3.1  磁现象和磁场

教学目标

（一）知识与技能

1、列举磁现象在生活、生产中的应用，了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响，关注与磁相关的现代技术发展；

2、知道磁场的基本特性是对处在它里面的磁体或电流有磁场力的作用；

3、知道磁极和磁极之间、磁极和电流之间、电流和电流之间都是通过磁场发生相互作用的。

（二）过程与方法:利用电场和磁场的类比教学，培养学生的比较推理能力。

（三）情感、态度与价值观:在教学中渗透物质的客观性原理。

教学重点：磁场的物质性和基本特性。

教学难点：磁场的物质性和基本性质。

教学方法：类比法、实验法、比较法。

教学用具：条形磁铁、蹄形磁铁、小磁针、导线和开关、电源、铁架台、投影片、多媒体辅助教学设备。

教学过程：

（一）引入新课

    我国是世界上最早发现磁现象的国家。早在战国末年就有磁铁的记载。我国古代的四大发明之一的指南针就是其中之一，指南针的发明为世界的航海业作出了巨大的贡献。在现代生活中，利用磁场的仪器或工具随处可见，如我们将要学习的电流表、质谱仪、回旋加速器等。进人21世纪后，科技的发展突飞猛进、一日千里，作为新世纪的主人，肩负着民族振兴的重任，希望同学们勤奋学习，为攀登科学高峰打好扎实的基础。今天，我

们首先认识磁场。

（二）进行新课

1、磁现象   

教师：引导学生阅读教材“磁现象”两段，明确以下几个问题：

问题1天然磁石的主要成分是什么？永磁体吸引铁质物体的性质叫磁性。

问题2什么是永磁体、磁性和磁极？磁体有几个磁极，如何规定的？磁性最强的区域就是磁极。

2、电流的磁效应

教师：电现象和磁现象之间存在着许多相似，请你举例说明。

学生：讨论，交流，发表见解。电荷存在正负、磁体存在两极；电荷间有力的作用，且同号电荷相斥，异号电荷相吸；磁体间同样有力的作用，且同名磁极相斥，异名磁极相吸。

教师：电现象和磁现象间的相似是偶然的吗？如果你是一位物理学家，你会怎样认为呢？

教师：引导学生阅读教材80页思考问题：

问题1人们是通过那些自然现象，开始形成了相互联系和相互转化的思想？

问题2开始，奥斯特的实验研究均以“失败”告终，为什么？你从中有何启发？

问题3奥斯特是如何发现电流磁效应的？以前的实验为什么会失败？谈谈你的想法。奥斯特发现电流磁效应的实验有何意义，竟使安培、法拉第对奥斯特有如此高的评价？

学生：阅读教材，讨论、交流、发表见解。

3、磁场

提问：磁体对磁体有力的作用，奥斯特的电流磁效应实验说明电流对磁体也有力的作用。这些作用力都不需要直接接触，就能产生。那么，这些作用力是怎样产生的呢？是不是不需要任何媒介物就能产生？

答：是通过磁场产生的。

教师：你为什么会想到是通过磁场产生的？类比前面的学习谈一下自己的看法。

学生：奥斯特的电流磁效应实验说明电和磁是相互联系的。电荷的周围存在电场，电荷间通过电场产生相互作用，那么，磁体和电流的周围必然会存在磁场，磁体间、电流和磁体间则通过磁场产生相互作用。

教师：既然电流的周围存在磁场，对磁体会产生力的作用，那么磁体对电流会产生力的作用吗？电流与电流之间有没有力的作用？

学生：有。因为力是相互的。

演示：如图3.1-3所示，通电导线与磁体间发生相互作用。

学生：认真观察实验，体会磁体对通电导线产生力的作用。

结论：磁场是存在于磁体或电流周围空间的一种特殊物质。磁体和电流的周围存在磁场，磁体间、电流和磁体间、电流和电流间的相互作用，都是通过磁场产生的。

问题：大家猜想一下，磁场的基本性质是什么呢？与电场的基本性质是否相似？

学生：磁场的基本性质是对放入其中的磁体或电流产生力的作用。与电场的基本性质是相似的。（电场的基本性质是对放入其中的电荷产生力的作用）

结论：电荷之间存在相互作用的力，它不是电荷之间直接发生的，而是通过电场发生的（这一结论是从电荷间相互作用的现象结合“力是物体间的相互作用”推理得出的）。通过类比，可以推断出“磁极间的相互作用也是通过磁场而发生的”磁场也具有物质性。

问题：请大家思考，悬吊着的磁针为什么会指示南北呢？

答：说明地球的周围有磁场，地磁场对磁针产生了磁场力。

4、磁性的地球

教师：地球的周围存在磁场，地球实际上就是一个巨大的磁体，它也有两个磁极，地磁南极和地磁北极。地磁场的南北极与地理的南北极并不重合。观察图3.1-4，地磁场的南北极连线与地理的南北极之间有一个偏角，叫做磁偏角。磁偏角的数值在地球上不同的地点是不同的。而且，地球的磁极在缓慢地移动，磁偏角也在缓慢地变化。

