第二章 磁 场
本章由司南、罗盘引出磁现象，认识常见的磁现象及其规律.通过本章学习，要认识磁性，知道磁体周围存在着磁场，了解磁场概念，知道地球是一个大磁体；了解人类对地磁场的探索过程，进行科学精神的培养；了解磁场描述方法，能用磁感线和磁感强度来描述磁场；了解奥斯特的磁效应实验；知道电流周围可以产生磁场，能判断磁体、电流周围的磁感线，知道并能运用安培定则.
认识通电导线和运动电荷在磁场中受到的安培力和洛伦兹力，知道影响这两种力的因素；并能在电流方向或运动电荷的速度方向与磁场垂直时，用左手定则判断这两种力的方向.通过了解磁现象及其规律在航海业、磁记录技术，及磁悬浮列车上的应用，让学生关心科技的发展，培养热爱科学的情感，有将科学服务于人类的意识.
第一节 指南针与远洋航海
百慕大三角的磁场说
在百慕大三角出现的各种奇异事件中，罗盘失灵是最常发生的.这使人把它和地磁异常联系在一起.地球的磁场有两个磁极，即地磁南极和地磁北极.但它们的位置并不是固定不变的，而是在不断变化中.地磁异常容易造成罗盘失灵而使机船迷航，还有一种看法认为，百慕大三角海域的海底有巨大的磁场，它能造成罗盘和仪表失灵.
1943年, 一位名叫袭萨的博士曾在美国海军配合下，做过一次有趣的试验.他们在百慕大三角区架起两台磁力发生机，输以十几倍的磁力，看会出现什么情况.试验一开始，怪事就出现了.船体周围立刻涌起绿色的烟雾，船和人都消失了.试验结束后，船上的人都受到了某种刺激，有些人经治疗恢复正常，有的人却因此而精神失常。
要点1 磁感线
1.磁感线是为了形象地描述磁场而人为假设的曲线.其疏密反映磁场的强弱，线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同.
2.磁感线的特点
(1)在磁体外部，磁感线从北极发出，进入南极；在磁体内部由南极回到北极.
(2)磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线越密的地方磁场越强；磁场方向在过该点的磁感线的切线上.
例1.
下列关于磁感线的叙述中，正确的是（）

A.磁感线从磁体的N极出发，S极终止
B.铁屑在磁场中规则排列而组成的曲线就是磁感线
C.磁感线是磁场中实际存在的一些曲线
D.在同一磁场中，任何两条磁感线都不相交
【解析】磁感线是人为引入的曲线，实际并不存在.磁感线在磁体外部是N极指向S极，内部是S极指向N极，形成不相交的闭合曲线.
【答案】D
要点2 地磁场
地球本身是个巨大的磁体，它的南极和北极位于地球的两端.但小磁针（指南针）并不指向地球的正南和正北，而是略微偏离一点.也就是说地球的地理南北极与地磁南北极并不重合，小磁针指向与地球的正南（正北）方向的偏差，称为磁偏角.一般地说，小磁针（指南针）的指向与地理子午线也不平行，即和地面不平行,小磁针的指向与水平面相交的角度叫做磁倾角.
地磁场的N极在
地球南极附近，
S极在地球北极
附近，磁感线分
布如图所示
例2.
地球是一个大磁体，它的磁场分布情况与一个条形磁铁的磁场分布情况相似，下列说法中正确的是（）
A ．地磁场的方向是沿地球上经线方向的
B ．地磁场的方向是与地面平行的
C ．地磁场的方向是从北向南的
D ．在地磁南极上空，地磁场的方向是竖直向下的
【解析】地理南、北极与地磁南、北极不重合，所以地磁场方向与经线有夹角，即磁偏角，地磁场方向不与地面平行，在地磁南北极附近，磁场方向是与地面垂直的，所以只有D项正确.

