通过实验认识磁场。明确磁感应强度是电磁学的重要物理量，也是本章的重点。

通过演示实验感知通电电流附近存在磁场。自由状态小磁针 N 极的受力方向可以确定磁感应强度的方向，用电流元所受最大磁场力与电流元之比的方法定义磁感应强度。通过类比于电场强度的方法定义磁感应强度可以理解磁感应强度是不依赖于磁场力和电流元的客观存在。

科学研究表明物质处于磁场中时，其性能可能发生改变，呈现出多样的物理、化学现象和效应。因而施加磁场一直是研究物理等诸多学科的一种重要的手段。

节首图所示的稳态强磁场实验装置（SHMFF）的基本原理是利用强电流产生强磁场，教材第 104 页的内容与之相呼应。

如何描述电流周围的磁场有助于形成物质观念和能量观念。

建立稳态强磁场实验装置的意义见资料链接。

经历通电长直导线周围磁场分布的演示实验，应用右手螺旋定则判断电流方向和磁感线方向之间的关系，知道通电长直导线周围非均匀磁场的磁感线方向和磁感线空间疏密分布情况。能够根据通电直导线产生磁场的空间分布，画出相应磁感线的俯视图和剖面图。在演示实验中重视观察现象和归纳处理获得的信息，基于证据得出实验结论并作出科学解释。

如图 3 所示，观察通电直导线周围磁场分布的演示实验时，可以取两块钻有许多空穴的矩形透明板拼接成一平面。拼接前将矩形线圈的一边紧挨拼接边处的孔穴放置，且使线圈边与板面垂直。孔中置小铁棒的两块透明穴板均放在支架上。轻轻敲击透明穴板，使穴内的小铁棒处于无序状态。矩形线圈两端接 1.2 ~ 1.5 V 的直流电压，再用手轻敲穴板，可观察到透明穴板内的小铁棒有规律地排列成同心圆形状。将小磁针放置在透明穴板不同位置，可观察到小磁针指向为透明穴板内小铁棒构成曲线的切线方向，记录此时小磁针 N 极指向与通电直导线的电流方向，可以验证“右手螺旋定则”。

初中已经知道通电螺线管内部和外部的磁感线方向。根据叠加原理可将通电螺线管的磁场看成是由许多环形电流的磁场叠加而成，环形电流内部磁场方向可以用“右手螺旋定则”来判断。知道通电螺线管的磁场分布与条形磁体的磁场分布相似，其磁性来源于螺线管的电流，是电流磁效应的表现。

由此理解磁场的叠加性和等效思想。

安培分子电流假说揭示了磁现象的电本质。材料内每一个分子都存在一个圆形的分子电流，形如一个“小磁针”。分子电流由核外电子运动形成。当磁性材料被磁化时，这些小磁针的取向趋于一致，相邻分子电流的方向相反，相互抵消，因而在材料的边界上将形成一个大的磁化电流（图 4）。磁化电流和传导电流均能产生磁场，都受外磁场作用，但磁化电流是约束电流，仅存在于介质交界面上，不产生焦耳热。

“假说”是根据已知的科学原理和科学事实，对未知现象的本质和规律所作的理论解释。“假说”是理论思维的一种形式，是科学研究的一种基本方法，也是建立和发展科学理论的一种途径。“假说”以一定的事实和科学理论为根据，因而具有科学性。但这些根据又不足以说明问题，须运用类比、演绎、想象等方法作出假定性解释，因而具有推测性。有的假说经过实践检验被完全证实后转化为科学理论；有的假说被部分证实，经修改、补充、发展后转化为科学理论，而错误的假说则经实践证伪而被否定。

通电导线在磁场中也会受到磁场力的作用。类比电场强度（E = \(\frac{{\bf{F}}}{q}\)）的定义方法，类比试探电荷（q）引入又一个理想物理模型——电流元（IΔl）。电流元的电流和尺寸必须充分小，使被检验的磁场不会因电流元的出现而有明显的变化。磁场中某处磁感应强度的大小和方向是磁场本身的性质，与其中是否存在电流元及其电流的大小元关。这种利用物理量之比定义磁感应强度（B = \(\frac{{\bf{F}}}{{{\bf{I}}\Delta {\bf{l}}}}\)）的方法是研究“场”的性质的一个基本方法。课程标准的必修部分不要求定量讨论磁场力的大小，因此必修教材不使用“安培力”名称。教材还特别指出定义式中磁场力（F）为电流元受到的最大磁场力，既避免了“安培力”这个名称，又隐含磁感应强度（B）、电流元（IΔl）和磁场力相互垂直的要求。

此处设置“自主活动”是为了经历从实验中获取数据，通过计算机进行数据处理，基于实验证据得出结论并提出匀强磁场的概念，体现了科学探究过程。

具体实验步骤和注意事项见资料链接。

匀强磁场是一个理想化的模型，实际并不存在完全均匀的磁场。

电磁铁是利用电磁吸力来操纵机械的装置，主要由铁芯、衔铁、线圈和工作部件等组成。电磁铁磁性的有无可以用通、断电流控制，磁性的大小可以通过改变电阻控制电流大小或改变线圈的匝数控制，电磁铁的磁极可以通过改变电流的方向控制。

1．参考解答：如果小磁针在磁场中不沿磁场方向，磁场力会使小磁针偏转，使其 S、N 极的连线沿磁感线方向。地球表面地磁场的方向是沿南北方向，小磁针在地磁场中平衡后的指向也是南北方向。通电直导线的电流方向与其产生的磁场方向满足右手螺旋定则，产生的磁场分布在一簇以导线为轴的同心圆柱面上。如果通电导线沿东西方向放置在小磁针的上方时，通电导线产生的磁场对小磁针的作用力可能不会使小磁针偏转；当通电导线沿南北方向放置在小磁针的上方时，通电导线产生的磁场对小磁针的作用力才能使小磁针发生明显的偏转，就能直接观察到通电直导线周围产生了磁场。

