物理知识点江苏石榴高级中学高三物理第一轮复习 第九章 磁场教案 人教版精品教案.docx
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磁场
知识网络:
本章在介绍了磁现象的电本质的基础上,主要讨论了磁场的描述方法(定义了磁感应强度、磁通量等概念,引入了磁感线这个工具)和磁场产生的作用(对电流的安培力作用,对通电线圈的磁力矩作用和对运动电荷的洛仑兹力作用)及相关问题。
其中磁感应强度、磁通量是电磁学的基本概念,应认真理解;载流导体在磁场中的平衡、加速运动,带电粒子在洛仑兹力作用下的圆周运动等内容应熟练掌握;常见磁体周围磁感线的空间分布观念的建立,常是解决有关问题的关键,应注意这方面的训练。
单元切块:
按照考纲的要求,本章内容可以分成三部分,即:
基本概念安培力;洛伦兹力带电粒子在磁场中的运动;带电粒子在复合场中的运动。
其中重点是对安培力、洛伦兹力的理解、熟练解决通电直导线在复合场中的平衡和运动问题、带电粒子在复合场中的运动问题。
难点是带电粒子在复合场中的运动问题。
知识点、能力点提示
1.通过有关磁场知识的归纳,使学生对磁场有较全面的认识,并在此基础上理解磁现象电本质;
2.介绍磁性材料及其运用,扩大学生的知识面,培养联系实际的能力;
3.磁感应强度B的引入,体会科学探究方法;通过安培力的知识,理解电流表的工作原理;通过安培力的公式F=IlBsinθ的分析推理,开阔学生思路,培养学生思维能力;通过安培力在电流表中的应用,培养学生运用所学知识解决实际问题的意识和能力;
4.通过洛仑兹力的引入,培养学生的逻辑推理能力;
5.通过带电粒子在磁场中运动及回旋加速器的介绍,调动学生思考的积极性及思维习惯的培养,并开阔思路。
基本概念安培力
教学目标:
1.掌握电流的磁场、安培定则;了解磁性材料,分子电流假说
2.掌握磁感应强度,磁感线,知道地磁场的特点
3.掌握磁场对通电直导线的作用,安培力,左手定则
4.了解磁电式电表的工作原理
5.能够分析计算通电直导线在复合场中的平衡和运动问题。
教学重点:
磁场对通电直导线的作用,安培力
教学难点:
通电直导线在复合场中的平衡和运动问题
教学方法:
讲练结合,计算机辅助教学
教学过程:
一、基本概念
1.磁场的产生
⑴磁极周围有磁场。
⑵电流周围有磁场(奥斯特)。
安培提出分子电流假说(又叫磁性起源假说),认为磁极的磁场和电流的磁场都是由电荷的运动产生的。
(但这并不等于说所有磁场都是由运动电荷产生的,因为麦克斯韦发现变化的电场也能产生磁场。
)
⑶变化的电场在周围空间产生磁场。
2.磁场的基本性质
磁场对放入其中的磁极和电流有磁场力的作用(对磁极一定有力的作用;对电流只是可能有力的作用,当电流和磁感线平行时不受磁场力作用)。
这一点应该跟电场的基本性质相比较。
3.磁场力的方向的判定
磁极和电流之间的相互作用力(包括磁极与磁极、电流与电流、磁极与电流),都是运动电荷之间通过磁场发生的相互作用。
因此在分析磁极和电流间的各种相互作用力的方向时,不要再沿用初中学过的“同名磁极互相排斥,异名磁极互相吸引”的结论(该结论只有在一个磁体在另一个磁体外部时才正确),而应该用更加普遍适用的:
“同向电流互相吸引,反向电流互相排斥”,或用左手定则判定。
4.磁感线
⑴用来形象地描述磁场中各点的磁场方向和强弱的曲线。
磁感线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向,也就是在该点小磁针静止时N极的指向。
磁感线的疏密表示磁场的强弱。
⑵磁感线是封闭曲线(和静电场的电场线不同)。
⑶要熟记常见的几种磁场的磁感线:
⑷安培定则(右手螺旋定则):
对直导线,四指指磁感线方向;对环行电流,大拇指指中心轴线上的磁感线方向;对长直螺线管大拇指指螺线管内部的磁感线方向。
