【物理】磁場磁感線課件-2024-2025學(xué)年高二上學(xué)期物理人教版（2019）必修第三冊

第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步13.1磁場磁感線我國春秋戰(zhàn)國時期的一些著作已有磁石的記載和描述。指南針是我國古代四大發(fā)明之一。12世紀(jì)初，我國已將指南針用于航海，宋俑持羅盤者就記錄了這個科技史實。你是否感受到，凡是用到電的地方，幾乎都有磁現(xiàn)象相伴隨？你知道電和磁之間有著怎樣的聯(lián)系嗎？一、電和磁的聯(lián)系人們很早就發(fā)現(xiàn)電和磁有很多相似的特征：自然界中的磁體總存在著兩個磁極，自然界中同樣存在著兩種電荷。同名磁極或同種電荷相互排斥，異名磁極或異種電荷相互吸引。這種相似性是否意味著電和磁之間有某種聯(lián)系呢？庫侖安培托馬斯·楊直到19世紀(jì)初很多著名的科學(xué)家——如庫侖、安培、托馬斯.楊都認(rèn)為電與磁是互不相關(guān)的兩回事。

在18世紀(jì)和19世紀(jì)之交，隨著人們對摩擦生熱及熱機做功等現(xiàn)象認(rèn)識的深化，發(fā)現(xiàn)自然界各種運動形式之間存在著相互聯(lián)系并相互轉(zhuǎn)化，那么電和磁之間也可能存在著某種聯(lián)系。

丹麥科學(xué)家奧斯特堅信電和磁存在某種聯(lián)系，并開始不懈的探索。由于受當(dāng)時一些錯誤觀點影響，奧斯特做了很多實驗都以失敗告終。1820年4月，在一次講課中，他偶然的把一根導(dǎo)線放在一個指南針的上方，通電時，磁針轉(zhuǎn)動了?！状伟l(fā)現(xiàn)了電和磁的聯(lián)系。奧斯特實驗說明：電流對磁體會產(chǎn)生力的作用，電流具有磁效應(yīng)。電流對磁體有作用力，那么磁體對電流是否也會產(chǎn)生作用力呢？自奧斯特實驗之后，安培等人又做了很多實驗研究。他們發(fā)現(xiàn)，不僅通電導(dǎo)線對磁體有作用力，磁體對通電導(dǎo)線也有作用力。他們還發(fā)現(xiàn)，任意兩條通電導(dǎo)線之間也有作用力：同方向的電流相互吸引，反方向的電流相互排斥。二、磁場

像電荷間相互作用通過電場發(fā)生一樣，磁體和磁體之間，磁體和通電導(dǎo)體之間，以及通電導(dǎo)體和通電導(dǎo)體之間的相互作用都是通過磁場發(fā)生的。1.磁場：磁體或電流周圍空間存在的一種特殊物質(zhì)。磁場和電場一樣是一種物質(zhì)，是客觀存在的。2.基本性質(zhì)：對放入其中的磁體或電流會產(chǎn)生力的作用。3.磁場的方向：規(guī)定小磁針靜止時N極的指向。我們?nèi)绾涡蜗蟮拿枋龃艌瞿兀?/p>

