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1、新课标人教版课件系列高中物理选修选修1-11-1第二章第二章磁场磁场 2.12.1指南针与指南针与远洋航海远洋航海教学目教学目标标、远洋航海洋航海（1）我国的远洋探险（2）欧洲人的远洋探险（3）远洋航海的伟大意义、磁、磁场（1）磁体在空间产生磁场。（2）磁感线（3）磁性的地球最早的磁性指向器最早的磁性指向器它由青铀盘和磁石琢磨的勺组成，磁勺头为磁性的北极，它由青铀盘和磁石琢磨的勺组成，磁勺头为磁性的北极，尾为南极。磁勺放置在地盘中心，受地磁作用，勺尾指向南方。尾为南极。磁勺放置在地盘中心，受地磁作用，勺尾指向南方。2.1指南针和远洋航海指南针和远洋航海新课标高中物理选修11第二章磁场磁场一、早
2、期一、早期对对磁的研究和使用磁的研究和使用1 1、郑和下西洋：郑和下西洋： 我国是最早在航海上使用指南针的国家，导航时兼我国是最早在航海上使用指南针的国家，导航时兼用用罗盘罗盘和和观星观星 ，二者相互补充，相互修正。，二者相互补充，相互修正。 用罗盘指引航向，探索航道，将船只航向的变动与用罗盘指引航向，探索航道，将船只航向的变动与指南针指向指南针指向的变动的关系总结出来，画出的航线在古代的变动的关系总结出来，画出的航线在古代称为称为针路针路或或针径针径。 1405140514331433年间，郑和先后年间，郑和先后7 7次下西洋。他率领当次下西洋。他率领当时世界上最强大的船队，先后到达了亚洲、
3、非洲的三十时世界上最强大的船队，先后到达了亚洲、非洲的三十几个国家。是世界航海史上伟大的壮举。几个国家。是世界航海史上伟大的壮举。 郑和下西洋，郑和下西洋，不但是中国海上探险事业的巨大成不但是中国海上探险事业的巨大成就，也是世界地理发现史上的光辉纪录。就，也是世界地理发现史上的光辉纪录。2、欧洲人的欧洲人的远洋探洋探险：在宋、元两代，我国在宋、元两代，我国发明的指南明的指南针传到了欧洲和到了欧洲和亚洲的洲的许多国家，使得近代欧洲的多国家，使得近代欧洲的远洋探洋探险成成为可能。可能。意大利航海家哥意大利航海家哥伦布（布（约14511506）进行了行了远洋探洋探险，在在这次航行中，次航行中，观察到
4、了察到了磁偏角磁偏角 。葡萄牙葡萄牙航海家麦哲航海家麦哲伦（约14801521）也）也进行了行了远洋探洋探险，用了三年，用了三年时间完成了完成了举世世闻名的名的环球航行。球航行。所有所有这些些远洋航行的成功，离不开磁学知洋航行的成功，离不开磁学知识的最初的最初应用用指南指南针。二、磁场二、磁场对比电场学习对比电场学习1、磁场：、磁场：磁体周围存在磁场磁体周围存在磁场2、磁场的、磁场的基本性质基本性质：对磁体有力的作用对磁体有力的作用磁体上磁性最强的部分叫磁体上磁性最强的部分叫磁极磁极，同名磁极同名磁极相斥相斥，异名磁极，异名磁极相吸相吸。3、作用过程：、作用过程：通过磁场实现通过磁场实现。磁体
5、是通过。磁体是通过磁场磁场对铁对铁一类物质发生作用的，磁场和电场一样，是一类物质发生作用的，磁场和电场一样，是物质物质存在的另一种形式，是客观存在存在的另一种形式，是客观存在4、磁场的方向：、磁场的方向：规定小磁针北极规定小磁针北极受力的方向，也即小磁针静止时北受力的方向，也即小磁针静止时北极所指的方向，极所指的方向，就是那一点的磁场就是那一点的磁场方向方向5、磁感线：、磁感线：（1）定义：在磁场中画出一些有方向的曲线）定义：在磁场中画出一些有方向的曲线,在这些在这些曲线上，每一点的曲线上，每一点的切线切线方向，都跟该点的方向，都跟该点的磁场方磁场方向向相同。这样的曲线叫磁感线相同。这样的曲线
6、叫磁感线磁感线的磁感线的疏密疏密表示磁场强弱。表示磁场强弱。(2)目的目的：为形象地描述磁场而人为引入的：为形象地描述磁场而人为引入的假想曲线假想曲线(3)特点：特点：a.磁感线某点的切线方向表示该点的磁场方向磁感线某点的切线方向表示该点的磁场方向b.磁感线的疏密可以反映磁场的强弱磁感线的疏密可以反映磁场的强弱c.磁感线是封闭曲线磁感线是封闭曲线d.任何两条磁感线都不相交任何两条磁感线都不相交（4）模拟）模拟磁感线：实验中常用铁屑在磁场中被磁化的磁感线：实验中常用铁屑在磁场中被磁化的性质，来性质，来模拟模拟磁感线的形状。磁感线的形状。条形磁体磁感线模拟图条形磁体磁感线模拟图1（4）模拟）模拟磁
7、感线：实验中常用铁屑在磁场中被磁化的磁感线：实验中常用铁屑在磁场中被磁化的性质，来性质，来模拟模拟磁感线的形状。磁感线的形状。条形磁体磁感线模拟图条形磁体磁感线模拟图2（5）条形磁体和蹄形磁体的磁感线：）条形磁体和蹄形磁体的磁感线：磁感线方向磁感线方向外部：从外部：从N极到极到S极极，内部：从内部：从S极到极到N极极磁感线与电场线的联系与区别磁感线与电场线的联系与区别1 1、磁场的方向：、磁场的方向：规定规定小磁针小磁针北极北极受力的方向受力的方向（或小磁针静止时（或小磁针静止时北极所指的方向）北极所指的方向）2 2、磁感线、磁感线（1 1）为形象描述磁场而）为形象描述磁场而假想假想的曲的曲线
8、，实际不存在线，实际不存在（2 2）疏密表示强弱，切线疏密表示强弱，切线方向表方向表示磁场方向示磁场方向（3 3）磁铁）磁铁外部从外部从N N极到极到S S极极，内部，内部从从S S极到极到N N极，形成闭合曲线极，形成闭合曲线（4 4）不相交）不相交1 1、电场的方向：、电场的方向：规定正电荷规定正电荷所所受电场力的方向受电场力的方向 2 2、电场线、电场线（1 1）为形象描述电场而）为形象描述电场而假想假想 的曲线，实际不存在的曲线，实际不存在（2 2）疏密表示强弱疏密表示强弱，切线切线方方 向表示电场方向向表示电场方向（3 3）始于正电荷，终止于负始于正电荷，终止于负电荷电荷的非闭合曲线
