之间的力或用以测量磁感应强度的仪器,如图甲所示。天平横臂用环氧树脂覆铜板制成,图乙是天平横臂侧视图,图丙是它的俯视图。横臂上的“U”形导体一端直接与一个黄铜刀口相通,另一端通过转换开关与另一个刀口连通。改变转换开关的位置,可选择“U”形导体受力部分的长度为CD段(40 mm)或C′D段(20 mm)。横臂上的两个刀口在使用时各放在一个黄铜刀槽上。刀槽装在铜支架的上部,起着支持天平横臂和通电触点的双重作用。铜支架的下端分别用导线与底座左边的两接线柱连接。激磁线圈接在底座右边的两接线柱下端。
图乙中,装在转换开关旁边的平衡螺母兼作为转换开关旋钮。用平衡螺母可以调节横臂的重心位置。当重心位置低于两刀口的支点所连成的直线时,重心愈往下移,横臂的稳定性愈好,但灵敏度降低;重心愈接近支点连线,横臂灵敏度愈高,但愈不易稳定。横臂上还装有平衡螺母,钩码挂钩和一个指针。
[示例] 如图甲、乙所示是实验室里用来测量磁场力的一种仪器——电流天平,某同学在实验室里,用电流天平测算通电螺线管中的磁感应强度,他测得的数据记录如下,请你算出通电螺线管中的磁感应强度B。
已知:CD段导线长度为4×10-2 m;天平平衡时钩码重力为4×10-5 N;通过导线的电流为 0.5 A。
解析:由题意知,I=0.5 A,G=4×10-5 N,l=4×10-2 m。电流天平平衡时,导线所受磁场力的大小等于钩码的重力,即F=G,
由磁感应强度的定义式B=得
B== T=2×10-3 T,
所以,通电螺线管中的磁感应强度为2×10-3 T。
答案:2×10-3 T
课时作业
1.(多选)一电流元放在同一匀强磁场中的四个位置,如图所示,已知电流元的电流I、长度L和受力F,则可以用表示磁感应强度B的是( AC )
解析:当通电导线垂直于磁场方向时,可用表示磁感应强度B。B,D中电流的方向不与磁场方向垂直,不可用表示磁感应强度,选项A,C正确。
2.关于磁感应强度B,电流I、导线长度L和电流所受磁场力F的关系,下面的说法中正确的是( A )
A.在B=0的地方,F一定等于零
B.在F=0的地方,B一定等于零
C.若B=1 T,I=1 A,L=1 m,则F一定等于1 N
D.若L=1 m,I=1 A,F=1 N,则B一定等于1 T
解析:在无磁场处,通电导线一定不受磁场力,但由于通电导线所受磁场力与导线放置情况还有关,说明不受磁场力处磁感应强度不一定为0,选项A正确,B错误;公式B=或F=ILB只适用于通电导线垂直于磁场方向的情况,选项C,D错误。
3.(多选)有一段直导线长为0.5 cm,通以4 A电流,把它置于磁场中的某点时,受到的磁场力为0.2 N,则该点的磁感应强度B的值可能是( CD )
A.5 T B.8 T C.10 T D.13 T
解析:当通电导线垂直放入磁场时,由公式B=得B= T=10 T,若不是垂直放入磁场时,则磁感应强度比10 T要大,所以该点磁感应强度可能值为≥10 T,选项C,D正确。
4.先后在磁场中A、B两点引入长度相等的短直导线,导线与磁场方向垂直。如图所示,图中a、b两图线分别表示在磁场中A、B两点导线所受的力F与通过导线的电流I的关系。下列说法中正确的是( B )
A.A、B两点磁感应强度相等
B.A点的磁感应强度大于B点的磁感应强度
C.A点的磁感应强度小于B点的磁感应强度
D.无法比较磁感应强度的大小
解析:导线受到的磁场力F=ILB=BL·I,对于题图给出的FI图线,直线的斜率k=BL,由图可知ka>kb,又因A、B两处导线的长度L相同,故A点的磁感应强度大于B点的磁感应强度,选项B正确。
5.两足够长直导线均折成直角,按图示方式放置在同一平面内,EO与O′Q在一条直线上,PO′与OF在一条直线上,两导线相互绝缘,通有相等的电流I,电流方向如图所示。若一根无限长直导线通过电流I时,所产生的磁场在距离导线d处的磁感应强度大小为B,则图中与导线距离均为d的M、N两点处的磁感应强度大小分别为( B )
A.B,0 B.0,2B C.2B,2B D.B,B
解析:两直角导线可以等效为如图所示两直导线,由安培定则可知,两直导线在M处的磁感应强度方向分别为垂直纸面向里、垂直纸面向外,故M处的磁感应强度为零;两直导线在N处的磁感应强度方向均为垂直纸面向里,故N处的磁感应强度为2B,故B正确。
6.如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B,方向与水平方向的夹角为30°,一面积为S的矩形线圈处于磁场中,并绕着它的一条边从水平位置Ⅰ(图中实线位置)转到竖直位置Ⅱ(图中虚线位置)。则在此过程中磁通量的变化量的大小为( C )
A.BS B.BS
C.BS D.2BS
解析:取线圈在水平位置时穿过线圈的磁通量为正,则Φ1=
BSsin 30°=BS;线圈处于竖直位置时,磁感线从线圈另一面穿过,磁通量Φ2=-BScos 30°=-BS,故磁通量的变化量为ΔΦ=Φ2-Φ1=
-BS,即变化量的大小为|ΔΦ|=BS,C正确。
7.如图所示,A为通电线圈,电流方向如图所示,B、C为与A在同一平面内的两同心圆,ΦB、ΦC分别为穿过两圆面的磁通量的大小,下述判断中正确的是( A )
A.穿过两圆面的磁通量方向是垂直纸面向外
B.穿过两圆面的磁通量方向是垂直纸面向里
C.ΦB=ΦC
D.ΦB<ΦC
解析:由环形电流的磁场特点可知,全部磁感线在线圈内部垂直纸面向外,在线圈外部全部磁感线向里且分布在很大的空间内,所以B、C圆面都有垂直纸面向里和向外的磁感线穿过,且线圈内部的磁感线条数比线圈外部的磁感线条数多,垂直纸面向外的磁感线条数相同,垂直纸面向里的磁感线条数不同,B圆面的较少,C圆面的较多,所以穿过B、C的磁通量方向垂直纸面向外,且ΦB>ΦC,选项A正确。
8.如图甲所示,载有电流为I的闭合回路由两个大小不同的半圆形导线连接而成,两半圆的圆心重合在O处,已知大半圆导线在圆心O处产生的磁感应强度大小为B1,整个回路在圆心O处产生的磁感应强度大小为B。现保持电流I不变,仅将小半圆导线绕直径翻转180°,如图乙所示,此时整个回路在圆心O处产生的磁感应强度大小为( A )
A.B-2B1 B.B+2B1
C.B+B1 D.B-B1
解析:图甲中大半圆导线在圆心O处产生的磁感应强度大小为B1,设小半圆在圆心O处产生的磁感应强度大小为B2,整个回路在圆心O处产生的磁感应强度大小为B,根据安培定则可知B1和B2均垂直纸面向里,有B=B1+B2,则有B2=B-B1。保持电流I不变,仅将小半圆导线绕直径翻转180°,根据对称性可知小半圆在圆心O处产生的磁感应强度大小依然为B2,方向反向,且B2>B1,则总磁感应强度为B′=B2-B1=B-2B1,即总的磁感应强度大小为(B-2B1),方向垂直纸面向外。故选A。
9.如图所示,有一个垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度B=0.8 T,磁场有明显的圆形边界,圆心为O,半径为 10 cm。现于纸面内先后放上a、b两个圆形单匝线圈,圆心均在O处,a线圈半径为10 cm,b线圈半径为15 cm,计算结果均保留两位有效数字,问:
(1)在B减为0.4 T的过程中,a和b中磁通量分别改变多少
(2)磁感应强度B大小不变,方向绕直径转过30°过程中,a线圈中磁通量改变多少
(3)磁感应强度B大小、方向均不变,线圈a绕直径转过180°过程中,a线圈中磁通量改变多少
解析:(1)a线圈面积正好与圆形磁场区域重合,
Φ1=Bπr2,Φ2=B1πr2,
ΔΦ=|Φ2-Φ1|=|(B1-B)πr2|=1.3×10-2 Wb。
b线圈面积大于圆形磁场面积,即线圈的一部分面积在磁场区域外,有磁感线穿过的面积与a线圈相同,故磁通量的变化量与a线圈相同。
(2)磁场转过30°,a线圈面积在垂直磁场方向的投影面积为
πr2cos 30°,