5.磁感应强度
(条件是匀强磁场中,或ΔL很小,并且L⊥B)。
磁感应强度是矢量。
单位是特斯拉,符号为T,1T=1N/(Am)=1kg/(As2)
6.磁通量
如果在磁感应强度为B的匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面,其面积为S,则定义B与S的乘积为穿过这个面的磁通量,用Φ表示。
Φ是标量,但是有方向(进该面或出该面)。
单位为韦伯,符号为Wb。
1Wb=1Tm2=1Vs=1kgm2/(As2)。
可以认为穿过某个面的磁感线条数就是磁通量。
在匀强磁场磁感线垂直于平面的情况下,B=Φ/S,所以磁感应强度又叫磁通密度。
在匀强磁场中,当B与S的夹角为α时,有Φ=BSsinα。
二、安培力(磁场对电流的作用力)
1.安培力方向的判定
(1)用左手定则。
(2)用“同性相斥,异性相吸”(只适用于磁铁之间或磁体位于螺线管外部时)。
(3)用“同向电流相吸,反向电流相斥”(反映了磁现象的电本质)。
可以把条形磁铁等效为长直螺线管(不要把长直螺线管等效为条形磁铁)。
【例1】磁场对电流的作用力大小为F=BIL(注意:
L为有效长度,电流与磁场方向应 ).F的方向可用 定则来判定.
试判断下列通电导线的受力方向.
× × × × . . . .
× × × × . . . .
× × × × . . . .
× × × × . . . .
试分别判断下列导线的电流方向或磁场方向或受力方向.
【例2】如图所示,可以自由移动的竖直导线中通有向下的电流,不计通电导线的重力,仅在磁场力作用下,导线将如何移动?
解:
先画出导线所在处的磁感线,上下两部分导线所受安培力的方向相反,使导线从左向右看顺时针转动;同时又受到竖直向上的磁场的作用而向右移动(不要说成先转90°后平移)。
分析的关键是画出相关的磁感线。
【例3】条形磁铁放在粗糙水平面上,正中的正上方有一导线,通有图示方向的电流后,磁铁对水平面的压力将会___(增大、减小还是不变?
)。
水平面对磁铁的摩擦力大小为___。
解:
本题有多种分析方法。
⑴画出通电导线中电流的磁场中通过两极的那条磁感线(如图中粗虚线所示),可看出两极受的磁场力的合力竖直向上。
磁铁对水平面的压力减小,但不受摩擦力。
⑵画出条形磁铁的磁感线中通过通电导线的那一条(如图中细虚线所示),可看出导线受到的安培力竖直向下,因此条形磁铁受的反作用力竖直向上。
⑶把条形磁铁等效为通电螺线管,上方的电流是向里的,与通电导线中的电流是同向电流,所以互相吸引。
【例4】如图在条形磁铁N极附近悬挂一个线圈,当线圈中通有逆时针方向的电流时,线圈将向哪个方向偏转?
解:
用“同向电流互相吸引,反向电流互相排斥”最简单:
条形磁铁的等效螺线管的电流在正面是向下的,与线圈中的电流方向相反,互相排斥,而左边的线圈匝数多所以线圈向右偏转。
(本题如果用“同名磁极相斥,异名磁极相吸”将出现判断错误,因为那只适用于线圈位于磁铁外部的情况。
)
【例5】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?
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。
(本题用其它方法判断也行,但不如这个方法简洁)。
2.安培力大小的计算
F=BLIsinα(α为B、L间的夹角)高中只要求会计算α=0(不受安培力)和α=90°两种情况。
【例6】如图所示,光滑导轨与水平面成α角,导轨宽L。
匀强磁场磁感应强度为B。
金属杆长也为L,质量为m,水平放在导轨上。
当回路总电流为I1时,金属杆正好能静止。
求:
⑴B至少多大?
这时B的方向如何?
⑵若保持B的大小不变而将B的方向改为竖直向上,应把回路总电流I2调到多大才能使金属杆保持静止?
