13.1磁场磁感线 课件 （40张PPT） 高二物理 人教版2019 必修第三册

(共40张PPT)
第十三章 电磁感应与电磁波初步
13.1 磁场 磁感线
我国春秋战国时期的一些著作已有磁石的记载和描述。指南针是我国古代四大发明之一。12 世纪初，我国已将指南针用于航海，宋俑持罗盘者就记录了这个科技史实。
你是否感受到，凡是用到电的地方，几乎都有磁现象相伴随？
你知道电和磁之间有着怎样的联系吗？
一、电和磁的联系
人们很早就发现电和磁有很多相似的特征：自然界中的磁体总存在着两个磁极，自然界中同样存在着两种电荷。同名磁极或同种电荷相互排斥，异名磁极或异种电荷相互吸引。
这种相似性是否意味着电和磁之间有某种联系呢？
库仑
安培
托马斯·杨
直到19世纪初很多著名的科学家——如库仑、安培、托马斯.杨都认为电与磁是互不相关的两回事。
在18世纪和19世纪之交，随着人们对摩擦生热及热机做功等现象认识的深化，发现自然界各种运动形式之间存在着相互联系并相互转化，那么电和磁之间也可能存在着某种联系。
丹麦科学家奥斯特坚信电和磁存在某种联系，并开始不懈的探索。由于受当时一些错误观点影响，奥斯特做了很多实验都以失败告终。
1820年4月，在一次讲课中，他偶然的把一根导线放在一个指南针的上方，通电时，磁针转动了。——首次发现了电和磁的联系。
奥斯特实验说明：电流对磁体会产生力的作用，电流具有磁效应。
电流对磁体有作用力，那么磁体对电流是否也会产生作用力呢？
自奥斯特实验之后，安培等人又做了很多实验研究。 他们发现，不仅通电导线对磁体有作用力，磁体对通电导线也有作用力。
他们还发现，任意两条通电导线之间也有作用力：
同方向的电流相互吸引，反方向的电流相互排斥。
二、磁场
像电荷间相互作用通过电场发生一样，磁体和磁体之间，磁体和通电导体之间，以及通电导体和通电导体之间的相互作用都是通过磁场发生的。
1.磁场：磁体或电流周围空间存在的一种特殊物质。磁场和电场一样是一种物质，是客观存在的。
2.基本性质：对放入其中的磁体或电流会产生力的作用。
3.磁场的方向：规定小磁针静止时N极的指向。
我们如何形象的描述磁场呢？
用铁屑的分布来反映磁场的分布
三、磁感线
像在电场中用电场线形象地描述电场一样，在磁场中，用磁感线来描述磁场。
沿磁场中的细铁屑画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟这点磁场的方向一致，这样的曲线就叫作磁感线。
磁感线的特点：
（1）磁感线上每一点的切线方向表示该点磁场的方向
（2）磁感线的疏密可以反映磁场的强弱
（3）磁场中的任何一条磁感线都是闭合曲线，磁体外部由N极到S极，磁体内部由S极到N极。
（4）任何两条磁感线都不相交
（5）磁感线是为了形象地描述磁场而假想出的曲线，其实并不存在。
四、安培定则
直线电流的磁感线是一圈圈的同心圆，这些同心圆都在跟导线垂直的平面上。实验表明，改变电流的方向，各点的磁场方向都变成相反的方向。
安培定则：用右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向。（也叫右手螺旋定则）
环形电流的磁场：
安培定则：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场的方向。
纵截面图
立体图
横截面图
通电螺旋管的磁场:
安培定则：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场的方向（N极）。
立体图
横截面图
纵截面图
等同于
如图所示，当开关闭合时
(1)判断通电螺线管的磁极；
（2）指出每个静止小磁针的N、S极。
N
S
甲
乙
丙
丁
S
N
N
N
N
在图中，已知磁场的方向，试画出产生相应磁场的电流方向
N
S
X
.
五、安培分子电流假说
1、分子电流假说：在物质内部，存在着一种环形电流——分子电流，分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极。分子电流实际上是由核外电子绕核运动形成的。
2、安培分子电流假说对一些磁现象的解释
3.安培分子电流假说意义
(1)成功的解释了磁化现象和磁体消磁现象；
(2)安培分子电流假说揭示了电和磁的本质联系；
(3)磁现象的电本质：磁铁和电流的磁场本质上都是运动电荷产生的.
