高中物理 第1章 從富蘭克林到庫(kù)侖 2_1 揭示電磁聯(lián)系的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)教師用書 滬科版選修1-1

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2.1　揭示電磁聯(lián)系的第一個(gè)實(shí)驗(yàn) 1．(3分)如圖211所示，兩根完全相同的絕緣細(xì)線，把兩個(gè)質(zhì)量相等的小球懸掛在同一點(diǎn)O上，甲球的電荷量大于乙球的電荷量，則(　　) 圖211 A．甲、乙兩球都帶正電 B．甲、乙兩球都帶負(fù)電 C．甲球受到的靜電力大于乙球受到的靜電力 D．甲、乙兩球受到的靜電力大小相等 【解析】　從兩球互相遠(yuǎn)離的現(xiàn)象來(lái)看，兩球應(yīng)該帶的是同種電荷，但不能肯定小球究竟帶的是哪種電荷；由于甲和乙之間的作用力屬于作用力和反作用力，故這兩個(gè)力一定大小相等、方向相反，故D正確． 【答案】　D 2．(3分)下列說(shuō)法中錯(cuò)誤的是(　　) A．磁場(chǎng)是一種看不見、摸不著的物質(zhì) B．磁極間的相互作用是通過磁場(chǎng)進(jìn)行的 C．磁鐵吸引鐵釘、鐵屑的作用是通過磁場(chǎng)進(jìn)行的 D．磁場(chǎng)只存在于磁鐵內(nèi)部 【解析】　磁場(chǎng)是磁體周圍存在的一種物質(zhì)．磁極間相互作用就是通過磁場(chǎng)進(jìn)行的，A、B、C均正確，磁場(chǎng)在磁鐵內(nèi)外部都存在．D錯(cuò)誤．故選D. 【答案】　D 3．(4分)在地球表面某處存在一豎直方向的電場(chǎng)，一帶電荷量為－q、質(zhì)量為m的粒子在此電場(chǎng)中恰好能懸浮于空中，電場(chǎng)強(qiáng)度的方向是________，由此可知該處地球表面帶________電荷(填“正”或“負(fù)”)． 【解析】　帶負(fù)電的粒子受重力和電場(chǎng)力平衡，所以電場(chǎng)力應(yīng)向上，場(chǎng)強(qiáng)向下，地球表面帶負(fù)電． 【答案】　向下　負(fù) 課 標(biāo) 導(dǎo) 思 1.了解前人對(duì)磁的探究過程，了解奧斯特實(shí)驗(yàn)，知道幾種典型磁場(chǎng)的特點(diǎn)． 2．知道安培定則，能用安培定則判定電流周圍磁場(chǎng)的磁感線分布．(重點(diǎn)＋難點(diǎn)) 一、吉爾伯特的斷言 1．吉爾伯特于1600年出版的巨著《論磁》是物理學(xué)史上第一部系統(tǒng)闡述磁現(xiàn)象的科學(xué)著作． 2．吉爾伯特的認(rèn)識(shí)誤區(qū)：他認(rèn)為電與磁是兩種截然無(wú)關(guān)的現(xiàn)象，并得到庫(kù)侖的認(rèn)可．早期電磁學(xué)領(lǐng)域中兩位杰出的先驅(qū)者的觀點(diǎn)深深影響著科學(xué)家的思想，以至在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們都將電和磁作為孤立的問題加以研究． 二、奧斯特的探索 1．18世紀(jì)中葉陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象 (1)1713年，一名英國(guó)商人發(fā)現(xiàn)，雷電過后，他的新刀叉竟帶上磁性． (2)1751年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)，萊頓瓶放電后，縫紉針被磁化了． 2．奧斯特的探索 (1)奧斯特的觀念：信奉自然力是統(tǒng)一的，可以相互轉(zhuǎn)化，物理學(xué)不再是關(guān)于運(yùn)動(dòng)、熱、光、空氣、電磁以及我們所知道的任何其他現(xiàn)象的零散羅列，我們將把整個(gè)宇宙容納在一個(gè)體系中． (2)丹麥物理學(xué)家奧斯特通過多年的探索，在1820年通過實(shí)驗(yàn)的方法發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線可以使小磁針偏轉(zhuǎn)，從而證明了電流的磁效應(yīng)． (3)奧斯特的發(fā)現(xiàn)終于使分離了千百年的電與磁，被小磁針的偏轉(zhuǎn)聯(lián)系在一起了． 3．小磁針“偏轉(zhuǎn)”的實(shí)質(zhì) 通電導(dǎo)線跟磁體一樣，能產(chǎn)生磁場(chǎng)，它就是依靠磁場(chǎng)這種物質(zhì)對(duì)磁針發(fā)生作用的． 