则Φ3=Bπr2cos 30°,
ΔΦ′=|Φ3-Φ1|=Bπr2(1-cos 30°)
=3.4×10-3 Wb。
(3)以线圈a正对读者的一面为观察对象,初状态磁感线从该面穿入,线圈转180°过后,磁感线从该面穿出,故
ΔΦ″=BS-(-BS)=2BS=5.0×10-2 Wb。
答案:(1)1.3×10-2 Wb 1.3×10-2 Wb
(2)3.4×10-3 Wb
(3)5.0×10-2 Wb3 电磁感应现象及其应用
学习目标 成长记录
1.了解电磁感应现象的探索过程,知道电磁感应现象和感应电流概念。 知识点一、二&要点一
2.理解感应电流产生的条件。 知识点三&要点二
3.了解电磁感应规律的发现对社会发展的意义。 知识点四
知识点一 奥斯特实验的启迪
1820年,奥斯特发现了电流的磁效应,即电能生磁。
知识点二 电磁感应现象的发现
1.1831年,法拉第发现了“磁生电”现象,他将“磁生电”现象分为五类:(1)变化中的电流;(2)变化中的磁场;(3)运动中的恒定电流;(4)运动中的磁场;(5)运动中的导线。
2.法拉第将这些“磁生电”现象命名为电磁感应,这些现象中产生的电流叫作感应电流。
知识点三 感应电流产生的条件
1.探究导体棒在磁场中运动是否产生电流
操作 有无电流
导体棒静止 无
导体棒平行 磁感线运动 无
导体棒切割 磁感线运动 有
实验表明:当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时,电路中有感应电流产生。
2.模仿法拉第的实验
操作观察 电流表指针偏转情况 (填“偏转”或“不偏转”)
A全部 在B中 A在B的 正上方 A、B相 互垂直
开关接通瞬间 偏转 偏转 不偏转
电流稳定 不偏转 不偏转 不偏转
开关断开瞬间 偏转 偏转 不偏转
滑动变阻器 电阻减小 偏转 偏转 不偏转
滑动变阻器 电阻增大 偏转 偏转 不偏转
实验表明:只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化,闭合导体回路中就产生感应电流。
知识点四 电磁感应规律的发现对社会发展的意义
1.发电机利用电磁感应的原理,能够把机械能转化为电能,扩大了人们利用能源的途径;变压器的发明使电能大规模应用成为可能;感应电动机的出现,使人类进入了电气时代。
2.电磁感应还被广泛地应用于各种电路控制器件、传感器、电子技术和信息技术之中,为生产、生活和科研等各个领域的电气化、自动化、信息化奠定了基础。
3.电磁感应的发现,对于人们认识物质世界及其统一性,在科学思想和科学方法的发展和创新等方面,有着深刻的意义。
4.在法拉第发现电磁感应的基础上,麦克斯韦建立了电磁场理论,并预言了电磁波的存在,为信息时代的到来奠定了基础。
1.思考判断
(1)法拉第不但发现了电流的磁效应,还发现了电磁感应现象。( × )
(2)“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。( √ )
(3)闭合线圈内有磁场,就有感应电流。( × )
(4)穿过闭合线圈的磁通量发生变化,一定能产生感应电流。( √ )
(5)闭合线圈和磁场发生相对运动,不一定能产生感应电流。( √ )
2.思维探究
(1)引起闭合电路中的磁通量变化的因素有哪些
(2)
如图所示,把一条大约10 m长电线的两端连在一个灵敏电流计的两个接线柱上,形成闭合导体回路。两个同学迅速摇动这条导线,可以发电吗 你认为两个同学沿哪个方向站立时,发电的可能性比较大
答案:(1)引起磁通量变化的因素有:①磁感应强度B发生变化;②闭合电路的面积发生变化;③磁感应强度B和线圈平面的夹角θ发生变化。
(2)可以发电。由于地磁场是南北方向的,两个同学沿东西方向站立,摇动这条导线,穿过回路的磁通量发生变化就有感应电流产生。
要点一 电磁感应现象发现的过程
(1)奥斯特发现电流的磁效应引发了怎样的思考 法拉第对此持有怎样的观点
(2)法拉第经历了大量的失败,失败的原因是什么
答案:(1)奥斯特发现电流的磁效应引发了科学家们从电流磁效应的对称角度的思考:既然电流能够引起磁针的运动,那么磁体也会使导线产生电流。法拉第坚信:磁与电之间应该有类似的“感应”。
(2)失败的主要原因在于,他认为既然奥斯特的实验表明有电流就有磁场,那么有了磁场自然就应该有电流,他在实验中用的都是恒定电流产生的磁场。
1.奥斯特的“电生磁”
电流的磁效应显示了载流导体对磁针的作用力,揭示了电现象与磁现象之间存在的某种联系。奥斯特实验中,通电导线南北方向放置,导线下面的小磁针发生偏转。
2.法拉第的“磁生电”
“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才出现的效应,法拉第把引起电流的原因概括为五类,它们都与变化和运动相联系,这就是:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。
[例1] (多选)下列说法正确的是( CD )
A.发现电磁感应现象的科学家是奥斯特,发现电流的磁效应的科学家是法拉第
B.奥斯特的思维和实践没有突破当时人类对电和磁认识的局限性
C.产生感应电流的原因都与变化或运动有关
D.电磁感应现象的发现使人们找到了“磁生电”的方法,开辟了人类的电气化时代
解析:发现电磁感应现象的科学家是法拉第。奥斯特发现了电流的磁效应,他的思维和实践突破了人类对电与磁认识的局限性,A、B错误;产生感应电流的原因都与变化或运动有关,C正确;电磁感应现象的发现,宣告了电磁学的诞生,开辟了人类的电气化时代,D正确。
要点二 感应电流的产生条件
如图所示,若将线框abcd放在如图位置,则线框上下、左右振动时,是否产生感应电流
答案:上下、左右振动时,都产生感应电流。
1.感应电流产生的两个条件:
(1)电路闭合;
(2)穿过电路的磁通量发生变化。
2.穿过闭合电路的磁通量发生变化,常见的情况有以下几种:
(1)磁感应强度B不变,线圈面积S发生变化,如闭合电路的一部分导体切割磁感线时。
(2)线圈面积S不变,磁感应强度B发生变化,如线圈与磁体之间发生相对运动时或者磁场是由通电螺线管产生而螺线管中的电流变化时。
(3)磁感应强度B和线圈面积S同时发生变化,此时可由ΔΦ=Φ1-Φ0计算并判断磁通量是否变化。
(4)线圈面积S不变,磁感应强度B也不变,但二者之间夹角发生变化,如线圈在磁场中转动时。
[例2] 下列给出了与感应电流产生条件相关的四幅情景图,其中判断正确的是( D )
A.图甲,金属圆形线圈水平放置在通电直导线的正下方,增大电流,线圈中有感应电流
B.图乙,正方形金属线圈绕竖直虚线转动的过程中,正方形线圈中持续有感应电流
C.图丙,正电荷q顺时针做减速圆周运动过程中,同心共面金属线圈中没有感应电流
D.图丁,金属杆在外力F作用下向右运动过程中,若磁场减弱,回路不一定会产生感应电流
解析:图甲,圆形线圈的放置位置使直导线电流产生的磁场穿过线圈的磁通量为零,即使增大电流,磁通量不变且保持为零,线圈中不会有感应电流产生,故选项A错误;图乙,正方形线圈由图示位置绕竖直虚线转动90°后的半个圆周内,磁通量不变且保持为零,此过程线圈中无感应电流,而在磁场中转动的半个圆周线圈中有感应电流,所以正方形线圈中无持续的感应电流,选项B错误;图丙,正电荷q顺时针做减速圆周运动表明等效电流顺时针减小,产生的磁场减弱,穿过金属线圈的磁通量发生了变化,所以线圈中有感应电流产生,选项C错误;图丁,金属杆在力F作用下向右运动过程中,闭合线圈面积增大,若磁场减弱,则穿过闭合线圈的磁通量不一定改变,回路中不一定会产生感应电流,故选项D正确。
对感应电流产生条件的两点理解
(1)在闭合回路中是否产生感应电流,取决于穿过闭合回路的磁通量是否发生变化,而不取决于穿过闭合回路磁通量的大小。
