高中物理 第1章 从富兰克林到库仑 2_1 揭示电磁联系的第一个实验教师用书 沪科版选修1-1

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2.1　揭示电磁联系的第一个实验 1．(3分)如图211所示，两根完全相同的绝缘细线，把两个质量相等的小球悬挂在同一点O上，甲球的电荷量大于乙球的电荷量，则(　　) 图211 A．甲、乙两球都带正电 B．甲、乙两球都带负电 C．甲球受到的静电力大于乙球受到的静电力 D．甲、乙两球受到的静电力大小相等 【解析】　从两球互相远离的现象来看，两球应该带的是同种电荷，但不能肯定小球究竟带的是哪种电荷；由于甲和乙之间的作用力属于作用力和反作用力，故这两个力一定大小相等、方向相反，故D正确． 【答案】　D 2．(3分)下列说法中错误的是(　　) A．磁场是一种看不见、摸不着的物质 B．磁极间的相互作用是通过磁场进行的 C．磁铁吸引铁钉、铁屑的作用是通过磁场进行的 D．磁场只存在于磁铁内部 【解析】　磁场是磁体周围存在的一种物质．磁极间相互作用就是通过磁场进行的，A、B、C均正确，磁场在磁铁内外部都存在．D错误．故选D. 【答案】　D 3．(4分)在地球表面某处存在一竖直方向的电场，一带电荷量为－q、质量为m的粒子在此电场中恰好能悬浮于空中，电场强度的方向是________，由此可知该处地球表面带________电荷(填“正”或“负”)． 【解析】　带负电的粒子受重力和电场力平衡，所以电场力应向上，场强向下，地球表面带负电． 【答案】　向下　负 课 标 导 思 1.了解前人对磁的探究过程，了解奥斯特实验，知道几种典型磁场的特点． 2．知道安培定则，能用安培定则判定电流周围磁场的磁感线分布．(重点＋难点) 一、吉尔伯特的断言 1．吉尔伯特于1600年出版的巨著《论磁》是物理学史上第一部系统阐述磁现象的科学著作． 2．吉尔伯特的认识误区：他认为电与磁是两种截然无关的现象，并得到库仑的认可．早期电磁学领域中两位杰出的先驱者的观点深深影响着科学家的思想，以至在很长一段时间内，人们都将电和磁作为孤立的问题加以研究． 二、奥斯特的探索 1．18世纪中叶陆续发现的现象 (1)1713年，一名英国商人发现，雷电过后，他的新刀叉竟带上磁性． (2)1751年，富兰克林发现，莱顿瓶放电后，缝纫针被磁化了． 2．奥斯特的探索 (1)奥斯特的观念：信奉自然力是统一的，可以相互转化，物理学不再是关于运动、热、光、空气、电磁以及我们所知道的任何其他现象的零散罗列，我们将把整个宇宙容纳在一个体系中． (2)丹麦物理学家奥斯特通过多年的探索，在1820年通过实验的方法发现通电导线可以使小磁针偏转，从而证明了电流的磁效应． (3)奥斯特的发现终于使分离了千百年的电与磁，被小磁针的偏转联系在一起了． 3．小磁针“偏转”的实质 通电导线跟磁体一样，能产生磁场，它就是依靠磁场这种物质对磁针发生作用的． 即 三、安培的贡献 1．安培根据通电直导线对不同位置处的磁针的作用总结出判断电流磁场方向的右手螺旋法则(即安培定则)． 2．安培定则 (1)通电直导线磁场：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． (2)通电螺线管磁场：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，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(N)极． 四、奥斯特实验的意义 奥斯特的发现为电磁学的研究开辟了一个崭新的领域，它对人们认识事物本质特征和研究事物间的联系都有很大的推动作用．根据奥斯特实验所揭示的电流磁效应，很快研制出了电磁铁，在生产实践中体现了它的价值. 一、对磁场的理解 磁场与电场一样，都是物质．磁场是磁体周围存在的一种特殊物质，说它“特殊”是因为它和我们常见的以分子、原子、离子组成的物质不同，它不是以微粒组成的物质的形式存在，而是以一种“场”的形式存在；说它是“物质”是因为它和我们常见的实物一样，能对放入其中的磁体、电流和运动电荷有力的作用．因此我们说磁场和我们常见的桌子、房屋、水和空气一样，是一种客观存在的物质．磁体间的相互作用是通过磁场来产生的． 【特别提醒】　磁场力是非接触力，磁场是一种客观存在的物质，具有力的性质也具有能的性质.磁体之间的磁场力通过磁场而发生. 二、电流周围的磁场 直线电流 的磁场 通电螺线管 的磁场 环形电流 的磁场 特 点 无磁极、非匀强且距导线越远处磁场越小 与条形磁铁的磁场相似，管内为匀强磁场，管外为非匀强磁场 环形电流的两侧，是N极和S极，且离圆环中心越远，磁场越小 安 培 定 则 立 体 图 横 截 面 图 纵 截 面 图 【深化探究】　我们利用电场线和磁感线分别形象地描述电场和磁场，那么磁感线与电场线有什么不同之处？ 