磁现象公开课教学课件

磁现象公开课教学课件第一章磁现象的起源与基础认识磁的历史故事磁性现象的发现可以追溯到几千年前古希腊人在小亚细亚的马格尼西亚（Magnesia）地区首次发现了一种能吸引铁的黑色矿石，即我们现在称之为磁铁矿（magnetite，₃₄Fe O）在中国古代，我们的祖先发现磁石具有定向能力，进而发明了指南针这一伟大发明在宋代（约公元1000年）开始广泛用于航海，极大地推动了航海技术的发展，为古代中国的海上丝绸之路提供了重要导航工具磁铁的基本特性磁极的存在磁极间的作用力磁场的形成每个磁铁都有两个磁极北极（N极）和南磁铁之间遵循异名磁极相吸，同名磁极相磁铁周围的空间区域存在看不见的磁力作极（S极）即使将磁铁折断，每个碎片仍斥的基本规律两个N极或两个S极相互排用，这个区域被称为磁场磁场的强弱取决然保留两个磁极，无法获得单极磁铁斥，而一个N极和一个S极则相互吸引于磁铁的强度和距离磁铁的远近磁现象的千年传承磁场的概念磁场是磁铁或电流周围存在磁力作用的空间区域，是物质存在的一种特殊形式在磁场中，磁性物体会受到力的作用，表现出定向或运动的趋势磁场的方向规定为从磁铁的北极指向南极，与磁力线的切线方向一致磁场的强度用磁感应强度来表示，国际单位为特斯拉（Tesla，简称⁻⁵T）地球表面的磁场强度约为5×10T，而强磁铁可达1T左右，医用核磁共振仪器的磁场强度通常为

1.5~3T磁场线的表示出入规则密度表强度铁屑实验磁场线总是从磁铁的北极出发，进入南极，在磁场线的疏密程度反映磁场强度的大小磁场将铁屑撒在磁铁周围的纸上轻轻敲击，铁屑会磁铁内部则从南极指向北极，形成闭合回路线越密集的地方，磁场强度越大；越稀疏的地沿着磁场线排列，形成可见的磁场线图案，直方，磁场强度越小观显示磁场分布磁场线是描述磁场的重要工具，虽然它们是人为想象出来的辅助线，但确实反映了磁场的真实特性和分布规律铁屑实验中的磁场线这张图片展示了经典的磁场可视化实验当细小的铁屑撒在条形磁铁周围的纸面上时，铁屑会在磁力的作用下排列成特定的图案，直观地显示出磁场线的分布可以清晰观察到•磁极处的磁场线最为密集，表明磁场强度在此最大•磁场线从北极出发，经过空气，进入南极•磁场线从不相交，形成优美的弧线地球的磁场地球本身就像一个巨大的磁铁，具有完整的磁场这个磁场对人类至关重要，它不仅使指南针能够定向，还保护着地球免受有害的太阳粒子风暴侵袭有趣的是，地球的磁极和地理极并不重合•地磁北极实际上位于地理南极附近•地磁南极位于加拿大北部，靠近地理北极•指南针的N极指向地理北极，实际上是被地磁南极吸引地球磁极的位置并不固定，而是随时间缓慢移动科学家发现，地球磁极平均每年移动约10-15公里，这种现象被称为磁极漂移第二章磁性材料与磁现象磁性材料分类铁磁性材料磁畴结构非磁性材料铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）是典型的铁磁材料内部存在称为磁畴的微小区域，铝（Al）、铜（Cu）、锌（Zn）等材料在铁磁性材料，能被强烈磁化并保持磁性它每个磁畴内的原子磁矩方向一致通常情况下不表现出明显磁性，称为非磁性们在常温下表现出明显的磁性，是制作永久材料或抗磁性材料磁畴的排列方式决定了材料整体的磁性强磁铁的理想材料弱当磁畴方向一致时，材料表现为强磁虽然所有物质都会受到磁场的影响，但非磁这些材料之所以具有强磁性，是因为其原子性；当磁畴方向混乱时，材料表现为弱磁性性材料的响应非常微弱，通常在日常生活中中未配对电子的磁矩能在宏观范围内保持一或无磁性无法察觉致排列磁畴与磁化过程⁻⁶磁畴是磁性材料中原子磁矩自发排列一致的微小区域，通常大小在10⁻至10³厘米之间每个磁畴就像一个微小的磁铁，具有自己的磁极方向磁化过程实质上是磁畴重新排列的过程

