高二物理第三章 磁场 第一节 第二节 第三节人教实验版知识精讲

高二物理第三章 磁场 第一节 第二节 第三节人教实验版知识精讲

高二物理第三章 磁场 第一节 第二节 第三节人教实验版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 第三章 磁场 第一节 磁现象和磁场 第二节 磁感应强度 第三节 几种常见的磁场 二. 重点、难点解析：‎ ‎1. 磁感应强度概念 ‎2. 知道几种常见的磁场及磁感线分布的情况 ‎3. 会用安培定则判断直线电流、环形电流和通电螺线管的磁场方向。‎ 三. 知识内容：‎ 磁现象和磁场 ‎（一）磁现象：‎ ‎1. 磁性——物体有吸引铁一类物质的性质 ‎2. 磁体——具有磁性的物体 ‎3. 磁极——磁体上磁性最强的部分（北极：N 南极：S）‎ ‎4. 磁化——将无磁性物质变为有磁性物质 ‎5. 同名磁极相斥，异名磁极相吸。‎ ‎（二）磁场 ‎1. 磁体周围空间存在磁场（客观存在的物质）‎ ‎2. 电流周围空间存在磁场（1820年丹麦——奥斯特）‎ ‎——电流是大量定向运动的电荷，则运动电荷周围空间有磁场 ‎3. 磁场的基本性质：‎ 磁场对处在它里面的磁体或电流都有磁场力的作用 ‎4. 地球的磁场 地球是一个巨大的磁体，地球周围存在磁场——地磁场。地球的地理两极与地磁两极不重合（地磁的N极在地理的南极附近，地磁的S极在地理的北极附近），其间存在磁偏角。‎ 磁感应强度 ‎（一）磁感应强度（B）：‎ ‎1. 磁感应强度的方向：小磁针静止时N极所指的方向规定为该点的磁感应强度方向 ‎2. 磁感应强度的大小：‎ ‎（1）定义：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的力（安培力）F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫磁感应强度。符号：B ‎（2）定义式：‎ ‎（3）单位：在国际单位制中是特斯拉，简称特，符号T， 1T=N/A·m ‎（4）物理意义：磁感应强度B是表示磁场强弱的物理量 对于磁感应强度的理解：‎ ‎1. 比值F/IL是磁场中各点的位置函数。比值F/IL跟IL的乘积大小无关，大小反映了各不同位置处磁场的强弱程度 ‎2. 对于确定的磁场中某一位置来说，B并不因探测电流和线段长短（电流元）的改变而改变，而是由磁场自身决定的；比值F/IL不变这一事实正反映了所量度位置的磁场强弱程度是一定的。‎ 几种常见的磁场 ‎1. 磁感线 ‎（1）磁感线的定义 在磁场中画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟这点的磁感应强度的方向一致，这样的曲线叫做磁感线。‎ ‎（2）特点：‎ A. 磁感线是闭合曲线，磁铁外部的磁感线是从北极出来，回到磁铁的南极，内部是从南极到北极。‎ B. 每条磁感线都是闭合曲线，任意两条磁感线不相交。‎ C. 磁感线上每一点的切线方向都表示该点的磁场方向。‎ D. 磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小。‎ ‎2. 几种常见的磁场 安培定则（也叫右手螺旋定则）来判定：用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。‎ 电流磁场（和天然磁铁相比）的特点：磁场的有无可由通断电来控制；磁场的极性可以由电流方向变换；磁场的强弱可由电流的大小来控制。‎ ‎3. 