指出：许多天体和地球一样，也存在着磁场。如太阳、月亮、火星等都存在磁场。但它们的磁场有不同的特点。如火星的磁场不像地球的磁场那样是全球性的，而是局部的。因此指南针不能在火星上工作。对天体磁场的研究具有十分重要的科学意义。

教后记：思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。

3.2磁感应强度

一、教学目标

1．掌握磁感应强度的定义和磁通量的定义．

2．掌握利用磁感应强度的定义式进行计算．

3．掌握在匀强磁场中通过面积S的磁通量的计算．

4． 搞清楚磁感应强度与磁场力，磁感应强度与磁通量的区别和联系．

二、教学重点、难点

1．该节课的重点是磁感应强度和磁通量的概念．

2．磁感应强度的定义是有条件的，它必须是当通电直导线L与磁场方向垂直的情况下，B=.

3．磁通量概念的建立也是一个难点，讲解时，要引入磁感线来帮助学生理解和掌握．

三、教具

1．通电导体在磁场中受力演示．

2．电流天平．（选用）

3．挂图（磁感线、磁通量用）．

四、教学过程

（一）引入新课

提问：什么是磁现象的电本质？

应答：运动电荷（电流）在自己周围空间产生磁场，磁场对运动电荷或电流有力的作用，磁极与磁极、磁极与电流、电流与电流之间发生相互作用都可以看成是运动电荷之间通过磁场而发生相互作用．这就是磁现象的电本质．

为了表征磁场的强弱和方向，我们引入一个新的物理量：磁感应强度．我们都知道电场强度是描述电场力的特性的，那么磁感应强度就是描述磁场力特性的物理量，因此我们可以用类比的方法得出磁感应强度的定义来．

提问：电场强度是如何定义的？

应答：电场中某点的电场强度等于检验电荷在该点所受电场力与检

电荷在该点的受力方向．

（二）教学过程设计

1．磁感应强度

通过实验，得出结论，当通电直导线在匀强磁场中与磁场方向垂直时，受到磁场对它的力的作用．对于同一磁场，当电流加倍时，通电导线受到的磁场力也加倍，这说明通电导线受到的磁场力与通过它的电流强度成正比．而当通电导线长度加倍时，它受到的磁场力也加倍，这说明通电导线受到的磁场力与导线长也成正比．对于磁场中某处来说，通电导线在该处受的磁场力F与通电电流强度I与导线长度L乘积的比值是一个恒量，它与电流强度和导线长度的大小均无关．在磁场中不同位置，这个比值可能各不相同，因此，这个比值反映了磁场的强弱．

提问：类比电场强度的定义，谁能根据以上实验事实用一句话来定义磁感应强度，用B来表示，并写出它的定义式．

回答：磁场中某处的磁感应强度等于通电直导线在该处所受磁场力F与通电电流和导线长度乘积IL的比．定义式为

再问：通电直导线应怎样放入磁场？

应答：通电直导线应当垂直于磁场方向．

指出前面的回答对磁感应强度的论述是不严密的．（不管学生回答的严密不严密）应强调通电直导线必须在垂直磁场方向的条件下，该定义才成立．在测量精度要求允许的条件下，在非匀强磁场中，当通电导线足够短，可以近似地看成一个点，在该点附近的磁场也可近似地看成

（1）磁感应强度的定义

在磁场中某处垂直于磁场方向的通电直导线，受到的磁场力F，跟通电电流强度和导线长度的乘积IL的比值叫做该处的磁感应强度B．

（2）磁感应强度的公式（定义式）：

（3）磁感应强度的单位（板书）

在国际单位制中，B的单位是特斯拉（T），由B的定义式可知：

（4）磁感应强度的方向

磁感应强度是矢量，不但有大小，而且有方向，其方向即为该处磁场方向．

顺便说明，一般的永磁体磁极附近的磁感应强度是0.5T左右，地球表面的地磁场的磁感应强度大约为5.0×10-5T．

课堂练习

练习1．匀强磁场中长2cm的通电导线垂直磁场方向，当通过导线的电流为2A时，它受到的磁场力大小为4×10-3N，问：该处的磁感应强度B是多大？（让学生回答）

应答：根据磁感应强度的定义

在这里应提醒学生在计算中要统一单位，计算中必须运用国际单位．

再问：若上题中，电流不变，导线长度减小到1cm，则它受磁场力F和该处的磁感应强度B各是多少？若导线长不变，电流增大为5A，则它受磁场力F和该处的磁感应强度B各是多少？

引导学生讨论，得出正确的答案：2×10-3N，0．1T；1×10-2N，0.IT，并指出，某处的磁感应强度由建立该磁场的场电流情况和该点的空间位置来决定，与检验通电直导线的电流强度大小、导线长短无关．