1.未磁化状态各磁畴方向随机分布，宏观上无磁性

2.初始磁化外加磁场使得部分磁畴向磁场方向转动

3.进一步磁化与磁场方向一致的磁畴逐渐扩大

4.饱和磁化所有磁畴完全排列一致，材料达到最大磁性磁畴理论首次由法国物理学家皮埃尔•韦斯（Pierre Weiss）于1907年提出，为理解磁性材料的行为提供了微观机制永磁体与临时磁体永磁体永磁体是能长期保持磁性的磁铁，如钕铁硼（NdFeB）、钐钴（SmCo）、铝镍钴（AlNiCo）等材料制成的磁铁•特点磁畴排列稳定，不易改变•材料通常由硬磁材料制成•应用扬声器、电动机、发电机、医疗设备等临时磁体临时磁体仅在外磁场作用下表现磁性，外磁场消失后磁性很快减弱或消失，典型如软铁、纯铁等•特点磁畴排列容易改变，磁性不稳定•材料通常由软磁材料制成•应用电磁铁铁芯、变压器铁芯、电气开关等永磁体与临时磁体的区别在于其内部磁畴排列的稳定性，这决定了它们在磁性持久性方面的巨大差异，也决定了它们适用于不同的应用场景磁畴结构左图随机排列的磁畴，无明显磁性磁力的测量与方向判定磁力测量工具右手定则应用指南针最简单的磁场方向检测工具，磁针始终指向磁场方向右手定则是判断电流与磁场方向关系的重要工具霍尔效应传感器利用霍尔效应测量磁场强度，可数字化显示

1.通电直导线的右手定则磁力计专业测量磁场强度的仪器，精度高，应用广泛右手握住导线，大拇指指向电流方向，四指弯曲方向即为磁场线方向特斯拉计用于测量高精度磁场，常用于科学研究

2.通电螺线管的右手定则电流与磁场的关系电流产生磁场任何通电导体周围都会产生磁场，这是电磁学最基本的现象之一丹麦物理学家奥斯特（H.C.Ørsted）于1820年首次发现这一现象安培定则通电直导线周围磁场线呈同心圆分布，磁场方向遵循右手定则电流强度越大，产生的磁场也越强电磁铁原理将导线绕成线圈（螺线管）并通电，磁场会增强并集中在线圈中放入铁芯，可进一步增强磁场，形成电磁铁第三章磁现象的现代应用与实验演示磁悬浮与磁力驱动磁悬浮列车磁悬浮列车是利用磁力实现无接触悬浮和推进的高速交通工具它利用同名磁极相斥或电磁感应原理，使列车在轨道上方悬浮中国上海的磁悬浮列车最高运行速度可达430公里/小时，而日本的超导磁悬浮列车（JR-Maglev）在测试中已达到603公里/小时的记录工业磁力驱动应用•磁力泵无机械接触，适用于腐蚀性液体输送•磁悬浮轴承减少摩擦，提高精度和寿命•磁控阀门精确控制流体或气体流量磁共振成像（）MRI工作原理MRI利用强大的磁场（通常为