即 三、安培的貢獻(xiàn) 1．安培根據(jù)通電直導(dǎo)線對(duì)不同位置處的磁針的作用總結(jié)出判斷電流磁場(chǎng)方向的右手螺旋法則(即安培定則)． 2．安培定則 (1)通電直導(dǎo)線磁場(chǎng)：用右手握住導(dǎo)線，讓伸直的大拇指所指的方向跟電流的方向一致．彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向． (2)通電螺線管磁場(chǎng)：用右手握住螺線管．讓彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致，大拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向．也就是說(shuō)，大拇指指向通電螺線管的北(N)極． 四、奧斯特實(shí)驗(yàn)的意義 奧斯特的發(fā)現(xiàn)為電磁學(xué)的研究開辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，它對(duì)人們認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)特征和研究事物間的聯(lián)系都有很大的推動(dòng)作用．根據(jù)奧斯特實(shí)驗(yàn)所揭示的電流磁效應(yīng)，很快研制出了電磁鐵，在生產(chǎn)實(shí)踐中體現(xiàn)了它的價(jià)值. 一、對(duì)磁場(chǎng)的理解 磁場(chǎng)與電場(chǎng)一樣，都是物質(zhì)．磁場(chǎng)是磁體周圍存在的一種特殊物質(zhì)，說(shuō)它“特殊”是因?yàn)樗臀覀兂Ｒ姷囊苑肿?、原子、離子組成的物質(zhì)不同，它不是以微粒組成的物質(zhì)的形式存在，而是以一種“場(chǎng)”的形式存在；說(shuō)它是“物質(zhì)”是因?yàn)樗臀覀兂Ｒ姷膶?shí)物一樣，能對(duì)放入其中的磁體、電流和運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用．因此我們說(shuō)磁場(chǎng)和我們常見的桌子、房屋、水和空氣一樣，是一種客觀存在的物質(zhì)．磁體間的相互作用是通過磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生的． 【特別提醒】　磁場(chǎng)力是非接觸力，磁場(chǎng)是一種客觀存在的物質(zhì)，具有力的性質(zhì)也具有能的性質(zhì).磁體之間的磁場(chǎng)力通過磁場(chǎng)而發(fā)生. 二、電流周圍的磁場(chǎng) 直線電流 的磁場(chǎng) 通電螺線管 的磁場(chǎng) 環(huán)形電流 的磁場(chǎng) 特 點(diǎn) 無(wú)磁極、非勻強(qiáng)且距導(dǎo)線越遠(yuǎn)處磁場(chǎng)越小 與條形磁鐵的磁場(chǎng)相似，管內(nèi)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，管外為非勻強(qiáng)磁場(chǎng) 環(huán)形電流的兩側(cè)，是N極和S極，且離圓環(huán)中心越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)越小 安 培 定 則 立 體 圖 橫 截 面 圖 縱 截 面 圖 【深化探究】　我們利用電場(chǎng)線和磁感線分別形象地描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)，那么磁感線與電場(chǎng)線有什么不同之處？ 提示：磁感線是閉合曲線，電場(chǎng)線起于正電荷(或無(wú)窮遠(yuǎn)處)，止于負(fù)電荷(或無(wú)窮遠(yuǎn)處). 一、對(duì)奧斯特實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的探究 　在做“奧斯特實(shí)驗(yàn)”時(shí)，下列操作現(xiàn)象最明顯的是(　　) A．沿電流方向放置磁針，使磁針在導(dǎo)線的延長(zhǎng)線上 B．沿電流方向放置磁針，使磁針在導(dǎo)線的正下方 C．通電導(dǎo)線沿南北方向放置在磁針的正上方 D．通電導(dǎo)線沿東西方向放置在磁針的正上方 【導(dǎo)析】　認(rèn)真閱讀教材中奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁場(chǎng)的史實(shí)，體驗(yàn)科學(xué)探索的艱苦與偶然性． 