【答案】D
第二节 电流的磁场
不要在电视前滞留——
家电磁场辐射轻视不得
长期处于高磁场强度环境有害健康.专家提醒，使用家用电器时应尽量避免近距离滞留.据了解，2001年国际癌症研究中心已将磁场确定为对人疑似致癌因素，提出居住环境中的磁场强度过高时，儿童白血病的发生率就明显增高.有关专家对日常生
活中接触机会较多、使用时间相对较长的家用电器磁场进行了监测.
监测表明，普通纯平电视机的磁场在屏前40 cm外是其安全范围，背投彩电的安全范围为屏前12 cm以外，等离子彩电几乎不存在电磁辐射.微波炉工作时的磁场强度，紧贴测量时磁场强度超过仪器测定范围，离微波炉5 cm外磁场强度就相当强，开关附近的磁场最强，离微波炉95 cm处才是安全范围.电冰箱磁场强度较低，对人影响不大.研究人员还对家用音响、电热毯等产生的磁场进行了分析
结果表明，近距离接触各种家用电器均存在不同程度的磁场辐射.在日常生活中，人们观看电视一般都在2 m以外，这个位置的磁场强度很低，对人影响较小，但有些小孩常在电视屏幕前玩耍，家长应予阻止；微波炉启动后应迅速离开，不要逗留；电热毯预热后，应在睡前关闭.另外房间里家用电器的摆放也应有讲究，不要过于密集.
要点1 电流的磁效应
1.电现象和磁现象的相似性
(1)磁体能使附近的铁棒产生磁性，带电体能使它附近的导体感应出电荷来．
(2)自然界中的磁体总有两个磁极：南极和北极；自然界中存在两种电荷：正电荷和负电荷．
(3)同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引；同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引．
2.奥斯特发现电流的磁效应
奥斯特有一次使南北方向的通电导线恰好与磁针相平行，接通电源时，突然发现磁针向垂直导线方向转动了．这说明通电导线对磁体有作用力．
根据奥斯特实验，直线电流对磁体的作用力方向垂直于电流方向．
例1.下列说法中正确的是（）
A.在同一幅磁感线的示意图中，磁感线越密的地方，磁场越强
B．有磁不一定有电，但有电必有磁
C．同名磁极相互吸引，异名磁极相互排斥
D．做奥斯特实验时，不管导线如何放置，只要电流足够强，一定能够观察到小磁针的偏转情况
【解析】磁感线的疏密反映磁场的强弱A对；有电流才产生磁，B错；做奥斯特实验时，如果导线放置对磁针作用力与地磁场对磁针作用力一致，则不能观察到偏转情况.
【答案】A
变式迁移
首先发现电流磁效应的科学家是（ ）
A.安培
B.奥斯特
C.库仑
D.麦克斯韦
要点2 三种常见的电流磁场的特点及画法
1.直线电流的磁场：无磁极，非匀强，距导线越远处磁场越弱.
2.环形电流的磁场：两侧是N极和S极，离圆环中心越远，磁场越弱（如图）
3.通电螺线管的磁场：两端分别是N极和S极，管内是匀强磁场，管外为非匀强磁场.
第三节 磁场对通电导线的作用
电磁炮的威力
电磁炮利用电磁力所做的功作为发射能量，不会产生强大的冲击波和弥漫的烟雾，因而具有良好的隐蔽性.电磁炮可根据目标的性质和距离，调节、选择适当的能量来调整弹丸的射程.
电磁炮没有圆形炮管，弹丸体积小、重量轻，使其在飞行时的空气阻力很小，因而电磁炮的发射稳定性好、初速度高、射程远.由于电磁炮的发射过程全部由计算机控制，弹头又装有激光制导或其他制导装置，所以具有很高的射击精度.
从发射能量的成本来看，常规火炮的发射药产生每兆能量要10美元，而电磁炮只需0.1美元.而且电磁炮还可以省去火炮的药筒和发射装置，故而重量轻、体积小、结构简单，运输以及后勤保障等方面更为安全可靠和方便.
要点1 磁感应强度
1.磁场的基本性质：磁场对放入其中的磁体运动电荷电流有力的作用．
2.磁感应强度定义：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的安培力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫做磁感应强度.用公式表示为B=F/IL，与电场强度一样，磁感应强度是描述磁场力的性质的物理量．磁感应强度B的单位是特斯拉，符号是T，1 T=1 N／(A·m).
磁感应强度B是矢量，其方向就是该处的磁场方向。
3.磁感应强度的理解：
磁感应强度的定义式B=F/IL
只有在通电导线和磁场方向垂直时才有意义．磁感应强度由磁场本身决定，不能认为B与F成正比，与IL成反比.
例1，关于磁感应强度，下列说法正确的是（ ）
A．由B=F/IL知，B与F成正比，B与IL成反比
B．通电导线放在磁场中的某点，那点就有磁感应强度，如果将通电导线拿走，那点的磁感应强度就为零
C．通电导线受磁场力不为零的地方一定存在磁场，通电导线不受磁场力的地方一定不存在磁场(即B=0)
D.磁场中某一点的磁感应强度是由磁场本身决定的，其大小和方向是唯一确定的，与通电导线无关
【解析】
磁感应强度B=F/IL只是一个定义式，而不是决定式；磁感应强度B是由磁场本身的性质决定的，与放不放入通电导线无关，A、B错；
若磁场不为零，但导线平行于磁感应强度的方向放置时，磁场力F为零，C错.
【答案】D
变式迁移
1.有一小段通电导线，长为1 cm，通过的电流强度为5 A.把它置于磁场中某点，受到的磁场力为0．1 N，则该点的磁感应强度B一定是 ( )
A．B=2 T
B．B≤2 T
C.B≥2 T
D．以上情况都有可能
要点2 安培力
1.安培力大小
通过实验归纳得出，电流方向跟磁场方向垂直时，电流受到的安培力最大为F=BIL，〖JP3〗平行放置时安培力为0.一般情况下，电流受到的安培力介于零和最大值之间，所以F=BIL只适用于电流方向与磁场方向垂直的情况.
若导线与磁场方向既不垂直又不平行，可以把磁感应强度B分解为与导线垂直的分量：B1=Bsinθ，与导线平行的分量：B2=Bcosθ.垂直分量使导线受的安培力为：F=BILsinθ，平行分量对导线没有作用力.由此可得：当导线与磁场方向的夹角为θ时的安培力F=BILsinθ.
2.安培力的方向
安培力方向的特点：F⊥B、F⊥I，即F垂直B和I决定的平面.安培力F与B是垂直的关系，而不是同向的.这一点有别于电场力.在判断安培力方向时，必须首先判断磁场方向与电流方向构成的平面，从而判定出安培力在哪个方向上，然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向.
例2.将长度为20 cm、通有0．1 A电流的直导线放入一匀强磁场中，电流与磁场的方向如下列图所示，已知磁感应强度为1 T.试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向.

