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2019-2020年高中物理人教版選修3-1 第三章第三節(jié) 幾種常見的磁場 教案1 三維目標 知識與技能 1．知道什么是磁感線； 2．知道條形磁鐵、蹄形磁鐵、直線電流、環(huán)形電流和通電螺線管的磁感線分布情況； 3．利用安培定則判斷直線電流、環(huán)形電流和通電螺線管的磁場方向； 4．知道安培分子電流假說，并能解釋有關現(xiàn)象。理解磁現(xiàn)象的電本質； 5．理解勻強磁場的概念，明確兩種情形的勻強磁場； 6．知道磁通量的定義，知道Φ＝BS的適用條件，利用公式進行有關計算。 過程與方法 1．通過模擬實驗體會磁感線的形狀，培養(yǎng)學生的的實驗觀察、分析的能力和空間想象能力； 2．由電流和磁鐵都能產生磁場，提出安培分子電流假說，最后都歸結為磁現(xiàn)象的電本質； 3．通過引入磁通量概念，使學生體會描述磁場規(guī)律的另一重要方法。 情感、態(tài)度與價值觀 1．通過討論與交流，培養(yǎng)對物理探索的情感； 2．領悟物理探索的基本思路，培養(yǎng)科學的價值觀。 教學重點 1．利用安培定則判斷磁感線方向，理解安培分子電流假說； 2．理解磁通量的概念并能進行有關計算。 教學難點 安培定則的靈活應用及磁通量的計算。 教學方法 類比法、實驗法、比較法。 教學用具 條形磁鐵、直導線、環(huán)形電流、通電螺線管、小磁針若干、投影儀、展示臺、學生電源。 教學過程 ［新課導入］ 電場可以用電場線形象地描述，磁場可以用什么來描述呢？ 磁場也可以用磁感線形象地描述。 那么什么是磁感線？又有哪些特點呢？這節(jié)課我們就來學習有關磁感線的知識。 ［新課教學］ 一、磁感線 在研究磁場時，我們引進磁感線來反映磁場的方向性，磁感線是一些有方向的曲線，在這些曲線上，每一點的切線方向都跟該點的磁場方向相同（即為小磁針靜止時北極的指向）。利用磁感線，我們就可以比較直觀地描述磁場的方向性． 1．磁感線 A C B 在磁場中畫出一些曲線，使些曲線上每一點的切線方向都跟這點的磁感應強度方向一致，這樣的曲線就叫做磁感線。 利用磁感線可以形象地描述磁場。 2．磁感線的實驗模擬 演示：在磁鐵的不同位置放上小磁針。 現(xiàn)象：靜止時小磁針的N極指向各不相同。能顯示出磁感線的形狀。 演示：實驗中常用鐵屑來模擬磁感線的形狀。在磁場中放一塊玻璃板，玻璃板上均勻地撒一層細鐵屑，細鐵屑在磁場里被磁化成“小磁針”，輕敲玻璃板使鐵屑胡規(guī)則地排列起來，就模擬出磁感線的形狀。如圖所示。在兩極附近磁場較強，磁感線較密。 現(xiàn)象：鐵屑靜止時有規(guī)則地排列起來，顯示出磁感線的形狀。 二、幾種常見的磁場 1．幾種常見的磁場 （1）條形磁鐵的磁場 （2）蹄形磁鐵的磁場 問題：磁鐵周圍的磁感線方向如何？ 結論：磁感線是閉合曲線，磁鐵外部的磁感線是從北極出來，回到磁鐵的南極，內部是從南極到北極。 （3）直線電流的磁場 問題：通電直導線周圍的磁感線如何分布？ 結論：直線電流磁場的磁感線是一些以導線上各點為圓心的同心圓，這些同心圓都在跟導線垂直的平面上。 把小磁針放到通電直導線附近，根據磁針的指向，可以研究它周圍磁場的分布。直線電流的磁場方向可以用安培定則方便地表示。 問題：直線電流周圍的磁感線分布和什么因素有關系？ 結論：改變電流的方向，各點的磁場方向都變成相反的方向，即磁感線的方向隨著改變。直線電流周圍的磁感線方向和電流方向有關系。 問題：直線電流的方向跟磁感線方向之間的關系如何判斷呢？ 