地球的磁场:
1、地球是一个巨大的磁体。
2、地球周围空间存在的磁场叫地磁场。
3、地磁场的N极在地球南极附近，S极在地球北极附近。
4、地磁偏角。
我们知道，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生感应电流。那么，切割磁感线是产生感应电流的唯一方法吗？还有其他方法吗？这些方法有什么内在联系？
一、划时代的发现
奥斯特发现的电流的磁效应，震动了整个科学界，它证实电现象与磁现象是有联系的。
人们从电流磁效应的对称性角度，开始思考如下的问题：既然电流能够引起磁针的运动，那么，为什么不能用磁体使导线中产生电流呢？
联系到电流的磁效应，法拉第敏锐地觉察到，磁与电之间也应该有这种 “感应”。最初，法拉第认为，很强的磁体或很强的电流可能会在邻近的闭合导线中感应出电流。他进行了很多次尝试，经历了一次次失败，都没有得到预想的结果。
1831年，法拉第把两个线圈绕在一个铁环上 ，一个线圈接电源，另一个线圈接“电流表”。当给一个线圈通电或断电的瞬间，在另一个线圈上出现了电流。
法拉第将其发现的全部“磁生电”现象分成五类：
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。
由磁得到电的现象叫电磁感应。
电磁感应现象中产生的电流叫感应电流。
法拉第从中领悟到，“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。“磁生电”现象的本质特征是：变化、运动。
二、产生感应电流的条件
导体棒切割磁感线，才有感应电流产生。
开关的闭合、断开瞬间，滑片的移动器、A线圈的插、拔，B线圈中才有感应电流产生。
也可将线圈B换成条形磁铁插入、拔出。
分析论证：探究感应电流的产生条件
磁场强弱恒定，闭合电路包围的磁场面积变化时，电路中有感应电流产生。
线圈A中的电流变化，产生的磁场也在变化，（线圈A插入拔出），线圈B内的磁场发生变化，线圈B中有感应电流产生；
B不变，S变
S不变，B变
切割类
变化类
当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流。
Φ=BS变化
Φ变化的四种情况 B不变、S变 例:闭合电路的一部分导体切割磁感线时
B变、S不变 例:线圈与条形磁铁发生相对运动时
B和S都变 注意:此时可由ΔΦ=Φ2-Φ1计算并判断磁通量是否变化
B和S大小都不变，但二者之间的夹角变 例:线圈在匀强磁场中相对转动时
三、电磁感应现象的应用
三峡电站发电机
手摇式发电机
变压器
电磁炉
无线充电
电磁波为信息的传递插上了翅膀。广播、电视、移动通信 等通信方式，使古代人“顺风耳、千里眼”的梦想变成了现实。 那么，电磁波是怎样发现的呢？
一、电磁场
英国物理学家麦克斯韦系统地总结了人类对电磁规律的研究成果，其中有库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的奠基之功，更有他本人的创造性工作。在此基础上，他最终建立了经典电磁场理论。
在变化的磁场中放入一个闭合电路，电路里会产生感应电流。（电磁感应）
麦克斯韦认为：变化的磁场产生了电场；变化的电场产生了磁场。
按照这个理论，变化的电场和磁场总是相互联系的， 形成一个不可分割的统一的电磁场。
二、电磁波
麦克斯韦推断：如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场。于是， 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。—— 空间可能存在电磁波。
电场
电场
电场
磁场
电场
磁场
磁场
如何变化 电场 磁场
恒定 恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
均匀变化 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
非均匀变化 非均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 非均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
周期性变化 周期性变化的电场产生同频率周期性变化的磁场 周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场
声波、水波的传播都需要介质。
电磁波的传播则不需要介质，可以在真空中传播。
电磁波的速度等于光速！
光的电磁理论：光是以波动形式传播的一种电磁振动。
1886年，赫兹通过实验捕捉到了电磁波。后来他又做了大量的实验，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。
波长
波峰
波谷
在1s内有多少次波峰（或波谷）通过，波的频率就是多少。
水波不停的向远方传播，描述波传播快慢的物理量叫作波速。
在一列水波中，凸起的最高处叫作波峰； 凹下的最低处叫作波谷。相邻的两个波峰(或波谷)的距离叫作波长 。
三、电磁波谱
波速 = 波长×频率
对于电磁波，有同样的关系。如果用 λ 表示电磁波的波长，f 表示它的频率，那么，电磁波的波速 c 与 λ 、f 的关系是： v = λ f。真空中：c=3×108m/s
电磁波的频率范围很广。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波。可见光只是电磁波中的一小部分。按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来,就是电磁波谱。
从左到右，波长从大到小，频率从小到大！
不同电磁波由于具有不同的波长（或频率），因此具有不同的特性。利用这些特性，电 磁波在生产、生活中有广泛的应用。
四、电磁波的能量
风扇
波导管
磁控管
控制面板
屏蔽网
门
赫兹通过实验证实了电磁波的存在,这意味着，电磁场不仅仅是一种描述方式，而且是真正的物质存在。
生活中常用微波炉来加热食物,食物增加的能量是微波给它的，可见，电磁波具有能量。 光是一种电磁波。
六、电磁波通信
电磁波携带信息，既可以有线传播，也可以无限传播。
把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热， 并不发光。随着温度的升高，铁块会慢慢变红， 开始发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色， 直至成为黄白色。为什么会有这样的变化呢？
一、热辐射
我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。
随着温度的升高，铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。
大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。 除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。
常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光致。
如果某物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这物体称为黑体。
黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波。
黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关。
二、能量子
1900年底，普朗克作出了这样的大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε 的整数倍。例如， 可能是ε或2ε、3ε……
这个不可再分的最小能量值 ε 叫作能量子。
ε=hν
ν是电磁波的频率，
h是普朗克常量，h＝6.626 070 15×10-34 J·s
而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续（分立）的。
爱因斯坦认为：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的， 频率为ν的光的能量子为hν。叫作光子。
二、能级
微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级。
原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
氦原子光谱
氢原子能级