第 14 章 第 1 节 磁场

 
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章  电与磁


罗盘是航海用的指南针,指南针的发明是中华民族对世界文明作出的重要贡献。从天然磁石到以磁化方法制造的指南针,从发现电能生磁到磁也能生电,人类对电磁现象的认识不断加深。本章我们将初步学习与电磁现象有关的知识。

通过本章内容的学习,你将认识磁场和地磁场,了解电流周围存在磁场、通电导线在磁场中会受到力的作用;通过实验探究,了解通电螺线管外部磁场的方向,了解导体在磁场中运动时产生感应电流的条件;感悟物理学的重大发现对人类社会产生的巨大影响。

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磁 场

鸽子有很强的方向感知能力,把鸽子装在严密遮挡的笼子里运到千里以外的陌生地方放飞,它们依然能识途飞回(图 14–1–1)。如果把一块小磁体绑在鸽子身上,鸽子会迷路。为什么磁体会使鸽子失去定向能力呢?

磁体有哪些特性?

早在 2 000 多年前,我们的祖先就发现了一种能吸引铁质物体的天然矿石—磁石。《淮南子·说山训》记载“慈石能引铁,及其于铜则不行也”。磁石可以吸引铁,但不能吸引铜。我们把物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫做磁性(magnetism),具有磁性的物体叫做磁体(magnet)。

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图 14–1–2  条形磁体吸引回形针

将一根条形磁体放在一堆回形针上,缓慢提起,如图 14–1–2 所示,观察条形磁体的两端和中央,哪里吸起的回形针更多?

有的回形针下面还吸着其他回形针,将上面的回形针从条形磁体上取下来,观察其下方的回形针是否还会一直被吸住。

 

如图 14–1–4 所示,如果将一块磁体分成多块小磁体,会发现不论分成多少块,每一块小磁体均有两个磁极。迄今为止,还未发现仅有 N 极或 S 极的磁体。

图 14–1–4
磁极总是成对出现

通过上述实验发现,条形磁体不同部位吸起回形针的数量不同。这是由于磁体不同部位的磁性强弱不同,我们把磁体上磁性最强的部分叫做磁极(magnetic pole),磁体都有两个磁极。将磁体悬挂起来,如图 14–1–3 所示,当磁体静止时,指北的一端叫做磁体的北极(north pole)或 N 极,指南的一端叫做磁体的南极(south pole)或 S 极。

图 14–1–3  悬挂后静止的条形磁体沿南北方向

大量实验表明:

 

磁体间存在相互作用。同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。

 

原来没有磁性的回形针由于靠近磁极获得了

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图 14–1–5  门吸

磁性,从而能够吸引其他回形针。使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫做磁化(magneti-zation),能够被磁化的物质统称为磁性材料。

很多含铁、钴、镍的材料可以被磁化,有些材料磁化后的磁性不容易保留,另一些材料磁化后的磁性则能长期保留。能长期保留磁性的磁体叫做永磁体,如条形磁体。有些磁性材料通过加热或猛烈撞击后,磁性会减弱甚至消失。而橡胶、塑料、铝、铜、金、银等材料既不能被磁化,也不能被磁体吸引。

为什么磁体间不接触也有相互作用?

图 14–1–5 所示为一种生活中常见的门吸,安装在地上的吸座具有磁性,当吸头与吸座还有一段距离时,吸头就会受到吸座的吸引向其靠近并被吸住。

 
图 14–1–6  条形磁体接近小磁针

如图 14–1–6 所示,用条形磁体接近小磁针,观察小磁针是否会保持静止。

 

通过上述活动我们发现:条形磁体接近小磁针时,小磁针会发生偏转。这说明小磁针受到了作用力,但条形磁体与小磁针之间并没有直接接触,怎么会有力的作用呢?这是由于磁体周围存在某种能使小磁针发生偏转的物质。我们把磁体

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周围存在的这种看不见、摸不着的特殊物质叫做磁场(magnetic field)。磁体之间正是通过磁体周围存在的磁场发生相互作用的。

磁场看不见、摸不着,我们如何感知空间是否存在磁场呢?研究表明,可以通过磁场对磁体的作用使磁场“显形”。在物理学中,许多看不见、摸不着的物质,都可以通过它对其他物体的作用来认识。

 
图 14–1–7  处于磁场中的小磁针

在条形磁体周围的多个不同位置放置小磁针,如图 14–1–7 所示。观察不同位置的小磁针静止时 N 极的指向。

 

 

研究发现,放入同一磁场中同一点的小磁针静止时,它的 N 极(或 S 极)的指向总是不变的,这说明对于磁场中的某一确定点,磁场对小磁针磁极作用的方向是确定的,即磁场是有方向的。

物理学中把放入磁场中某点的小磁针静止时 N 极所指的方向规定为该点磁场的方向。在磁场的不同位置,小磁针静止时N 极的指向不同,反映了这些位置的磁场方向不同。

如何形象地描述磁场?

