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第2章 打开电磁联系的大门
第2章 打开电磁联系的大门
新知初探,自学导引
梳理知识·夯实基础
要点突破·思维启动
突破疑难·讲练提升
典题示例·讲练互动
以例说法·触类旁通
x××
乙
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戊
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乙
辑聿⑨@⊙
戊(共23张PPT)
电磁铁
夹钳
金属弹簧片
衔铁
力断续器
小锤
铃铛揭示电磁联系的第一个实验
1．了解人类发现电流磁效应的历史过程，体验科学家不畏艰辛、勇于探索与创新的精神． 2．通过观察电流周围小磁针偏转的实验，描绘直线电流、环形电流和通电螺线管周围的磁场分布，培养观察与表达能力． 3．知道安培定则，能用安培定则判定电流周围磁场的磁感线方向． 4．了解各种形式的磁记录技术的应用．
一、吉尔伯特的断言
英国的吉尔伯特花了18年的时间做了许多关于电和磁的实验，他的巨著《论磁》是物理学史上一部系统阐述磁现象的科学著作．由于时代的局限性，吉尔伯特认为电与磁是两种截然无关的现象．
二、奥斯特的探索
1．电与磁存在联系：丹麦物理学家奥斯特深受康德哲学思想的影响，坚信自然力统一，电与磁一定存在着某种联系，电一定能够转化为磁．
2．1820年首次实验成功：通过实验的方式得出了通电导线的周围存在着磁场，从而揭示了电与磁的内在联系．
3．重要意义：它不仅揭示了电与磁的内在联系，而且为电与磁的新应用拉开了序幕．法国物理学家安培深受启发，研究提出了安培定律，奠定了电动力学的基础．
三、安培的贡献
电流的周围存在着磁场，电流磁场的方向可用安培定则来判定．
1．直线电流的磁场
安培定则：用右手握住通电直导线，使伸直的拇指方向与电流的方向一致，则四指弯曲的方向就是电流周围磁感线的环绕方向．
2．环形电流的磁场
安培定则：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是环形载流导线中心轴线上磁感线的方向．
3．通电螺线管的磁场
安培定则：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，则拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向．也就是说，拇指指向通电螺线管磁场的北极．
常见的电流周围磁场的分布及应用
安培定则与电流的磁场
(1)直线电流磁场
安培定则：用右手握住通电直导线，使伸直拇指的方向与电流的方向一致，则四指弯曲的方向就是电流周围磁感线的环绕方向．如图所示．
直线电流的磁感线是以导线上各点为圆心的同心圆．特点：无磁极，非匀强，且距导线越远处磁场越弱；直线电流磁场的磁感线的立体图、横截面图、纵截面图如图所示．
(2)环形电流的磁场：四指绕向为电流方向，则伸直的拇指方向即为环形电流中心轴线上磁感线的方向如图所示．
特点：环形电流的两侧是N极和S极，且离圆环中心越远，磁场越弱；环形电流磁场的磁感线的立体图、横截面图、纵截面图如图所示．
(3)通电螺线管的磁场：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，则拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，如图所示．
特点：与条形磁铁的磁场相似，两端分别是N极和S极，管内为匀强磁场，且磁场最强，管外为非匀强磁场；通电螺线管磁场的磁感线的立体图、横截面图、纵截面图如图所示．
(1)磁场分布在立体空间内，要熟练掌握常见磁场分布的各种视图．
(2)在运用安培定则判定直线电流和环形电流的磁场时应分清“因”和“果”的关系，在判定直线电流的磁场方向时，大拇指指“原因”——电流方向，四指指“结果”——磁感线绕向；在判定环形电流磁场方向时，四指指“原因”——电流绕向，大拇指指“结果”——环内沿中心轴线的磁感线方向．