安培分子电流假说 ‎（1）安培分子电流假说 ‎（2）安培假说能够解释的一些问题 ‎（3）磁现象的电本质：磁铁和电流的磁场本质上都是运动电荷产生的 ‎4. 匀强磁场 ‎（1）匀强磁场：‎ 磁感应强度的大小和方向处处相同，这个区域的磁场叫匀强磁场。‎ 匀强磁场的磁感线是一些间隔相同的平行直线。‎ ‎（2）两种情形的匀强磁场：即距离很近的两个异名磁极之间除边缘部分以外的磁场；相隔一定距离的两个平行线圈（亥姆霍兹线圈）通电时，其中间区域的磁场。‎ ‎5. 磁通量 ‎（1）定义：磁感应强度B与线圈面积S的乘积，叫穿过这个面的磁通量（是重要的基本概念）。‎ ‎（2）表达式：φ=BS 注意：① 对于磁通量的计算要注意条件，即B是匀强磁场或可视为匀强磁场的磁感应强度，S是线圈面积在与磁场方向垂直的平面上的投影面积。② 磁通量是标量，但有正、负之分。‎ ‎（3）单位：韦伯，简称韦，符号Wb 1Wb = 1T·m2‎ ‎（4）磁感应强度的另一种定义（磁通密度）：即B =φ/S 上式表示磁感应强度等于穿过单位面积的磁通量，并且用Wb/m2做单位（磁感应强度的另一种单位）。所以：1T = 1 Wb/m2 = 1N/A·m 磁场对通电导线的作用力 安培力：磁场对电流的作用力。‎ ‎1. 安培力的方向 ‎（1）安培力的方向和磁场方向、电流方向有关系。‎ ‎（2）安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直，也就是说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面。‎ 安培力方向和电流方向、磁场方向存在着一个规律一一左手定则。‎ 左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且跟手掌在同一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向电流方向，那么，拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向。‎ ‎2. 安培力的大小 通电导线（电流为I、导线长为L）和磁场（B）方向垂直时，通电导线所受的安培力的大小：F = BIL（最大）‎ 两种特例：即F = ILB（I⊥B）和F = 0（I∥B）。‎ 一般情况：当磁感应强度B的方向与导线成θ角时，有F = ILBsinθ ‎3. 磁电式电流表 ‎（1）电流表的组成及磁场分布 电流表的组成：永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘。（最基本的是磁铁和线圈）‎ 电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。‎ ‎（2）电流表的工作原理 ‎ ‎ ‎【典型例题】‎ ‎[例1] 如图所示，有一根直导线上通以恒定电流I，方向垂直指向纸内，且和匀强磁场B垂直，则在图中圆周上，磁感应强度数值最大的点是（ ）‎ A. a点 B. b点 C. c点 D. d点 解析：磁感应强度是矢量，若在某一个空间同时存在多个磁场，那么某一点的磁感应强度是各个磁场在该点场强的矢量和。图中通电直导线产生的磁场的方向顺时针方向，在a点两个磁场同方向，磁感应强度为两者之和；在c点两个磁场反向，磁感应强度为两者之差；b、d两点的合场强由平行四边形法则来确定。‎ 答案：A ‎[例2] 根据磁感应强度的定义式B=，下列说法中正确的是（ ）‎ A. 在磁场中某确定位置，B与F成正比，与I、L的乘积成反比 B. 一小段能通电直导线在空间某处受磁场力F=0，那么该处的B一定为零 C. 磁场中某处的B的方向跟电流在该处受磁场力F的方向相同 D. 