9、的非闭合曲线（4 4）不相交）不相交三、地磁场：三、地磁场：1、定义：、定义：地球是个磁体，具有磁场，叫地磁场。地球是个磁体，具有磁场，叫地磁场。地磁场的分布大致上就像一个地磁场的分布大致上就像一个条形磁体条形磁体各地磁感线近似平行地面各地磁感线近似平行地面2、磁偏角：、磁偏角：（1）地球的地理南北极与地磁场的南北相反）地球的地理南北极与地磁场的南北相反（2）地球的地理两极与地磁场的两极并不重合，磁地球的地理两极与地磁场的两极并不重合，磁针并非准确地指南或指北，有个夹角，针并非准确地指南或指北，有个夹角，叫地磁偏叫地磁偏角角，简称磁偏角，简称磁偏角3、地磁场的磁感线分布图：见上图、地磁场的磁感
10、线分布图：见上图4、说明：宇宙中的许多、说明：宇宙中的许多天体天体都具有磁场。月球也有都具有磁场。月球也有磁场磁场。但。但月球不象地球那样有一个月球不象地球那样有一个全球性全球性的磁场。火星也没有的磁场。火星也没有全球性全球性的磁场，所以火星上的磁场，所以火星上指南针指南针不起作用。不起作用。地磁场的地磁场的分布大致分布大致上就像一上就像一个条形个条形磁磁体。体。各地磁感各地磁感线近似平线近似平行地面行地面小结小结一、磁场一、磁场1、磁场：、磁场：磁体周围存在磁场。磁体周围存在磁场。类似电场。类似电场。2、磁场的、磁场的基本性质基本性质：对磁体有力的作用。对磁体有力的作用。同名磁极同名磁极相斥
11、相斥，异名磁极，异名磁极相吸相吸。3、作用过程：、作用过程：通过磁场实现通过磁场实现。4、磁场的方向：、磁场的方向：规定小磁针北极受力的方向，规定小磁针北极受力的方向，也即小磁也即小磁针静止时北极所指的方向，针静止时北极所指的方向，就是那一点的磁场方向就是那一点的磁场方向二、磁感线：二、磁感线：1、作用、作用：形象地描述磁场。：形象地描述磁场。切线切线方向表示方向表示磁场方向；疏密磁场方向；疏密表示磁场强弱。表示磁场强弱。2、磁感线方向：、磁感线方向：外部：从外部：从N极到极到S极极，内部：从，内部：从S极到极到N极极3、特点：、特点：不相交、不中断闭合曲线不相交、不中断闭合曲线小结小结4、模
12、拟模拟磁感线：实验中常用铁屑在磁场中被磁化的性磁感线：实验中常用铁屑在磁场中被磁化的性质，来质，来模拟模拟磁感线的形状。磁感线的形状。5、条形磁体和蹄形磁体的磁感线形状条形磁体和蹄形磁体的磁感线形状。注意：内部：从注意：内部：从S极到极到N极极6、磁感线与电场线的联系与区别磁感线与电场线的联系与区别三、地磁场三、地磁场1、地磁场的分布大致上就像一个地磁场的分布大致上就像一个条形条形磁体。磁体。南北极相反。南北极相反。各地磁感线近似平行地面各地磁感线近似平行地面2、磁偏角：、磁偏角：地理两极与地磁场的两极并不重合，有个地理两极与地磁场的两极并不重合，有个夹角，夹角，叫地磁偏叫地磁偏角角。3、说明
13、：许多、说明：许多天体天体都具有磁场。月球也有都具有磁场。月球也有磁场磁场。火星。火星没有没有全球性全球性的磁场，所以火星上的磁场，所以火星上指南针指南针不起作用。不起作用。课堂练习和课外作业课堂练习和课外作业课堂练习：课堂练习： P P28 28 问题与练习问题与练习 1 1、2 2、3 3、4 4，探索者，探索者课外作业课外作业： P P2828 问题与练习问题与练习 作业本作业本1分分别用字母在用字母在图中空白中空白处标出磁体的南北极出磁体的南北极2确定磁确定磁场方向的方法是：将一不受外力的方向的方法是：将一不受外力的 放入磁放入磁场中需中需测定的位置，当小磁定的位置，当小磁针在在该位置
14、静止位置静止时，小磁，小磁针N极的指向即极的指向即为该点的磁点的磁场方向方向3小磁小磁针的指南指北性表明地球是一个的指南指北性表明地球是一个 小磁针小磁针大磁体大磁体4地理的地理的 是地磁的北南极。指南是地磁的北南极。指南针并不并不指向地球的正南正北，其指向地球的正南正北，其间有一个交角叫有一个交角叫 。在地球两极附近，地磁。在地球两极附近，地磁场的磁感的磁感应强度度约为510-5T，而永久磁，而永久磁铁两极附近的磁感两极附近的磁感应强度度约为0.5T.地磁地磁场是非常弱的。是非常弱的。5关于磁感关于磁感线的下列的下列说法中，正确的是（法中，正确的是（ ）磁感磁感线是真是真实存在于磁存在于磁场
15、中的有方向的曲中的有方向的曲线磁感磁感线上任一点的切上任一点的切线方向，都跟方向，都跟该点磁点磁场的方向相同的方向相同磁磁铁的磁感的磁感线从磁从磁铁的北极出的北极出发，终止于磁止于磁铁的南极的南极磁感磁感线有可能出有可能出现相交的情况相交的情况南北极南北极磁偏角磁偏角B6下列情况可以肯定下列情况可以肯定钢针没有磁性的是（没有磁性的是（）将将钢针的一端接近磁体的北极，两者相互吸引，的一端接近磁体的北极，两者相互吸引，再将再将钢针的另一端接近磁体的南极，的另一端接近磁体的南极，则两者相互两者相互排斥排斥 将将钢针的一端接近磁体的北极，两者相互吸引，的一端接近磁体的北极，两者相互吸引，再将再将钢针的
16、另一端接近磁体的北极，的另一端接近磁体的北极，则两者相互两者相互排斥排斥 将将钢针的一端接近磁体的北极，两者相互排斥，的一端接近磁体的北极，两者相互排斥，再将再将钢针的另一端接近磁体的北极，的另一端接近磁体的北极，则两者相互两者相互吸引吸引,将将钢针的一端接近磁体的北极，两者相互吸引，的一端接近磁体的北极，两者相互吸引，再将再将钢针的另一端接近磁体的北极的另一端接近磁体的北极 ,则两者相互吸两者相互吸引引D7、下列、下列说法正确的是（法正确的是（）磁极磁极间的相互作用是通的相互作用是通过磁磁场发生的生的磁磁场和和电场一一样也是客也是客观存在的的物存在的的物质磁感磁感线是是实际存在的存在的线，可