(3)环形电流的磁场，在宏观上可看作单匝螺线管的磁场，在微观上可看成无数段很短的直线电流的磁场的叠加．
题型1 安培定则的应用
如图所示，甲、乙是直线电流的磁场，丙、丁是环形电流的磁场，戊、己是通电螺线管电流的磁场，试在图中补画出电流的方向或磁感线方向．
[思路点拨] 根据安培定则分析，注意“四指”和“大拇指”的用途和代表的意义．
[解析] 根据安培定则，可以确定甲图中电流方向垂直纸面向里，乙图中电流的方向从下向上，丙图中电流方向是逆时针，丁图中磁感线的方向向下，戊图中磁感线的方向向右，己图中磁感线的方向向右．
[答案] 见解析
直线电流的磁场、环形电流的磁场、通电螺线管的磁场都可通过安培定则判断，若知道了电流磁场的方向，也可以反过来判断电流的方向，若是自由电荷做定向移动时形成“等效电流”，也可用来判断“等效电流”的磁场．
1．有一束电子流沿x轴的正方向高速运动，如图所示，电子流在z轴上的P点处所产生的磁场方向沿( )
A．y轴正方向 B．y轴负方向
C．z轴正方向 D．z轴负方向
解析：选A．正电荷定向移动的方向规定为电流的方向，电子束沿x轴的正方向运动，所以电流的方向沿x轴负方向，根据安培定则可判知，磁感线应为以x轴上各点为圆心的同心圆．在z轴上P点的磁场方向沿y轴正方向，故选项A正确．
题型2 小磁针指向判断
如图所示，一束带电粒子在水平方向上沿虚线飞过磁针上方，并与磁针方向平行，能使磁针N极转向读者，那么这束带电粒子可能是( )
A．向右飞的正离子 B．向左飞的负离子
C．向右飞的负离子 D．向左飞的正离子
[思路点拨] 电荷的定向移动形成电流，小磁针上方存在带电粒子的定向移动，类似于通电直导线形成的磁场，利用安培定则判断即可．
[解析] 带电粒子在水平方向沿虚线飞过小磁针上方，能使小磁针的N极转向读者，这说明该等效电流产生的磁场在小磁针所在处是垂直于纸面指向读者，根据安培定则可判定电流方向水平向左，又根据电流的方向与正电荷定向移动的方向相同，与负电荷定向移动的方向相反，可判定C、D选项正确．故选CD．
[答案] CD
电荷的定向移动形成电流，根据安培定则判定小磁针所在位置电流所形成的磁场方向．
2．电路没接通时三个小磁针方向如图，接通电路后确定三个磁针的转向及最后N极的指向．
解析：接通电路后，画出螺线管产生的磁场的磁感线，标出1、2、3处的磁感线方向，根据小磁针静止时N极指向与磁感线方向相同，即可判定小磁针的转动情况及指向．
答案：小磁针1逆时针转动 指左
小磁针2顺时针转动 指右
小磁针3顺时针转动 指右
[随堂检测]
1．在做“奥斯特实验”时，下列操作中现象最明显的是( )
A．沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的延长线上
B．沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的正下方
C．电流沿南北方向放置在磁针的正上方
D．电流沿东西方向放置在磁针的正上方
解析：选C．把导线沿南北方向放置在地磁场中处于静止状态的磁针的正上方，通电时磁针发生明显的偏转．如果电流产生的磁场与地磁场方向相同，那么就不会看到小磁针的偏转．
2．下列哪些物体周围一定存在着磁场( )
A．地球 B．通电导线
C．电子束 D．静止的带电金属球
解析：选ABC．磁体和电流周围存在磁场，地球是磁体，故A、B正确，电荷的定向移动形成电流，电子束是定向移动的负电荷，C正确．
3．下列各图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
解析：选C．根据安培安则可知，①④正确．
4．根据图中标出的磁场方向，在图上画出通电导线中电流的方向．
解析：由安培定则可判定甲图中电流方向由b到a，乙图中电流方向由a到b，丙图中电流方向由a到b．
答案：见解析
5．如图所示，环形导线的A、B处另用导线与直导线ab相连，
(1)图中标出了环形电流磁场的方向，则C和D接电源正极的是________；
(2)放在ab下方的小磁针的________极转向纸外．
