1、通电导体周围的磁场

活动一、探究奥斯特实验

引导学生利用课桌上的实验器材当把小磁针放在条形磁体的周围时，观察到什么现象？其原因是什么？(观察到小磁针发生偏转。因为磁体周围存在着磁场，小磁针受到磁场的磁力作用而发生偏转。)

进一步提问引入新课:小磁针只有放在磁体周围才会受到磁力作用而发生偏转吗？也就是说，只有磁体周围存在着磁场吗？其他物质能不能产生磁场呢？这就是我们本节课要探索的内容。

指导学生将一根与电源、开关相连接的直导线(铜芯线)沿南北方向水平放置在小磁针上方，请同学们观察直导线通、断电时小磁针的偏转情况。

提问：观察到什么现象？(观察到通电时小磁针发生偏转，断电时小磁针又回到原来的位置。)

进一步提问：通过这个现象可以得出什么结论呢？

师生讨论：通电后导体周围的小磁针发生偏转，说明通电后导体周围的空间对小磁针产生磁力的作用，由此我们可以得出：通电导线和磁体一样，周围也存在着磁场。

教师指出：以上实验是丹麦的科学家奥斯特首先发现的，此实验又叫做奥斯特实验。这个实验表明，除了磁体周围存在着磁场外，电流的周围也存在着磁场，即电流的磁场，本节课我们就主要研究电流的磁场。

(1)实验表明：通电导线和磁体一样，周围存在着磁场。

提问：我们知道，磁场是有方向的，那么电流周围的磁场方向是怎样的呢？它与电流的方向有没有关系呢？

重做上面的实验，请同学们观察当电流的方向改变时，小磁针N极的偏转方向是否发生变化。　

提问：同学们观察到什么现象？这说明什么？

(观察到当电流的方向变化时，小磁针N极偏转方向也发生变化，说明电流的磁场方向也发生变化。)

(2)电流的磁场方向跟电流的方向有关。当电流的方向变化时，磁场的方向也发生变化。

提问：奥斯特实验在我们现在看来是非常简单的，但在当时这一重大发现却轰动了科学界，这是为什么呢？

学生看书讨论后回答：因为它揭示了电现象和磁现象不是各自孤立的，而是紧密联系的，从而说明表面上互不相关的自然现象之间是相互联系的，这一发现，有力推动了电磁学的研究和发展。　　　　　　　　

电池盒、导线(一根硬直导线)、开关、电灯、小磁针、演示螺旋管、干电池2-4节，小磁针，铁屑等。

2、教学难点及施教策略

教学难点：熟练运用安培定则由电流方向判定磁场方向、螺旋管的磁极，由螺旋管的磁极和绕法判定电流方向，由螺旋管的磁极和电流方向画出螺旋管绕法。

施教策略： 利用学生实验器材，搞清螺旋管的的结构和安培定则的判断方法。

1、教学重点及施教策略

教学重点：知道电能生磁，掌握安培定则并能熟练应用。

施教策略：利用学生的自备器材探究实验和教师的演示实验相结合

复习电荷间相互作用的规律，从电现象和磁现象的相似，推理电与磁之间的存在联系，引出奥斯特实验是关键，实验时将通电直导线尽量靠近小磁针，用多节干电池做电源。

3、情感、态度与价值观

(1)通过对“电生磁”的研究和对“通电螺旋管的外部磁场”的探究，进一步激发学生学习科学的 兴趣。

(2)通过本节课的学习，培养学生尊重事实的、实事求是的科学态度。

2、过程与方法

(1)经历电生磁的发现过程，能简单描述在探究过程中观察到的现象

(2)能在实验和探究中发现和提出问题，并能制定简单的实验方案

(3)在讨论、评估中能清晰的陈述自己的观点，有评估和听取别人意见的意识

1、知识与技能

(1)道电流周围存在着磁场。

(2)知道通电螺线管外部的磁场与条形磁铁相似。

(3)会用安培定则判定相应磁体的磁极和通电螺线管的电流方向。

35.4 73.1 136 144 352

　 这里未考虑速度，单看能耗，似乎磁浮列车要比普通列车大，如果计及速度因素，考虑在不同速度下的功能指标，结论就不一样了。当时速达220公里左右时，普通列车与磁浮列车的功耗基本上一致。再提高时速，磁浮列车的优越性就明显了，而普通列车已无法达到。

　 (5)安全可靠。磁浮列车(EMS型)悬浮高度大约 l厘米左右，万一悬浮系统失效，应急车轮能支撑列车继续行进。另外，磁浮列车车体两侧像钳子一样卡住路轨，不易出轨，比普通列车安全。