結論：直線電流的方向和磁感線方向之間的關系可用安培定則（也叫右手螺旋定則）來判定：右手握住導線，讓伸直的拇指所指的方向跟電流的方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線環(huán)繞的方向。 對直線電流周圍的磁感線，應能畫出不同側面、不同角度磁感線圖。 （4）環(huán)形電流的磁場 問題：環(huán)形電流周圍的磁感線如何分布？ 結論：環(huán)形電流磁場的磁感線是一些圍繞環(huán)形導線的閉合曲線。在環(huán)形導線的中心軸線上，磁感線和環(huán)形導線的平面垂直。 問題：環(huán)形電流的方向跟磁感線方向之間的關系如何判斷呢？ 結論：環(huán)形電流的方向跟中心軸線上的磁感線方向之間的關系也可以用安培定則來判定：讓右手彎曲的四指與環(huán)形電流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是環(huán)形導線中心軸線上磁感線的方向。 （5）通電螺線管磁場的磁感線 問題：通電螺線管外部的磁場和什么相似？ 結論：通電螺線管外部的磁感線和條形磁鐵外部的磁感線相似，一端相當于南極，一端相當于北極。 問題：通電螺線管內部的磁場如何？ 結論：通電螺線管內部的磁感線和螺線管的軸線平行，方向由南極指向北極，并和外部的磁感線連接，形成一些環(huán)繞電流的閉合曲線。通電螺線管內部的磁場比兩極處的磁場更強。 問題：通電螺線管的磁感線方向和什么因素有關系？ 結論：通電螺線管的磁感線方向和螺線管的電流方向有關。 問題：如何判斷通電螺線管的極性？ 結論：通電螺線管的電流方向和它的磁感線方向之間的關系，也可用安培定則來判定：用右手握住螺線管，讓彎曲四指所指的方向和電流的方向一致，大拇指所指的方向就是螺線管內部磁感線的方向。也就是說，大拇指指向通電螺線管的北極。 與天然磁體的磁場相比，電流磁場的強弱容易控制，因而在實際中有很多重要的應用。電磁起重機、電話、電動機、發(fā)電機，以及在自動控制中普通應用的電磁繼電器，都離不開電流的磁場。 2．磁感線的特點 （1）磁感線上任意一點的切線方向表示該位置的磁場方向，亦即小磁針在該位置時N極的受力方向，或小磁針在該位置靜止時N極的指向； （2）磁感線的疏密程度表示磁場的強弱。磁感線密集處磁場強，稀疏處磁場弱。 （3）磁感線為閉合曲線，無起點和終點。在磁體的外部磁感線由N極發(fā)出，回到S極。在磁體的內部磁感線則由S極指向N極。 （4）在穩(wěn)定的磁場中，某一點只有惟一確定的磁場方向，所以兩條磁感線不能相交。 （5）磁感線也不相切。若磁感線相切，則切點處的磁場將趨近于無窮大，這是不可能的。 三、安培分子電流假說 磁鐵和電流都能產生磁場。它們的磁場是否有什么關系呢？我么已經知道，通電螺線管和條形磁鐵的磁場分布十分相似，法國學者安培由此受到啟發(fā)，提出了著名的分子電流假說。 1．分子電流假說的內容 在原子、分子等物質微粒內部，存在著一種環(huán)形電流──分子電流。分子電流使每個物質微粒都成為微小的磁體，它的兩側相當于兩個磁極，這就是分子電流假說。 2．用安培假說解釋磁現(xiàn)象 閱讀課文，回答以下問題。 （1）一根鐵棒在未被磁化時為什么對外界不顯磁性？ 鐵棒未被磁化時，內部各分子電流的取向是雜亂無章的，它們的磁場互相抵消，對外界不顯磁性。 （2）什么是磁化？如何去理解磁化和磁極？ 使原來沒有磁性的物體獲得磁性的過程叫磁化。在有外界磁場的作用時，某些物質內部各分子電流的取向會變得大致相同，這個過程就是磁化，這些物質被磁化后，各分子電流的磁場互相疊加，對外界顯示出較強的磁作用，在兩端形成磁極。 （3）永磁體為什么具有磁性？ 永磁體之所以具有磁性，是因為它內部的環(huán)形分子電流本來就排列整齊。 （4）永磁體如何失去磁性？ 永磁體受到高溫或猛烈的敲擊會失去磁性，這是因為在激烈的熱運動或機械振動的影響下，分子電流的取向又變得雜亂無章了。 （5）為什么無論把磁棒折成多小的一段，它總有兩個磁極？ 每個環(huán)形分子電流的兩個側面必定同時出現(xiàn)，一面相當于N極，另一面相當于S極。 3．磁現(xiàn)象的電本質 （1）羅蘭實驗 1876年，羅蘭把大量的電荷加在一個橡膠圓盤上，然后使盤繞中心軸高速轉動，在盤的附近用小磁針來檢驗磁場的存在，如圖所示。 結果他發(fā)現(xiàn)，當帶電盤轉動時，小磁針果然發(fā)生了偏轉，而且改變盤的轉動方向或改變所帶電荷的正負時，小磁針的偏轉方向也改變，磁針的偏轉方向跟運動電荷所形成的電流方向間的關系同樣符合安培定則。 （2）磁現(xiàn)象的電本質 電流產生磁場，其磁場是運動電荷產生的。磁體中的分子電流是由原子內部電子的運動形成的。安培分子電流假說揭示了磁現(xiàn)象的電本質。 磁鐵的磁場和電流的磁場一樣，都是由電荷的運動產生的。 運動的電荷（電流）產生磁場，磁場對運動的電荷（電流）有磁場力的作用，所有的磁現(xiàn)象都可以歸結為運動電荷（電流）通過磁場而發(fā)生的相互作用。 四、勻強磁場 什么是勻強電場？勻強電場的產生條件是什么？勻強電場的電場線有何特點？ 在電場的某一區(qū)域，如果場強的大小和方向都相同，這個區(qū)域的電場叫做勻強電場；兩塊靠近的平行金屬板，大小相等，互相正對，分別帶有等量的正負電荷，它們之間的電場除邊緣附近外就是勻強電場；勻強電場的電場線是距離相等的平行直線。 1．勻強磁場 如果磁場的某一區(qū)域里，磁感應強度的大小和方向處處相同，這個區(qū)域的磁場叫勻強磁場。 2．產生方法 距離很近的兩個異名磁極之間的磁場、通電螺線管內部的磁場（除邊緣部分外）可認為是勻強磁場。 3．磁感線的特點 勻強磁場的磁感線是間距相等的平行直線。 五、磁通量 研究電磁現(xiàn)象時，有時需要研究穿過某一面積的磁場和它的變化。為此，物理學引入了一個新的物理量──磁通量。閱讀教材，說出磁通量的定義、公式、單位以及物理意義。 1．定義 在磁感應強度為B的勻強磁場中，有一個與磁場方向垂直的平面，面積為S，則B與S的乘積叫做穿過這個面的磁通量。 2．公式 Ф＝BS 3．單位 在國際單位制中，磁通量的單位是韋伯，簡稱韋，符號是Wb。 1Wb＝1T1m2＝1Vs 4．物理意義 磁通量表示穿過這個面積的磁感線條數。 對于同一個平面，當它跟磁場方向垂直時，磁場越強，穿過它的磁感線條數越多，磁通量就越大。當它跟磁場方向平行時，沒有磁感線穿過它，則磁通量為零。 注意：當平面跟磁場方向不垂直時，穿過該平面的磁通量等于B與它在磁場垂直方向上的投影面積的乘積，即 Ф＝BSsinθ＝BS⊥（θ為平面與磁場方向之間的夾角）。 5．磁通密度 將磁通量的定義式Ф＝BS變形得：B＝，這個比值反映了什么意義？單位是什么？ B為垂直磁場方向單位面積上的磁通量，反映磁場的強弱。又叫磁通密度。單位Wb/m2 【問題思考】 磁通量是標量，但具有雙向性，是雙向標量。在規(guī)定正方向后有正、負之分。 【做一做】 ［小結］ 本節(jié)課學習了以下主要內容： 1．引入磁感線形象直觀地描述磁場的強弱和方向的分布情況； 2．了解了常見磁場及其磁感線的分布情況，掌握了電流方向與磁場方向關系的左右螺定則； 3．學習了安培的分子電流假說，掌握了磁現(xiàn)象的電本質； 4．學習了勻強磁場的概念、產生及其磁感線分布的特點； 5．學習了磁通量的概念、公式，為學習電磁感應做準備。 ［布置作業(yè)］ 閱讀科學漫步《有趣的右螺旋》； 教材第90－91頁“問題與練習”。