用鐵屑的分布來反映磁場的分布三、磁感線像在電場中用電場線形象地描述電場一樣，在磁場中，用磁感線來描述磁場。沿磁場中的細(xì)鐵屑畫出一些曲線，使曲線上每一點的切線方向都跟這點磁場的方向一致，這樣的曲線就叫作磁感線。磁感線的特點：（1）磁感線上每一點的切線方向表示該點磁場的方向（2）磁感線的疏密可以反映磁場的強弱（3）磁場中的任何一條磁感線都是閉合曲線，磁體外部由N極到S極，磁體內(nèi)部由S極到N極。（4）任何兩條磁感線都不相交（5）磁感線是為了形象地描述磁場而假想出的曲線，其實并不存在。四、安培定則直線電流的磁感線是一圈圈的同心圓，這些同心圓都在跟導(dǎo)線垂直的平面上。實驗表明，改變電流的方向，各點的磁場方向都變成相反的方向。安培定則：用右手握住導(dǎo)線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線環(huán)繞的方向。（也叫右手螺旋定則）環(huán)形電流的磁場：安培定則：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(dǎo)線軸線上磁場的方向?？v截面圖立體圖橫截面圖通電螺旋管的磁場:安培定則：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(dǎo)線軸線上磁場的方向（N極）。立體圖橫截面圖縱截面圖等同于如圖所示，當(dāng)開關(guān)閉合時(1)判斷通電螺線管的磁極；（2）指出每個靜止小磁針的N、S極。NS甲乙丙丁SNNNN在圖中，已知磁場的方向，試畫出產(chǎn)生相應(yīng)磁場的電流方向NSX.五、安培分子電流假說1、分子電流假說：在物質(zhì)內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流——分子電流，分子電流使每個物質(zhì)微粒都成為微小的磁體，它的兩側(cè)相當(dāng)于兩個磁極。分子電流實際上是由核外電子繞核運動形成的。2、安培分子電流假說對一些磁現(xiàn)象的解釋3.安培分子電流假說意義(1)成功的解釋了磁化現(xiàn)象和磁體消磁現(xiàn)象；(2)安培分子電流假說揭示了電和磁的本質(zhì)聯(lián)系；(3)磁現(xiàn)象的電本質(zhì)：磁鐵和電流的磁場本質(zhì)上都是運動電荷產(chǎn)生的.地球的磁場:1、地球是一個巨大的磁體。2、地球周圍空間存在的磁場叫地磁場。3、地磁場的N極在地球南極附近，S極在地球北極附近。4、地磁偏角。我們知道，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線的運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。那么，切割磁感線是產(chǎn)生感應(yīng)電流的唯一方法嗎？還有其他方法嗎？這些方法有什么內(nèi)在聯(lián)系？一、劃時代的發(fā)現(xiàn)奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流的磁效應(yīng)，震動了整個科學(xué)界，它證實電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象是有聯(lián)系的。人們從電流磁效應(yīng)的對稱性角度，開始思考如下的問題：既然電流能夠引起磁針的運動，那么，為什么不能用磁體使導(dǎo)線中產(chǎn)生電流呢？聯(lián)系到電流的磁效應(yīng)，法拉第敏銳地覺察到，磁與電之間也應(yīng)該有這種“感應(yīng)”。最初，法拉第認(rèn)為，很強的磁體或很強的電流可能會在鄰近的閉合導(dǎo)線中感應(yīng)出電流。他進行了很多次嘗試，經(jīng)歷了一次次失敗，都沒有得到預(yù)想的結(jié)果。1831年，法拉第把兩個線圈繞在一個鐵環(huán)上，一個線圈接電源，另一個線圈接“電流表”。當(dāng)給一個線圈通電或斷電的瞬間，在另一個線圈上出現(xiàn)了電流。法拉第將其發(fā)現(xiàn)的全部“磁生電”現(xiàn)象分成五類：變化的電流，變化的磁場，運動的恒定電流，運動的磁鐵，在磁場中運動的導(dǎo)體。由磁得到電的現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流。法拉第從中領(lǐng)悟到，“磁生電”是一種在變化、運動的過程中才能出現(xiàn)的效應(yīng)?！按派姟爆F(xiàn)象的本質(zhì)特征是：變化、運動。二、產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件導(dǎo)體棒切割磁感線，才有感應(yīng)電流產(chǎn)生。開關(guān)的閉合、斷開瞬間，滑片的移動器、A線圈的插、拔，B線圈中才有感應(yīng)電流產(chǎn)生。也可將線圈B換成條形磁鐵插入、拔出。分析論證：探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件磁場強弱恒定，閉合電路包圍的磁場面積變化時，電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生。線圈A中的電流變化，產(chǎn)生的磁場也在變化，（線圈A插入拔出），線圈B內(nèi)的磁場發(fā)生變化，線圈B中有感應(yīng)電流產(chǎn)生；B不變，S變S不變，B變切割類變化類當(dāng)穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時，閉合導(dǎo)體回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電流。Φ=BS變化Φ變化的四種情況B不變、S變例:閉合電路的一部分導(dǎo)體切割磁感線時B變、S不變例:線圈與條形磁鐵發(fā)生相對運動時B和S都變注意:此時可由ΔΦ=Φ2-Φ1計算并判斷磁通量是否變化B和S大小都不變，但二者之間的夾角變例:線圈在勻強磁場中相對轉(zhuǎn)動時三、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用三峽電站發(fā)電機手搖式發(fā)電機變壓器電磁爐無線充電電磁波為信息的傳遞插上了翅膀。廣播、電視、移動通信等通信方式，使古代人“順風(fēng)耳、千里眼”的夢想變成了現(xiàn)實。那么，電磁波是怎樣發(fā)現(xiàn)的呢？一、電磁場英國物理學(xué)家麥克斯韋系統(tǒng)地總結(jié)了人類對電磁規(guī)律的研究成果，其中有庫侖、安培、奧斯特、法拉第等人的奠基之功，更有他本人的創(chuàng)造性工作。在此基礎(chǔ)上，他最終建立了經(jīng)典電磁場理論。在變化的磁場中放入一個閉合電路，電路里會產(chǎn)生感應(yīng)電流。（電磁感應(yīng)）麥克斯韋認(rèn)為：變化的磁場產(chǎn)生了電場；變化的電場產(chǎn)生了磁場。按照這個理論，變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分割的統(tǒng)一的電磁場。二、電磁波麥克斯韋推斷：如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么它就在空間引起周期性變化的磁場；這個變化的磁場又引起新的變化的電場。于是，變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播?！臻g可能存在電磁波。電場電場電場磁場電場磁場磁場如何變化電場磁場恒定恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場均勻變化均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場非均勻變化非均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場非均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場周期性變化周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率周期性變化的磁場周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場聲波、水波的傳播都需要介質(zhì)。電磁波的傳播則不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播。電磁波的速度等于光速！光的電磁理論：光是以波動形式傳播的一種電磁振動。1886年，赫茲通過實驗捕捉到了電磁波。后來他又做了大量的實驗，證實了麥克斯韋的電磁場理論，為無線電技術(shù)的發(fā)展開拓了道路。波長波峰波谷在1s內(nèi)有多少次波峰（或波谷）通過，波的頻率就是多少。水波不停的向遠(yuǎn)方傳播，描述波傳播快慢的物理量叫作波速。在一列水波中，凸起的最高處叫作波峰；凹下的最低處叫作波谷。相鄰的兩個波峰(或波谷)的距離叫作波長。三、電磁波譜波速=波長×頻率對于電磁波，有同樣的關(guān)系。如果用λ表示電磁波的波長，f表示它的頻率，那么，電磁波的波速c與λ、f的關(guān)系是：v=λ

