高二物理选修3-1磁场讲义

磁场

第一节 我们周围的磁现象

知识点回顾： 1、地磁场

（1）地球磁体的北（N）极位于地理南极附近，地球磁体的南（S）极位于地理 北 极附近。 （2）地球磁体的磁场分布与 条形 磁铁的磁场相似。 （3）地磁两极与地理两极并不完全重合，存在 偏差 。 2、磁性材料

（1）按去磁的难易程度划分可分为 硬磁性材料和软磁性材料 。

（2）按材料所含化学成分划分可分为 和 。 （3）硬磁性材料剩磁 明显 ，常用来制造 等。 （4）软磁性材料剩磁 不明显 ，常用来制造 等。 知识点1：磁现象

一切与磁有关的现象都可称为磁现象。磁在我们的生活、生产和科技中有着广泛的应用，归纳大致分为：

（1） 利用磁体对铁、钴、镍等磁性物质的吸引力； （2） 利用磁体对通电线圈的作用力； （3） 利用磁化现象记录信息。 知识点2：地磁场（重点）

地球由于本身具有磁性而在其周围形成的磁场叫地磁场。关于地磁场的起源，目前还没有令人满意的答案。一种观点认为，地磁场是由于地核中熔融金属的运动产生的，而且熔融金属运动方向的变化会引起地磁场方向的变化。科学研究发现，从地球形成迄今的漫长年代里，地磁极曾多次发生极性倒转的现象。 地磁场具有这样的特点：

（1） 地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近； （2） 地磁场与条形磁铁产生的磁场相似，但地磁场磁性很弱；

（3） 地磁场对宇宙射线的作用，保护生命（极光、宇宙射线的伤害）；地磁场对生物活动

的影响（迁徙动物的走南闯北如信鸽，但候鸟南飞确是受气候的影响的，不是磁场）

拓展：

地磁两极与地理两极并不重合，存在地磁偏角。这种现象最早是由我国北宋的学者沈括在《梦溪笔谈》中提出的，比西方早400多年。

并不是所有的天体都有和地球一样的磁性，如火星就没有磁性 知识点3：磁性材料

磁性材料一般指铁磁性物质。按去磁的难易程度，磁性材料可分为硬磁性材料和软磁性材料。硬磁性材料具有很强的剩磁，不易去磁，一般用于制造永磁体，如扬声器、计算机硬盘、信用卡、饭卡等；软磁性材料没有明显的剩磁，退磁快，常用于制造电磁铁、电动机、发电机、磁头等。

易忽略点：怎样区分磁性材料

如何判断给定的物体是采用硬磁性材料还是软磁性材料是学习中容易出错的地方。解决此类问题关键有两点：

1、 2、

明确所给物体的功能和原理； 熟悉这两种磁性材料的特点。

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练习：

1、下列有关磁的应用中利用磁化现象记录信息的是（ ） A、门吸 B、磁带 C、磁石治病 D、磁悬浮

2、为了判断一根钢棒有无磁性，采取了下列几种办法，你认为哪种办法可以认定钢棒没有磁性（ ）

A、将钢棒的一端接近磁针的北极，两者相互吸引，再将钢棒的另一端接近磁针的南极，两者相互排斥。

B、将钢棒的一端接近磁针的北极，两者相互排斥，将钢棒的另一端接近磁针的北极时，两者相互吸引。

C、将钢棒的一端接近磁针的北极时，两者相互吸引，将钢棒的另一端接近磁针的南极时，两者相互吸引。

D、将钢棒的一端接近磁针的北极时，两者相互吸引，将钢棒的另一端接近磁针的北极时，两者相互吸引。

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第二节 认识磁场

知识点1：磁场（重点）

实物和场是物质存在的两种不同形式，磁场和电场一样，都是客观存在的一种特殊物质。 一、 磁场客观存在于磁体、电流周围，磁体和电流通过磁场传递相互作用。

二、 磁场的基本性质：对放入其中的磁体或电流产生力的作用。磁极和磁极之间、磁场

和电流之间、电流和电流之间的相互作用都是通过磁场来传递的

三、 磁场有强弱和方向，可以用磁感线形象地描述磁场的强弱和方向，也可以用小磁针

受力方向来描述磁场的方向。物理学规定，磁场的方向即小磁针N极受力的方向，亦即小磁针静止时N极指向。

四、 磁场是媒介物：磁极间、电流间、磁极与电流间的相互作用是通过磁场发生的。

知识点2：磁感线（重点）

在磁场中每一点，磁场都有确定的大小和方向，物理学中用磁感线形象地描述磁场。所谓磁感线就是为了使人们更形象更直观地描述磁场，而引入的一系列有方向的曲线：

（1）磁感线的定义

在磁场中画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟这点的磁感应强度的方向一致，这样的曲线叫做磁感线。

（2）特点：

A、磁感线是闭合曲线，磁铁外部的磁感线是从北极出来，回到磁铁的南极，内部是从南极到北极.

