第三章 磁 场
第1节 磁现象和磁场
要点一 磁场的物质性
磁场是磁体、电流和运动电荷周围存在的一种特殊物质,说它“特殊”是因为它和我们常见的由分子、原子、离子组成的物质不同,它不是以微粒形式存在,而是以一种“场”的形式存在;说它是“物质”是因为它和我们常见的实物一样,具有能量,能对放入其中的磁体、电流和运动的电荷有力的作用,是不依赖于人类的意志而客观存在的特殊物质.
要点二 奥斯特实验
丹麦物理学家奥斯特做了著名的电流的磁效应的实验——奥斯特实验.
1.实验时,通电直导线要南北方向水平放置,磁针要与导线平行地放在导线的正下方或正上方,以保证电流的磁场与地磁场方向不同而使小磁针发生转动.
2.由于地磁场使磁针指向南北方向,直导线通电后小磁针改变指向说明通电直导线周围产生了磁场,即电流周围产生了磁场,也就是电流的磁效应.
1.地磁两极与地理两极一样吗?
(1)地磁的两极与地理的两极并不重合,并且地球的磁极在缓慢移动.地磁轴和地球自转轴两者的夹角约为11°.
(2)地磁场分布在磁极的四周,但地磁两极与地理两极差别不是很大,因此可用指南针判断方向.
由于磁场对运动电荷有力的作用,故射向地球的高速带电粒子,其运动方向会发生变化,不能直接到达地球.因此地磁场对地球生命有保护作用.
(3)若小磁针能浮在空中自由移动,小磁针既不是严格静止在南北方向,又不是严格的水平方向.这说明小磁针所受地磁场的作用力的方向既不是严格的南北方向,也不是严格的水平方向,但差别很小.
2.电场和磁场有哪些异同?
电场与磁场都是“场”,通过对比可加深对磁场的理解.二者的异同点列表如下:
对象内容 电场 磁场
产生 电荷周围存在电场 磁体或电流周围存在磁场
场强 大小 电场强度:E=,是反映电场性质的物理量,其中q为检验电荷 磁感应强度:B=,是反映磁场性质的物理量,其中IL为检验电流元,磁场力F的大小与电流I的方向有关,当I垂直于B时,F最大
方向 规定:正电荷在电场中某点的受力方向为该点的电场方向 规定:小磁针静止时N极在磁场中的受力方向为该点的磁场方向
相互作用 同种电荷相互排斥异种电荷相互吸引 同名磁极相互排斥异名磁极相互吸引
一、电流的磁效应
【例1】 以下说法中正确的是( )
A.磁极与磁极间的相互作用是通过磁场产生的
B.电流与电流间的相互作用是通过电场产生的
C.磁极与电流间的相互作用是通过电场与磁场共同产生的
D.磁场和电场是同一种物质
答案 A
解析 电流能够产生磁场,在电流的周围就有磁场存在,不论是磁极与磁极之间、电流与电流之间还是磁极与电流之间的相互作用,都是通过磁场产生的.磁场是一种特殊物质,它的基本性质是对放入磁场中的磁极或电流有磁场力的作用;而电场是电荷周围存在的一种特殊物质,其最基本的性质是对放入电场中的电荷有静电力的作用,因此,磁场和电场是两种不同的物质,各自具有其本身的性质.(1)电流产生的磁场与磁体产生的磁场本质相同;(2)磁极与磁极、磁极与电流、电流与电流之间的作用都是通过磁场产生的;(3)注意磁场与电场的区别.
二、地磁场
【例2】 下列说法正确的是( )
A.磁体上磁性最强的部分叫磁极,任何磁体都有两个磁极
B.磁体与磁体之间的相互作用是通过磁场而发生的
C.地球的周围存在着磁场,但地磁的两极与地理的两极并不重合,其间有一个交角这就是磁偏角,磁偏角的数值在地球上不同地点是相同的
D.在地球表面各点磁场强弱相同
答案 AB
解析 地磁场类似于条形磁铁的磁场,所以在地球表面赤道上的磁场最弱,选项D不正确.在地球上不同位置,磁偏角的数值是不同的,因此C不正确.
1.下列关于磁场的说法中正确的是( )
A.磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质
B.磁场是为了解释磁极间相互作用而人为规定的
C.磁极与磁极间是直接发生作用的
D.磁场只有在磁极与磁极、磁极与电流发生作用时才产生
答案 A
解析 磁场是客观存在于磁极或电流周围的一种物质,是不以人的意志为转移的,所以A对,B、D错;磁极与磁极之间、磁极与电流之间、电流与电流之间的作用都是通过它们的磁场发生的,并不需要物体之间直接接触,所以C是错误的.