1.5~7特斯拉）使人体内氢原子核（质子）产生共振，然后通过射频脉冲激发这些质子，并接收其释放的信号，经计算机处理形成人体内部结构图像医学应用MRI能提供软组织的高分辨率图像，特别适合检查大脑、脊髓、关节、肌肉等部位的病变，能检测到X光无法显示的微小病变，广泛应用于神经系统、心血管系统等疾病的诊断技术优势与CT等其他成像技术相比，MRI最大的优势在于无电离辐射，对人体无害；同时具有多平面成像能力，可以从任何角度获取图像；对软组织的分辨率极高磁性存储技术磁性存储技术利用磁性材料的特性记录和保存信息，是现代信息技术的基础之一硬盘驱动器（）HDD硬盘通过在磁性盘片上读写数据实现信息存储盘片上的磁性颗粒可以被磁头的磁场定向排列，形成二进制的0和1，从而记录信息现代硬盘采用垂直磁记录技术和热辅助磁记录等先进技术，存储密度已达每平方英寸超过1TB磁悬浮列车运行原理图中展示的磁悬浮列车利用电磁悬浮（EMS）或电动力悬浮（EDS）系统实现无接触运行在电磁悬浮系统中，列车底部的电磁铁被吸引到轨道下方的铁轨上，通过精确控制电流维持稳定悬浮高度在电动力悬浮系统中，列车底部的超导磁体在高速移动时，与轨道中的导体线圈产生感应电流，进而产生排斥力使列车悬浮推进系统通常采用线性电机，通过变化的磁场产生推力，使列车沿轨道前进由于没有机械接触，磁悬浮列车可以达到极高的速度，并且噪音小、乘坐舒适课堂实验演示磁场观察电流磁场实验指南针探测磁场铁屑磁场线观察材料准备直导线/线圈、电池、铁屑/指南材料准备小型指南针、条形磁铁针、开关材料准备条形磁铁、铁屑、白纸、纸板操作步骤操作步骤操作步骤

1.远离磁铁，观察指南针指向

1.连接电路但不闭合

1.将条形磁铁放在白纸上方

2.将指南针放在磁铁附近不同位置

2.放置指南针在导线附近

2.均匀撒上少量铁屑

3.记录指南针指针方向变化

3.闭合电路，观察指南针变化

3.轻轻敲击纸张，观察铁屑排列观察结果指南针指针始终指向磁场方向，

4.改变电流方向，再次观察观察结果铁屑将沿磁场线排列，形成从N根据位置不同，指向会随之变化观察结果通电时指南针偏转，证明电流产极到S极的曲线图案，磁极处铁屑最密集生磁场；改变电流方向，磁场方向也随之改变通过这些实验，学生可以直观地观察到磁场的存在及其分布规律，加深对磁现象的理解课堂互动制作简易电磁铁所需材料要制作一个简易电磁铁，我们需要准备以下材料•大铁钉或铁螺栓（约10厘米长）•绝缘漆包线或细铜线（约2米长）•