17、由，可由实验得到得到磁感磁感线类似于似于电场线，它，它总是从磁体的是从磁体的极出极出发终止于止于 AB补充补充补充补充: :我们周围的磁现象我们周围的磁现象我们周围的磁现象我们周围的磁现象一、无处不在的磁一、无处不在的磁一、无处不在的磁一、无处不在的磁1.我们的祖先发明指南针，对世界文明产生重大影响。我们的祖先发明指南针，对世界文明产生重大影响。2.现代人好比被现代人好比被“磁海磁海”包围。包围。3.生物磁性的研究为人类开辟了崭新的视野。生物磁性的研究为人类开辟了崭新的视野。二二二二. .地磁场地磁场地磁场地磁场地理的南北极与地磁的地理的南北极与地磁的N、S极相反。极相反。第一节第一节第一节第
18、一节 我们周围的磁现象我们周围的磁现象我们周围的磁现象我们周围的磁现象三三三三. .磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料1. 1.磁化磁化磁化磁化使不具有磁性的物质具有磁性的过程叫磁化。使不具有磁性的物质具有磁性的过程叫磁化。 任何物质在外磁场中都能或多或少地被磁化。任何物质在外磁场中都能或多或少地被磁化。2. 2.磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料磁化后磁性很强的物质叫磁性材料，又称为铁磁性物质磁化后磁性很强的物质叫磁性材料，又称为铁磁性物质3. 3.磁性材料的分类磁性材料的分类磁性材料的分类磁性材料的分类 软磁性物质：磁化后容易去磁的物质称软磁性物质。软磁性物质：磁化后容易去磁的物质称软磁性物质
19、。 软磁性物质剩磁较小软磁性物质剩磁较小软磁性物质剩磁较小软磁性物质剩磁较小。 硬磁性物质：磁化后不易去磁的物质称硬磁性物质。硬磁性物质：磁化后不易去磁的物质称硬磁性物质。 硬磁性物质剩磁较大硬磁性物质剩磁较大硬磁性物质剩磁较大硬磁性物质剩磁较大。我们周围的磁现象我们周围的磁现象我们周围的磁现象我们周围的磁现象4. 4.磁性材料的应用磁性材料的应用磁性材料的应用磁性材料的应用软磁性材料的剩磁弱，容易去磁，适用于需要反复磁化的场合。软磁性材料的剩磁弱，容易去磁，适用于需要反复磁化的场合。硬磁性材料的剩磁强，不易去磁，适用于制成永磁体。硬磁性材料的剩磁强，不易去磁，适用于制成永磁体。【问题问题问题
20、问题】以下物品，应用哪种材料制成？以下物品，应用哪种材料制成？磁感磁感线与与电场线的的联系与区系与区别电场线磁感磁感线1电场线从从 出出发，终止于止于，电场线是是 的曲的曲线，正、，正、负电荷可荷可单独独存在存在1在磁体内部，磁感在磁体内部，磁感线是从是从 极指向极指向 极，外部是从极，外部是从 出出发从从进去，磁感去，磁感线是是 的曲的曲线，、极是不可分割的，、极是不可分割的2 电荷在荷在电场中某点受中某点受到到电场力的方向与力的方向与该点的点的方向一致，也与方向一致，也与该点所在点所在电场线的的 方向一致方向一致2小磁小磁针在磁在磁场中静止中静止时 极的指向或极的指向或 极的受力方极的受力
21、方向与向与该点的点的 方向一致，也方向一致，也与与该点所在磁感点所在磁感线的的方向致方向致3电场中任何两条中任何两条电场线都都 相交相交3磁磁场中任何两条磁感中任何两条磁感线都都 相交相交4电场线的疏密表示的疏密表示电场的的 4磁磁场线的疏密表示磁的疏密表示磁场的的 2.22.2电流的磁场电流的磁场教学目教学目标标知知识与能力与能力、电流的磁效应（）直线电流：安培定则：右手握住导线，伸直的拇指的方向代表电流的方向，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向（）环形电流：右手握住环形导线,弯曲的四指所指的方向代表电流的方向，拇指所指的方向就是圆环中心周线上的磁感线的方向（）螺线管：右手握住螺线
22、管，弯曲的四指所指的方向代表电流的方向，拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向实验仪器：器：直导线、硬纸板、细铁屑、直流电源在在现现代社会代社会, ,磁磁铁铁除了能除了能够够用于指示方向用于指示方向, ,还还有广泛的其他用途有广泛的其他用途磁悬浮列车有速度快、爬坡能力强、能耗低的优点，磁悬浮列车有速度快、爬坡能力强、能耗低的优点，每个坐位的能耗仅为飞机的三分小、安全舒适、不燃每个坐位的能耗仅为飞机的三分小、安全舒适、不燃油，污染少油，污染少. .电磁起重机电磁起重机可以产生强大的磁性，来回搬运物品. 带电体和磁体有一些相似的性质，这些相似是一种巧合呢？还是它们之间存在着某些联系呢？一、奥斯特
23、一、奥斯特实验实验科学家们基于这种想法，一次又一次地寻找电与磁的联系.1820年丹麦物理学家奥斯特奥斯特终于用实验证实通电导体的周围存在着磁场.这一重大发现轰动了科学界，使电磁学进入一个新的发展时期丹麦物理学家奥斯特发现的电流磁效应，是科学史上的重大发现揭开了物理学史上的一个新纪元奥斯特不只是一位著名的物理学家，还是一位优秀的教师他的讲课有表演，有分析他非常重视实验，他说过“我不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课，因为归根到底，所有的科学进展都是从实验开始的 演示演示实验实验将直导线与小磁针平行并放在小磁针的上方和下方.观察（点击观看实验视频）1当直导线通电时产生什么现象2断电后发生什么现象3改变通