一小段通电直导线放在B为零的位置，那么它受到磁场力F也一定为零 解析：磁感应强度是表征磁场强弱的物理量，确定的磁场中的确定点的磁感应强度是一个确定的值，它由磁场本身决定的，与磁场中是否有通电导体，及导体的长度，电流强度的大小，以及磁场作用力的大小无关。A错误。若电流方向与磁场方向在一条直线上，通电导体将不受到磁场力的作用，因此在某处磁场力为零，并不能说明该处的磁感应强度为零。B错误。通电导体受到磁场力的方向垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面。C错误。通电导体处在一个没有磁场的空间，当然不受磁场力的作用。‎ 答案：D ‎[例3] 两圆环A、B同心放置且半径RA＞RB，将一条形磁铁置于两环圆心处，且与圆环平面垂直，如图所示，则穿过A、B两圆环的磁通量的大小关系为（ ）‎ A. φA＞φB B. φA=φB C. φA＜φB D. 无法确定 解析：磁通量可形象地理解为穿过某一面积里的磁感线的条数，而沿相反方向穿过同一面积的磁通量一正、一负，要有抵消。本题中，条形磁铁内部的所有磁感线，由下往上穿过A、B两个线圈，而在条形磁体的外部，磁感线将由上向下穿过A、B线圈，不难发现，由于A线圈的面积大，那么向下穿过A线圈磁感线多，也即磁通量抵消掉多，这样穿过A线圈的磁通量反而小。‎ 答案：C ‎[例4] 根据安培假说的物理思想：磁场来源于运动电荷，如果用这种思想解释地球磁场的形成，根据地球上空并无相对地球定向移动的电荷的事实，那么由此推断，地球总体上应该是（ ）‎ A. 带负电 B. 带正电 C. 不带电 D. 不能确定 解析：因在地球的内部地磁场从地球北极指向地球的南极，根据右手螺旋定则可判断出地球表现环形电流的方向应从东到西，而地球是从西向东自转，所以只有地球表面带负电荷才能形成上述电流，故选A。‎ 答案：A ‎[例5] 六根导线互相绝缘，所通电流都是I，排成如图所示的形状，区域A、B、C、D均为相等的正方形，则平均磁感应强度最大的区域是哪些区域？该区域的磁场方向如何？‎ 解析：由于电流相同，方格对称，从每方格中心处的磁场来定性比较即可，如I1在任方格中产生的磁感应强度均为B，方向由安培定则可知是向里，在A、D方格内产生的磁感应强度均为B/，方向仍向里，把各自导线产生的磁感应强度及方向均画在四个方格中，可以看出在B、D区域内方向向里的磁场与方向向外的磁场等同，叠加后磁场削弱。‎ 答案：在A、C区域平均磁感应强度最大，在A区磁场方向向里，C区磁场方向向外。‎ ‎[例6] 如图所示，一水平放置的矩形闭合线圈abcd在细长磁铁N极附近下落，保持bc边在纸外，ad边在纸内，由图中的位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ，且位置Ⅰ和Ⅲ都很靠近位置Ⅱ，在这个过程中，线圈中的磁通量（ ）‎ A. 是增加的 B. 是减少的 C. 先增加，后减少 D. 先减少，后增加 解析：要知道线圈在下落过程中磁通量的变化情况，就必须知道条形磁铁在磁极附近磁感线的分布情况，条形磁铁在 N极附近的分布情况如图所示，由图可知线圈中磁通量是先减少，后增加。‎ 答案：D ‎[例7] 如图所示，有一通电直导线放在蹄形电磁铁的正上方，导线可以自由移动，当电磁铁线圈与直导线中通以图示的电流是时，有关直导线运动情况的说法中正确的是（从上往下看）（ ）‎ A. 顺时针方向转动，同时下降 B. 顺时针方向转动，同时上升 C. 逆时针方向转动，同时下降 D. 