B、每条磁感线都是闭合曲线，任意两条磁感线不相交。 C、磁感线上每一点的切线方向都表示该点的磁场方向。 D、磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小

注意：磁感线是为了形象地描述磁场而引入的数学工具，最早是由英国物理学家法拉第提出的，并不真实存在，实验时常用被磁化的铁屑来显示磁感线的分布，但绝不能认为磁感线是由细铁屑组成的。

磁感线是闭合的，磁场中未画磁感线的空间，磁场照样存在，磁感线不相交。 磁感线和电场线的区别 项目 相似点 意义 方向 磁感线 形象地描述磁场方向和相对强弱而遐想的线 线上各点的切线方向即为该点的磁场方向，是小磁针N极的受力方向 表示磁场强弱 在空间不相交、不中断 是闭合曲线 电场线 形象地描述电场方向和相对强弱而遐想的线 线上各点的切线方向即为该点的磁场方向，是正电荷受力方向 表示电场强弱 除电荷外，在空间不相交、不中断 静电场线始于正电荷或无穷远处，止于负电荷或无穷远，是不闭合曲线 疏密 特点 不同点 不同点 文案大全

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知识点3：安培定则（重点）

法国物理学家安培通过实验总结出了用于判断电流的磁场分布的法则——安培定则，又称为右手螺旋定则。可用于判断直线电流、环形电流和通电螺线管的磁感线分布。

直线电流的方向和磁感线方向之间的关系可用安培定则（也叫右手螺旋定则）来判定：用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向.

几种常见磁场的磁感线的分布

（1）条形磁铁和碲形磁铁的磁感线

条形磁铁和蹄形磁铁是两种最常见的磁体，如图所示的是这两种磁体在平面内的磁感线形状，其实它们的磁感线分布在整个空间内，而且磁感线是闭合的，它们的内部都有磁感线分布。

（2）通电直导线磁场的磁感线

通电直导线磁场的磁感线的形状与分布如图所示，通电直导线磁场的磁感线是一组组以导线上各点为圆心的同心圆。

需要指出的是，通电直导线产生的磁场是不均匀的，越靠近导线，磁场越强，磁感线越密。电流的方向与磁感线方向的关系可以用安培定则来判断，如图所示。用右手握住直导线，伸直的大拇指与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。

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（3）环形电流磁场的磁感线

环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线，在环形的中心轴上，由对称性可知，磁感线是与环形导线的平面垂直的一条直线。如图甲所示，环形电流方向与磁感线方向的关系也可以用右手定则来判断，如图乙所示，让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是圆环轴线上磁感线的方向；如图丙所示，让右手握住部分环形导线，伸直的大拇指与电流方向一致，则四指所指的方向就是围绕环形导线的磁感线的方向。

（4）通电螺线管的磁感线

通电螺线管表现出来的磁性很像一根条形磁铁，一端相当于北极（N），另一端相当于南极（S），形成的磁感线在通电螺线管的外部从北极（N）出来进入南极（S），通电螺线管内部具有磁场，磁感线方向与管轴线平行，方向都是由S极指向N极，并与外部磁感线连接形成一些闭合曲线，其方向也可用安培定则判断，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，那么大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，如图所示。

（5）地磁场的磁感线

地磁场的南北极与地理上的南北极刚好相反，所以磁感线从地理的南极出来进入地理的北极如图所示。

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知识点4：分子电流假说

1.内容：法国物理学家安培受到通电螺线管外磁场与条形磁铁的磁场相似的启发，提出了著名的分子电流假说：任何物质的分子中都存在环形电流——分子电流，分子电流使每个物质分子都成为一个微小的磁体，如图。

2.解释：安培的分子电流假说对有关磁现象的解释：

（1） 磁化现象：一软铁棒，在未被磁化时，内部各分子电流的取向杂乱无章，它们的磁

场相互抵消，对外不显磁性。当软铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流取向变得大致相同，两端显示较强的磁作用，形成磁极，软铁棒就被磁化了。