24、电电流的方向后发生什么现象 .观观察到的物理察到的物理现现象象 通电时小磁针发生偏转；断电时小磁针转回到指南北的方向；说明： 通电导线周围存在磁场通电电流方向相反，小磁针偏转方向也相反说明：磁场方向与电流方向有关总结总结奥斯特奥斯特实验实验： 现象：导线通电，周围小磁针发生偏转；通电电流方向改变，小磁针偏转方向相反规律：通电导线周围存在磁场；磁场方向与电流方向有关直直线电线电流流的磁的磁场场二二. .环环形形电电流的磁流的磁场场1.单单个个环环2 2、通、通电电螺螺线线管的磁管的磁场场观察铁屑的分布和小磁针的指向在板上均匀撒满铁屑在螺线管两端各放一个小磁针，通电后观察小磁针的指向轻轻敲板，观察
25、铁屑的排列改变电流方向再观察一次实验演示在板上均匀撒满铁屑，通电后轻轻敲板，观察铁屑的排列实验演示想一想想一想通电前小磁针如何指向，通电后发生什么现象？原来小磁针指南北，通电后磁针偏转想一想想一想改变通电方向，小磁针的指向有什么不同，说明什么？小磁针指向相反，说明通电螺线管两端的极性与通电电流有关.想一想想一想通电后，轻轻敲板，铁屑为什么会产生规则排列？铁屑的排列与什么现象一样？铁屑磁化变成“小磁针”，轻敲使铁屑可自由转动使铁屑按磁场进行排列其排列与条形磁体的排列相同，通电螺线管相当于条形磁体安培定安培定则则用右手握螺用右手握螺线管，管，让四指弯向螺四指弯向螺线管管电流流的方向，的方向，则大拇
26、指所大拇指所指的那端就是螺指的那端就是螺线管管的北极的北极注意：内部磁注意：内部磁场的方向：从的方向：从S极指向极指向N极，外部磁极，外部磁场N极指向极指向S极。极。通电螺线管外部磁场与条形磁体类似。通电螺线管外部磁场与条形磁体类似。在通电螺线管内部有一点A,通过A点的磁感线方向一定是（）A从螺线管的N极指向S极B放在该点的小磁针北极受力的方向C从螺线管的S极指向N极D放在该点的小磁针的南极受力的方向B C返回返回奥奥斯斯特特实实验验返回2.32.3磁场对通电导线磁场对通电导线的作用的作用教学目教学目标标知知识能力能力1、安培力：通电导体在磁场中受到力的作用、磁感应强度-磁场的强弱、安培力的方
27、向：左手定则：伸开左手使拇指跟其余四指垂直并且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线穿入手心并使四指指向电流的方向那么拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向。、电动机原理实验仪器：器：三块相同的蹄形磁铁、一根直导线、直流电源、支架一一. . 安培力的定义：安培力的定义：通电导线在通电导线在磁场中受的力通常称为安培力。磁场中受的力通常称为安培力。二二. .安培力的大小：安培力的大小： F F= =BILBIL 适用条件：适用条件：1 1）匀强磁场）匀强磁场 2 2）导线与磁场垂直）导线与磁场垂直 3 3）当）当I I与与B B有夹角有夹角 时，时，F F= =BILBIL sinsin （将（将B
28、 B分解成分解成B B和和B B，其中，其中F=BF=BIL=BILsinIL=BILsin）BI BIBI推广推广: :1 1）当）当I I B B， F F= =BILBIL2 2）当）当I I / / B B， F F=0=0下面请两个同学上来，下面请两个同学上来，先述说自己的实验方案，先述说自己的实验方案，再进行探究，并对实验再进行探究，并对实验现象进行小结现象进行小结既既跟跟磁磁场场方方向向垂垂直直，又又跟跟电电流流方方向向垂垂直直，即即安安培培力力的的方方向向总总是是垂垂直直于于磁磁感感线线和和通通电电导导线线所所在在的平面的平面l安培力的方向：安培力的方向：1 1）伸开左手，大拇
29、指）伸开左手，大拇指跟四指垂直跟四指垂直 ，且在同，且在同 一平面内一平面内左手定则：左手定则：2 2）让磁感线穿过手心）让磁感线穿过手心左手定则：左手定则：3 3）使四指指向电流方）使四指指向电流方向向 ，则拇指指向安培，则拇指指向安培力的方向力的方向例：左手定则运用例：左手定则运用IFFBB例例4：将将长长度度为为20cm、通通有有0.1A电电流流的的直直导导线线放放入入一一匀匀强强磁磁场场中中，电电流流与与磁磁场场的的方方向向如如图图所所示示，已已知知磁磁感感应应强强度度为为1T。试试求求出出下下列列图图中中导导线受安培力的大小。线受安培力的大小。上课时我们观察了电动机的工上课时我们观察
30、了电动机的工作，当电流方向发生变化时线作，当电流方向发生变化时线圈转动方向发生变化，现在我圈转动方向发生变化，现在我们学习了左手定则，能否解释们学习了左手定则，能否解释以上现象呢？以上现象呢？三、磁电式电流表：三、磁电式电流表：1 1、 基本组成部基本组成部分：磁铁和放在分：磁铁和放在磁铁两极之间的磁铁两极之间的线圈线圈抢答（每小题抢答（每小题10分，共分，共5题）：题）：线圈的转动是怎样产生的？线圈的转动是怎样产生的？线圈为什么不一直转下去？线圈为什么不一直转下去？答：线圈转动是因为它受到安培力的作用答：线圈转动是因为它受到安培力的作用答：当线圈受力平衡时，将不再转动答：当线圈受力平衡时，将
