高中物理人教版选修3-1 第三章第三节 几种常见的磁场 教案1

三维目标

知识与技能

1．知道什么是磁感线；

2．知道条形磁铁、蹄形磁铁、直线电流、环形电流和通电螺线管的磁感线分布情况；

3．利用安培定则判断直线电流、环形电流和通电螺线管的磁场方向；

4．知道安培分子电流假说，并能解释有关现象。理解磁现象的电本质；

5．理解匀强磁场的概念，明确两种情形的匀强磁场；

6．知道磁通量的定义，知道Φ＝BS的适用条件，利用公式进行有关计算。

过程与方法

1．通过模拟实验体会磁感线的形状，培养学生的的实验观察、分析的能力和空间想象能力；

2．由电流和磁铁都能产生磁场，提出安培分子电流假说，最后都归结为磁现象的电本质；

3．通过引入磁通量概念，使学生体会描述磁场规律的另一重要方法。

情感、态度与价值观

1．通过讨论与交流，培养对物理探索的情感；

2．领悟物理探索的基本思路，培养科学的价值观。

教学重点

1．利用安培定则判断磁感线方向，理解安培分子电流假说；

2．理解磁通量的概念并能进行有关计算。

教学难点

安培定则的灵活应用及磁通量的计算。

教学方法

类比法、实验法、比较法。

教学用具

条形磁铁、直导线、环形电流、通电螺线管、小磁针若干、投影仪、展示台、学生电源。

教学过程

［新课导入］

电场可以用电场线形象地描述，磁场可以用什么来描述呢？

磁场也可以用磁感线形象地描述。

那么什么是磁感线？又有哪些特点呢？这节课我们就来学习有关磁感线的知识。

［新课教学］

一、磁感线

在研究磁场时，我们引进磁感线来反映磁场的方向性，磁感线是一些有方向的曲线，在这些曲线上，每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同（即为小磁针静止时北极的指向）。利用磁感线，我们就可以比较直观地描述磁场的方向性．

1．磁感线

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

利用磁感线可以形象地描述磁场。

2．磁感线的实验模拟

演示：在磁铁的不同位置放上小磁针。

现象：静止时小磁针的N极指向各不相同。能显示出磁感线的形状。

演示：实验中常用铁屑来模拟磁感线的形状。在磁场中放一块玻璃板，玻璃板上均匀地撒一层细铁屑，细铁屑在磁场里被磁化成“小磁针”，轻敲玻璃板使铁屑胡规则地排列起来，就模拟出磁感线的形状。如图所示。在两极附近磁场较强，磁感线较密。

现象：铁屑静止时有规则地排列起来，显示出磁感线的形状。

二、几种常见的磁场

1．几种常见的磁场

（1）条形磁铁的磁场

（2）蹄形磁铁的磁场

问题：磁铁周围的磁感线方向如何？

结论：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。

（3）直线电流的磁场

问题：通电直导线周围的磁感线如何分布？

结论：直线电流磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在跟导线垂直的平面上。

把小磁针放到通电直导线附近，根据磁针的指向，可以研究它周围磁场的分布。直线电流的磁场方向可以用安培定则方便地表示。

问题：直线电流周围的磁感线分布和什么因素有关系？

结论：改变电流的方向，各点的磁场方向都变成相反的方向，即磁感线的方向随着改变。直线电流周围的磁感线方向和电流方向有关系。

问题：直线电流的方向跟磁感线方向之间的关系如何判断呢？

结论：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：右手握住导线，让伸直的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环绕的方向。

对直线电流周围的磁感线，应能画出不同侧面、不同角度磁感线图。

（4）环形电流的磁场

问题：环形电流周围的磁感线如何分布？

结论：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。

问题：环形电流的方向跟磁感线方向之间的关系如何判断呢？

结论：环形电流的方向跟中心轴线上的磁感线方向之间的关系也可以用安培定则来判定：让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向。

（5）通电螺线管磁场的磁感线

问题：通电螺线管外部的磁场和什么相似？

结论：通电螺线管外部的磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，一端相当于南极，一端相当于北极。

问题：通电螺线管内部的磁场如何？

结论：通电螺线管内部的磁感线和螺线管的轴线平行，方向由南极指向北极，并和外部的磁感线连接，形成一些环绕电流的闭合曲线。通电螺线管内部的磁场比两极处的磁场更强。

问题：通电螺线管的磁感线方向和什么因素有关系？

结论：通电螺线管的磁感线方向和螺线管的电流方向有关。

问题：如何判断通电螺线管的极性？

结论：通电螺线管的电流方向和它的磁感线方向之间的关系，也可用安培定则来判定：用右手握住螺线管，让弯曲四指所指的方向和电流的方向一致，大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向。也就是说，大拇指指向通电螺线管的北极。

与天然磁体的磁场相比，电流磁场的强弱容易控制，因而在实际中有很多重要的应用。电磁起重机、电话、电动机、发电机，以及在自动控制中普通应用的电磁继电器，都离不开电流的磁场。