提示：磁感线是闭合曲线，电场线起于正电荷(或无穷远处)，止于负电荷(或无穷远处). 一、对奥斯特实验应用的探究 　在做“奥斯特实验”时，下列操作现象最明显的是(　　) A．沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的延长线上 B．沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的正下方 C．通电导线沿南北方向放置在磁针的正上方 D．通电导线沿东西方向放置在磁针的正上方 【导析】　认真阅读教材中奥斯特发现电流磁场的史实，体验科学探索的艰苦与偶然性． 【解析】　把导线沿南北方向放置在静止于地磁场中的磁针的正上方，通电时磁针发生明显的偏转．故选C. 【答案】　C 奥斯特的实验 本题通过奥斯特实验考查小磁针在电流产生的磁场中的偏转．但要注意，电流产生的磁场与地磁场对磁针的影响． 1.如图212所示，a、b、c三枚小磁针分别在通电螺线管的正上方、管内和右侧，当这些小磁针静止时，小磁针N极的指向是(　　) 【导学号：22940014】 图212 A．a、b、c均向左 B．a、b、c均向右 C．a向左，b向右，c向右 D．a向右，b向左，c向右 【解析】　小磁针静止时N极的指向与该点磁感线方向相同，如果a、b、c三处磁感线方向确定，那么三枚磁针静止时N极的指向也就确定．所以，只要画出通电螺线管的磁感线如图所示，即可知a磁针的N极在左边，b磁针的N极在右边，c磁针的N极在右边． 【答案】　C 二、安培定则的应用 　在图213中，分别给出了导线中的电流方向或磁场中某处小磁针N极的指向或磁感线方向．请画出对应的磁感线(标上方向)或电流方向． 图213 【导析】　灵活利用安培定则，根据磁场对小磁针的作用特点加以分析判断． 【解析】　根据安培定则，可以确定： 【答案】　如图所示． 应用安培定则注意的问题 应用安培定则时，要注意直线电流和环形电流的区别，同时要看清所给图示是立体图、横截面图还是纵截面图． 2．(多选)如图214所示是云层之间闪电的模拟图，图中A、B是位于南、北方向带有电荷的两块阴雨云，在放电的过程中，在两云的尖端之间形成了一个放电通道，发现位于通道正上方的小磁针N极转向纸里，S极转向纸外，则关于A、B的带电情况，下列说法中正确的是(　　) 图214 A．带同种电荷　 B．带异种电荷 C．B带正电 D．A带正电 【解析】　两云之间放电，说明它们带有异种电荷，故A选项错误，B选项正确；小磁针N极向里，说明电流上方磁感线(磁场)方向向里，由安培定则可判定电流由A向B，故A带正电，B带负电，所以C选项错误，D选项正确． 【答案】　BD 1．人们早在公元前6、7世纪就发现了磁石吸铁、磁石指南等现象，如图215所示是最早的指南仪器——司南，形似勺子、勺柄是其南极，则司南静止时，勺柄所指的方向是(　　) 图215 A．东方　 B．北方 C．西方 D．南方 【解析】　地球磁场的地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近．由于司南勺柄是其南极，静止时应指向地磁北极，即指向地理南极． 【答案】　D 2．磁场中任意一点的磁场方向规定为，小磁针在磁场中(　　) A．受磁场力的方向 B．北极所受磁场力的方向 C．南极所受磁场力的方向 D．受磁场力作用转动的方向 【解析】　物理学规定磁场中任意一点的磁场方向为小磁针北极所受磁场力的方向，或静止时小磁针北极的指向． 【答案】　B 3．(多选)下列哪些物体周围一定存在着磁场(　　) A．地球　 B．通电导线 C．电子束 D．静止的带电金属球 【解析】　磁体及运动电荷周围存在磁场，所以静止的带电金属球周围不存在磁场，A、B、C正确． 【答案】　ABC 4．下列各图为电流产生磁场的分布图，正确的分布图是(　　) A．①③ B．②③ C．①④ D．②④ 【解析】　根据安培安则可知，①④正确． 【答案】　C 5．图216中电磁铁的N、S极标的正确的是(　　) 图216 【解析】　根据电池的接法和导线的绕向以及安培定则可判断选项B正确． 【答案】　B 学业达标测评(五) (建议用时：45分钟) 1．若地磁场是由地球表面带电产生的，则地球表面带电情况为(　　) A．正电　　　 B．负电 C．南半球为正电，北半球为负电 D．无法确定 【解析】　假定地磁场是由环形电流形成的，由于地磁场的N板在地理南极附近，则由安培定则可知，环形电流的方向为东向西．但由于地球的自转方向为自西向东，所以要想形成由东向西的环形电流，则地球表面必须带负电． 【答案】　B 2.如图217所示为磁场、磁场作用力演示仪中的亥姆霍兹线圈，在线圈中心处挂上一个小磁针，且与线圈在同一平面内，则当亥姆霍兹线圈中通以如图所示方向的电流时，则(　　) 图217 A．小磁针N极向里转 B．小磁针N极向外转 C．小磁针在纸面内向左摆动 D．