2.奥斯特实验说明( )
A.通电导体的周围存在着磁场
B.导体的周围存在磁场
C.磁体的周围存在着磁场
D.磁场对电流有力的作用
答案 A
解析 实验中导体不通电时小磁针南北方向放置不偏转.通电后,小磁针偏转为东西方向,说明通电导体周围存在磁场,故A正确.
3.指南针本身就是一个小磁体,根据已有的磁场知识,你能分析一下,指南针为什么会指南、北吗?
答案 地磁场的南极(S极)在地球的北端(西经100.5°,北纬75.5°的北美洲帕里群岛附近),北极(N极)在地球的南端(东经139.9°,南纬66.6°的南极洲威尔斯附近).根据同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,小磁针的N极指向地理的北极附近.应注意小磁针的指向并不是正南正北,因为地磁的两极跟地理的两极并不重合,其间的夹角就是地磁偏角,简称磁偏角.
题型一 磁现象及其成因
如图1所示,
图1
质量为m的回形针系在细线下端被磁铁吸引保持静止,此时细绳与竖直方向的夹角为θ,则下列说法中正确的是( )
A.回形针静止时受到的磁体对它的磁力大小为mgtan θ
B.回形针静止时受到的细线的拉力大小为
C.现用点燃的火柴对回形针加热,过一会儿发现回形针不被磁铁吸引了.原因是回形针加热后,分子电流排列无序了
D.现用点燃的火柴对回形针加热,过一会儿发现回形针不被磁铁吸引了.原因是回形针加热后,分子电流消失了
思维步步高回形针受几个力?这几个力在数值上有什么关系?回形针为什么能够被吸引?回形针的磁性来源是什么?用点燃的火柴加热回形针对回形针有什么影响?
解析 回形针受到重力、绳子的拉力和磁力而平衡,磁力的方向并不是水平方向,所以A、B选项错.点燃火柴会使小磁针内部的分子电流无序,从而使小磁针的磁性消失,所以C对,D错.
答案 C
拓展探究关于磁场方向的说法,下列叙述正确的是( )
A.小磁针N极的指向
B.小磁针S极的受力方向
C.小磁针N极的受力方向
D.以上说法都不对
答案 C
磁体之所以能够显磁性,是因为磁体内部的分子电流规律分布,形成一个个小的规律排列的磁铁.
题型二 磁场的应用
为了使实验小车能在比较光滑的水平道路上运动,同学们设计了以下三种办法,甲同学将电扇固定在小车上,认为打开电风扇后小车会运动;乙同学要求在装着电扇的车上加个帆,并声明帆必须足够大,以集中全部风力;丙同学设想人提着强磁铁站在用钢铁材料制成的车上,如图2所示.则真正能使小车运动的设计是( )
图2
A.甲 B.乙 C.丙 D.三个都不行
思维步步高运动的条件是什么?磁铁与人之间的作用力是内力还是外力?
解析 要想使车运动起来,必须使车和外界发生相互作用,不能是车内部各部分之间发生相互作用.
答案 A
拓展探究如图3所示,
图3
A为橡胶圆盘,其盘面竖直.B为紧贴A的毛皮,在靠近盘的中轴上有一个小磁针静止于图示位置.当沿图中箭头的方向转动把手C时,小磁针将发生什么现象?
答案 见解析
解析 当转动把手时,A盘边缘处与毛皮摩擦而带有负电荷,随盘做圆周运动形成一个环形电流,电流周围产生磁场,故对小磁针有力的作用,根据安培定则可知,小磁针的N极将发生偏转,沿圆盘的中心轴的方向上,即小磁针的N极向右,S极向左.
磁现象有很多应用,其中可以利用磁体间的相互作用吸引物体或者研究受力问题.
一、选择题
1.关于宇宙中天体的磁场,下列说法正确的是( )
A.宇宙中的许多天体都有与地球相似的磁场
B.宇宙中的所有天体都有与地球相似的磁场
C.用指南针可以在任何一个天体上判别方向
D.用指南针只能在类似于地球磁场的天体上判别方向
答案 AD
解析 不但地球有磁场,宇宙中的许多天体也有磁场,但有些星球的磁场不是全球性的,指南针只能在有全球性磁场的星球上判别方向,否则指南针就不能工作.
2.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( )
①超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相同
②超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相反
③超导体使磁体处于失重状态
④超导体对磁体的磁力与磁体的重力相平衡
A.①③ B.①④ C.②③ D.②④
答案 D
解析 同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,所以电流的磁场方向和磁体的磁场方向相反.磁体悬浮在空中,重力和磁力平衡.
