高中物理第5章磁场与回旋加速器5.1磁与人类文明5.2怎样描述磁场学案沪科版选修22

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根据安培假设的思想，认为磁场是由于运动电荷产生的，这 种思想如果对地磁场也适用，而目前在地球上并没有发现相 对地球定向移动的电荷，那么由此推断，地球应该带什么电 呢？ 提示：根据地磁分布和安培定则知地球应带负电.
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学案导引
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解析：选 ABD．小磁针 N 极受力方向是该点的磁感应强度方 向，由安培定则及地磁场、条形磁铁、蹄形磁铁磁场分布可 知选项 A、B、D 正确.
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学案导引
探究磁现象的本质
安培如何从分子电流的角度理解铁棒被磁化或被消磁的？ 1.安培分子电流假说内容
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2.(多选)用安培分子电流假说可以解释下列 哪些现象( ) 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
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解析：选 AD．安培分子电流假说是为解释磁体的磁现象而 提出的，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形成的宏观电流产生的.分子电 流和宏观电流虽然都是由运动电荷引起的，但产生的原因是 不同的.
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安培定则
立体图
横截面图 纵截面图
环
形
电
流
内部磁场比环外强，磁感线越向外越稀疏
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安培定则 立体图 横截面图
纵截面图
通

5.3 探究电流周围的磁场1．电流的磁场电流周围产生的磁场的方向可以用安培定则(右手螺旋定则)来判定。

直线电流的磁场(1)判断通电直导线周围的磁场：用右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向跟电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的方向。

(2)环形电流的磁场。

预习交流1环形电流的方向跟中心轴上的磁感线方向之间有什么关系？怎样判断环形电流的磁感线的方向？答案：垂直。

环形电流的磁感线方向用安培定则判断：如图所示，右手弯曲的四指指向环形电流的方向，则伸直的拇指所指的方向是环形导线中心轴线处的磁感线方向。

(3)通电螺线管的磁场。

预习交流2通电螺线管的磁场也可以用安培定则来判断，请参见如图判断通电螺线管内部的磁感线的方向。

答案：用右手握住螺线管，让弯曲四指所指的方向跟电流的方向一致，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的北极。

2．探究磁现象的本质安培分子电流假设：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磁体，分子的两侧相当于两个磁极。

预习交流3假设地球的磁场是由于地球带某种电荷而又绕地轴自转产生的，你认为地球带有什么电荷？答案：由于地理北极在地磁南极附近，故地球内部磁场方向是由北指向南，而地球自转方向是自西向东转，据安培定则知地球应带负电荷。

一、电流的磁场如图所示，环形导线中有一小磁针，未通电时如图放置，通电后的转向及最后N极的指向将怎样？答案：线圈通电后形成顺时针电流，由安培定则可判断线圈形成的磁场方向为线圈内垂直纸面向里，线圈外为垂直纸面向外。

小磁针北极指向磁场方向，所以北极向纸内转动。

如图中，a、b是直线电流的磁场，c、d是环形电流的磁场，e、f是螺线管电流的磁场，试在各图中补画出电流方向或磁感线方向。

答案：见解析解析：根据安培定则，可以确定a中电流方向垂直纸面向里，b中电流的方向从下向上，c中电流方向是逆时针，d中磁感线的方向向下，e中磁感线方向向左，f中磁感线的方向向右。

5.6 洛伦兹力与现代科技1．回旋加速器的原理使带电粒子(例如电子、质子、α粒子等)获得高能量的设备就是加速器。

回旋加速器：它由两个正对的D 形扁盒组成，两D 形扁盒之间有一个狭缝，置于真空中，两狭缝间加高频交流电压。

垂直于D 形盒平面加匀强磁场。

D 形金属扁盒屏蔽了外电场，确保盒内带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。

预习交流1同一种带电粒子以不同的速度垂直磁场边界、垂直磁感线射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知：(1)带电粒子进入磁场的速度值有几个？ (2)这些速度的大小关系为________。

(3)三束粒子从O 点出发分别到达1、2、3点所用时间关系为__________。

答案：(1)同一种带电粒子进入同一磁场，速度不同使轨道半径不同，故带电粒子进入磁场的速度值有三个。

(2)r 1＜r 2＜r 3，由r ＝mv Bq，得v 1＜v 2＜v 3。

(3)周期T 1＝T 2＝T 3，轨迹均为半圆，所用时间为半个周期，故时间关系为t 1＝t 2＝t 3。

2．质谱仪是一种分析各化学元素的同位素和测量带电粒子质量的精密仪器。

预习交流2如图所示，空间有磁感应强度为B 、方向垂直纸面向里的匀强磁场，一束电子流以速度v 从水平方向射入，为了使电子流经过磁场时不偏转(不计重力)，则在磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，这个电场的场强的大小和方向应是 。

A ．B /v ，竖直向上 B ．B /v ，方向水平向左C ．Bv ，竖直向下D ．Bv ，竖直向上答案：C一、回旋加速器在现代物理学中，人们为探索原子核内部的构造，需要用能量很高的带电粒子去轰击原子核。

美国物理学家劳伦斯于1932年发明了回旋加速器，巧妙地利用较低的高频电源对粒子多次加速使之获得巨大能量。

那么回旋回速器的工作原理是什么呢？答案：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D 形盒和其间的窄缝内完成，如图所示。