(2)闭合回路的部分导体做切割磁感线运动是引起闭合回路磁通量变化的具体形式之一。但闭合回路的部分导体做切割磁感线运动时,不一定总会引起闭合回路的磁通量变化。如图所示,矩形线框abcd在范围足够大的匀强磁场中,在垂直磁场的平面内向右平动,虽然ad、bc边都切割磁感线,但磁场穿过闭合回路abcd的磁通量没有变化,因而没有产生感应电流。
[针对训练] 下列情况能产生感应电流的是( D )
A.如图甲所示,导体AB沿着磁感线方向运动时
B.如图乙所示,条形磁体插入线圈中不动时
C.如图丙所示,小螺线管A插入大螺线管B中不动,开关S一直接通,滑动变阻器滑片的位置不变时
D.如图丙所示,小螺线管A插入大螺线管B中不动,开关S一直接通,当改变滑动变阻器滑片的位置时
解析:产生感应电流的条件是穿过闭合回路的磁通量发生变化,前提条件是电路要闭合,且闭合回路的磁通量发生变化,或者闭合回路的一部分导体做切割磁感线运动,D正确。
法拉第心系“磁生电”
1.法拉第的成功实验:法拉第发现的电磁感应使人们对电和磁内在联系的认识更加深入,宣告了电磁学作为一门统一学科的诞生,为电磁学的发展做出了重大贡献。同时也推动了电气化时代的到来。
2.法拉第对引起感应电流的原因概括
“磁生电”现象的本质特征是:变化、运动
[示例] (多选)如图是法拉第最初研究电磁感应现象的装置,下列说法正确的是( ABD )
A.当右边磁铁S极离开B端时,线圈中产生感应电流
B.当右边磁铁S极离开B端,并在B端附近运动时,线圈中产生感应电流
C.当磁铁保持图中状态不变时,线圈中有感应电流
D.当磁铁保持图中状态不变时,线圈中无感应电流
解析:当磁铁离开B端或在B端附近运动时,线圈所处位置磁场变化,穿过线圈的磁通量变化,产生感应电流,A,B正确;当磁铁保持图中状态不变时,穿过线圈的磁通量不变,线圈中无感应电流,C错误,D正确。
电磁炉
电磁炉又名电磁灶,它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生,因此热效率得到了极大的提高。电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹饪器具,由高频感应加热线圈(即励磁线圈)、高频电力转换装置、控制器及铁磁材料锅底炊具等部分组成。使用时,加热线圈中通入交变电流,线圈周围便产生一交变磁场,交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体,在锅底中产生大量涡流,从而产生烹饪所需的热。在加热过程中没有明火,因此安全、卫生。
[示例] 如图所示,A、B两线圈绕在同一个铁环上,线圈A与恒压电源连接,线圈B与灵敏电流计连接,假设此实验是在同一个不受外界磁场影响的环境中进行的,下列描述正确的是( B )
A.闭合开关瞬间,电流计指针不发生偏转
B.断开开关瞬间,电流计指针发生偏转
C.开关闭合状态下,线圈A中电流恒定,电流计指针发生偏转
D.开关断开状态下,线圈B中产生的电流很小,电流计指针不偏转
解析:在开关闭合、断开瞬间,线圈B中的磁通量会发生变化,产生了感应电流,电流计指针发生偏转,故A错误,B正确;开关闭合状态下,线圈A中电流恒定,穿过线圈B的磁通量不发生变化,没有感应电流产生,电流计指针不偏转,故C错误;开关断开状态下,线圈B中没有磁通量的变化,不会产生感应电流,故D错误。
课时作业
1.在法拉第时代,下列验证“由磁产生电”设想的实验中,能观察到感应电流的是( D )
A.将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路,然后观察电流表的变化
B.在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈,一段时间后观察电流表的变化
C.将一房间内的线圈两端与相邻房间的电流表连接,往线圈中插入条形磁铁后,再到相邻房间去观察电流表的变化
D.绕在同一铁环上的两个线圈,分别接电源和电流表,在给线圈通电或断电的瞬间,观察电流表的变化
解析:同时满足电路闭合和穿过电路的磁通量发生变化这两个条件,电路中才会产生感应电流。本题中的A,B选项都不会使得电路中的磁通量发生变化,不满足产生感应电流的条件,故A,B错误;C选项中磁铁插入线圈时,虽有短暂电流产生,但未能及时观察,C项错误;在给线圈通电、断电瞬间,会引起穿过另一线圈的磁通量发生变化,产生感应电流,因此D项正确。
2.下列现象中,属于电磁感应现象的是( D )
A.小磁针在通电导线附近发生偏转
B.通电线圈在磁场中转动
C.磁铁吸引小磁针
D.因闭合线圈在磁场中运动而产生电流
解析:因闭合线圈在磁场中运动而产生电流,是电磁感应现象,故选项D正确。
3.在电磁感应现象中,下列说法正确的是( C )
A.导体相对磁场运动,导体内一定会产生感应电流
B.导体做切割磁感线运动,导体内一定会产生感应电流
C.穿过闭合线圈的磁通量发生变化,线圈中一定有感应电流
D.闭合线圈在磁场中做切割磁感线运动,线圈中一定会产生感应电流
解析:导体相对磁场运动,若运动方向平行于磁场或没有形成闭合回路,导体内都不会产生感应电流,A错误;导体做切割磁感线运动,若没有形成闭合回路,导体内就不会产生感应电流,B错误;穿过闭合线圈的磁通量发生变化,线圈中一定有感应电流,C正确;闭合线圈在磁场中做切割磁感线运动,只要磁通量不变,就不会产生感应电流,D错误。
4.如图所示,绕在铁芯上的线圈与电源、滑动变阻器和开关组成一闭合回路,在铁芯的右端套有一个表面绝缘的铜环a,下列各种情况下铜环a中不产生感应电流的是( A )
A.线圈中通以恒定的电流
B.通电时,使滑动变阻器的滑片P匀速移动
C.通电时,使滑动变阻器的滑片P加速移动
D.将开关突然断开的瞬间
解析:线圈中通以恒定电流时,铜环a处磁场不变,穿过铜环的磁通量不变,铜环中不产生感应电流;滑动变阻器滑片移动或开关断开时,线圈中电流变化,铜环a处磁场变化,穿过铜环的磁通量变化,会产生感应电流,故选A。
5.(多选)如图所示,A、B两回路中各有一开关S1、S2,且回路A中接有电源,回路B中接有灵敏电流计,下列操作及相应的结果中可能的是( AD )
A.先闭合S2,后闭合S1的瞬间,电流计指针偏转
B.S1、S2闭合后,在断开S2的瞬间,电流计指针偏转
C.先闭合S1,后闭合S2的瞬间,电流计指针偏转
D.S1、S2闭合后,在断开S1的瞬间,电流计指针偏转
解析:回路A中有电源,当S1闭合后,回路中有电流,在回路的周围产生磁场,回路B中有磁通量,在S1闭合或断开的瞬间,回路A中的电流从无到有或从有到无,电流周围的磁场发生变化,从而使穿过回路B的磁通量发生变化,此时若S2是闭合的,则回路B中有感应电流,电流计指针偏转,所以选项A,D正确。
6.(多选)假如宇航员登月后想探测一下月球表面是否有磁场,他手边有一只灵敏电流表和一个小线圈,则下列推断不正确的是( ABD )
A.直接将电流表放于月球表面,看是否有示数来判断磁场的有无
B.将电流表与线圈组成闭合回路,使线圈沿某一方向运动,如电流表无示数,则可判断月球表面无磁场
C.将电流表与线圈组成闭合回路,使线圈沿某一方向运动,如电流表有示数,则可判断月球表面有磁场
D.将电流表与线圈组成闭合回路,使线圈在某一平面内沿各个方向运动,如电流表无示数,则可判断月球表面无磁场
解析:直接将电流表放于月球表面,没有闭合回路,不会产生感应电流,不能判定磁场的有无,选项A错误;将电流表与线圈组成闭合回路,使线圈沿某一方向运动,电流表无示数,但若使线圈沿另一方向运动,电流表可能有示数,故不能说明无磁场,选项B错误;如果线圈沿某一方向运动,电流表有示数,则说明月球表面一定有磁场,选项C正确;将电流表与线圈组成闭合回路,使线圈在某一平面内沿各个方向运动,但有可能在这个平面内磁感线与闭合回路平行,没有磁感线穿过回路,所以不能断定月球表面有无磁场,选项D错误。