磁体周围放置的小磁针越多、越小,就能越清楚地看出磁场的分布情况。

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图 14–1–8
处于磁场中的铁屑

把铁屑均匀地撒在玻璃板上,将玻璃板放在条形磁体上,轻轻敲击玻璃板,可以看到铁屑有规则地排列起来,如图 14–1–8 所示。试着在白纸上用一些曲线描画出铁屑的排列情况。

 

图 14–1–9
条形磁体周围的磁感线

撒在磁体周围的铁屑被磁化后,相当于一个个“小磁针”,这些“小磁针”在磁体周围磁场的作用下规则地排列,形象地反映了磁场的分布情况。

为了直观地描述磁场,人们按照“小磁针”的排列在磁场中画出一条条带箭头的假想曲线,曲线上任意点的箭头表示该点的磁场方向,这样的曲线叫做磁感线(magnetic induction line)。

条形磁体周围磁场的分布情况,用磁感线描述如图 14–1–9 所示。

磁感线上任意一点的磁场方向就是小磁针静止在该点时N极所指的方向,即沿着磁感线上该点的切线方向。

蹄形磁体周围的铁屑排列情况如图 14–1–10(a)所示。蹄形磁体周围磁场的分布情况,用磁感线描述如图 14–1–10(b)所示。

(a)
(b)
图 14–1–10  蹄形磁体周围的铁屑排列和磁感线

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图 14–1–11  地磁场

可以看出,在磁体的外部,磁感线总是从磁体的N极出发,由S极进入磁体。在同一磁场中,磁场强的地方磁感线分布密。

实际上,磁体周围的磁场分布在整个空间,不局限于某一平面内。

地球周围的磁场有什么特点?

将几个可自由转动的小磁针放在水平桌面上,可以发现,静止时小磁针 N 极都指向北方,

这是由于地球本身相当于一个巨大的磁体。地球周围空间存在的磁场叫做地磁场。静止的小磁针 N 极指北,说明地磁场的磁感线在地面附近是由南指向北的。研究表明,地磁场的 N 极在地理的南极附近,地磁场的 S 极在地理的北极附近(图 14–1–11)。

我国古代四大发明之一的指南针,就是利用了磁针在地磁场的作用下沿南北指向这一特点,

为人们指明方向。据古籍《韩非子》《论衡》记载,我国在古代就制成了最早的指南工具—司南。后来人们将指南针应用于航海,对人类文明的进步产生了重大影响。

图 14–1–1 中,鸽子识途归巢正是利用了地磁场才得以准确导航,把小磁体绑在鸽子身上会干扰鸽子周围的磁场,使其失去定向能力。绿海龟、鳗鲡等一些动物也能利用地磁场导航。

不过,地理的两极和地磁场的两极并不完

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图 14–1–12
明刻本《梦溪笔谈》

全重合。指南针的指向与地理的南、北极方向间存在着一个夹角,叫做磁偏角。我国宋代学者沈括(1031—1095)在《梦溪笔谈》(图 14–1–12)中指出,指南针所指的方向“常微东偏,不全南也”,也就是指南针所指的方向稍微偏离南北方向。这一现象的发现比西方早了 400 多年。

 

 
图 14–1–13

1.如图 14–1–13 所示,木杆上套有 ABC 三个磁环,AB 两个磁环都悬浮着。若 C 磁环底面是 N 极,在图中标出各磁环上下面的极性。

2.有两块外形完全相同的长方体,其中一块是普通铁块,另一块是磁体。怎样将它们区分开?简述你所用的方法。

3.图 14–1–14 所示为条形磁体周围的磁感线,A 处放置了一个小磁针,在图中标出小磁针的 S 极和 N 极。图中 B 点没有画磁感线,这是否意味着 B 点处不存在磁场?

图 14–1–14
图 14–1–15

4.在图 14–1–15 中标出蹄形磁体的 N 极和 S 极,并用箭头指示磁感线的方向。

 

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主题学习:地磁场 1

早在公元前 3 世纪,我国就发现了一种铁矿石具有磁性。这种矿石的主要成分是四氧化三铁(Fe3O4),最初称为“慈石”。我国有关“慈石”的记载最早见于春秋战国时期的《管子·地数》篇。除了天然磁石外,我们可以通过磁化使某些物质获得磁性。将一根缝衣针吸在条形磁体的磁极处一段时间,这根缝衣针就获得了磁性。

(1)如何判断这根缝衣针的哪一端是 N 极?

(2)如何使用这根缝衣针判断所处位置的地磁场方向?


发布时间:2026/7/2 20:27:59  阅读次数:19