　 (6)寿命长、维修费用低。这是显而易见的。

　 从综合效益考虑，磁浮列车是很有前途的一种交通工具。

　 德、日、美等国的研制概况

　 在世界上，重视磁浮列车研制并形成自己研制系列的国家是德国和日本。

　 德国是最早开始研究磁浮列车技术的国家，其研究主要集中在 EMS型磁浮列车技术上， 目前在技术上占有优势。它的 EMS型磁浮列车发展计划称为 TRASPAID，相应的车型均用 TR加编号命名。世界上第一台 EMS型磁浮样车诞生在德国，它是1969年德国马法伊研制的模型车 TR0l。世界上第一台有载人能力的磁浮列车也诞生在德国，即1971年由德国航空公司(MBB)研制成功的全尺寸7吨车，有人也把它称为 TRO2(一般 TRO2是指马法伊1971年研制的12吨车，时速164公里)。 目前 TR系列已发展到 TRO7(其中TRO3是气垫车)， TRO4以前的曾用火箭推进，从 TRO5开始改用直线同步电机驱动。TRO5轨长 l公里，最高时速90公里，载乘70人，1974年在汉堡国际博览会上展出，历时3周，载客4万余人次，未发生任何故障。

　 此后，德国实施TVE计划，建造 TRO6和拉腾镇的爱姆斯朗(Emsland)试验场，以试验列车的转弯、爬坡、行进速度等功能。试验场的环形轨道长31.5公里，倾角1.2度，坡度10%，设有高4.7米，跨度25米的高架路轨和三个道岔的试验线。起动时间约1分钟，时速200公里，全程运行时间12分钟，最高时速412.6公里，1690米弯道运行时速256公里。

　 后又建造 TRO7，它是 TRO6的改进型，1988年投入试运行。到1989年底，包括商业运行在内共试运行1.2万公里，软硬件耐久试验达5万小时，在隧道进行了各种雷击试验。

　 在 EMS型磁浮列车技术已成熟的基础上，德国还计划实施汉堡至柏林的磁浮线路工程。1996年正式动工，2001年交付使用。线路全长287公里，设计时速500公里，全程运行时间53分钟。每列车由4节车厢组成，共332个座位，每10分钟发 l列车，全天运行95列车。

　 德国西门子公司也曾发展过 EDS型磁浮列车技术，并在1976年获得时速12O公里的结果。由于其在能耗指标、强磁污染、发展风险等方面，都明显不如 EMS型，自1979年起，德国终止了 EDS型的研究。德国快速运输试验公司的试验专务理事布勒富克(F． Blefuk)说：“我们在1977年之前曾就超导和常导两种方式进行了研究，两种方式的优缺点的综合对比分析结果表明，常导方式更合适。”德国研制EDS型的有关技术已用于其他方面，如核磁共振技术、直线同步电机等。

　 日本地少人多，历来重视铁路技术的发展。日本航空公司(JAL)1974年开始 EMS型磁浮列车的设计研究工作， 先后研制出HSST-01、02、O3等型号。HSST-03于1985年和1986年分别在日本筑波和加拿大温哥华展出，共进行349天载人运行。在 HSST-03的基础上改进， JAL又建造了 HSST-04和 HSST-05，运行可靠性分别达到96.2%和99．8%。HSST系列均属 EMS型，在低速下(比如时速100公里)行驶，噪声很低，很适于作市内交通工具。

　 日本国有铁路(JNR)则致力于 EDS型研制，于60年代中期就起步研究。1972年研制成的 ML100是世界上第一台 EDS型磁浮列车。1979年又研制成功 ML5O0，时速517公里，是陆面交通工具移动速度的世界纪录。若在东京与成田机场架设这样的线路，单程仅需10分钟，由东京到大贩也仅需 l小时。日本很重视 EDS型技术的开发，并把它与高温超导材料的研究联系在一起，以求更快发展。

　 英国是最早进行磁浮列车商业运营的国家，连接伯明翰车站与机场的900米运行线1984年投入运营，采用 EMS型,时速48公里，尚在使用，但研究进展不大。

　 美国地广人稀，公路网和空中航线四通八达，长期忽视铁路发展。进入9O年代后，美国科技界、工业界对磁浮列车技术表现出十分浓厚的兴趣，大有急起直追之势。1993年5月，第12届国际磁浮列车会议在美国举行。美国国会拟定拨款7．25亿美元支持磁浮列车技术的发展，美国政府也成立 NMI组织(NationalMaglev Initiative)，拟分四个阶段发展此项技术。现已进行系统概念定义(SCD)研究。 SCD方案中，三个为 EDS型，一个为 EMS型。EMS型的悬浮与推进系统原理上与德国的TRASPAID类似，但采用超导型的概念(追求技术新)，悬浮间隙为4厘米(德国为 l厘米)，时速超过500公里(追求速度快)。1993年7月开始概念设计，1995年进入工程实验阶段，1997年7月以后开始第四阶段，建造应用线路。