7.如图所示,一通电螺线管b放在闭合金属线圈a内,螺线管的中心线正好和线圈的一条直径MN重合。要使线圈a中产生感应电流,可采用的方法有( D )
A.将螺线管在线圈a所在平面内转动
B.使螺线管上的电流发生变化
C.使线圈a以MN为轴转动
D.使线圈a以与MN垂直的一条直径为轴转动
解析:图中位置,穿过线圈a中的磁通量为零,使螺线管上的电流发生变化,或使螺线管在线圈a所在平面内转动,或使线圈a以MN为轴转动,穿过线圈中的磁通量依然总是为零,只有使线圈a以与MN垂直的一条直径为轴转动,才能改变穿过线圈中的磁通量,D项正确。
8.(多选)动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象,图甲所示是话筒原理图,图乙所示是录音机的录音、放音原理图,由图可知( ABD )
A.话筒工作时磁铁不动线圈振动而产生感应电流
B.录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流
C.录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
D.录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
解析:话筒工作时,通过闭合线圈振动改变磁通量,产生感应电流,故A正确;录音时是电生磁,即利用了电流的磁效应原理,放音时是磁生电,即利用了电磁感应原理,故B,D正确,C错误。
9.在研究电磁感应现象的实验中所用的器材如图所示。它们是:①电流计、②直流电源、③带铁芯的线圈A、④线圈B、⑤开关、⑥滑动变阻器。
(1)试按实验的要求在实物图上连线(图中已连好一根导线);
(2)怎样才能使线圈B中有感应电流产生 试举出两种方法。
解析:(1)如图所示。
(2)将断开的开关闭合;将闭合的开关断开;闭合开关后,改变滑动变阻器滑片的位置;闭合开关后,将线圈A插入线圈B;闭合开关后,将线圈A从线圈B中拔出(任选其二)。
答案:见解析
10.如图所示,有一个100匝的线圈,其横截面是边长为L=0.20 m 的正方形,放在磁感应强度B=0.50 T 的匀强磁场中,线圈平面与磁场垂直。若将这个线圈横截面的形状由正方形改变成圆形(横截面的周长不变),则在这一过程中穿过线圈的磁通量改变了多少
解析:线圈横截面为正方形时的面积
S1=L2=(0.20)2 m2=4.0×10-2 m2,
穿过线圈的磁通量
Φ1=BS1=0.50×4.0×10-2 Wb=2.0×10-2 Wb,
截面形状为圆形时,其半径r==,
截面积大小S2=π() 2= m2,
穿过线圈的磁通量
Φ2=BS2=0.50× Wb=2.55×10-2 Wb,
所以,磁通量的变化量
ΔΦ=Φ2-Φ1=(2.55-2.0)×10-2 Wb=5.5×10-3 Wb。
答案:5.5×10-3 Wb4 电磁波的发现及其应用
学习目标 成长记录
1.知道麦克斯韦电磁场理论的主要内容及重要地位。 知识点一&要点一
2.知道赫兹实验及其重要意义。 知识点一
3.知道电磁波谱及电磁波的特性。 知识点二&要点二
4.了解电磁波的应用。 知识点三&要点三
知识点一 电磁场
1.麦克斯韦的电磁场理论
(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场
①若磁场随时间变化快,产生的电场强。
②磁场随时间的变化不均匀时,产生变化的电场。
③稳定的磁场周围不产生电场。
(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场
①若电场随时间变化快,则产生的磁场强。
②若电场随时间的变化不均匀,则会产生变化的磁场。
③稳定的电场周围不产生磁场。
2.电磁场:变化的电场和变化的磁场交替产生,形成不可分割的统一体,称为电磁场。
知识点二 电磁波和电磁波谱
1.电磁波:变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远传播的,这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。
2.电磁波的速度:麦克斯韦从理论上预见了电磁波的存在,并计算出其传播速度等于光速,指出了光是电磁波的一种形态。
3.电磁波的实验证实:赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在,还用实验证明电磁波跟所有波动现象一样,能产生反射、折射、干涉、衍射等现象,从而证实了麦克斯韦的电磁场理论。
4.电磁波的波长(λ)、频率(f)、波速(c)的关系:c=λf。
5.在真空中,电磁波的速度c=3.0×108 m/s。
6.电磁波谱
(1)定义:我们按波长(或频率)的顺序把所有电磁波排列起来,称之为电磁波谱。
(2)排列:按波长由长到短依次为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
知识点三 电磁波的应用
1.利用电磁波传递信息
电磁波可以通过电缆、光缆进行有线传输,也可实现无线传输。电磁波的频率越高,相同时间内传递的信息量越大,光的频率比无线电波的频率高得多,因此光缆可以传递更多的信息。
2.利用电磁波的能量
(1)太阳光是大自然馈予我们的最常见、最普遍的电磁波能量,这种清洁能源,被我们通过不同装置转化为电能或内能。
(2)微波炉也是利用电磁波的能量来加热食物的。
1.思考判断
(1)恒定电流周围产生磁场,磁场又产生电场。( × )
(2)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s。( √ )
(3)只要有电场和磁场,就能产生电磁波。( × )
(4)电磁波在同种介质中只能沿直线传播。( × )
(5)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。( × )
2.思维探究
(1)怎样才能形成电磁波
(2)电磁场与静电场、磁场相同吗
(3)如图,中国女航天员王亚平在“天宫一号”为中小学生授课。思考一下,王亚平授课的视频是怎样传到地面上的
答案:(1)周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场,这个变化的磁场又引起新的变化的电场,在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。
(2)不同。电磁场是动态的,并且电场和磁场不可分割;静电场、磁场单独存在。
(3)通过电磁波来传递。
要点一 麦克斯韦电磁场理论的理解
空间存在如图所示的电场,那么在空间能不能产生磁场 在空间能不能形成电磁波
答案:如图所示的电场是均匀变化的,根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出新的电场,故不会产生电磁波。
1.对麦克斯韦电磁场理论的理解
恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场
2.电磁场的产生
如果在空间某处有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场,这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的,形成不可分割的统一体,这就是电磁场。
3.电磁波
变化的电场和变化的磁场总是交替产生的,并且由发生的区域向周围空间传播。电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波。
[例1] (多选)根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( BD )