逆时针方向转动，同时上升 解析：用安培定则判断通电蹄形电磁铁的极性，通电直导线在蹄形磁铁的磁场中，它的受力情况用电流无法进行判断，如图所示把直线电流等效为AO、OO/、O/B三段，其中OO/为极短的电流元。画出电磁铁的磁感线，可知OO/段电流元不受安培力的作用，AO段受垂直于纸面向外的安培力，O/B段受一垂直于纸面向里的安培力，故从上往下看，导线以OO/段为轴逆时针转动。再用特殊位置法，假设导线转过90°，如图所示，则导线受力的受力方向应竖直向下。实际上导线的运动应是上述两种运动的合成。‎ ‎ ‎ 答案：C ‎[例8] 如图所示，一条形磁铁放在水平桌面上在其左上方固定一根与磁铁垂直的长直导线，当导线通以如图所示方向电流时（ ）‎ A. 磁铁对桌面的压力减小，且受到向左的摩擦力作用 B. 磁铁对桌面的压力减小，且受到向右的摩擦力作用 C. 磁铁对桌面的压力增大，且受到向左的摩擦力作用 D. 磁铁对桌面的压力增大，且受到向右的摩擦力作用 解析：导线所在处磁场的方向沿磁感线的切线方向斜向下，对其沿水平竖直方向分解，如图所示。‎ 对导线：Bx产生的效果是磁场力方向竖直向上。By产生的效果是磁场力方向水平向左。‎ 根据牛顿第三定律：导线对磁铁的力有竖直向下的作用力，因而磁铁对桌面压力增大；导线对磁铁的力有水平向右的作用力，因而磁铁有向右的运动趋势，这样磁铁与桌面间便产生了摩擦力，桌面对磁铁的摩擦力沿水平方向向左。‎ 答案：C ‎[例9] 质量为m的通电细杆ab置于倾角为θ的平行导轨上，导轨宽度为d，杆ab与导轨间的摩擦因数为μ，有电流时ab恰好在导轨上静止，如图所示，是沿ba方向观察时的四个平面图，标出了四种不同的匀强磁场方向，其中杆与导轨间摩擦力可能为零的是（ ）‎ 解析：杆的受力情况为：‎ 答案：AB ‎[例10] 如图所示，在与水平方向成60°的光滑金属导轨间连一电源，在相距1m的平行导轨上放一重力为3N的金属棒ab ‎，棒上通以3A的电流，磁场方向竖直向上，这时棒恰好静止。求：（1）匀强磁场的磁感应强度B；（2）ab棒对导轨的压力。‎ 解析：先将原图改画为侧视图，对导体棒受力分析，如图所示，导体棒恰好能静止，应有Nx=F安，Ny=G 因为tan60°= 所以F安= tan60°Ny=G 又F安=BIL 所以B=‎ 导体棒对轨道的压力与轨道对棒的支持力N大小相等。‎ N==‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1. 物理实验都需要一定的控制条件，奥斯特做电流磁效应实验时就应排除地磁场对实验的影响。下列关于奥斯特实验的说法中正确的是（ ）‎ A. 该实验必须在地球赤道上进行 B. 通电导线必须竖直放置 C. 通电直导线应该水平东西方向放置 D. 通电直导线可以水平南北方向放置 ‎2. 地球是一个大磁体，① 在地面上放置一个小磁针，小磁针的南极指向地磁场的南极；② 地磁场的北极在地理南极附近；③ 赤道附近地磁场的方向和地面平行；④‎ ‎ 北半球地磁场方向相对地面是斜向上的；⑤ 地球上任何地方的地磁场方向都是和地面平行的。以上关于地磁场的描述正确的是（ ）‎ A. ①②④ B. ②③④ C. ①⑤ D. ②③‎ ‎3. 关于磁场的说法中，正确的是（ ）‎ A. 磁场和电场一样，是客观存在的特殊物质 B. 磁场是为了解释磁极间相互作用而人为规定的 C. 磁极与磁极之间是直接发生作用的 D. 磁场只有在磁极与磁极、磁极与通电导体之间发生作用时才产生 ‎4. 如图所示，一根条形磁铁，左端为S极，右端为N极。下列表示从S极到N极磁性强弱变化情况的图像中正确的是（ ）‎ ‎5. 如图所示，正四棱柱abed一a'b'c'd'的中心轴线OO'处有一无限长的载流直导线，对该电流的磁场，下列说法中正确的是（ ）‎ A. 