2．磁感线的特点

（1）磁感线上任意一点的切线方向表示该位置的磁场方向，亦即小磁针在该位置时N极的受力方向，或小磁针在该位置静止时N极的指向；

（2）磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。磁感线密集处磁场强，稀疏处磁场弱。

（3）磁感线为闭合曲线，无起点和终点。在磁体的外部磁感线由N极发出，回到S极。在磁体的内部磁感线则由S极指向N极。

（4）在稳定的磁场中，某一点只有惟一确定的磁场方向，所以两条磁感线不能相交。

（5）磁感线也不相切。若磁感线相切，则切点处的磁场将趋近于无穷大，这是不可能的。

三、安培分子电流假说

磁铁和电流都能产生磁场。它们的磁场是否有什么关系呢？我么已经知道，通电螺线管和条形磁铁的磁场分布十分相似，法国学者安培由此受到启发，提出了著名的分子电流假说。

1．分子电流假说的内容

在原子、分子等物质微粒内部，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，它的两侧相当于两个磁极，这就是分子电流假说。

2．用安培假说解释磁现象

阅读课文，回答以下问题。

（1）一根铁棒在未被磁化时为什么对外界不显磁性？

铁棒未被磁化时，内部各分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性。

（2）什么是磁化？如何去理解磁化和磁极？

使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫磁化。在有外界磁场的作用时，某些物质内部各分子电流的取向会变得大致相同，这个过程就是磁化，这些物质被磁化后，各分子电流的磁场互相叠加，对外界显示出较强的磁作用，在两端形成磁极。

（3）永磁体为什么具有磁性？

永磁体之所以具有磁性，是因为它内部的环形分子电流本来就排列整齐。

（4）永磁体如何失去磁性？

永磁体受到高温或猛烈的敲击会失去磁性，这是因为在激烈的热运动或机械振动的影响下，分子电流的取向又变得杂乱无章了。

（5）为什么无论把磁棒折成多小的一段，它总有两个磁极？

每个环形分子电流的两个侧面必定同时出现，一面相当于N极，另一面相当于S极。

3．磁现象的电本质

（1）罗兰实验

1876年，罗兰把大量的电荷加在一个橡胶圆盘上，然后使盘绕中心轴高速转动，在盘的附近用小磁针来检验磁场的存在，如图所示。

结果他发现，当带电盘转动时，小磁针果然发生了偏转，而且改变盘的转动方向或改变所带电荷的正负时，小磁针的偏转方向也改变，磁针的偏转方向跟运动电荷所形成的电流方向间的关系同样符合安培定则。

（2）磁现象的电本质

电流产生磁场，其磁场是运动电荷产生的。磁体中的分子电流是由原子内部电子的运动形成的。安培分子电流假说揭示了磁现象的电本质。

磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的。

运动的电荷（电流）产生磁场，磁场对运动的电荷（电流）有磁场力的作用，所有的磁现象都可以归结为运动电荷（电流）通过磁场而发生的相互作用。

四、匀强磁场

什么是匀强电场？匀强电场的产生条件是什么？匀强电场的电场线有何特点？

在电场的某一区域，如果场强的大小和方向都相同，这个区域的电场叫做匀强电场；两块靠近的平行金属板，大小相等，互相正对，分别带有等量的正负电荷，它们之间的电场除边缘附近外就是匀强电场；匀强电场的电场线是距离相等的平行直线。

1．匀强磁场

如果磁场的某一区域里，磁感应强度的大小和方向处处相同，这个区域的磁场叫匀强磁场。

2．产生方法

距离很近的两个异名磁极之间的磁场、通电螺线管内部的磁场（除边缘部分外）可认为是匀强磁场。

3．磁感线的特点

匀强磁场的磁感线是间距相等的平行直线。

五、磁通量

研究电磁现象时，有时需要研究穿过某一面积的磁场和它的变化。为此，物理学引入了一个新的物理量──磁通量。阅读教材，说出磁通量的定义、公式、单位以及物理意义。

1．定义

在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，则B与S的乘积叫做穿过这个面的磁通量。

2．公式

Ф＝BS

3．单位

在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，简称韦，符号是Wb。

1Wb＝1T·1m2＝1V·s

4．物理意义

磁通量表示穿过这个面积的磁感线条数。

对于同一个平面，当它跟磁场方向垂直时，磁场越强，穿过它的磁感线条数越多，磁通量就越大。当它跟磁场方向平行时，没有磁感线穿过它，则磁通量为零。

注意：当平面跟磁场方向不垂直时，穿过该平面的磁通量等于B与它在磁场垂直方向上的投影面积的乘积，即

Ф＝BSsinθ＝BS⊥（θ为平面与磁场方向之间的夹角）。

5．磁通密度

将磁通量的定义式Ф＝BS变形得：B＝，这个比值反映了什么意义？单位是什么？

B为垂直磁场方向单位面积上的磁通量，反映磁场的强弱。又叫磁通密度。单位Wb/m2

【问题思考】

磁通量是标量，但具有双向性，是双向标量。在规定正方向后有正、负之分。

【做一做】

［小结］

本节课学习了以下主要内容：

1．引入磁感线形象直观地描述磁场的强弱和方向的分布情况；

2．了解了常见磁场及其磁感线的分布情况，掌握了电流方向与磁场方向关系的左右螺定则；

3．学习了安培的分子电流假说，掌握了磁现象的电本质；

4．学习了匀强磁场的概念、产生及其磁感线分布的特点；

5．学习了磁通量的概念、公式，为学习电磁感应做准备。

［布置作业］

阅读科学漫步《有趣的右螺旋》；

教材第90－91页“问题与练习”。