1.5V电池（1-2节）•电池盒•开关（可选）•回形针、大头针等小铁物品制作步骤

1.将铜线紧密均匀地缠绕在铁钉上，至少缠绕50-100圈

2.确保所有线圈方向一致，缠绕时不要交叉重叠

3.保留两端约5厘米的铜线作为连接电池用

4.连接电池前，去除两端铜线的绝缘层

5.将一端连接电池正极，另一端连接电池负极（可加入开关）实验观察

1.通电前，让学生尝试用铁钉吸引回形针

2.闭合电路，观察铁钉是否能吸引回形针

3.断开电路，观察回形针是否脱落

4.尝试改变电池数量，观察磁力变化

5.讨论电磁铁与永磁体的区别是什么？磁现象趣味实验静电与磁力对比隔空操控磁性流体观察用塑料梳子摩擦头发或毛衣后，接近纸屑，观察纸将回形针放入水中，用磁铁在杯子外侧移动，控制展示磁性流体（铁磁流体）在磁场中的奇特行为屑被吸引的现象这是静电力而非磁力的作用讨回形针在水中游动这展示了磁力能够穿透非磁性磁性流体是纳米级铁磁颗粒悬浮在载液中形成的特论静电吸引与磁力吸引有何不同？材料（如玻璃、塑料、水）而不受影响殊液体，在磁场作用下会形成尖刺状突起这些趣味实验不仅能激发学生的科学兴趣，还能帮助他们区分不同的物理现象，理解磁力的特性和局限性，培养观察和思考能力磁现象的安全注意事项对电子设备的影响对人体的安全考虑强磁场可能对电子设备造成严重影响•磁铁靠近硬盘、磁条卡等磁性存储设备可能导致数据丢失•手机、笔记本电脑等电子设备内部的磁敏感元件可能被损坏•CRT显示器、电视机在强磁场下会出现图像扭曲•机械手表在磁场中可能停走或走时不准建议不要将磁铁放在电子设备附近，特别是数据存储设备磁铁对一般人群通常无害，但对特定人群有潜在风险磁现象的未来发展趋势自旋电子学（）纳米磁性材料Spintronics这一新兴领域利用电子的自旋特性而非电荷来纳米尺度的磁性材料展现出与宏观材料完全不处理信息，有望突破传统电子学的限制巨磁同的性质这些材料在医疗（如靶向药物递阻效应（GMR）的发现使硬盘读取头小型化送、肿瘤热疗）、高密度存储介质等领域有广成为可能，推动了信息存储技术的革命性进阔应用前景步磁能量存储与绿色能源量子磁学超导磁能存储系统（SMES）和飞轮能量存储量子磁学研究磁性材料在量子尺度下的行为，系统利用磁场存储能量，具有响应速度快、效包括量子隧穿、量子相变等现象这一领域的率高等优点磁制冷技术有望成为环保高效的突破可能导致革命性的量子计算和量子通信技制冷解决方案术发展磁现象研究正朝着多学科交叉融合的方向发展，未来的突破将可能彻底改变能源、信息、医疗等众多领域的技术面貌复习与知识点总结磁铁的基本性质与磁极1•磁铁具有南北两极，无法获得单极磁铁•同名磁极相斥，异名磁极相吸•磁力作用不受一般物质阻隔磁场及其表示方法2•磁场是磁力作用的空间区域•磁场线从N极出发，进入S极•磁场线密度表示磁场强度磁性材料与磁畴3•铁磁性、顺磁性、抗磁性材料•磁畴是原子磁矩一致排列的微区•永磁体与临时磁体的区别电流与磁场的关系4•通电导体周围产生磁场•右手定则判断磁场方向•电磁铁的原理与应用磁现象的实际应用5•磁悬浮列车、磁共振成像•磁存储技术与信息革命•现代科技中的磁应用趋势课后思考题地球磁极移动的原因？永久磁铁与临时磁铁的区别？电磁铁磁力的影响因素？思考地球的磁场起源于地核中液态铁镍思考永久磁铁与临时磁铁的本质区别在思考电磁铁的磁力强弱受多种因素影流体的运动这种流体运动是复杂且不稳于其内部磁畴排列的稳定性永久磁铁的响，包括线圈匝数、通过线圈的电流大定的，会导致地磁场强度和方向的变化磁畴一旦排列整齐后很难恢复混乱状态，小、线圈中铁芯材料的磁导率、线圈的几历史上，地球磁场曾多次发生倒转，南北因此能长期保持磁性；而临时磁铁的磁畴何形状等磁极互换位置排列容易受到外力影响而改变如果你需要制作一个既省电又磁力强大的研究表明，地磁北极目前以每年约55公里请设计一个简单实验，用于区分一块永久电磁铁，应该如何优化设计？在实际应用的速度向俄罗斯方向移动，这一速度近年磁铁和一块被磁化的软铁实验需要哪些中，为什么有些电磁铁需要冷却系统？增来有加快趋势你认为这种变化对现代技步骤？观察哪些现象？如何解释观察到的大电流一定会增强电磁铁的磁力吗？术系统有何影响？现象？推荐学习资源教材与课件在线模拟实验科普视频与动画•《初中物理》人教版九年级磁现象章节•《科学60秒》系列磁学现象解释•《高中物理》教材中的电磁学部分•中国科普研究所磁现象科普视频•《趣味物理学》（原苏联）佩列里曼著•B站妈咪说MommyTalk物理科普系列•《物理世界奇遇记》（美）沃克著•李永乐老师磁学讲解视频•Discovery频道《How ItsMade》系列中关这些教材和图书以浅显易懂的方式讲解磁现象于磁铁制造的专题的基本原理，特别适合初学者入门这些视频资源以生动形象的方式展示磁现象，•PhET磁铁与电磁铁模拟器帮助理解抽象概念（https://phet.colorado.edu）•磁场可视化互动软件•国家级物理实验教学资源平台谢谢聆听！欢迎提问与讨论期待你们探索磁现象的奥秘磁力无处不在，科学就在身边。