【解析】　把導(dǎo)線沿南北方向放置在靜止于地磁場(chǎng)中的磁針的正上方，通電時(shí)磁針發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)．故選C. 【答案】　C 奧斯特的實(shí)驗(yàn) 本題通過奧斯特實(shí)驗(yàn)考查小磁針在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)．但要注意，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)對(duì)磁針的影響． 1.如圖212所示，a、b、c三枚小磁針分別在通電螺線管的正上方、管內(nèi)和右側(cè)，當(dāng)這些小磁針靜止時(shí)，小磁針N極的指向是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：22940014】 圖212 A．a(chǎn)、b、c均向左 B．a(chǎn)、b、c均向右 C．a(chǎn)向左，b向右，c向右 D．a(chǎn)向右，b向左，c向右 【解析】　小磁針靜止時(shí)N極的指向與該點(diǎn)磁感線方向相同，如果a、b、c三處磁感線方向確定，那么三枚磁針靜止時(shí)N極的指向也就確定．所以，只要畫出通電螺線管的磁感線如圖所示，即可知a磁針的N極在左邊，b磁針的N極在右邊，c磁針的N極在右邊． 【答案】　C 二、安培定則的應(yīng)用 　在圖213中，分別給出了導(dǎo)線中的電流方向或磁場(chǎng)中某處小磁針N極的指向或磁感線方向．請(qǐng)畫出對(duì)應(yīng)的磁感線(標(biāo)上方向)或電流方向． 圖213 【導(dǎo)析】　靈活利用安培定則，根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)小磁針的作用特點(diǎn)加以分析判斷． 【解析】　根據(jù)安培定則，可以確定： 【答案】　如圖所示． 應(yīng)用安培定則注意的問題 應(yīng)用安培定則時(shí)，要注意直線電流和環(huán)形電流的區(qū)別，同時(shí)要看清所給圖示是立體圖、橫截面圖還是縱截面圖． 2．(多選)如圖214所示是云層之間閃電的模擬圖，圖中A、B是位于南、北方向帶有電荷的兩塊陰雨云，在放電的過程中，在兩云的尖端之間形成了一個(gè)放電通道，發(fā)現(xiàn)位于通道正上方的小磁針N極轉(zhuǎn)向紙里，S極轉(zhuǎn)向紙外，則關(guān)于A、B的帶電情況，下列說(shuō)法中正確的是(　　) 圖214 A．帶同種電荷　 B．帶異種電荷 C．B帶正電 D．A帶正電 【解析】　兩云之間放電，說(shuō)明它們帶有異種電荷，故A選項(xiàng)錯(cuò)誤，B選項(xiàng)正確；小磁針N極向里，說(shuō)明電流上方磁感線(磁場(chǎng))方向向里，由安培定則可判定電流由A向B，故A帶正電，B帶負(fù)電，所以C選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確． 【答案】　BD 1．人們?cè)缭诠?、7世紀(jì)就發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵、磁石指南等現(xiàn)象，如圖215所示是最早的指南儀器——司南，形似勺子、勺柄是其南極，則司南靜止時(shí)，勺柄所指的方向是(　　) 圖215 A．東方　 B．北方 C．西方 D．南方 【解析】　地球磁場(chǎng)的地磁北極在地理南極附近，地磁南極在地理北極附近．由于司南勺柄是其南極，靜止時(shí)應(yīng)指向地磁北極，即指向地理南極． 【答案】　D 2．磁場(chǎng)中任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向規(guī)定為，小磁針在磁場(chǎng)中(　　) A．受磁場(chǎng)力的方向 B．北極所受磁場(chǎng)力的方向 C．南極所受磁場(chǎng)力的方向 D．受磁場(chǎng)力作用轉(zhuǎn)動(dòng)的方向 【解析】　物理學(xué)規(guī)定磁場(chǎng)中任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向?yàn)樾〈裴槺睒O所受磁場(chǎng)力的方向，或靜止時(shí)小磁針北極的指向． 【答案】　B 3．(多選)下列哪些物體周圍一定存在著磁場(chǎng)(　　) A．地球　 B．