31、不再转动为什么指针偏转角度的大小可以说明被为什么指针偏转角度的大小可以说明被测电流的强弱？测电流的强弱？答：螺旋弹簧变形，反抗线圈转动。电流答：螺旋弹簧变形，反抗线圈转动。电流越大安培力越大，螺旋弹簧的形变也就越越大安培力越大，螺旋弹簧的形变也就越大，所以，从线圈偏转的角度就能判断通大，所以，从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小过电流的大小如何根据指针偏转的方向来确定电路上如何根据指针偏转的方向来确定电路上电流的方向？电流的方向？答：电流方向改变，安培力的方向也随之答：电流方向改变，安培力的方向也随之改变，指针的偏转方向也随着改变，故根改变，指针的偏转方向也随着改变，故根据指针的偏转方向能判
32、断被测电流的方向据指针的偏转方向能判断被测电流的方向使用时要特别注意什么？使用时要特别注意什么？答：所通电流不能太大答：所通电流不能太大1 1、安培力的大小：、安培力的大小：2 2、安培力的方向、安培力的方向左手定则左手定则1 1）当）当I I B B， F F= =BILBIL2 2）当）当I I / / B B， F F=0=03 3）当）当I I与与B B有夹角有夹角 时，时，F F= =BILBIL sinsin 3 3、电流表的工作原理、电流表的工作原理2.42.4磁场对运动电荷磁场对运动电荷的作用的作用教学目教学目标标知知训与能力与能力、洛仑兹力（1）洛仑兹力：磁场对运动电荷力的作
33、用（2）洛仑兹力和安培力是微观和宏观的关系、洛仑兹力的方向的判断、电子束的磁偏转1、磁场的强弱和电子的速度都能影响圆的半径、显像管的工作原理实验仪器：器：安装一个阴极、一个阳极的真空玻璃管、高压电源、磁铁 电量为电量为 q 电荷在磁场中受到的洛电荷在磁场中受到的洛仑兹力：仑兹力：大小大小:1.1.洛仑兹力洛仑兹力一、磁场对运动电荷的作用一、磁场对运动电荷的作用洛仑兹力洛仑兹力方向方向: 垂直由垂直由 和和 构成的平面。构成的平面。 洛仑兹力不对运动电荷作功，洛仑兹力不对运动电荷作功，它只改变带电粒子的运动方向，它只改变带电粒子的运动方向，并不改变带电粒子的速率和动能。并不改变带电粒子的速率和动
34、能。 以速度以速度 v 置入一带电量为置入一带电量为 q 的粒子，粒子受到电场和磁的粒子，粒子受到电场和磁场的共同作用。场的共同作用。+-E速速度度选选择择器器FefLB 当粒子速度较小时，电场力大于洛伦兹力，粒子向当粒子速度较小时，电场力大于洛伦兹力，粒子向左偏转被左极板吸收。左偏转被左极板吸收。4.4.带电粒子在磁场和电场中的运动带电粒子在磁场和电场中的运动(1)质谱仪的工作原理质谱仪的工作原理1.质谱仪质谱仪 当粒子速度较大时，电场力小于洛伦兹力，粒子向右当粒子速度较大时，电场力小于洛伦兹力，粒子向右偏转被右极板吸收。偏转被右极板吸收。 当粒子速度满足电场力等于洛伦兹力时，当粒子速度满足
35、电场力等于洛伦兹力时，粒子竖直向下运动穿过狭缝进入下方磁场粒子竖直向下运动穿过狭缝进入下方磁场 B； 通过调整通过调整 E 和和 B 可选可选择粒子速度。择粒子速度。RB+-vE速速度度选选择择器器FefLB质量大的同位素粒子，轨道半径大，质量小的同位素粒质量大的同位素粒子，轨道半径大，质量小的同位素粒子，轨道半径小。不同质量的粒子在胶片屏上留下不同子，轨道半径小。不同质量的粒子在胶片屏上留下不同的质谱线。的质谱线。在在 B 中作圆周运动的轨道半中作圆周运动的轨道半径为：径为：根据质谱线的位置，可推出同位素的质量。根据质谱线的位置，可推出同位素的质量。(2)同位素同位素 有相同的质子数和电子数
36、，有相同的质子数和电子数，但中子数不同的元素。它们的但中子数不同的元素。它们的化学性质相同，无法用化学的化学性质相同，无法用化学的方向将它们分离开。方向将它们分离开。由由 知知:质谱线：质谱线：其结构为金属双其结构为金属双 D 形盒，在形盒，在其上加有磁场和交变的电场。其上加有磁场和交变的电场。2.回旋加速器回旋加速器由于金属具有静电屏蔽作用，由于金属具有静电屏蔽作用，带电粒子在磁场的作用下作带电粒子在磁场的作用下作圆周运动，进入缝隙后，电圆周运动，进入缝隙后，电场极性变换，粒子被反向加场极性变换，粒子被反向加速，进入右半盒，由于速度速，进入右半盒，由于速度增加，轨道半径也增加。然增加，轨道半
37、径也增加。然后又穿过缝隙，电场极性又后又穿过缝隙，电场极性又变换，粒子不断地被加速。变换，粒子不断地被加速。 将一粒子置于双将一粒子置于双 D形盒形盒的缝隙处，在电场的作用的缝隙处，在电场的作用下，进入左半盒下，进入左半盒。BB (1)原因原因: 是由于运动电荷在磁场中受是由于运动电荷在磁场中受洛伦兹力的结果。洛伦兹力的结果。载流导体的宽为载流导体的宽为 b，厚为厚为 d。通有电流。通有电流 I 。 1879年霍耳发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与年霍耳发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势电流方向垂直，则在与磁场和电流
38、二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。差，这一现象称之为霍耳现象。IbdVHq3.霍尔效应霍尔效应以载流子是正电荷为例以载流子是正电荷为例,为霍尔系数。为霍尔系数。描写电流元在磁场中受安培力的规律。描写电流元在磁场中受安培力的规律。大小：大小：用矢量式表示：用矢量式表示：二、磁场对电流的作用二、磁场对电流的作用1.1.安培定律安培定律1.内容内容安培定律：安培定律：一个电流元在磁场中所受磁场力为电流一个电流元在磁场中所受磁场力为电流元元 与磁感应强度与磁感应强度 的矢量积。的矢量积。方向：方向：从从 右旋到右旋到 ，大拇指指向，大拇指指向 垂直由垂直由 和和 构成的平面。构成
