沪教版高中物理选修3-1 5.3 探究电流周围的磁场_学案1

探究电流周围的磁场

【学习目标】
1．了解直线、通电线圈的磁感线分布，并会运用安培定则判定电流的磁场方向。
2．知道磁现象的电本质，了解安培分子电流假说。
【学习重难点】
了解直线、通电线圈的磁感线分布，并会运用安培定则判定电流的磁场方向。
【学习过程】
一、知识储备
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现通电导线也能使小磁针偏转，揭示了电与磁的联系。
（一）电流的磁场
电流的磁场可以用 来判定
1．直线电流的磁场：用右手握住导线，让大拇指指向 的方向，则弯曲的四指所指的方向就是 的环绕方向。
2．环形电流的磁场：环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的 。在环形导线的中心轴线上，磁感线和环形导线的平面 。
3．通电螺线管的磁场：通电螺线管外部磁感线和 外部的磁感线相似，也是从 出来，进入 。螺线管
内中间部分的磁感线跟螺线管方向由 指向 ，并和外部磁感线连接，形成 曲线。长直通电螺线管内中间部分的磁场近似为 磁场
（二）探究磁现象的本质
1821年，安培提出了，他认为，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，分子电流使每个物质微粒都成为微小的 ，分子电流的两侧相当于两个 。
安培的分子电流假设揭示了 的起源，即磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由 产生的。
二、合作探究
（一）电流的磁场
[问题设计]
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流周围存在磁场，电流周围的磁场具有什么特征？仔细观察实验，说明电流的磁场的特点。
（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 见要点提炼。
[要点提炼]
电流周围的磁感线方向可根据安培定则判断。
1．直线电流的磁场：以导线上任意点为圆心的同心圆，越向外越疏。(如图1所示)

图1
2．环形电流的磁场：内部比外部强，磁感线越向外越疏。(如图2所示)

图2
3．通电螺线管的磁场：内部为 磁场，且内部比外部强。内部磁感线方向由 指向 ，外部由 指向 。(如图3所示)

图3
（二）探究磁现象的本质
[问题设计]
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。
[要点提炼]
1．安培分子电流假说
安培认为，物质微粒内的分子电流使它们相当于一个个的 (如图4)。

图4
2．当铁棒中分子电流的取向 时，铁棒对外显磁性(如图5甲)；当铁棒中分子电流的取向变得 时，铁棒对外不显磁性(如图乙)。

图5
3．安培分子电流假说说明一切磁现象都是由 产生的。
三、典例分析
（一）对安培定则的理解与应用
例1 如图6所示，a是直线电流的磁场，b是环形电流的磁场，c是通电螺线管电流的磁场，试在各图中补画出电流方向或磁感线方向。

图6
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中电流方向为逆时针方向，c中螺线管内部磁感线方向向左。
答案 见解析
针对训练 如图，当开关S闭合后，小磁针处在通电电流的磁场中的位置正确的是( )

答案 D
解析 依据安培定则，判断出电流的磁场方向；再根据小磁针静止时N极的指向为磁场的方向，判知D正确。
（二）磁感应强度矢量的叠加
例2 如图所示，两个完全相同的通电圆环A、B圆心O重合、圆面相互垂直的放置，通电电流相同，电流方向如图所示，设每个圆环在其圆心O处独立产生的磁感应强度都为B0，则O处的磁感应强度大小为( )
A．0 B．2B0
C．B0 D．无法确定
解析 A通电圆环在O由安培定则可知垂直纸面向里，大小为B0，同理由安培定则知B圆环在O点处产生的磁场方向竖直向下，大小也为B0.所以O点合磁场的磁感应强度大小为B0，选项C正确。
答案 C
三、对磁现象的本质的认识
例3 关于磁现象的电本质，下列说法正确的是( )
A．除永久磁铁外，一切磁场都是由运动电荷或电流产生的
B．根据安培的分子电流假说，在外磁场作用下，物体内部分子电流取向变得大致相同时，物体就被磁化了，两端形成磁极
C．一切磁现象都起源于电流或运动电荷，一切磁作用都是电流或运动电荷之间通过磁场而发生的相互作用
D．磁就是电，电就是磁；有磁必有电，有电必有磁
解析 永久磁铁的磁场也是由的。故A错误。没有磁性的物体内部分子电流的取向是杂乱无章的，分子电流产生的磁场相互抵消，但当受到外界磁场的作用力时分子电流的取向变得大致相同时分子电流产生的磁场相互加强，物体就被磁化了，两端形成磁极。故B正确。由安培分子电流假说知C正确。磁和电是两种不同的物质，故磁是磁，电是电。有变化的电场或运动的电荷就能产生磁场，但静止的电荷不能产生磁场，恒定的电场不能产生磁场，同样恒定磁场也不能产生电场，故D错误。
答案 BC
四、课堂小结

五、课堂检测
1．(安培定则的理解与应用)如图所示为电流产生磁场的分布图，正确的分布图是( )

A．①③ B．②③ C．①④ D．②④
答案 C
解析 由安培定则可以产生的磁场方向，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．
2． A、B、C三枚小磁针分别在通电螺线管的正上方、管内和右侧，当这些小磁针静止时，小磁针N极的指向是( )