（2） 消磁：磁体在高温或猛烈敲击下，即在激烈的热运动或机械运动影响下，分子电流

取向变得杂乱无章了，磁体磁性消失。

拓展：

（1）假说是一种常用的科学研究方法，在安培的时代，人们不知道物质内部为什么会有分子电流，20世纪后，随着电子的发现，人们认识到，原子内部带电粒子的不停运动即对应安培所说的分子电流，分子电流假说已经成为真理，揭示了磁现象的电本质。

（2）需要指出的是并非所有的磁场都是由电荷的运动产生的根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场可以产生磁场。

（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．

易错点：磁体内部小磁针指向

在判断小磁针处于磁体内部N极指向问题时，有些同学往往套用初中的结论“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”而做出错误判断，错误原因是不了解结论的适用条件。对于小磁针处于磁体内部时，我们应该运用高中教材中的物理学规定：“小磁针在磁场中静止时，N极所指的方向就是磁场的方向，也就是磁感线的方向。”所以，学习物理知识，切忌不加分析，盲目套用公式或结论。 易忽略点：磁场的方向

磁场的方向可用磁感线的切线方向来表示，也可用小磁针的N极指向来表示。在用小磁针描述时，容易忽略的是：小磁针的哪一极以及小磁针的状态（静止时）。 易混点：磁场和电场

磁场和电场虽然都是物质的一种特殊形态，都具有物质性，但并不是完全相同的物质，其不同点有：

（1） 起源不同。电场存在于电荷周围，磁场存在于磁体、电流和运动电荷的周围。 （2） 场线不同。电场线不闭合，起始于正电荷终止于负电荷；磁感线闭合，外部从N

极到S极，内部从S极到N极。

（3） （静）电场是保守力场，电场力做功与路径无关，只与初末位置的电势差有关。磁

场是涡旋场，不能引入相应的“势能”概念来研究磁场的性质。

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练习：

2、如图11-1-1所示，a、b、c三枚小磁针分别放在通电螺线管的正上方、管内和右侧。

a 当这些小磁针静止时，小磁针N极的指向是（ ）

c Ａ．a、b、c均向左 bＢ．a、b、c均向右

Ｃ．a向左，b向右，c向右

11-1-1 Ｄ．a向右，b向左，c向右

变式训练1：如图11-1-2所示，带负电的金属环绕轴OO'以角速度匀速旋转，在环左侧轴线上的小磁针最后平衡的位置是（ ） N O' Ａ．N极竖直向上 O Ｂ．N极竖直向下

S Ｃ．N极沿轴线向左 图11-1-2 Ｄ．N极沿轴线向右

4、根据安培假说的思想，认为磁场是由于运动电荷产生的，这种思想对地磁场也应是适用的，而目前在地球上并未发现相对地球定向移动的电荷，那么由此推断，地球应该（ ） A、负电荷 B、带正电 C、不带电 D、无法确定

5、一个电子沿纸面做快速的顺时针方向的圆周运动，则这个电子的运动将（ ） A、不产生磁场

B、产生只在圆周内侧存在的磁场

C、产生相当于环形电流产生的磁场，在圆心处的磁场方向垂直纸面向里 D、产生相当于环形电流产生的磁场，在圆心处的磁场方向垂直纸面向外

判断下图中导线A所受磁场力的方向.

答案：

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知识点1：安培力(重点)

磁场对电流的作用力称为安培力，安培力是按性质命名的力，在对物体（通电导线）进行受力分析时，应该加以考虑。 （1） 安培力方向的判定方向——左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四指

垂直，并且都跟手掌在同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿过手心，使伸开的四指指向电流方向，那么大拇指所指的方向为安培力的方向。