A.电场一定能产生磁场,磁场也一定能产生电场
B.变化的电场一定产生磁场
C.稳定的电场也可以产生磁场
D.变化的电场和变化的磁场相互联系在一起,形成一个统一的、不可分割的电磁场
解析:根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场和变化的磁场相互联系在一起,形成一个统一的、不可分割的电磁场,D项正确;变化的电场一定产生磁场,稳定的电场不产生磁场,故A,C项错误,B项正确。
理解麦克斯韦电磁场理论的关键
(1)掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”。
(2)掌握“变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围传播”。
[针对训练1] (多选)根据麦克斯韦电磁场理论,变化的磁场可以产生电场。当产生的电场的电场线如图所示时,可能是( AC )
A.向上方向的磁场在增强
B.向上方向的磁场在减弱
C.向上方向的磁场先增强,然后反向减弱
D.向上方向的磁场先减弱,然后反向增强
解析:判断电场与磁场变化的关系仍可利用楞次定律,只不过是用电场线方向代替了电流方向。向上方向的磁场增强时,感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下,根据安培定则知感应电流方向如题图中E的方向所示,选项A正确,B错误。同理,当磁场反向即向下的磁场减弱时,也会得到如题图中E的方向,选项C正确,D错误。
要点二 电磁波的特性和应用
红外体温计不用与人体接触便可以迅速测量体温,如图所示,你知道它的工作原理吗
答案:根据体温越高,辐射红外线越强的原理。
1.电磁波的共性
(1)它们在本质上都是电磁波,它们的行为服从相同的规律,各波段之间的区别并没有绝对的意义。
(2)都遵守公式c=λf,它们在真空中的传播速度都是c=3.0×108 m/s。
(3)它们的传播都不需要介质。
2.不同电磁波的个性及其应用
类别 特点 应用
无线电波 波动性强 通信、广播、导航
红外线 热作用强 加热、遥测、遥感
可见光 感光性强 照明、照相等
紫外线 化学作用荧光效应 杀菌消毒、治疗皮肤病等
X射线 穿透力强 检查、探测、透视、治疗
γ射线 穿透力最强 探测、治疗
[例2] 有关电磁波的特性和应用,下列说法正确的是( D )
A.红外线和X射线都有很强的穿透本领,常用于医学上透视人体
B.过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康
C.电磁波中频率最大的为γ射线,用它来做衍射实验现象最明显
D.紫外线和X射线都可以使感光底片感光
解析:红外线的主要作用是热效应,也可用于遥测、遥感等,原因是其波长相对较长,容易发生衍射,且一切物体均可自发辐射红外线,A错误;紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用,常用于杀毒、防伪、使底片感光等,但过量照射对人体有害,B错误;γ射线波长最短,衍射本领最弱,贯穿本领最强,常用于金属探伤,C错误;电磁波是一种能量,均可使底片感光,D正确。
[针对训练2] (多选)关于无线电波和可见光,下列说法中正确的是( BD )
A.无线电波的频率比可见光的频率高
B.无线电波的波长比可见光的波长长
C.无线电波的传播速度比可见光的传递速度小
D.无线电波和可见光都可以传递信息
解析:根据电磁波按照波长大小的排列顺序可得出无线电波的波长大于可见光的波长,但频率低于可见光的频率,A错误,B正确;各种不同频率的电磁波在真空中的传播速度都相同,不同频率的电磁波在同一介质中的传播速度不相同,C错误;波可以传递信息,D正确。
要点三 电磁波的能量及通信
“神舟号”系列飞船的成功发射及正常运行,载人航天测控通信系统立下了很大的功劳,它通过国内外的地面测控站和遍布三大洋的4艘远洋测量船,保证地面指挥员及时与飞船取得联系。你知道各测控站点是通过什么途径对飞船传递指令的吗
答案:各测控站点和飞船之间通过发射和接收载有指令信号的电磁波实现对飞船的测控。
1.电磁波是一种物质,且具有能量。例如生活中常用微波炉来加热食物,说明微波具有能量;播音员的声音能从电台到达我们的收音机,说明电台发射的电磁波具有能量。
2.电磁波的传输:电磁波可以通过电缆、光缆进行有线传输,也可实现无线传输。电磁波的频率越高,相同时间内传递的信息量越大。
[例3] (多选)下列能说明电磁波具有能量的依据是( ACD )
A.可见光射入人的眼睛,人看到物体
B.红外线波长较长
C.通过收音机我们能听到播音员的声音
D.γ射线具有很强的贯穿能力
解析:人眼看到物体,说明人眼感受到了可见光的能量;红外线波长较长是其本身的特性;收音机能够探测到空中的无线电波,是因为收音机天线中感应出了电流,有电流就有能量;γ射线的贯穿能力强说明γ射线具有很高的能量。
[针对训练3] 下列过程中,没有直接利用电磁波的是( A )
A.电冰箱冷冻食物 B.用手机通话
C.微波炉加热食物 D.用收音机收听广播
解析:手机通话、微波炉加热食物、收音机收听广播都是利用电磁波。电冰箱冷冻食物没有用到电磁波。故A符合题意。
电磁波与声波的比较
名称 项目 电磁波 声波
不 同 点 产生 由周期性变化的电场、磁场产生 由物体的振动产生
本质 是物质,是电磁现象,是电磁振荡的传播 不是物质,是声波在介质中的传播
传播 机理 电磁场交替感应 质点间相互作用
传播 介质 不需要介质(在真空中仍可传播) 必须有介质(真空中不能传播)
速度 特点 由介质和频率决定,在真空中等于光速(c=3.0×108 m/s) 仅由介质决定
相 同 点 能量 都携带能量并传播能量
公式 v=λf
遵循 规律 均可发生反射、折射、干涉、衍射等现象
[示例] 飞机“黑匣子”在水下定位主要依靠超声波而不是无线电波。“黑匣子”入水后,超声波脉冲发生器启动,向周围水域发射信号。下列关于无线电波和超声波的说法正确的是( B )
A.均能在真空中传播
B.均能发生干涉和衍射
C.从水中进入空气传播速度均变小
D.在真空中传播速度均为3.0×108 m/s
解析:无线电波能在真空中传播,而超声波只能在介质中传播,A错误;一切波都能发生干涉和衍射现象,B正确;超声波在水中传播速度比在空气中大,无线电波在水中的传播速度比在空气中小,C错误;无线电波在真空中传播速度为3.0×108 m/s,超声波不能在真空中传播,D错误。
雷达
雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。电磁波遇到障碍物会发生反射,雷达就是利用电磁波的这个特性工作的。波长短的电磁波,传播的直线性好。有利于用电磁波定位,因此雷达用的是微波。
雷达有一个可以转动的天线,它能向一定方向发射无线电脉冲,每次发射的时间短于1 μs,两次发射的时间间隔大约是0.1 ms。这样,发射出去的无线电波遇到障碍物时,可以在这个时间间隔内反射回来被天线接收。
无线电波的传播速度是c,测出从发射无线电波到接收反射波的时间t,就可以确定障碍物的距离l,再根据发射无线电波的方向和仰角,便可以确定障碍物的位置了。实际上,障碍物的距离等数据由电子电路自动计算并在荧光屏上显示。
[示例] 某雷达工作时,发射电磁波的波长为λ=20 cm,每秒脉冲数n=5 000,每个脉冲持续时间t=0.02 μs,问电磁波的频率为多少 最大的侦察距离是多少
解析:一般电磁波在空气中的传播速度就认为等于光速c=3.0×108 m/s。由公式c=λf得f==1.5×109 Hz。