【解析】由左手定则和安培力的计算公式得：
(1)因为导线与磁感线平行，所以导线受到的安培力为零.
(2)由左手定则知，安培力方向垂直导线水平向右，大小为F=BIL=1×0．1×20×10-2 N=0．02 N.
(3)由左手定则知，安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上，大小为F=BIL=1×0.1×20×10-2 N=0．02 N.
【答案】见解析
A．大小不变，方向不变
B.大小由最大减小到零再增至最大，方向时刻改变
C．大小由最大减小到零再增至最大,方向不变
D．大小由最大减小到零再增至最大，方向由垂直纸面向外变为垂直纸面向内
第四节 磁场对运动电荷的作用
回旋加速器
回旋加速器是利用磁场使带电粒子做回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置. 1930年劳伦斯提出其工作原理，1932年首次研制成功.它的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒)隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场.
置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场力，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内做圆周运动.绕行半圈的时间为πm／qB，其中q是粒子电荷量，m是粒子的质量，B是磁场的磁感应强度.如果D形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中做圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态.
由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大.经过很多次加速，粒子沿螺线形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特(MeV).回旋加速器所加速的粒子的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态.
要点1 磁场和电场对电荷的作用的区别
1.电荷在电场中一定要受到电场力的作用，而电荷在磁场中不一定受磁场力作用.只有相对于磁场运动，且运动方向与磁场方向不平行的电荷，才受磁场力作用.相对磁场静止的电荷，或虽运动但运动方向与磁场方向平行的电荷不受磁场力作用.
2.电荷所受电场力的方向总是沿着电场线的切线(与电场方向相同或相反)；而运动电荷所受洛伦兹力的方向总是既垂直于磁场方向，又垂直于电荷运动方向.
3.在匀强电场中，电荷受到的电场力是一个恒力；而在匀强磁场中，运动电荷的速度大小或方向发生改变，洛伦兹力也要发生变化.
4.电荷在电场中运动时，通常情况下电场力要对运动电荷做功；电荷在磁场中运动时，由于洛伦兹力方向与电荷运动方向始终垂直，故洛伦兹力对电荷不做功.
例1 关于电场力与洛伦兹力，以下说法正确的是( }
A．电荷只要处在电场中，就会受到电场力，而电荷静止在磁场中，可能受到洛伦兹力
B.电场力对在电场中的电荷一定会做功，而洛伦兹力对在磁场中的电荷却不会做功
C.电场力与洛伦兹力一样，受力方向都在电场线和磁感线上
D.只有运动的电荷在磁场中才会受到洛伦兹力的作用
【解析】磁场对静止电荷没有洛伦兹力的作用，A错；
当电荷沿着等势面运动时，电场力对电荷不做功，B错；
由左手定则知，洛伦兹力的方向并不在磁感线上，C错.
【答案】 D
变式迁移
1.如果运动电荷在磁场中不受其他任何力的作用，则带电粒子在磁场中所做的运动可能是( )