通電導(dǎo)線 C．電子束 D．靜止的帶電金屬球 【解析】　磁體及運(yùn)動(dòng)電荷周圍存在磁場(chǎng)，所以靜止的帶電金屬球周圍不存在磁場(chǎng)，A、B、C正確． 【答案】　ABC 4．下列各圖為電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的分布圖，正確的分布圖是(　　) A．①③ B．②③ C．①④ D．②④ 【解析】　根據(jù)安培安則可知，①④正確． 【答案】　C 5．圖216中電磁鐵的N、S極標(biāo)的正確的是(　　) 圖216 【解析】　根據(jù)電池的接法和導(dǎo)線的繞向以及安培定則可判斷選項(xiàng)B正確． 【答案】　B 學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)測(cè)評(píng)(五) (建議用時(shí)：45分鐘) 1．若地磁場(chǎng)是由地球表面帶電產(chǎn)生的，則地球表面帶電情況為(　　) A．正電　　　 B．負(fù)電 C．南半球?yàn)檎?，北半球?yàn)樨?fù)電 D．無(wú)法確定 【解析】　假定地磁場(chǎng)是由環(huán)形電流形成的，由于地磁場(chǎng)的N板在地理南極附近，則由安培定則可知，環(huán)形電流的方向?yàn)闁|向西．但由于地球的自轉(zhuǎn)方向?yàn)樽晕飨驏|，所以要想形成由東向西的環(huán)形電流，則地球表面必須帶負(fù)電． 【答案】　B 2.如圖217所示為磁場(chǎng)、磁場(chǎng)作用力演示儀中的亥姆霍茲線圈，在線圈中心處掛上一個(gè)小磁針，且與線圈在同一平面內(nèi)，則當(dāng)亥姆霍茲線圈中通以如圖所示方向的電流時(shí)，則(　　) 圖217 A．小磁針N極向里轉(zhuǎn) B．小磁針N極向外轉(zhuǎn) C．小磁針在紙面內(nèi)向左擺動(dòng) D．小磁針在紙面內(nèi)向右擺動(dòng) 【解析】　由安培定則可知，螺線管內(nèi)部的磁感線向里，小磁針N極的受力方向即為該處的磁場(chǎng)方向． 【答案】　A 3．關(guān)于磁感線，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．兩條磁感線的空隙處一定不存在磁場(chǎng) B．磁感線總是從N極到S極 C．磁感線上每一點(diǎn)的切線方向都跟該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向一致 D．兩個(gè)磁場(chǎng)疊加的區(qū)域，磁感線就可能相交 【解析】　磁感線是為了形象描繪磁場(chǎng)而假設(shè)的一組有方向的曲線，曲線上每一點(diǎn)的切線方向表示磁場(chǎng)方向，曲線疏密表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱，所以C正確，A錯(cuò)誤；在磁體外部，磁感線從N極到S極，內(nèi)部從S極到N極，磁感線不相交，所以B、D錯(cuò)誤． 【答案】　C 4．實(shí)驗(yàn)表明，磁體能吸引一元硬幣，對(duì)這種現(xiàn)象解釋正確的是(　　) A．硬幣一定是鐵做的，因?yàn)榇朋w能吸引鐵 B．硬幣一定是鋁做的，因?yàn)榇朋w能吸引鋁 C．磁體的磁性越強(qiáng)，能吸引的物質(zhì)種類越多 D．硬幣中含有磁性材料，磁化后能被吸引 【解析】　磁體能吸引硬幣，只能說(shuō)明硬幣中含有磁性材料，但不一定含有鐵．硬幣在磁場(chǎng)中被磁化而帶磁性，所以才被磁鐵吸引．故選D項(xiàng)正確． 【答案】　D 5．正在通電的條形電磁鐵的鐵芯突然斷成兩截，則兩截鐵心將 (　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：22940015】 A．互相吸引 B．互相排斥 C．不發(fā)生相互作用 D．無(wú)法判斷 【解析】　磁體斷開后就成為兩個(gè)磁體，靠近的磁極相反，相互吸引． 【答案】　A 6．如圖218所示，已標(biāo)出電流I和該電流產(chǎn)生的磁感線的方向，其中符合安培定則的是(　　) 圖218 【解析】　根據(jù)安培定則可知選項(xiàng)C正確． 【答案】　C 7．超導(dǎo)是當(dāng)今高科技的熱點(diǎn)之一，當(dāng)一塊磁體靠近超導(dǎo)體時(shí)，超導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電流，對(duì)磁體有排斥作用．