雷达工作时发射电磁脉冲,每个脉冲持续时间t=0.02 μs,在两个脉冲时间间隔内,雷达必须接收反射回来的电磁脉冲,否则会与后面的电磁脉冲重叠而影响测量。设最大侦察距离为s,而两脉冲间隔Δt= s=200 μs 0.02 μs,脉冲持续时间可以略去不计,所以
s==3×104 m。
答案:1.5×109 Hz 3×104 m
课时作业
1.(多选)关于物理学史,下列说法正确的是( AC )
A.最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特
B.电磁感应现象是库仑发现的
C.建立完整的电磁场理论的科学家是麦克斯韦
D.最早证明有电磁波存在的科学家是牛顿
解析:1820年4月,丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应;1831年,英国科学家法拉第发现了电磁感应现象;19世纪中叶,英国科学家麦克斯韦建立了经典电磁场理论;德国科学家赫兹最早证明了电磁波的存在。故A,C项正确。
2.(多选)以下关于电磁波的说法中正确的是( CD )
A.只要电场或磁场发生变化,就能产生电磁波
B.电磁波传播需要介质
C.电磁波在真空中的传播速度等于光速
D.电磁波具有能量,电磁波的传播是伴随有能量向外传递的
解析:如果电场(或磁场)是均匀变化的,产生的磁场(或电场)是稳定的,就不能再产生新的电场(或磁场),也就不能产生电磁波;电磁波的传播不需要介质;电磁波在真空中的传播速度等于光速c=3×108 m/s;电磁波具有能量,它的传播是伴随有能量传递的。故选项C,D正确。
3.下列各组电磁波,按波长由长到短的正确排列是( B )
A.γ射线、红外线、紫外线、可见光
B.红外线、可见光、紫外线、γ射线
C.可见光、红外线、紫外线、γ射线
D.紫外线、可见光、红外线、γ射线
解析:在电磁波谱中,电磁波的波长由长到短排列顺序依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线,由此可判定B正确。
4.(多选)关于电磁波谱,下列说法正确的是( ACD )
A.高原上的人皮肤黑与紫外线辐射过强有关
B.医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒
C.利用紫外线的荧光效应可设计防伪措施
D.γ射线波长比X射线波长短
解析:高原上的紫外线辐射比平原强很多,而紫外线可使皮肤变黑,A正确;紫外线有显著的化学作用,可利用紫外线消毒,B错误;在紫外线的照射下,许多物质会发出荧光,根据这个特点可以设计防伪措施,C正确;γ射线波长比X射线波长短,D正确。
5.(多选)下列关于无线电波的叙述正确的是( AD )
A.无线电波是波长从几十千米到几毫米的电磁波
B.无线电波在任何介质中传播速度均为3.0×108 m/s
C.无线电波不能产生干涉和衍射现象
D.无线电波由真空进入介质传播时,波长变短
解析:无线电波的波长是从几十千米到几毫米的电磁波,故选项A正确;干涉、衍射是一切波都具有的特性,故选项C错误;无线电波由真空进入介质时,波速变小,故选项B错误;由v=λf知,频率不变,波速变小,波长变短,故选项D正确。
6.“远望”号航天测量船通过发射和接收一种波,对“嫦娥一号”进行跟踪、测量与控制。这种波是( D )
A.红外线 B.紫外线
C.超声波 D.微波
解析:红外线的主要应用是电视机、空调的遥控器,故A错误。紫外线用来杀菌消毒,故B错误。超声波是声波,不能在真空中传播,故C错误。微波是电磁波,跟踪、测控就是利用了它,故D正确。
7.(多选)关于电磁波,下列说法正确的是( BD )
A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息
B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D.电磁波频率越高,相同时间内传递的信息量越大
解析:电磁波和声波都可以传递信息,也可以传播能量,故A错误。讲话时,将声波转化为电信号,经电路处理后,由高频电磁波发射出去,所以手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波,故B正确。太阳光中的可见光是电磁波,医院“B超”中的超声波是声波,这两种波的波速不同,故C错误。电磁波频率越高,相同时间内可承载的信息量越大,故D正确。
8.(多选)移动通信诞生于19世纪末,发展到20世纪中叶以后个人移动电话逐渐普及,下列关于移动电话功能的判断正确的是( AB )
A.移动电话可以发射电磁波
B.移动电话可以接收电磁波
C.移动电话只是一个电磁波发射器
D.移动电话只是一个电磁波接收器
解析:因为移动电话能将我们的声音信息用电磁波发射到空中,同时它也能在空中捕获电磁波,得到对方讲话的信息。所以移动电话既能发射电磁波,也能接收电磁波。故A,B正确。
9.目前雷达发出的电磁波频率多在200～1 000 MHz的范围内,下列关于电磁波的说法正确的是( D )
A.真空中,上述频率范围的电磁波的波长在30～150 m 之间
B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的
C.波长越短的电磁波越容易绕过障碍物,便于远距离传播
D.测出从发射无线电波到接收反射回来的无线电波的时间,就可以确定障碍物的距离
解析:根据λ=,电磁波频率在200～1 000 MHz 的范围内,则电磁波的波长范围在0.3～1.5 m之间,故选项A错误;依据麦克斯韦的电磁场理论,变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,故选项B错误;波长越长的电磁波越容易绕过障碍物,便于远距离传播,故选项C错误;电磁波在空气中的传播速度约为3×108 m/s,只要测出时间就可以求距离,即s=,故选项D正确。
10.(多选)蝙蝠在洞穴中飞来飞去时,它利用超声波脉冲导航非常有效,这种超声波脉冲的频率高于20 000 Hz,能持续1 ms或不到1 ms的短促发射,且每秒重复发射数次。已知蝙蝠在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑捕食的过程中,发出的超声波频率为35 000 Hz,下列说法正确的是( CD )
A.蝙蝠发出的超声波属于电磁波
B.结合题图可知超声波频率比微波频率要高
C.超声波反射前后波速大小相等
D.蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声波脉冲频率大于墙壁接收到的频率
解析:蝙蝠发出的超声波属于机械波,故A错误;微波属于无线电波,微波的频率为f== Hz=3×106 Hz,高于超声波频率35 000 Hz,故B错误;机械波的波速由介质决定,超声波反射前后波速大小相等,故C正确;由多普勒效应可知,接收到从墙壁反射回来的超声波脉冲频率大于墙壁接收到的频率,故D正确。
11.飞机失事后,为了分析事故的原因,必须寻找黑匣子,而黑匣子在30天内能以37.5 kHz的频率自动发出信号,人们就可利用探测仪查找黑匣子发出的电磁波信号来确定黑匣子的位置。那么黑匣子发出的电磁波波长是多少 若接收电路是由LC电路组成的,其中该接收装置里的电感线圈L=4.0 mH,此时产生电谐振的电容为多大 (c=3×
108 m/s)
解析:由公式c=λf得,
λ== m=8 000 m。
由公式f=得,
C=
= F
=4.5×10-9 F。
答案:8 000 m 4.5×10-9 F5 微观世界的量子化
学习目标 成长记录
1.知道光的波粒二象性及实物粒子同样具有波粒二象性。 知识点一&要点一
2.知道能量是量子化的,知道能量子的概念、普朗克常量及光子的量子化。 知识点二&要点三
3.知道能级的概念,知道能级跃迁的特点。 知识点二&要点二
(对应学生用书第84～85页)