39、的平面。 计算一段电流在磁场中受到的安计算一段电流在磁场中受到的安培力时，应先将其分割成无限多培力时，应先将其分割成无限多电流元，将所有电流元受到的安电流元，将所有电流元受到的安培力矢量求和培力矢量求和-矢量积分。矢量积分。 均匀磁场中曲线电流受的均匀磁场中曲线电流受的安培力，等于从起点到终点安培力，等于从起点到终点的直线电流所受的安培力。的直线电流所受的安培力。由于由于 ，abI2.一段电流在磁场中受力一段电流在磁场中受力3.均匀磁场中曲线电流受力均匀磁场中曲线电流受力例例1：在无限长载流直导线在无限长载流直导线 I1 旁，平行放置旁，平行放置另一长为另一长为L的载流直导线的载流直导线 I2
40、 ,两根导线相距两根导线相距为为 a，求导线，求导线 I2所受到的安培力。所受到的安培力。解：解：由于电流由于电流 I2 上各点到电流上各点到电流 I1 距离相同，距离相同，I2 各点处的各点处的 B 相同，相同，I2 受到的安培力方向如图所示，受到的安培力方向如图所示，其中其中 I2 受到受到 I1 的引力。的引力。同理同理 I1 也受到也受到 I2 的引力。的引力。安培力大小：安培力大小：例例2：在无限长载流直导线在无限长载流直导线 I1 旁，垂直放旁，垂直放置另一长为置另一长为 L 的载流直导线的载流直导线 I2 , I2 导线左导线左端距端距 I1 为为 a，求导线，求导线 I2 所受
41、到的安培力。所受到的安培力。解：解：建立坐标系建立坐标系,坐标原点选在坐标原点选在 I1上，上，电流元受安培力大小为：电流元受安培力大小为：其中其中分割电流元，分割电流元， 长度为长度为 dx , 例例3：在均匀磁场中，放置一半圆形在均匀磁场中，放置一半圆形半径为半径为 R 通有电流为通有电流为 I 的载流导线，的载流导线，求载流导线所受的安培力。求载流导线所受的安培力。解：解：由均匀磁场中曲线电流受力的结论：半圆形电流由均匀磁场中曲线电流受力的结论：半圆形电流受到的安培力相当于沿直径电流受到的安培；受到的安培力相当于沿直径电流受到的安培；R将平面载流线圈放入均匀磁场中，将平面载流线圈放入均匀
42、磁场中， 电磁系列电表指针转动：在永久磁铁的电磁系列电表指针转动：在永久磁铁的两极之间的空气隙内放一个可绕固定轴转两极之间的空气隙内放一个可绕固定轴转动的线圈，载流线圈在磁场中受力矩的结动的线圈，载流线圈在磁场中受力矩的结果。果。2.2.磁场对载流线圈的作用磁场对载流线圈的作用1.载流线圈在磁场中受到的力矩载流线圈在磁场中受到的力矩规定：规定：与电流满足右手定则的法线方向为正向。与电流满足右手定则的法线方向为正向。da边受到安培力边受到安培力:bc边受到安培力边受到安培力: Fda 与与 Fbc大小相等方向相反，作用在一条直线上，相互抵消。大小相等方向相反，作用在一条直线上，相互抵消。ab边受
43、到安培力边受到安培力:cd边受到安培力边受到安培力: Fab与与Fcd大小相等方向相反，不在一大小相等方向相反，不在一条直线上，不能抵消，为一对力偶，条直线上，不能抵消，为一对力偶，产生力矩。产生力矩。作俯视图作俯视图,线圈受到的力矩大小为：线圈受到的力矩大小为：如果为如果为N匝平面线圈：匝平面线圈：S 闭合电流所包围的面积！闭合电流所包围的面积！大小：大小：单位：单位：安培安培米米2方向方向:线圈正法线方向；线圈正法线方向；定义：定义：磁矩磁矩法线方向的单位矢量。法线方向的单位矢量。考虑方向：考虑方向：力矩方向为：力矩方向为：四指从四指从 右旋到右旋到 ，大拇指指向。大拇指指向。上述结论具有
44、普遍上述结论具有普遍意义意义（也适用于带电（也适用于带电粒子沿任意闭合回路粒子沿任意闭合回路的运动或自旋磁矩在的运动或自旋磁矩在磁场中受的力矩）磁场中受的力矩） 。1. = 0 时，时， 线圈处于线圈处于稳定平衡态稳定平衡态。这时如果外。这时如果外界的扰动使线圈稍有偏离，磁场的力界的扰动使线圈稍有偏离，磁场的力矩会使它回到平衡位置。矩会使它回到平衡位置。2. = 90 时：时：线圈受力矩最大。线圈受力矩最大。3. = 180 时：时： 线圈处于线圈处于非稳定平衡态非稳定平衡态。这时如。这时如果外界的扰动使线圈稍有偏离，磁果外界的扰动使线圈稍有偏离，磁场的力矩会使它继续偏转。场的力矩会使它继续偏
45、转。线圈受力矩为线圈受力矩为0。2.讨论讨论线圈受力矩为线圈受力矩为0。例例1：一半径为一半径为 R 的薄圆盘的薄圆盘,放在磁感应强度为放在磁感应强度为 B 的均匀的均匀磁场中磁场中, B 的方向与盘面平行的方向与盘面平行,如图所示如图所示,圆盘表面的电荷圆盘表面的电荷面密度为面密度为 s ,若圆盘以角速度若圆盘以角速度 w 绕其轴线转动绕其轴线转动,试求作用试求作用在圆盘上的磁力矩。在圆盘上的磁力矩。 解：解：取半径为取半径为 r, 宽为宽为dr的圆环。的圆环。圆环带电量：圆环带电量：转动形成电流转动形成电流磁矩：磁矩：方向沿轴线向上方向沿轴线向上,所受磁力矩：所受磁力矩：方向为方向为 顺时
46、钟方向为为规定的坐标正方向顺时钟方向为为规定的坐标正方向1 . .载流导线在磁场中运动时磁力的功载流导线在磁场中运动时磁力的功2 . .载流线圈在磁场中转动时磁力矩的功载流线圈在磁场中转动时磁力矩的功3.3.磁力的功磁力的功2.52.5磁性材料磁性材料教学目教学目标标 知知识与能力与能力1、了解磁化与退磁的概念。2、了解磁性材料及其应用教学重点：教学重点：磁化和退磁教学教学难点：点：磁记录1.磁性材料磁性材料 磁性材料按化学成分分类，基本上可分磁性材料按化学成分分类，基本上可分为金属磁性材料与铁氧体两大类。金属磁性材料主要为金属磁性材料与铁氧体两大类。金属磁性材料主要是铁、镍、钴元素及其合金，