小磁针在纸面内向右摆动 【解析】　由安培定则可知，螺线管内部的磁感线向里，小磁针N极的受力方向即为该处的磁场方向． 【答案】　A 3．关于磁感线，下列说法中正确的是(　　) A．两条磁感线的空隙处一定不存在磁场 B．磁感线总是从N极到S极 C．磁感线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致 D．两个磁场叠加的区域，磁感线就可能相交 【解析】　磁感线是为了形象描绘磁场而假设的一组有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向表示磁场方向，曲线疏密表示磁场强弱，所以C正确，A错误；在磁体外部，磁感线从N极到S极，内部从S极到N极，磁感线不相交，所以B、D错误． 【答案】　C 4．实验表明，磁体能吸引一元硬币，对这种现象解释正确的是(　　) A．硬币一定是铁做的，因为磁体能吸引铁 B．硬币一定是铝做的，因为磁体能吸引铝 C．磁体的磁性越强，能吸引的物质种类越多 D．硬币中含有磁性材料，磁化后能被吸引 【解析】　磁体能吸引硬币，只能说明硬币中含有磁性材料，但不一定含有铁．硬币在磁场中被磁化而带磁性，所以才被磁铁吸引．故选D项正确． 【答案】　D 5．正在通电的条形电磁铁的铁芯突然断成两截，则两截铁心将 (　　) 【导学号：22940015】 A．互相吸引 B．互相排斥 C．不发生相互作用 D．无法判断 【解析】　磁体断开后就成为两个磁体，靠近的磁极相反，相互吸引． 【答案】　A 6．如图218所示，已标出电流I和该电流产生的磁感线的方向，其中符合安培定则的是(　　) 图218 【解析】　根据安培定则可知选项C正确． 【答案】　C 7．超导是当今高科技的热点之一，当一块磁体靠近超导体时，超导体中会产生强大的电流，对磁体有排斥作用．这种排斥力可使磁体悬浮在空中，磁悬浮列车就采用了这项技术，磁体悬浮的原理是(　　) ①超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相同 ②超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相反 ③超导体使磁体处于失重状态　④超导体对磁体的磁力与磁体的重力相平衡 A．①③ B．①④ C．②③ D．②④ 【解析】　由于超导体无电阻，当磁铁靠近时会产生强大电流，当使磁体悬浮在空中时，说明磁体的磁场与超导体的磁场方向相反，由此知D正确． 【答案】　D 8．如图219所示，带负电的金属环绕轴OO′以角速度ω匀速旋转，在环左侧轴线上的小磁针最后平衡的N极的指向为________． 图219 【解析】　沿OO′方向看，金属环顺时针转动，因带负电，负电荷顺时针转动，等效电流的方向为逆时针，由安培定则知过圆心的磁感线从O′指向O，所以小磁针最后N极向左． 【答案】　沿轴线向左 9．利用电流的磁效应，可以用小磁针和一些导线做成一种简便的灵敏电表(如图2110所示)，用它可以检查电路或电器是否有断路的地方．使用的时候，先转动底板，使磁针静止的方向跟它上方的导线方向平行，然后用两支表笔去接触要检查的电路的两端，从磁针是否偏转就能知道电路中是否有断路的地方．试说明这种电表的原理． 图2110 【解析】　我们知道直线电流产生的磁场的磁感线是一系列以导线上各点为圆心的同心圆，放在导线上面的磁针将受到磁场力的作用，方向与导线垂直．因此，为了检测导线中是否有电流，使用前需要把磁针调整到与导线平行的位置，如果两表笔接触电路时，磁针偏转，说明导线中有电流通过，电路导通；如果两表笔接触电路，磁针不偏转，则电路中存在断路． 【答案】　见解析 鸽子回家和海龟回游 许多人都知道，家里养的鸽子可以从离家几十、几百甚至上千公里的地方飞回家里；燕子、大雁等候鸟每年都在春秋两季分别从南方飞回北方，又从北方飞到南方；一些海龟从栖息的海湾游出几百、几千公里后又能回到原来的栖息处．它们是如何辨别方向的？尤其是在茫茫的海洋上．难道它们也像人类航海时一样使用指南针吗？大量和长期的观察研究表明，这些生物从原居处远行后再回到原居处，的确是与地球磁场有关的．我们来看看一些观察研究的情况． 首先关于鸽子的观察研究．曾将两组鸽子分别绑上强磁性的永磁铁块和弱磁性的铜块，在远离鸽巢放飞后，绑有铜块的鸽子全部都飞回鸽巢，但大部分绑有永磁铁块的鸽子却迷失方向而未返回鸽巢．这表明永磁铁块的磁场干扰，使鸽子不能识别地球磁场． 其次关于海龟回游的观察研究．对出生在美国东南海岸的一种海龟游动进行的观察发现，幼海龟在大西洋中沿着顺时针路线出游，经过若干年后又能回到出生地产卵．这些海龟是依靠什么导航呢？有的观察研究者认为同地球磁场有关，并进行了这样的实验研究．在装有海水并加上人造磁场的大容器中放入海龟，其沿某一方向游行．当人造磁场反向时，海龟的游动也反向．这表明磁场是影响海龟的游行的．