知识点一 波粒二象性
1.光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。
2.光的波动性的证明:光能发生干涉和衍射等波特有的现象。
3.光的粒子性的证明:光电效应等现象证明了光具有粒子性。
4.光子的能量:ε=hν,其中h=6.626×10-34J·s,称为普朗克常量,最早提出量子理论的是普朗克。
5.波粒二象性并不只是光才有的特性,而是微观世界的共性,实验已证明电子、质子等实物粒子同样具有波动性。
知识点二 能量量子化
1.能级:原子的能量是量子化的,即一系列不连续的值,这些不连续的、量子化的能量值称为能级。
2.特点
(1)原子处于能量最低的状态(称为基态),这是最稳定的状态,在某些情况下(例如受到高速运动的电子的撞击等),可能会变到能量较高的状态(称为激发态)。
(2)跃迁:当氢原子的能量发生变化时,只能从某个能级“跳跃”到另一个能级,这个过程称为跃迁。
(3)原子从较低的能级跃迁到较高的能级,必须吸收能量;反之,则要释放出能量。这两个过程中吸收或释放出的能量都等于两能级的能量差。
1.思考判断
(1)光电效应证实了光具有波动性。( × )
(2)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。( √ )
(3)能量子的能量不是任意的,其大小与电磁波的频率成正比。( √ )
(4)电子吸收某种频率条件的光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态。( √ )
(5)原子从高能态向低能态跃迁时辐射任意频率的光子。( × )
2.思维探究
(1)光的衍射现象和光的干涉现象说明光具有波动性。光电效应现象说明光具有粒子性。那么光究竟是什么
(2)普朗克提出能量子的意义是什么
答案:(1)大量事实说明,光是一种波,同时也是一种粒子,光具有波粒二象性。
(2)破除了宏观世界“能量连续变化”的传统观念,揭示了微观粒子的能量是分立的。
要点一 光的波粒二象性
简述人们对光本性的认识发展过程。
1.光子是能量为hν的微粒,表现出粒子性,而光子的能量与频率ν有关,体现了波动性,所以光子是统一了波粒二象性的微粒。
2.光在不同条件下的表现不同,大量光子表现出波动性,个别光子表现出粒子性;光在传播时表现出波动性,光和其他物质相互作用时表现出粒子性;频率低的光波动性更强,频率高的光粒子性更强。
[例1] 有关光的本性,下列说法正确的是( D )
A.光既具有波动性,又具有粒子性,两种性质是不相容的
B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点
C.大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性
D.由于光既具有波动性,又具有粒子性,无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性
解析:光既具有波动性,又具有粒子性,但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现,是同一客体的两个不同侧面、不同属性,我们无法用其中的一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性。只有选项D正确。
对光的波粒二象性的理解
(1)光既有波动性又有粒子性,二者是统一的。
(2)光表现为波动性,只是光的波动性显著,粒子性不显著而已。
(3)光表现为粒子性,只是光的粒子性显著,波动性不显著而已。
[针对训练1] 对于光的波粒二象性的说法中,正确的是( D )
A.一束传播的光,有的光是波,有的光是粒子
B.光波与机械波是同样的一种波
C.光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的
D.光是一种波,同时也是一种粒子,光子说并未否定电磁说,在光子能量ε=hν中,频率ν仍表示的是波的特性
解析:光既有波动性又有粒子性,不能说有的光是波,有的光是粒子,故A错误;光波与机械波不是同一种波,故B错误;光的波动性是光本身的一种属性,不是光子间的相互作用而形成的,故C错误;光是一种波,同时也是一种粒子,光子说并未否定电磁说,在光子能量ε=hν中,ν仍表示波的特性,故D正确。
要点二 能级
如图所示,为什么原子的发射光谱是一些分立的亮线
答案:原子的能级是分立的,原子自发地从高能级向低能级跃迁释放的光子能量也是分立的,因此原子的发射光谱是一些分立的亮线。
1.能级特点:原子处于最低的能级时,原子是最稳定的;原子处于高能级时,原子是不稳定的,会向低能级跃迁。
2.原子跃迁
(1)原子处于低能级向高能级跃迁需要吸收能量,等于前后两个能级之差。
(2)原子从高能级可以自发地向低能级跃迁,跃迁释放出光子的能量等于前后两个能级之差。
3.量子力学的成就:很好地描述了微观粒子运动的规律,在现代科学技术中发挥重要作用。核能的利用,计算机和智能手机的制造,激光技术等的应用都离不开量子力学。
[例2] (多选)有关氢原子光谱的说法,正确的是( ABC )
A.氢原子的发射光谱只有一些分立的亮线
B.氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光
C.氢原子光谱说明氢原子能级是分立的
D.氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关
解析:原子的发射光谱是原子跃迁时形成的,由于原子的能级是分立的,所以氢原子的发射光谱只有一些分立的亮线,原子发出的光子的能量正好等于原子跃迁时的能级差,故氢原子只能发出特定频率的光,综上所述,选项D错误,A,B,C正确。
[针对训练2] (多选)关于原子跃迁的下列说法正确的是( BD )
A.原子可以从低能级自发地向高能级跃迁
B.原子可以自发地从高能级向低能级跃迁
C.原子跃迁释放或吸收的能量可以是任意值
D.原子跃迁释放或吸收的能量是分立的
解析:原子可以从低能级向高能级跃迁需要吸收能量,故A错误;原子可以自发地从高能级向低能级跃迁,故B正确;原子的能量是分立的,原子跃迁释放或吸收的能量等于能级差,所以也是分立的,故C错误,D正确。
对物质波的理解
物质的 分类 (1)由分子、原子、电子、质子及由这些粒子组成的物质。 (2)“场”也是物质,像电场、磁场、电磁场这种看不见的,不是由实物粒子组成的,而是一种客观存在的特殊物质
物质波的 普遍性 任何物体,都存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小的缘故
[示例] (多选)下列说法中正确的是( BD )
A.物质波属于机械波
B.物质波与机械波有本质区别
C.只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
D.德布罗意认为,任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波和它对应,这种波叫物质波
解析:物质波是一切运动着的物体所具有的波,与机械波性质不同,A错误,B正确;宏观物体也具有波动性,只是干涉、衍射现象不明显,看不出来,C错误;德布罗意认为,任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波和它对应,这种波叫物质波,D正确。
神光Ⅱ高功率激光实验装置