3.关于磁铁的两个磁极,下列说法中正确的是( )
A.可以分开
B.不能分开
C.一定条件下可以分开
D.磁铁很小时就只有一个磁极
答案 B
4.下列说法正确的是( )
A.只有磁极周围空间存在磁场
B.相互接触的两个磁体之间没有磁场力的作用
C.磁体对电流有力的作用,电流对磁体没有力的作用
D.磁体和电流之间力的作用是相互的,都是通过磁场产生力的作用
答案 D
5.地球是一个大磁体:①在地面上放置一个小磁针,小磁针的南极指向地磁场的南极;②地磁场的北极在地理南极附近;③赤道附近地磁场的方向和地面平行;④地球上任何地方的地磁场方向都是和地面平行的.以上关于地磁场的描述正确的是( )
A.①②④ B.②③④ C.①④ D.②③
答案 D
6.如图4所示,
图4
假设将一个小磁针放在地球的北极点上,那么小磁针的N极将( )
A.指北
B.指南
C.竖直向上
D.竖直向下
答案 B
解析 地理北极不是地磁S极,小磁针N极的方向和地磁感线方向同向.
7.下列所述情况,哪一种可以肯定钢棒没有磁性( )
A.将钢棒的一端接近磁针的北极,两者互相吸引,再将钢棒的另一端接近磁针的南极,两者互相排斥
B.将钢棒的一端接近磁针的北极,两者互相吸引,再将钢棒的另一端接近磁针的南极,两者仍互相吸引
C.将钢棒的一端接近磁针的北极,两者互相吸引,再将钢棒的另一端接近磁针的北极,两者仍互相吸引
D.将钢棒的一端接近磁针的北极,两者互相排斥
答案 C
二、计算论述题
8.地球是个大磁场,在地球上,指南针能指南北是因为受到什么的作用?人类将在本世纪登上火星,目前,火星上的磁场情况不明,如果现在登上火星,你认为在火星上的宇航员能依靠指南针来导向吗?
答案 地磁场 不能
解析 地球周围有磁场,指南针就是因为受到地磁场的作用力而指南的.火星上磁场情况不明,不能用指南针来导向.
9.动手试一试:如图5,
图5
把一条通电导线平行地放在小磁针的上方,我们发现小磁针发生偏转.当改用两节或者更多的电池时,小磁针偏转的快慢有什么变化?把小磁针放在距离导线稍远的地方进行实验,小磁针偏转的快慢又有什么变化?如果把导线放在与小磁针垂直的上方进行实验,小磁针的偏转又如何?动脑想一想:小磁针的偏转意味着什么?小磁针静止时的指向意味着什么?小磁针偏转的快慢不同又意味着什么?
答案 变快 变慢 不偏转 小磁针偏转意味着所在处的磁场发生了变化,即电流产生了磁场 小磁针静止时的指向与所在处磁场的方向有关,也即磁场是有方向的 小磁针偏转的快慢不同意味着所在处的磁场的强弱的不同,也即磁场是有强弱之分的.
10.阅读下面的材料,并回答问题:
磁力对大脑的影响
美国佐治亚州亚特兰大E—mory大学的神经学专家查尔斯做了一个实验.查尔斯让他的同事拉赫大声地数数,而他将一个手机大小的磁线圈对准拉赫的前额.“一、二、三”,拉赫数着.但当查尔斯把线圈开关打开后,拉赫很快就说不出话了,而是含混地重复着类似“四”的声音.查尔斯把开关关上后,拉赫又“四、五、六”地数下去了.
太奇怪了!拉赫说:“单词就在嘴边却说不出来,和做梦时手脚不听使唤的感觉一样.”
在这个实验中,查尔斯通过磁场刺激,影响了拉赫的一部分大脑.他使用的方法叫穿颅磁力刺激法,简称TMS.TMS的工作原理非常简单:8字形线圈内短暂电流在千分之一秒内产生强磁场,它在小范围内又产生一个电场,作用于大脑表皮下几厘米的地方,从而使大脑的神经细胞反应异常.
科学家们一直致力于电磁场对大脑活动影响的研究.TMS可用来刺激运动神经,从而测试受损的大脑和脊椎,并用来治疗抑郁症.通过研究还发现大脑某个特定部位的活动,决定了某一特定的感觉和行为,这是解开大脑如何动作和思维之谜的第一步.手机振铃声刚结束时,天线附近电磁场最强,鉴于磁力对大脑的影响,科学家建议不要在振铃声结束后立即接听,应停顿几秒再接听,影响要小得多.
物理是一门实验科学,只有不断实验、实践,才能推动它不断完善、前进.阅读完以上材料,说明磁场对大脑产生了怎样的影响?在日常生活中我们应注意些什么问题?
答案 磁场对大脑产生了重大影响,使大脑的神经细胞反应异常.日常生活中我们应注意远离磁场源,如变压器、高压输电线,手机振铃结束停几秒再接听.