解析：环形导线部分已知磁场方向，由安培定则可知环形导线中的电流方向为顺时针，因此C端接电源正极．由环形电流方向可知直导线ab中电流方向为b→a，由安培定则可知，ab下方小磁针处磁场方向垂直纸面向外，N极受力向外，因此N极转向纸外．
答案：(1)C (2)N
[课时作业][学生用书P72(单独成册)]
一、选择题
1．首先发现通电导线周围存在磁场的物理学家是( )
A．安培 B．法拉第
C．奥斯特 D．特斯拉
答案：C
2．人们早在公元前6、7世纪就发现了磁石吸铁、磁石指南等现象，如图所示是最早的指南仪器——司南，形似勺子．勺柄是其南极，则司南静止时，勺柄所指的方向是( )
A．东方 B．北方
C．西方 D．南方
解析：选D．地球磁场的地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近．由于司南勺柄是其南极，静止时应指向地磁北极，即指向地理南极．
3．如图所示，在水平直导线正下方，放一个可以自由转动的小磁针，现给直导线通以向右的恒定电流，不计其他磁场的影响，则下列说法正确的是( )
A．小磁针保持不动
B．小磁针的N极将向下转动
C．小磁针的N极将垂直于纸面向里转动
D．小磁针的N极将垂直于纸面向外转动
解析：选C．根据安培定则通电导线下方磁场垂直纸面向里，故小磁针N极受力方向垂直纸面向里，选项C正确．
4．如图所示是云层之间闪电的模拟图，图中A、B是位于南、北方向带有电荷的两块阴雨云，在放电的过程中，在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( )
A．带同种电荷 B．带异种电荷
C．B带正电 D．A带正电
解析：选BD．两云之间放电，说明它们带有异种电荷，故A选项错误，B选项正确，小磁针N极向里，说明电流上方磁感线(磁场)方向向里，由安培定则可判定电流由A向B，故A带正电，B带负电，所以C选项错误，D选项正确．
5．如图所示，带负电的金属环绕轴OO′以角速度ω匀速旋转，在环左侧轴线上原小磁针最后平衡的位置是( )
A．N极竖直向上
B．N极竖直向下
C．N极沿轴线向左
D．N极沿轴线向右
解析：选D．带负电的金属环匀速旋转，形成与转动方向相反的环形电流，由安培定则可判定金属环中心轴的磁场方向沿轴线向右，因此小磁针静止时N极沿轴线向右，故D项正确．
6．正在通电的条形电磁铁的铁心突然断成两截，则两截铁心将( )
A．互相吸引 B．互相排斥
C．不发生相互作用 D．无法判断
解析：选A．磁体断开后就成为两个磁体，靠近的磁极相反，相互吸引．
7．如图中，已标出电流I和该电流产生的磁感线的方向，其中符合安培定则的是( )
解析：选C．根据安培定则可知选项C正确．
8．在通电螺线管的磁场中，放有两个小磁针，当小磁针静止时，N极指向正确的是( )
解析：选D．根据安培定则，可判定螺线管内部磁感线的方向，进而确定外部磁感线的方向．当小磁针静止时，N极所指的方向就是该处磁感线的方向，可知D项正确．
二、非选择题
9．在蹄形铁心上绕有线圈，如图所示，根据小磁针的指向，画出线圈的绕线方向．
解析：首先由小磁针静止时N极的指向可以确定，绕在蹄形铁心上的线圈通电后，产生磁场的磁感线，是从铁心左方到右方，即蹄形铁心左方为N极，右方为S极，再根据电源标出电流方向，铁心左方上端为N极，由安培定则可知，铁心左方线圈中电流方向如图所示，由此可知左侧线圈的绕线方向如图所示．同理，铁心右方上端为S极，根据安培定则可知，线圈中电流方向如图所示，故线圈绕线方向如图所示．
答案：见解析
10．直流电铃原理如图所示．当电路接通时，金属弹簧片上的衔铁受到电磁铁的吸引，使附着的小锤敲响铃铛发出声音；同时，电路在断续器的触点处断开，电磁铁磁性消失，金属弹簧片回到原来的位置，使电路再次接通．此过程反复循环，小锤便不断敲铃．想想看，电铃中的电磁铁能用永磁铁代替吗？
解析：不能．电铃是利用电磁铁在接通与切断电流时能够控制其磁性有无的特点制成的．如果换成永磁铁，当金属弹簧片上的衔铁受到永磁铁的吸引，使小锤敲响铃铛发出一次声音后，由于永磁铁磁性不消失，衔铁保持不动，小锤不会再敲击铃铛，便不能再发出声音．
答案：见解析
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