命题意图：根据通电直导线周围磁场的空间分布特点，应用“右手螺旋定则”判断磁场的方向。

主要素养与水平：运动与相互作用（I）；模型建构（I）；科学推理（I）。

2．参考解答：（a）根据“右手螺旋定则”判断小磁针 N 极垂直于纸面向里偏转。

（b）根据“右手螺旋定则”可判断通电螺线管内部磁场方向由右指向左，外部磁场方向由左指向右。通电后沿螺线管轴线上的三个小磁针均会改变原来的指向，其 N 极均指向左侧；螺线管上部的小磁针 N 极指向不变。

命题意图：根据通电直导线和通电螺线管周围磁场的空间分布特点，应用“右手螺旋定则”判断磁场的方向。

主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

3．参考解答：根据磁感应强度的比值定义式 B = \(\frac{F}{{I\Delta l}}\)，电流元的电流增大使电流元受到的最大磁场力也同比例增大，它们的比反映该处的磁感应强度。因此电流元的电流变化不影响该处磁感应强度大小和方向，即使撤去电流元，该处的磁感应强度仍然不变。

命题意图：理解比值定义物理量的意义。电流元受到的最大磁场力意味着电流元、磁感应强度和磁场力彼此相互垂直。

主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅰ）；模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅰ）。

4．参考解答：（1）导线 ab 中的电流方向为 a → b，导线 cd 中的电流方向为 d → c。

（2）导线 cd 中的电流方向为 d → c，且导线 cd 中的电流大于导线 ab 中电流，小磁针所在处的合磁场方向是垂直于纸面向外，小磁针 N 极仍然垂直于纸面向外转动。

命题意图：考查通电直导线周围磁场的分布特点和磁场的叠加性，提升多角度分析问题的能力。

主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅱ）；模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）。

5．参考解答：M 点“×”．P 点“×”，Q 点“×”。根据“右手螺旋定则”先由小磁针指向确定电流方向是 B → A，再由电流方向确定其他各点的磁场方向。

命题意图：本题考查“右手螺旋定则”和理解磁场叠加性，灵活应用物理规律解块具体问题，提升科学思维水平。

主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）。

建立稳态强磁场实验装置的意义

科学研究表明物质处在磁场中内部可能发生改变，呈现出多样的物理、化学现象和效应。因而，磁场一直是研究物理等诸多学科的一种重要的手段。在稳态强磁场的实验装置的内部，产生强磁场的线圈内通过的电流达几十千安，同时会产生大量的热，所以还必须采用高纯水冷却系统，以确保强磁场装置不会因高热受损。

SHMFF 是以极低温和超高压等极端实验条件为基础的大型科学研究设施，为探索物质科学和生命科学的未知世界、发现自然规律、实现功能材料和医疗等技术变革提供极限稳态磁场，被物理、材料、化学和生命科学等一系列研究及多学科交叉研究所需要。

中国科学院合肥物质科学研究院的稳态强磁场实验装置（ SHMFF）于 2008 年 5 月 19 日获批开工，2010 年 10 月 28 日转入“边建设，边运行”模式，2017 年 9 月 27 日通过国家验收。我国在稳态强磁场实验装置建设过程取得了一系列成就，磁体技术和综合性能处于国际领先地位：成功研制了创造世界纪录的系列水冷磁体、国际一流水平的混合磁体及其磁体支撑装备系统；成功研制了国际唯一的高场扫描隧道显微系统，国际独创的组合成像显微系统；国际领先的强磁场、超高压、低温综合极端实验条件。在国际上实现了强磁场实验条件从跟跑到领跑的跨越，使我国稳态强磁场科学研究条件跃升至世界一流水平，中国科学院合肥物质科学研究院的稳态强磁场实验装置已成为国际五大稳态强磁场实验装置之一。

用磁传感器研究通电螺线管内部的磁感应强度

实验“用磁传感器研究通电螺线管内部的磁感应强度”是一个“自主活动”。按照教材要求应使螺线管接通直流电，将磁传感器接入数据采集器，并与计算机相连接。之后的实验操作如下：

（1）点击“专用软件”菜单上的“用磁传感器研究通电螺线管内部的磁感应强度”，显示屏将出现 B – d 坐标及数据表格等，如图 5 所示。其中 B 为通电螺线管内磁场的磁感应强度，单位为 mT；d 为磁传感器探测管插入线圈的长度，单位为 cm。

图 5

（2）将磁传感器探测管的 0 刻度线与螺线管右端对齐，闭合开关，观察磁传感器的示数。若该示数为负值，就应该调换电源的正、负极，使磁传感器的示数为正值。

（3）以每次 0.5 cm 的距离将磁传感器探测管沿螺线管中心轴线插入螺线管内，分别输入测量距离 d 的值，并点击“记录数据”按钮，记录对应的磁感应强度值，得到多组数据。

（4）点击“绘图”按钮，绘出基于实验数据的螺线管中心轴线上的磁感应强度分布图（图 6）。

图 6

实验结果表明：在通电螺线管中心轴线上靠近中央位置处的磁感应强度的大小和方向几乎不变，由此可以引出匀强磁场的概念。

亥姆霍兹线圈

如图 7 所示，两个半径和匝数完全相同的线圈串接，并将两个线圈同轴排列，且两个线圈的间距等于线圈的半径，满足此条件的这对线圈称为亥姆霍兹线圈（Helmholtz coil）。通电后两个载流线圈中心连线的中点附近一定范围内存在近似的匀强磁场（图 8）。

图 7

图 8  两线圈之间的阴影区域近视为匀强磁场