同一条侧棱上各点的磁感应强度都相等 B. 四条侧棱上的磁感应强度都相同 C. 在直线ab上，从a到b，磁感应强度是先增大后减小 D. 棱柱内任一点的磁感应强度比棱柱侧面上所有点都大 ‎6.‎ ‎ 如图所示，两根导线a、b中电流强度相同，方向如图所示，则离两导线等距离的P点，磁场方向如何？‎ ‎7. 关于磁现象的电本质，下列说法中错误的是（ ）‎ A. 磁体随温度升高磁性增强 B. 安培分子电流假说揭示了磁现象的电本质 C. 所有磁现象的本质都可归结为电荷的运动 D. 一根软铁不显磁性，是因为分子电流取向杂乱无章 ‎8. 如图所示，通有恒定电流的导线MN与闭合金属框共面，第一次将金属框由Ⅰ平移到Ⅱ第二次将金属框绕cd边翻转到Ⅱ，设先后两次通过金属框的磁通量变化分别为和，则（ ）‎ A. ＞ B. = C. ＜ D. 不能判断 ‎9. 电视机显象管的偏转线圈示意图如右，即时电流方向如图所示。该时刻由里向外射出的电子流将向哪个方向偏转？‎ i ‎10. 如图所示，电源电动势E＝2V，r＝0.5Ω，竖直导轨电阻可略，金属棒的质量m＝0.1kg，R=0.5Ω，它与导体轨道的动摩擦因数μ＝0.4，有效长度为0.2 m，靠在导轨的外面，为使金属棒不下滑，我们施一与纸面夹角为600且与导线垂直向外的磁场，（g=10 m/s2）求：‎ ‎（1）此磁场是斜向上还是斜向下？‎ ‎（2）B的范围是多少？‎ ‎【试题答案】‎ ‎1. D 2. D 3. A 4. C ‎5. AC 解析：因通电直导线的磁场分布规律是B∝1/r，故A，C正确，D错误。四条侧棱上的磁感应强度大小相等，但不同侧棱上的点的磁感应强度方向不同，故B错误。答案：AC ‎6. 竖直向上 解析：由P点分别向a、b作连线Pa、Pb。然后过P点分别做Pa、Pb垂线，根据安培定则知这两条垂线用PM、PN就是两导线中电流在P点产生磁感应强度的方向，两导线中的电流在P处产生的磁感应强度大小相同，然后按照矢量的合成法则就可知道合磁感应强度的方向竖直向上，如图所示，这也就是该处磁场的方向。‎ ‎7. A 解析：安培分子电流假设告诉我们：物质微粒内部，存在一种环形电流，即分子电流。分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，当分子电流的取向一致时，整个物体体现磁性，若分子电流取向杂乱无章，那么整个物体不显磁性。‎ 当磁体的温度升高时，分子无规则运动加剧，分子电流取向变得不一致，磁性应当减弱。‎ ‎8. C 解析：导体MN周围的磁场并非匀强磁场，靠近MN处的磁场强些，磁感线密一些，远离MN处的磁感线疏一些，当线框在I位置时，穿过平面的磁通量为，当线圈平移至Ⅱ位置时，磁能量为，则磁通量的变化量为==-，当到线框翻转到Ⅱ位置时，磁感线相当于从“反面”穿过原平面，则磁通量为-，则磁通量的变化量是 ‎==+所以＜‎ ‎9. 解：画出偏转线圈内侧的电流，是左半线圈靠电子流的一侧为向里，右半线圈靠电子流的一侧为向外。电子流的等效电流方向是向里的，根据“‎ 同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”，可判定电子流向左偏转。‎ ‎10. 解析：导体棒侧面受力图如图所示：‎ 由平衡条件得：B最小时摩擦力沿导轨向上，则有 μFN＋BILcos30°=mg, FN=BILsin30° 解得B=2.34 T 当B最大时摩擦力沿导轨向下，则有BILcos30°=mg＋μFN FN=BILsin30° 解得B=3. 75 T B的范围是2.34 T－3. 75 T ‎