A．A、B、C均向左
B．A、B、C均向右
C．a向左，b向右，c向右
D．a向右，b向左，c向右
答案 C
解析 小磁针静止时N极的方向相同，如果A、B、C三处磁感线方向确定，那么三枚磁针静止时N极的指向也就确定。所以，只要画出通电螺线管的
磁感线如图所示，即可知a磁针的N极在左边，b磁针的N极在右边，c磁针的N极在右边。
3．如图所示，A、B两根垂直纸面的直导体通有大小相等的电流，两导线旁有一点P，P点到A、B距离相等，要使P点的磁场方向向右，则A、B中电流的方向为( )
A．都垂直于纸面向纸里
B．都垂直于纸面向纸外
C．a中电流垂直于纸面向外，b中电流垂直于纸面向里
D．a中电流垂直于纸面向里，b中电流垂直于纸面向外
答案 C
解析 根据矢量合成可知磁场方向沿aP连线的垂线向上，b在P点的磁场方向沿bP连线的垂线向下，再由安培定则判断得：a中电流垂直于纸面向外，b中电流垂直于纸面向里，C正确。
4．(对磁现象的本质的认识)用安培提出的分子电流假说可以解释的现象是( )
A．永久磁铁的磁场 B．直线电流的磁场
C．环形电流的磁场 D．软铁棒被磁化的现象
答案 AD
解析 安培为解释磁体的磁现象而提出来的，所以选项A．D是正确的；而通电导线周围的磁场是由其内部自由电荷定向移动产生的宏观电流而产生的。分子电流和宏观电流虽然都是运动电荷引起的，但产生的原因是不同的，故正确答案为A．D．
【达标检测】
题组一 对安培定则的理解与应用
1．如图所示，小磁针与小磁针平行，当导线中有电流时，小磁针会发生偏转。首先观察到这个实验现象的物理学家和观察到的现象是( )
A．物理学家伽利略，小磁针的N极垂直转向纸内
B．天文学家开普勒，小磁针的S极垂直转向纸内
C．物理学家牛顿，但小磁针静止不动
D．物理学家奥斯特，小磁针的N极垂直转向纸内
答案 D
解析 发现电流的磁效应的科学家是奥斯特，根据右手螺旋定则和小磁针N极所指的方向为该点磁场方向可知D对；故选D．
2．下列各图中，已标出电流及电流磁场的方向，其中正确的是( )

答案 D
解析 电流与电流磁场的是右手螺旋定则判断，大拇指指向直导线电流方向，四指指向磁感线方向，因此A、B错；对于螺线管和环形电流中，四指弯曲方向为电流方向，大拇指指向内部磁场方向，故选D
3．如图所示的螺线管内放置一小磁针，下列判断正确的是( )
A．电源A端为正、B端为负，线圈右端为S极，左端为N极
B．电源A端为负、B端为正，线圈右端为S极，左端为N极
C．电源A端为负、B端为正，线圈右端为N极，左端为S极
D．电源A端为正、B端为负，线圈右端为N极，左端为S极
答案 B
解析 由小磁针N极的内磁感线的方向为从右向左，再根据安培定则，确定在电源外部电流方向由B指向A，电源B端为正，线圈左端为N极，故B正确。
题组二 对磁现象的本质的认识
4．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
5．磁铁在高温下或者受到敲击时会失去磁性，根据安培的分子电流假说，其原因是( )
A．分子电流消失
B．分子电流的取向变得大致相同
C．分子电流的取向变得杂乱
D．分子电流的强度减弱
答案 C
解析 由于高温或猛烈的敲击，会使原来取向一致的分子电流变得杂乱，从而失去磁性，故C选项正确。
题组三 磁感应强度矢量的叠加
6．取两个，用其中一根绕成如图甲所示的螺线管，当该螺线管中通以电流强度为I的电流时，测得螺线管内中部的磁感应强度大小为B，若将另一根长导线对折后绕成如图乙所示的螺旋管，并通以电流强度也为I的电流时，则在螺线管内中部的磁感应强度大小为( )

A．0 B．0.5B C．B D．2B
答案 A
解析 用双线绕成的螺丝管，双线中的电流刚好相反，其在周围空间产生的磁场相互抵消，所以螺线管内中部磁感应强度为零。
7．分别置于A、B垂直纸面放置，通有大小相等的恒定电流，方向如图所示，A、B、C、D在一条直线上，且ac＝cb＝bD．已知c点的磁感应强度大小为B1，d点的磁感应强度大小为B2．若将b处导线的电流切断，则( )

A．c点的磁感应强度大小变为B1，d点的磁感应强度大小变为B1－B2
B、C点的磁感应强度大小变为B1，d点的磁感应强度大小变为B2－B1
C．c点的磁感应强度大小变为B1－B2，d点的磁感应强度大小变为B1－B2
D．c点的磁感应强度大小变为B1－B2，d点的磁感应强度大小变为B2－B1
答案 A
解析 设a导线在c点的磁感应强度大小为B，在d点的磁感应强度大小为B′。
根据右手螺旋定则有：B1＝2B
B2＝B－B′
联立两式解得B＝B1，B′＝B1－B2．故A正确，B、C、D错误。
8．如图所示，两根相互平行的长上的M、N两点，且与纸面垂直，导线中通有大小相等、方向相反的电流。A．O、b在M、N的连线上，O为MN的中点，C、D位于MN的中垂线上，且A、B、C、D到O点的距离均相等。关于以上几点处的磁场，下列说法正确的是( )
A．O点处的磁感应强度为零
B．A、B两点处的磁感应强度大小相等，方向相反
C．C、D两点处的磁感应强度大小相等，方向相同
D．A．c两点处磁感应强度的方向不同
答案 C
解析 根据安培定则判断矢量的合成知识求解。根据安培定则判断：两直线电流在O点产生的磁场方向均垂直于MN向下，O点的磁感应强度不为零，故A选项错误；A、B两点的磁感应强度大小相等，方向相同，故B选项错误；根据对称性，C、D两点处的磁感应强度大小相等，方向相同，故C选项正确；A．c两点的磁感应强度方向相同，故D选项错误。