练习2．检验某处有无电场存在，可以用什么方法？检验某处有无磁场存在，可以用什么方法？

回答：检验有无电场存在，可用检验电荷，把检验电荷放在被检验处，若该检验电荷受到电场力作用，则该处有电场存在，场强不为零；若该检验电荷没有受到电场力作用，该处没有电场存在或该处场强为零．检验某处有无磁场存在，可用“检验电流”，把通电导线放在被检验处，若该通电导线受磁场力作用，则该处有磁场存在，磁感应强度不为零；若该通电导线不受磁场力作用，则该处无磁场存在，该处磁感应强度为零．

追问：如果通电导线不受磁场力，该处是一定不存在磁场，磁感应强度一定为零吗？

引导学生讨论，得出“不一定”的正确结果．因为当通电导线平行磁场方向放在磁场中，它是不受磁场力作用的（这是实验证明的结论）．再次强调磁感应强度定义的条件：通电直导线必须垂直磁场方向放置．

再问：如何利用通电导线检验某处磁场的存在与否呢？

应答：可以改变通电导线的方向，若在各个方向均不受磁场力作用，则该处没有磁场．

再问：在通电导线在不同方法检测，至少检测几次就可确定该处没有磁场存在？

应答：至少在相互垂直的两个方向上检测两次．先将其放在任意方向检测，若此时其不受磁场力作用，则再将通电导线沿垂直刚才的方向放置，若此时其仍不受磁场力作用，则说明该处无磁场存在．

2．磁感线

磁感线和电场线一样也是一种形象描述磁场强度大小和方向分布的假想的线，磁感线上各点的切线方向即该点的磁感应强度方向，磁感线的密疏，反映磁感应强度的大小．通过挂图应让学生熟悉条形磁铁、蹄形磁铁、直线电流、环形电流、通电螺线管的磁感线的分布，并正确地用“右手”安培定则判断直线电流、环形电流和通电螺线管的磁感线方向与电流方向的关系．

3．磁通量

磁感线和磁感应强度的关系．为了定量地确定磁感线的条数跟磁感应强度大小的关系，规定：在垂直磁场方向每平方米面积的磁感线的条数与该处的磁感应强度大小（单位是特）数值相同．这里应注意的是一般画磁感线可以按上述规定的任意倍来画图，这种画法只能帮助我们了解磁感应强度大小，方向的分布，不能通过每平方米的磁感线数来得出磁感应强度的数值．

提问：各点电场强度方向、大小均相同的电场叫什么电场？这种电场电场线的分布有什么特点？

应答：这种电场叫做匀强电场，匀强电场电场线的分布是间距相同方向一致的平行直线．

提问：什么叫做匀强磁场，怎样用磁感线描述匀强磁场？

应答：对于某范围内的磁场，其磁感应强度的大小和方向均相同，则该范围内的磁场叫做匀强磁场．可以用间距相同、方向一致的平行直线描述匀强磁场．

距离很近，相对面积相同且互相平行的异名磁极之间的磁场都可看做是匀强磁场．密绕螺线管中的磁场也可看做是匀强磁场．

（1）磁通量的定义

穿过某一面积的磁感线的条数，叫做穿过这个面积的磁通量，用符号Φ表示．

（2）磁通量与磁感应强度的关系

因为按前面的规定，穿过垂直磁场方向单位面积的磁感线条数，等于磁感应强度B，所以在匀强磁场中，垂直于磁场方向的面积S上的磁通量Φ为

Φ=BS

若平面S不跟磁场方向垂直，则应把S平面投影到垂直磁场方向的面上，若这两个面间夹角为θ，则：

Φ=BS⊥=BScosθ

当平面S与磁场方向平行时，θ=90°，Φ=0．

（3）磁通量的单位

在国际单位中，磁通量的单位是韦伯（Wb），简称韦．

1韦（Wb）=1特（T）×1米2（m2）

由Φ=BS，可得B=Φ／S，所以磁感应强度B等于垂直于磁场单位面积上的磁通量，也叫做磁通密度，用韦（Wb）／米2（m2）作单位．

（4）磁通量是标量

磁通量是标量，只有大小，无方向．

课堂练习

练习3．如图所示，平面S=0.6m2，它与匀强磁场方向的夹角α=30°，若该磁场磁感应强度B=0.4T，求通过S的磁通量Φ是多少？（可让几个同学同时到黑板上演算．）

学生演算时，常有些同学会套公式：

为此再一次强调，Φ=BScosθ中的θ是平面S与垂直磁场方向平面间的夹角，在此题中它应是α的余角，所以此题的正确解法应是

Φ=BScos(90°－α）=BSsinα

=0.4×0.6×sin30°=0.12Wb

五、小结

1．用通电直导线检验磁场的存在或磁感应强度的大小，若不管怎样变化导线方向，某处通电直导线都不受电场力作用，严格地讲这只能说明该处的磁感应强度为零，而不能断定该处无磁场．就像检验电荷在某点不受电场力作用，只能说明该点电场强度为零或是合场强为零，而不能断定该点没有电场一样．

2．磁通量是标量，它只有大小，而没有方向．虽然从一个平面正面穿过一条磁感线与从反面穿过一条磁感线是不相等的（或说是相反的），可用正负号表示，但这个正负只是表示磁感线是从哪边穿过该平面的，而不是表示磁通量的方向．