f。真空中：c=3×108m/s電磁波的頻率范圍很廣。無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波?？梢姽庵皇请姶挪ㄖ械囊恍〔糠帧０措姶挪ǖ牟ㄩL或頻率大小的順序把它們排列起來,就是電磁波譜。從左到右，波長從大到小，頻率從小到大！不同電磁波由于具有不同的波長（或頻率），因此具有不同的特性。利用這些特性，電磁波在生產(chǎn)、生活中有廣泛的應(yīng)用。四、電磁波的能量風(fēng)扇波導(dǎo)管磁控管控制面板屏蔽網(wǎng)門

赫茲通過實驗證實了電磁波的存在,這意味著，電磁場不僅僅是一種描述方式，而且是真正的物質(zhì)存在。

生活中常用微波爐來加熱食物,食物增加的能量是微波給它的，可見，電磁波具有能量。

光是一種電磁波。六、電磁波通信電磁波攜帶信息，既可以有線傳播，也可以無限傳播。把鐵塊投進火爐中，剛開始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光。隨著溫度的升高，鐵塊會慢慢變紅，開始發(fā)光。鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。為什么會有這樣的變化呢？一、熱輻射我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫作熱輻射。物體在室溫時，熱輻射的主要成分是波長較長的電磁波，不能引起人的視覺。當(dāng)溫度升高時，熱輻射中波長較短的成分越來越強。隨著溫度的升高，鐵塊從發(fā)熱，再到發(fā)光，鐵塊的顏色也不斷發(fā)生變化。大量實驗結(jié)果表明，輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。除了熱輻射外，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波。常溫下我們看到的不發(fā)光物體的顏色就是反射光致。如果某物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這物體稱為黑體。黑體雖然不反射電磁波，但是卻可以向外輻射電磁波。黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與它的溫度有關(guān)。二、能量子1900年底，普朗克作出了這樣的大膽假設(shè)：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍。例如，可能是ε或2ε、3ε……這個不可再分的最小能量值

ε叫作能量子。ε=hνν是電磁波的頻率，h是普朗克常量，h＝6.62607015×1