（2） 安培力的大小：同一通电导线，按不同方式放在同一磁场中，如图所示，三种情况

下，通电导线与磁场垂直时受到的安培力最大，取为Fmax；当通电导线与磁场方向平行时，不受安培力，F=0；其他情况下，0① 当B与I垂直时，F=BIL。

② 当B与I成角时，FBILsin，是B与I的夹角。推导过程：如图所示，将B

分解为垂直电流方向的B2Bsin和沿电流方向的B1Bcos，B对I的作用可用

B1、B2对I的作用等效替代，F10,F2B2ILBILsin，由平行四边形定则可

知磁场B对电流I的力FF12F22F2BILsin。

（3） 安培力的性质：通电导线在磁场中与磁场方向非平行放置时，导线将受到安培力作

用，安培力对通电导线可做正功，也可做负功。安培力做功的过程，是电能与其他形式的能（机械能）相互转化的过程。

① 安培力F的方向垂直于磁场B和电流I所确定的平面，与通电导线运动方向不一定垂

直，可以相同也可以相反。

② 安培力F的方向总与磁场方向垂直，电场力F的方向与电场方向平行。

③ 安培力的大小除与B、I、L有关外，还跟磁场B与电流I方向的夹角有关，平行时

00,F0。

知识点2：磁感应强度（重点）

磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。

（1） 定义：磁场中垂直于磁场方向的通电直流导线，受到的安培力F，跟电流I和导线

长度L的乘积IL的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度。 （2） 定义式：BF，单位：特斯拉，符号T，1T1N/(Am)。 IL（3） 矢量：方向就是磁场方向，即小磁针N极的受力方向。 （4） 磁感应强度大小、方向处处都不变的磁场称为匀强磁场。距离很近的两个异名磁极

之间的磁场，通电螺线管内中间部分的磁场都认为是匀强磁场。

注意：①磁感应强度是反映磁场力的性质的物理量，与静电场中的电场强度相似，只与场本身有关，与安培力F、电流I、导线长度L和夹角均无关。

② 感应强度的方向是磁场的方向，即该点磁感线的切线方向，与安培力F方向垂直。

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概 念 的 建 立 电场强度（E） ①电场对电荷q有作用力； ②对电场中的不同点，E的值一般不同 ③E由电场本身决定 磁感应强度（B） 描述磁场的力的性质的物理量 ①磁场对直线电流有作用力 ②对磁场中的不同点，B的值一般不同 ③B 由磁场本身决定 意义 描述电场的力的性质的物理量 FE= 公式 q单位 1N/C=1V/m 方向 正电荷受到电场力方向 B=F IL1T=1N/A·m 静止小磁针N极受到的磁场力方向

知识点3：磁通量（难点）

在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，设磁场的磁感应强度为B，平面的面积为S，我们将磁感应强度B与面积S的乘积，叫做穿过这个面的磁通量，用Φ表示。

（1）在磁感应强度为B的匀强磁场中，穿过与磁场方向垂直、面积为S的平面的磁通量Φ=BS（适用于B与S垂直）。 （2）单位：韦伯，符号Wb，1Wb1Tm。 （3）B2S，磁感应强度B又叫磁通密度，1T1Wb/m。

2拓展：

 公式Φ=BS适用于匀强磁场且S与B垂直，若平面与磁场方向不垂直，应把面积S投影

到与磁场垂直的方向上，求出投影面积S，代入得BS,如图所示

BSBScos。

当0时，B与S垂直，Φ=BS， 当90时，B与S平行，Φ=0.

 磁通量变化有三种形式：

a、 磁感应强度B不变，有效面积S变化。

0021B(S2S1)BS,如图所示

b、面积S不变，磁感应强度B变化。

21S(B2B1)SB

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c、面积S和磁感应强度B均不变,改变B与S的夹角，如图所示，转过180过程中BS(BS)2BS

③磁通量是标量，有正负之分，其正负是这样规定的：任何一个平面

都有正反两面，若规定磁感线从正面穿入为正磁通量，则磁通量为负值即表示磁感线从反面穿入。

若磁感线沿相反方向穿过同一平面，且正向磁感线条数为1，反向磁感线条数为2，则磁通量等于穿过该平面的磁感线的净条数（磁通量的代数和），即12。 易错点：B0F与FBIL ILBF 是磁感应强度的定义式，FBIL是安培力的关系式。所谓定义式是被定义的物ILFQU,C,R等都有这种性质。关系qUI理量与定义它的物理量之间没有函数关系 ，磁感应强度B只与磁场本身的性质有关，与F、I、L无关。以前学过的物理量的定义式如E式中物理量与其他量有函数关系，安培力F与B、I、L都有关系。 需要指出的是，上述的BF和FBIL只适用于磁场B与电流I方向垂直的情形。 IL易混点：磁感应强度与电场强度