　 由上可见，尽管磁浮列车有明显的优点，但由于各国情况不同，所以对它的重视程度和发展路线也各不相同。除上述国家外，法国、锻国、韩国也都有研究计划。考虑到劳动力价格愈来愈高，往返时间将成为商品生产中非常关键的因素。在未来的市区至机场、市中心至卫星城之间的短程交通(50公里以内)，城市间的中程交通(50-100公里)，作为交通走廊的远程交通(lO0-100O公里)中，磁浮列车都是有竞争力的。

　 最初，发展磁浮列车技术就是追求高速。当时， HSST-01的目标就是为时速超过300公里提供技术，即使电机推不上去，也要用火箭推上去。但发展至今，由于 HSST系列结构简单、噪声低、研制周期短、轨道造价低，对于城区、城郊的公共交通有明显的优越性，人们反而对它的中低速(时速在200公里以内)性能感兴趣。

　 磁浮列车技术在中国前景广阔

　 中国幅员辽阔，人口众多，经济正处起飞阶段，交通问题十分紧迫。

　 就陆路交通而言，中国可耕地面积仅占国土面积的17%，可耕地十分宝贵，因此不宜大量发展占地面积大的交通设施。据统计，津塘高速公路每公里占地8.1万平方米，而铁路每公里仅占地1.63万平方米，普通路基的磁浮列车占地与铁路相当，而高架的磁浮列车占地要少得多，即使是双轨的，占地面积也仅为高速公路的5%。可耕地宝贵是中国一项重要的基本国情，由此出发，中国应优先发展铁路。

　 据1989年统计，中国铁路总长5.26万公里，人均铁路拥有量在世界上排在100位之后，按国土面积平均排在世界70位之后，然而所完成的客货周转量却居世界第3位，几乎与美国总长30万公里的铁路所完成的相等。中国铁路主要干线的货运只能满足社会需求量的50%-70%，客车超员高达50%-100%。因此，中国再造10倍以上的铁路也不为过。磁浮列车作为一种采用高技术的铁路运输工具，其单位能耗不仅比飞机、汽车低，与其他铁路运输工具相比，也是最低的。它的造价也只略高于电气化铁路。在中国铁路发展的广阔天地中，磁浮列车技术有自己的用武之地。

　 经济的起飞带来城市的繁荣，在人口集中的大城市，市内公共交通以及市区与城郊的交通问题变得更为严峻。 中国的城市轨道列车，全国总计也不足50公里。修建地下铁路，造价昂贵，按中国的国力，近期不可能大规模发展。修建中低速的高架磁浮列车，造价要合理得多，而且噪声小，占地面积小，是解决城市交通问题的理想方案。

　 因此，磁浮列车技术的研究在中国也受到充分重视。 自80年代初开始磁悬浮运行技术的探讨和基础研究，其中包括悬浮控制技术研究、小型磁浮模型车和模型装置的研制和理论分析，以及18吨载人磁浮列车方案设计等。中国第一台磁浮列车原理模型诞生于1989年，该车属 EMS型，类似日本的 HSST结构，车体重80千克，由 LIM系统推进，运行速度可达10米／秒，曾在长沙、北京展出多次。现在，磁浮列车技术的研究已列入国家八五科技攻关项目，重点发展 EMS型，初步决定建立磁浮试验线路。在资金和价格合理的条件下，还考虑引进国外较为成熟的关键技术，以促进磁浮列车技术在中国的发展。

　 磁浮列车的核心技术是悬浮与推进，并需要一套复杂的自动控制系统。它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果，因而国际上把磁浮列车列为高技术产品。但对于已比较成熟的 EMS型磁浮列车来说，它是高技术产品，却并非高价产品。它所依据的基础技术均属已成熟的技术，也不需要等待某一项技术的突破或某种特殊材料与器件的出现，所有材料与器件都是国内市场上可买到的商品。需要攻关的关键是组成系统的技术和实现工程化。可以相信，一旦磁浮列车在中国某地的交通网络中出现，让人们实际体验到它的优越性，它在中国大地上的发展将是无可限量的。

4．作业：①完成课本上的“想想议议”。

②课本上的练习1、2、3题。