這種排斥力可使磁體懸浮在空中，磁懸浮列車就采用了這項(xiàng)技術(shù)，磁體懸浮的原理是(　　) ①超導(dǎo)體電流的磁場(chǎng)方向與磁體的磁場(chǎng)方向相同 ②超導(dǎo)體電流的磁場(chǎng)方向與磁體的磁場(chǎng)方向相反 ③超導(dǎo)體使磁體處于失重狀態(tài)?、艹瑢?dǎo)體對(duì)磁體的磁力與磁體的重力相平衡 A．①③ B．①④ C．②③ D．②④ 【解析】　由于超導(dǎo)體無(wú)電阻，當(dāng)磁鐵靠近時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大電流，當(dāng)使磁體懸浮在空中時(shí)，說(shuō)明磁體的磁場(chǎng)與超導(dǎo)體的磁場(chǎng)方向相反，由此知D正確． 【答案】　D 8．如圖219所示，帶負(fù)電的金屬環(huán)繞軸OO′以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)，在環(huán)左側(cè)軸線上的小磁針最后平衡的N極的指向?yàn)開_______． 圖219 【解析】　沿OO′方向看，金屬環(huán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，因帶負(fù)電，負(fù)電荷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，等效電流的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，由安培定則知過圓心的磁感線從O′指向O，所以小磁針最后N極向左． 【答案】　沿軸線向左 9．利用電流的磁效應(yīng)，可以用小磁針和一些導(dǎo)線做成一種簡(jiǎn)便的靈敏電表(如圖2110所示)，用它可以檢查電路或電器是否有斷路的地方．使用的時(shí)候，先轉(zhuǎn)動(dòng)底板，使磁針靜止的方向跟它上方的導(dǎo)線方向平行，然后用兩支表筆去接觸要檢查的電路的兩端，從磁針是否偏轉(zhuǎn)就能知道電路中是否有斷路的地方．試說(shuō)明這種電表的原理． 圖2110 【解析】　我們知道直線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感線是一系列以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓，放在導(dǎo)線上面的磁針將受到磁場(chǎng)力的作用，方向與導(dǎo)線垂直．因此，為了檢測(cè)導(dǎo)線中是否有電流，使用前需要把磁針調(diào)整到與導(dǎo)線平行的位置，如果兩表筆接觸電路時(shí)，磁針偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明導(dǎo)線中有電流通過，電路導(dǎo)通；如果兩表筆接觸電路，磁針不偏轉(zhuǎn)，則電路中存在斷路． 【答案】　見解析 鴿子回家和海龜回游 許多人都知道，家里養(yǎng)的鴿子可以從離家?guī)资?、幾百甚至上千公里的地方飛回家里；燕子、大雁等候鳥每年都在春秋兩季分別從南方飛回北方，又從北方飛到南方；一些海龜從棲息的海灣游出幾百、幾千公里后又能回到原來(lái)的棲息處．它們是如何辨別方向的？尤其是在茫茫的海洋上．難道它們也像人類航海時(shí)一樣使用指南針嗎？大量和長(zhǎng)期的觀察研究表明，這些生物從原居處遠(yuǎn)行后再回到原居處，的確是與地球磁場(chǎng)有關(guān)的．我們來(lái)看看一些觀察研究的情況． 首先關(guān)于鴿子的觀察研究．曾將兩組鴿子分別綁上強(qiáng)磁性的永磁鐵塊和弱磁性的銅塊，在遠(yuǎn)離鴿巢放飛后，綁有銅塊的鴿子全部都飛回鴿巢，但大部分綁有永磁鐵塊的鴿子卻迷失方向而未返回鴿巢．這表明永磁鐵塊的磁場(chǎng)干擾，使鴿子不能識(shí)別地球磁場(chǎng)． 其次關(guān)于海龜回游的觀察研究．對(duì)出生在美國(guó)東南海岸的一種海龜游動(dòng)進(jìn)行的觀察發(fā)現(xiàn)，幼海龜在大西洋中沿著順時(shí)針路線出游，經(jīng)過若干年后又能回到出生地產(chǎn)卵．這些海龜是依靠什么導(dǎo)航呢？有的觀察研究者認(rèn)為同地球磁場(chǎng)有關(guān)，并進(jìn)行了這樣的實(shí)驗(yàn)研究．在裝有海水并加上人造磁場(chǎng)的大容器中放入海龜，其沿某一方向游行．當(dāng)人造磁場(chǎng)反向時(shí)，海龜?shù)挠蝿?dòng)也反向．這表明磁場(chǎng)是影響海龜?shù)挠涡械模?