学案2 探究电流周围的磁场[学习方针定位] 1.了解直线电流、环形电流、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标的目的.2.知道磁现象的电本质，了解安培分子电流假说．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安培定则(右手螺旋定则)来判定1．直线电流的磁场：用右手握住导线，让大拇指指向电流的标的目的，则弯曲的四指所指的标的目的就是磁感线的环绕标的目的．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闭合曲线．在环形导线的中心轴线上，磁感线和环形导线的平面垂直．3．通电螺线管的磁场：通电螺线管外部磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，也是从北极出来，进入南极．螺线管内中间部分的磁感线跟螺线管的轴线平行，标的目的由南极指向北极，并和外部磁感线连接，形成闭合曲线．长直通电螺线管内中间部分的磁场近似为匀强磁场.二、探究磁现象的本质1821年，安培提出了安培分子电流假说，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磁体，分子电流的两侧相当于两个磁极．安培的分子电流假设揭示了磁性的发源，即磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的．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遍地，接通电源．观察小磁针在遍地的指向，分析直线电流的磁感线的特点．(2)用相同的方式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]电流周围的磁感线标的目的可按照安培定则判断．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12．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23．通电螺线管的磁场：内部为匀强磁场，且内部比外部强．内部磁感线标的目的由S极指向N极，外部由N极指向S极．(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小磁体(如图4)．图42．当铁棒中分子电流的取向大致相同时，铁棒对外显磁性(如图5甲)；当铁棒中分子电流的取向变得杂乱无章时，铁棒对外不显磁性(如图乙)．图53．安培分子电流假说说明一切磁现象都是由电荷的运动产生的．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标的目的或磁感线标的目的．图6解析按照安培定则，可以确定a中电流标的目的垂直纸面向里，b中电流标的目的为逆时针标的目的，c中螺线管内部磁感线标的目的向左．答案见解析针对训练如图所示，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，判断出电流的磁场标的目的；再按照小磁针静止时N极的指向为磁场的标的目的，判知D正确．二、磁感应强度矢量的叠加例2如图7所示，两个完全相同的通电圆环A、B圆心O重合、圆面彼此垂直的放置，通电电流相同，电流标的目的如图所示，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()图7A．0 B．2B0C.2B0 D．无法确定解析A通电圆环在O点处产生的磁场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点处产生的磁场标的目的竖直向下，大小也为B0.所以O点合磁场的磁感应强度大小为2B0，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．按照安培的分子电流假说，在外磁场感化下，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．一切磁现象都发源于电流或运动电荷，一切磁感化都是电流或运动电荷之间通过磁场而发生的彼此感化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运动的电荷产生的．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彼此抵消，但当受到外界磁场的感化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彼此加强，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．磁和电是两种分歧的物质，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BC1．(安培定则的理解与应用)如图8所示为电流产生磁场的分布图，正确的分布图是()图8A．①③B．②③C．①④D．②④答案 C解析由安培定则可以判断出直线电流产生的磁场标的目的，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标的目的，可判断出③错误，④正确．故正确选项为C.2．(安培定则的理解与应用)如图9所示，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()图9A．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极的指向与该点磁感线标的目的相同，如果a、b、c三处磁感线标的目的确定，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．(磁感应强度矢量的叠加)如图10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点的磁场标的目的向右，则a、b中电流的标的目的为()图10A．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解析按照矢量合成可知，a在P点的磁场标的目的沿aP连线的垂线向上，b在P点的磁场标的目的沿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解析安培分子电流假说是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，但产生的原因是分歧的，故正确答案为A、D.题组一对安培定则的理解与应用1．如图1所示，小磁针正上方的直导线与小磁针平行，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()图1A．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，按照右手螺旋定则和小磁针N极所指的标的目的为该点磁场标的目的可知D对；故选D.2．下列各图中，已标出电流及电流磁场的标的目的，其中正确的是()解析电流与电流磁场的分布，利用的是右手螺旋定则判断，大拇指指向直导线电流标的目的，四指指向磁感线标的目的，因此A、B错；对于螺线管和环形电流中，四指弯曲标的目的为电流标的目的，大拇指指向内部磁场标的目的，故选D.3．如图2所示的螺线管内放置一小磁针，下列判断正确的是()图2A．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极的指向确定通电螺线管内磁感线的标的目的为从右向左，再按照安培定则，确定在电源外部电流标的目的由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．按照后来科学家研究，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BD5．磁铁在高温下或者受到敲击时会失去磁性，按照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，会使本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．取两个完全相同的长导线，用其中一根绕成如图3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，若将另一根长导线半数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()图3A．0 B．0.5B C．B D．2B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彼此抵消，所以螺线管内中部磁感应强度为零．7．分别置于a 、b 两处的长直导线垂直纸面放置，通有大小相等的恒定电流，标的目的如图4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 处导线的电流堵截，则( )图4A ．c 点的磁感应强度大小变为12B1，d 点的磁感应强度大小变为12B1－B2B ．c 点的磁感应强度大小变为12B1，d 点的磁感应强度大小变为12B2－B1C ．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12B1－B2D ．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12B2－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′. 按照右手螺旋定则有：B1＝2B B2＝B －B′联立两式解得B ＝12B1，B′＝12B1－B2.故A 正确，B 、C 、D 错误．8.如图5所示，两根彼此平行的长直导线过纸面上的M 、N 两点，且与纸面垂直，导线中通有大小相等、标的目的相反的电流．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( )图5A ．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，标的目的相反C ．c 、d 两点处的磁感应强度大小相等，标的目的相同D ．a 、c 两点处磁感应强度的标的目的分歧 答案 C解析 按照安培定则判断磁场标的目的，再结合矢量的合成知识求解．按照安培定则判断：两直线电流在O 点产生的磁场标的目的均垂直于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，标的目的相同，故B 选项错误；按照对称性，c 、d 两点处的磁感应强度大小相等，标的目的相同，故C 选项正确；a 、c 两点的磁感应强度标的目的相同，故D 选项错误．。