A．匀速直线运动
B．匀变速直线运动
C．变加速曲线运动
D．匀变速曲线运动
要点2 洛伦兹力的方向
应用左手定则判定（与安培力方向判定相同）
1.不论正、负电荷，f洛方向都与F安方向相同，f洛垂直于B和v所确定的平面．应用左手定则时应注意，四指表示正电荷实际运动方向，对于负电荷来说，与正电荷受力方向相反．
2.由于f洛时刻与v垂直，所以洛伦兹力对电荷永不做功．即f洛不能改变粒子运动速度的大小，只能改变电荷运动方向．
【解析】在阴极射线管所处位置处，通电直导线产生的磁场方向垂直纸面向外，由左手定则可以判断阴极射线中的电子受到的洛伦兹力方向向上.
【答案】A
变式迁移
2.如下图所示是一“滤速器”装置的示意图，a、b为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b之间.为了选取具有某种特点速率的电子，可在a、b间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选粒子仍能够沿水平直线OO′运动，由O′射出.不计电子的重力，可能达到上述目的的办法是( )
A。使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里
B。使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里
C。使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外
D。使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外
第五节 磁性材料
神奇的磁化水
磁化水是一种被磁场磁化了的水.让普通水以一定流速，沿着与磁感线平行的方向，通过一定强度的磁场，普通水就会变成磁化水.磁化水有种种神奇的效能，在工业、农业和医学等领域有广泛的应用.
在日常生活中，用经过磁化的洗衣粉溶液洗衣，可把衣服洗得更干净.有趣的是，不用洗衣粉而单用磁化水洗衣，洗涤效果也很令人满意.
磁化水为什么会有如此神奇的作用呢?这是一个至今尚未揭开的谜.一些科学家认为，水分子本身就是一个小磁体，由于异性磁极相吸，因而普通水中许多水分子就会首先相吸，连结成庞大的“分子团”.这种“分子团”会减弱水的多种物理化学性质.当普通水经过磁场作用后，冲破了原先连接的“分子团”．使它变成单个的有活力的水分子.当然，要彻底揭开磁化水的奥秘，还有待于人们继续研究和探索.
要点1 磁化与退磁的原因
1．磁化现象：铁棒在未被磁化时，内部分子电流的取向杂乱无章，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性.当铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁化，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁极.
2．退磁现象：磁铁受高温或猛烈的敲击会失去磁性，这是因为激烈的热运动在机械振动的影响下，分子电流的取向又变得杂乱了.
例1.一根软铁棒放在磁铁附近被磁化，这是因为在外磁场的作用下（ ）

A．软铁棒中产生了分子电流
B．软铁棒中分子电流消失
C．软铁棒中的分子电流取向变得杂乱无章
D．软铁棒中的分子电流取向变得大致相同
【解析】当软铁棒受到外磁场作用时，各分子电流的取向变得大致相同，软铁棒被磁化.

【答案】 D
变式迁移
1.磁性材料被磁化的原因下列说法中正确的是（）
A.磁性材料被磁化时，分子电流的取向完全一致
B.磁性材料被磁化时，分子电流的取向趋向一致
C.磁化越厉害，分子电流的取向趋向一致的程度越高
D.磁化前，磁性材料中几乎没有分子电流，故不显磁性
要点2 磁性材料
1．通常说的磁性材料是强磁性材料，可以分类如下：
磁性物质分为：铁磁性物质和弱磁性材料
铁磁性物质包括：硬磁性材料和软磁性材料

2.硬磁性材料与软磁性材料
有些铁磁性材料，在外磁场撤去后，各个磁畴的磁化方向仍能很好地保持一致，物体具有很强的剩磁，这样的材料叫做硬磁性材料；有的铁磁性材料，在外磁场撤去后，磁畴的磁化方向又变得杂乱无章，物体没有明显的剩磁，这样的材料叫做软磁性材料.永磁体要有很强的剩磁，所以要用硬磁性材料制造；电磁铁要在通电时有磁性，断电时失去磁性，所以要用软磁性材料制造.
例2.下列元件中，哪些是由软磁性材料制造的（ ）

A．半导体收音机内天线的磁棒
B．磁电式电流表中的磁铁
C．变压器的闭合铁芯
D．电子计算机中的记忆元件
【解析】根据软磁性材料的定义，外磁场撤去以后，磁畴的磁化方向又变得杂乱，物体没有明显的剩磁，这样的材料叫做软磁性材料.软磁性材料能用来制造半导体收音机内天线的磁棒，变压器的闭合铁芯、电子计算机中的记忆元件等，A、C、D正确；磁电式电流表中的磁铁是永久磁铁，是硬磁性材料，B错.
【答案】ACD
变式迁移
2.下列说法正确的是( )
A . 只有铁和铁的合金可以被磁铁吸引
B . 只要是铁磁性材料总是有磁性的
C . 制造永久磁铁应当用硬磁性材料
D . 录音机的磁头应当用硬磁性材料