神光Ⅱ装置是当前我国规模最大、国际上为数不多的高性能、高功率钕玻璃激光装置。2000年运行以来性能稳定,光束质量及运行输出指标要求已与当今国际高水平的大型激光驱动器光束输出质量水平相当,具备了高水平运行的综合技术能力。该装置上进行的物理实验已取得一系列阶段性重大成果,其中惯性约束聚变直接驱动打靶,获得单发4×109中子,是国际同类装置获中子产额的最高水平,为我国惯性约束聚变研究做出了重大贡献。神光Ⅱ为我国惯性约束聚变、X射线激光、材料在极高压状态下的参数测量等前沿领域开展科学研究提供不可替代的实验手段,是该领域的重要实验平台。
[示例] 神光Ⅱ装置是国际上为数不多的高功率固体激光系统,利用它可获得能量为2 400 J、波长λ=0.35 μm的紫外激光。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则该紫外激光所含光子数为多少
解析:紫外线的波长已知,由此可求得紫外线能量子的值,再根据激光发射的总能量为2 400 J,即可求得紫外激光所含光子数,紫外激光能量子的值为
ε== J=5.68×10-19 J,
则该紫外激光所含光子数
n===4.23×1021(个)。
答案:4.23×1021个
课时作业
1.关于光子的能量,下列说法中正确的是( B )
A.光子的能量跟它的频率成反比
B.光子的能量跟它的频率成正比
C.光子的能量跟它的速度成正比
D.光子的能量跟它的速度成反比
解析:由光子的能量ε=hν可知,光子的能量与它的频率成正比,B
正确。
2.对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是( A )
A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收
B.辐射和吸收的能量可以不是某一最小值的整数倍
C.吸收的能量可以是连续的
D.辐射和吸收的能量都可以是连续的
解析:带电微粒辐射和吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸收的,是不连续的,故选项A正确,B,C,D均错误。
3.(多选)下列关于光的波粒二象性的说法中正确的是( BCD )
A.光显示粒子性时是分立而不连续的,无波动性;光显示波动性时是连续而不分立的,无粒子性
B.光的频率越高,其粒子性越明显;光的频率越低,其波动性越明显
C.光的波动性可以看作是大量光子运动的规律
D.频率大的光更容易发生光电效应
解析:光既不能看成宏观现象中的波,也不能看成微观现象中的粒子,即光具有波粒二象性,A错误;光的波动性和粒子性都与光的频率有关,随着频率的增大,波动性减弱而粒子性增强,B正确;大量光子表现出波动性,少量光子则表现出粒子性,C正确;频率大的光子能量大,更容易发生光电效应,D正确。
4.用来衡量数码相机性能的一个重要的指标就是像素,1像素可理解为光子打在光屏上的一个亮点,现知300万像素的数码相机拍出的照片比30万像素的数码相机拍出的等大的照片清晰得多,其原因可解释为( D )
A.像素的多少,与光的本质无关
B.像素少,光的波动性显著
C.像素多,说明大量光子具有粒子性
D.像素的多少能说明光具有波粒二象性,像素多,光的波动性显著
解析:根据光的波粒二象性,当光同其他物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质,少量或个别光子容易显示出光的粒子性;光在传播时,表现出波的性质,大量光子产生的效果往往显示出波动性。像素越多,光子与物质作用的个数越多,波动性越明显,照片越清晰,D正确。
5.(多选)原子的能量量子化现象是指( CD )
A.原子的能量是不可以改变的
B.原子的能量与电子的轨道无关
C.原子的能量状态是不连续的
D.原子具有分立的能级
解析:根据玻尔理论,原子处于一系列不连续的能量状态中,这些能量值称为能级,原子不同的能量状态对应不同的轨道,故选项A,B错误,C,D正确。
6.人眼对绿光较为敏感,正常人的眼睛接收到波长为 530 nm 的绿光时,只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10-34 J·s,光速为3×108 m/s,则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率约是( A )
A.2.3×10-18 W B.3.8×10-19 W
C.7.0×10-10 W D.1.2×10-18 W
解析:由于只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉,而
ε=hν=h,则P= W≈2.3×10-18 W,故A正确。
7.(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是( AD )
A.大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性
B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子
C.高频光是粒子,低频光是波
D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
解析:光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,选项D正确;大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性,选项A正确;光在传播时波动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著,选项B错误;频率高的光粒子性显著,频率低的光波动性显著,选项C错误。
8.(多选)下列说法正确的是( AB )
A.微观粒子的能量变化是跳跃式的
B.能量子与电磁波的频率成正比
C.红光的能量子比绿光大
D.电磁波波长越长,其能量子越大
解析:微观粒子的能量变化是跳跃式的,选项A正确;由ε=hν可知,能量子与电磁波的频率成正比,选项B正确;红光的频率比绿光小,由ε=hν可知,红光的能量子比绿光小,选项C错误;电磁波波长越长,其频率越小,能量子越小,选项D错误。
9.由于内部发生激烈的热核聚变,太阳每时都在向各个方向产生电磁辐射,若忽略大气的影响,在地球上垂直于太阳光的每平方米的截面上,每秒钟接收到的这种电磁辐射的总能量约为1.4×103 J。已知日地间的距离R=1.5×1011 m,普朗克常量h=6.6×10-34 J·s。假如把这种电磁辐射均看成由波长为0.55 μm的光子组成的,那么,由此估算太阳每秒钟向外辐射的光子总数的数量级约为( A )
A.1045 B.1041 C.1035 D.1030
解析:设地面上1 m2的面积上每秒接收的光子数为n,根据ν=,ε=
hν,总能量Pt=nε,其中c为真空中的光速,代入数据解得n=
3.89×1021个/m2。设想一个以太阳为球心,以日地间距离R为半径的大球面包围着太阳,大球面接收的光子数即太阳辐射的全部光子数,则所求的可见光光子数为N=n·4πR2=3.89×1021×4×3.14×
(1.5×1011)2(个)≈1×1045(个),故A正确,B,C,D错误。
10.某广播电台的发射功率为10 kW,其电磁波的波长为187.5 m。
(1)该电台每秒钟从天线发射多少个能量子
(2)若发射的能量子四面八方视为均匀的,试求在离天线2.5 km处直径为2 m的锅形天线每秒钟接收的光子个数以及接收功率。
解析:(1)每个能量子的能量
ε=hν=h= J≈1.06×10-27 J,
则每秒钟电台发射上述波长的光子数
N==个≈1×1031个。
(2)以电台发射天线为中心,则半径为R=2.5 km的球表面积S=4πR2,而接收天线的面积S′=πr2,则每秒接收能量子数
n=()×N=4×1023个,
接收功率P收=·P=4×10-4 W。
答案:(1)1×1031个
(2)4×1023个 4×10-4 W