47、如铁硅合金、铁镍合金、是铁、镍、钴元素及其合金，如铁硅合金、铁镍合金、铁钴合金、钐钴合金、铂钴合金、锰铝合金等等。铁铁钴合金、钐钴合金、铂钴合金、锰铝合金等等。铁氧体是指以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。氧体是指以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。性材料被磁化后，它们的磁性并不因为外磁场的消性材料被磁化后，它们的磁性并不因为外磁场的消失而完全消失，仍然剩余一部分磁性。按剩磁的情形失而完全消失，仍然剩余一部分磁性。按剩磁的情形分为软磁性材料和硬磁性材料。软磁性材料的剩磁弱，分为软磁性材料和硬磁性材料。软磁性材料的剩磁弱，而且容易退磁。硬磁性材料的剩磁强，而且不容易退而且容易退磁。硬磁性材料的剩磁强，而
48、且不容易退磁，适合于制成永久磁铁。磁，适合于制成永久磁铁。2. 磁化与退磁磁化与退磁 使使 原来不显磁性的物体在磁场中获得磁性称为原来不显磁性的物体在磁场中获得磁性称为磁化。分子电流假说可以解释磁化过程。一根软铁棒在未被磁化前，磁化。分子电流假说可以解释磁化过程。一根软铁棒在未被磁化前，内部各分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互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，对相抵消，对外界不显磁性。当软铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取外界不显磁性。当软铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大体一致，软铁棒就被磁化了，两端对外界显示出较强的磁向变得大体一致，软铁棒就
49、被磁化了，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁极。作用，形成磁极。何物质在磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。何物质在磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。物质被磁化以后，就成为了一个磁体，与磁化它的磁体间发生同极物质被磁化以后，就成为了一个磁体，与磁化它的磁体间发生同极相斥异极相吸的作用。铁、钴、相斥异极相吸的作用。铁、钴、 锰能够被强烈磁化，所以能被磁锰能够被强烈磁化，所以能被磁铁吸住。像铜、铝这些金属，磁化非常弱，受到的磁力也就很弱，铁吸住。像铜、铝这些金属，磁化非常弱，受到的磁力也就很弱，基本看不出来，这就是磁铁不能吸铜和铝的缘故。基本看不出来，这就是磁铁不能
50、吸铜和铝的缘故。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运动的影响下，分子电流的取向又变得杂乱了。动或机械运动的影响下，分子电流的取向又变得杂乱了。3.最新磁性材料最新磁性材料磁性是物质的基本属性，磁性材料是古老而用途十分广泛的功能材料，纳米磁性材料是20世纪70年代后逐步产生、发展、壮大而成为最富有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料。美国政府今年大幅度追加纳米科技研究经费，其原因之一是磁电于器件巨大的市场与高科技所带来的高利润，其中巨磁电阻效应高密度读出磁头的市场估计为10亿美元，目前己进入大规模的工业生产，磁随
51、机存储器的市场估计为1千亿美无，预计不久将投入生产，磁电子传感器件的应用市场亦十分宽广。纳米磁性材料及应用大致上可分三大类型：1纳米颗粒型* 磁记录介质 * 磁性液体 * 磁性药物 * 吸波材料2纳米微晶型* 纳米微晶永磁材料 * 纳米微晶软磁材料3纳米结构型* 人工纳米结构材料 薄膜，颗粒膜，多层膜，隧道结* 天然纳米结构材料钙钛矿型化合物纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质
52、。磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防，国民经济的方方面面紧密相关，磁记录材料至今仍是信息工业的主体，磁记录工业的产值约1千亿美元，为了提高磁记录密度，磁记录介质中的磁性颗粒尺寸已由微米，亚微米向纳米尺度过度，例如合金磁粉的尺寸约80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸约40nm，进一步发展的方向是所谓量子磁盘，利用磁纳米线的存储特性，记录密度预计可达400Gbin2，相当于每平方英寸可存储 20万部红楼梦，由超顺磁性所决定的极限磁记录密度理论值约为6000Gbin2。近年来，磁盘记录密度突飞猛进，现己超过10Gbin2，其中最主要的原因是应用了巨磁电阻效应读出磁头，而巨磁电阻效应是基于电子在磁性纳