磁感应强度与电场强度都是描述场的性质的物理量，二者既有相似之处，也有区别，电场和磁场的区别搞不清楚，是导致出错的主要原因。 区别：（1）方向规定适用不同。磁感应强度的方向规定为小磁针N极的受力方向。电场强度的方向规定为正电荷所受力的方向。电场强度的方向一定跟静电力的方向在一条直线上。磁感应强度的方向一定跟电流所受磁场力的方向垂直。 （2）定义式适用条件不同。BFF只适用于B方向与电流方向垂直的情况，E普遍

qIL适用。

（3）受力条件不同。电荷在静电场中一定受到静电力作用，电流在磁场中不一定受磁场力作用，必须非平行放置。

（4）单位不同。磁感应强度的单位：特斯拉，1T1N/(Am)1Wb/m。电场强度的单位：牛顿每库伦或伏特每米（N/C或V/m）。

（5）物理意义不同。磁感应强度B，在数值上等于垂直于磁场方向放置长为1m，电流为1A的导线所受安培力的大小。电场强度E，在数值上等于电场强度对单位电荷作用力的大小。

易忽略点：磁通量是标量，正、负表示穿入和穿出两个相反的状态。忽略磁通量的正、负，是易犯的错误，在分析磁通量及其变化时，若过程前后状态不同，一般选取正方向，以避免计算过程出现错误。

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练习

1、关于磁感应强度，下列说法正确的是（ ） A、由BF可知，B与F成正比，与IL成反比 ILB、通电导线放在磁场中的某点，那点就有磁感应强度，如果将通电导线拿走，那点的磁感应强度就为零 C、通电导线受安培力不为零的地方一定存在磁场，通电导线不受安培力的地方不一定存在磁场（B=0）

D、磁场中某一点的磁感应强度是由磁场本身的性质决定的，其大小和方向是唯一确定的，与通电导线无关

2、下列关于电场和磁场的说法中正确的是（ ）

A、电荷在某处不受到电场力的作用，则该处的电场强度为零

B、一小段通电导体在某处不受到电场力作用，则该处磁感应强度一定为零 C、把一个试探电荷放在电场中的某点，它受到的电场力与所带电荷量的比值表示该点电场的强弱 D、把一小段通电导线放在磁场中某处，它受到的磁场力与该小段通电导线的长度和电流的乘积的比值，表示该处磁场的强弱

3、如图所示，两同心圆环A和B 处在同一平面内，B的半径小于A的半径，一块条形磁铁的轴线与圆环平面垂直，则穿过两圆环的磁通量A与B的大小关系是（ ） A、A>B B、A=B C、A<B D、无法确定

4、在赤道上空，水平放置一根通以由西向东电流的直导线，则此导线（ ） A、受到竖直向上的安培力 B、受到竖直向下的安培力 C、受到由南向北的安培力 D、受到由西向东的安培力

5、通电电流为I的直导线与通电闭合线圈abcd在同一平面内，如图所示，不计重力，若直导线固定，那么闭合线圈将（ ）

A、在纸面内向上运动 B、在纸面内向下运动 C、在纸面内远离导线 D、在纸面内靠近导线

6、如图所示，在磁感应强度B=1.0T、方向竖直向下的匀强磁场中，有一个与水平面成

N a b S 370角的通电滑轨，滑轨上放置一个可自由移动的金属杆ab，已知接在滑轨中的电源

的电动势E=12V，内阻不计，ab杆长L=0.5m，杆的质量m=0.2kg，杆与平行滑轨间的动摩擦因数μ=0.1，滑轨与ab杆的电阻忽略不计，求要使ab杆在滑轨上保持静止，变阻器R的阻值应在什么范围变化？（g取10m/s，sin370.6，可认为最大静摩擦力与滑动摩擦力相等）

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7、如图所示，两平行光滑导轨相距为20cm，金属棒MN的质量为10g，电阻R=8Ω，匀强磁场的磁感应强度B=0.8T，方向竖直向下，电源电动势E=10V，内阻r=1Ω。当开关K闭合时，MN恰好平衡，求变阻器R1的取值为多少？设45°

9、如图所示为电流天平，可以用来测量匀强磁场的磁感应强度，它的右臂挂着矩形线圈，匝数为n，线圈的水平边长为L，处于匀强磁场内，磁感应强度B的方向与线圈平面垂直。当线圈中通过电流I时，调节砝码使两臂达到平衡。然后使电流反向，大小不变，这时需要在左盘中增加质量为m的砝码，才能使两臂重新平衡。 （1）导出用已知量和可测量n、m、L、I计算B的表达式

（2）当n=9，L=10.0cm，I=0.10A，m=8.82g时，磁感应强度

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