53、米结构中与自旋相关的输运特性。 磁性液体最先用于宇航工业，后应用于民用工业，这是十分典型的纳米颗粒的应用，它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥散在基液中而构成。目前美、英、日、俄等国都有磁性液体公司，磁性液体广泛地应用于旋转密封，如磁盘驱动器的防尘密封、高真空旋转密封等，以及扬声器、阻尼器件、磁印刷等应用。磁性纳米颗粒作为靶向药物，细胞分离等医疗应用也是当前生物医学的一热门研究课题，有的已步入临床试验。1967年SmCO5。第一代稀土永磁材料问世，树立了永磁材料发展史上新的里程碑，1972年第二代Sm2CO17；稀土永磁材料研制成功，1983年高性能。低成本的第三代稀土永磁材料 N
54、dFeB诞生，奠定了稀土永磁材料在永磁材料中的霸主地位。1993年日本稀土永磁的产值首次超过永磁铁氧体，预计2000年全球烧结NdFeB的产值将达到30亿美元，并超过永磁铁氧体。烧结NdFeB的磁性能为永磁铁氧体的12倍，因此，在相似的情况下，体积、重量均将大为减小，从而可实现高效、低能的目的。纳米复合双柏稀土永磁材料适用于制备微型、异型电机，是稀土永磁材料研究与应用中的重要方向。软磁材料的发展经历了晶态、非晶态、纳米微晶态的历程。纳米做晶金属软磁材料具有十分优异的性能，高磁导率，低损耗、高饱和磁化强度，己应用于开关电源、变压器。传感器等，可实现器件小型化、轻型化、高频化以及多功能化，近年来发
55、展十分迅速。磁电子纳米结构器件是20世纪末最具有影响力的重大成果。除巨磁电阻效应读出磁头、MRAM、磁传感器外，全金属晶体管等新型器件的研究正方兴未艾。磁电子学已成为一门颇受青睐的新学科。4.地磁场地磁场磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论英国物理学家吉伯(William Gilbert)于1600年首次证实地球存在地磁场。在近似情况下，地磁场和一均匀磁化球体或磁偶极子的磁场分布相类似，地磁场由稳定磁场和变化磁场两部分组成，其中大约94为稳定磁场。关于稳定磁场的起源有多种假说，主要一种假说认为地核中物质对流动所形成的涡流是偶极子磁场的形成原因。变化磁场主要起因于电离层中存在的电流和太阳喷射
56、出来的带电粒子流。经笔者对地磁场研究后认为，地磁场的真正来源是地球温差电的自转相对运动产生的电磁场，其中的磁场就是电磁场。地球的温差电现象地球的温差电现象如果我们在一绝缘金属棒的一端加热，实验表明，此时在金属棒的两端便会形成一个电位差，产生这一现象的原因可解释为：金属棒中的自由电子好象气体一样，当温度不均时会产生热扩散，自由电子将从高温端扩散到低温端，从而在导体内形成电场。此时在金届棒内形成电位差，直至这种非静电力的热扩散与导体内电场相平衡为止，从而使金属棒内高温端带正电，而低温端带负电。这就是温差电现象。地球的温差电现象形成与此类似。地球自转相对运动产生电磁场地球自转相对运动产生电磁场 地球
57、上任意两点间都有一定大小的相对运动，也就是存在线速度差，这使得地球的温差电电荷相互间都有一定大小的相对运动，并由此产生出温差电电荷相对运动形成的电磁场，其中的磁场就是地磁场。反向错位端点重叠双电偶极子反向错位端点重叠双电偶极子(电四极子电四极子)自转自转相对运动产生电磁场的现象相对运动产生电磁场的现象 为简化地球的温差电电荷相对运动产生电磁场中的磁场部分的理解，可以设想出一个反向错位瑞点重叠的双电偶极子绕重叠中心由西向东旋转产生一个磁场北极指向南方的例子作类比，如右图所示。通过简单的计算发现，不论观测者静止在重叠中心观察，还是固定静止于双电偶极子边缘的一端观察或是在其它位置观察，总会得到一个总
58、电量为零，而电磁场不为零的结果，这和地球温差电电荷自转产生电磁场基本相似。地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论 通过本文前面的论述不准知道，由于地球内部温度约40005000，而地球表面温度较低，因此，地球存在一个温差电电场，地球的温差电电场将在地球发生自转的过程中产生出地球的温差电电磁场，其中的磁场就是地磁场，这一学说就是地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源沦。其原理与反向错位端点重叠双电偶极子(电四极子)自转相对运动产生电磁场现象相类似。但是地球的温差电电磁场比一个反同错位端点重叠电偶极子自转相对运动产生电磁场的过程复杂，这是因为地球的形
59、状不太规则，电荷分布和自转相对运动非常复杂，因此这使得准确计算地球电磁场变得困难起来。用一些简化的模型来类比还是可取的力法，比如用均匀磁化球体或磁偶极子磁场分布来近似计算地磁场还是可以的。 由于地球不规则的形状及地质结构的差异会造成电荷不对称分布，因而地球磁场的磁轴与地理地理自转轴不会准确重合，从而形成磁偏角。由于地球的地核、熔岩、地壳构造及其物质分布的复杂性造成地球的温差电电荷在半径方向的不均分布，从而造成地球磁场出现磁倾角。再由于地球的地核、熔岩、地壳、水系、大气等的相对运动造成温差电电荷的相对运动，加上大气中电离层的带电离子、太阳喷射出来的带电粒子流、宇宙射线等的影响，从而形成地球变化的电磁场，其中的磁场就是地磁场的变化磁场。自地球形成以来，地球的电磁场就产生了，但是随着地球自转轴的变化、大陆的漂移、气候的差异等原因使地球温差电电荷分布及其温差电电磁场发生了一些异常变化，这是古地磁磁极移动甚至倒转的原因。其实，宇宙天体，如恒星、行星磁场包括太阳黑子的磁场的形成与地磁场的形成是相类似的，即宇宙天体的温差电自转相对运动产生出各种宇宙天体的电磁场，其中的磁场是宇宙天体的磁场。笔者提出的地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论打破了一般人头脑中的关于地球上两固定点间没有相对运动的错误印象，揭示出了地磁场形成的真正原因。