解:
画出金属杆的截面图。
由三角形定则得,只有当安培力方向沿导轨平面向上时安培力才最小,B也最小。
根据左手定则,这时B应垂直于导轨平面向上,大小满足:
BI1L=mgsinα,B=mgsinα/I1L。
当B的方向改为竖直向上时,这时安培力的方向变为水平向右,沿导轨方向合力为零,得BI2Lcosα=mgsinα,I2=I1/cosα。
(在解这类题时必须画出截面图,只有在截面图上才能正确表示各力的准确方向,从而弄清各矢量方向间的关系)。
【例7】如图所示,质量为m的铜棒搭在U形导线框右端,棒长和框宽均为L,磁感应强度为B的匀强磁场方向竖直向下。
电键闭合后,在磁场力作用下铜棒被平抛出去,下落h后的水平位移为s。
求闭合电键后通过铜棒的电荷量Q。
解:
闭合电键后的极短时间内,铜棒受安培力向右的冲量FΔt=mv0而被平抛出去,其中F=BIL,而瞬时电流和时间的乘积等于电荷量Q=IΔt,由平抛规律可算铜棒离开导线框时的初速度,最终可得。
【例8】如图所示,半径为R、单位长度电阻为的均匀导体环固定在水平面上,圆环中心为O,匀强磁场垂直于水平面方向向下,磁感应强度为B。
平行于直径MON的导体杆,沿垂直于杆的方向向右运动。
杆的电阻可以忽略不计,杆于圆环接触良好。
某时刻,杆的位置如图,∠aOb=2θ,速度为v,求此时刻作用在杆上的安培力的大小。
解:
ab段切割磁感线产生的感应电动势为E=vB2Rsinθ,以a、b为端点的两个弧上的电阻分别为2R(π-θ)和2Rθ,回路的总电阻为,总电流为I=E/r,安培力F=IB2Rsinθ,由以上各式解得:
。
【例9】如图所示,两根平行金属导轨间的距离为0.4m,导轨平面与水平面的夹角为37°,磁感应强度为0.5T的匀强磁场垂直于导轨平面斜向上,两根电阻均为1Ω、重均为0.1N的金属杆ab、cd水平地放在导轨上,杆与导轨间的动摩擦因数为0.3,导轨的电阻可以忽略.为使ab杆能静止在导轨上,必须使cd杆以多大的速率沿斜面向上运动?
解:
设必须使cd杆以v沿斜面向上运动,则有cd杆切割磁场线,将产生感应电动势E=Blv
在两杆和轨道的闭合回路中产生电流I=
ab杆受到沿斜面向上的安培力F安=Bil
ab杆静止时,受力分析如图
根据平衡条件,应有Gsinθ一μGcosθ≤F安≤Gsinθ+μGcosθ
联立以上各式,将数值代人,可解得1.8m/s≤v≤4.2m/s
【例10】如图所示是一个可以用来测量磁感应强度的装置:
一长方体绝缘容器内部高为L,厚为d,左右两管等高处装有两根完全相同的开口向上的管子a、b,上、下两侧装有电极C(正极)和D(负极)并经开关S与电源连接,容器中注满能导电的液体,液体的密度为ρ;将容器置于一匀强磁场中,磁场方向垂直纸面向里,当开关断开时,竖直管子a、b中的液面高度相同,开关S闭合后,a、b管中液面将出现高度差。
若当开关S闭合后,a、b管中液面将出现高度差为h,电路中电流表的读数为I,求磁感应强度B的大小。
解析:
开关S闭合后,导电液体中有电流由C流到D,
根据左手定则可知导电液体要受到向右的安培力F作用,
在液体中产生附加压强P,这样a、b管中液面将出现高
度差。
在液体中产生附加压强P为
所以磁感应强度B的大小为:
【例10】安培秤如图所示,它的一臂下面挂有一个矩形线圈,线圈共有N匝,它的下部悬在均匀磁场B内,下边一段长为L,它与B垂直。
当线圈的导线中通有电流I时,调节砝码使两臂达到平衡;然后使电流反向,这时需要在一臂上加质量为m的砝码,才能使两臂再达到平衡。
求磁感应强度B的大小。
解析:
根据天平的原理很容易得出安培力F=,
所以F=NBLI=
因此磁感应强度B=。
三、与地磁场有关的电磁现象综合问题
1.地磁场中安培力的讨论
【例11】已知北京地区地磁场的水平分量为3.0×10-5T.若北京市一高层建筑安装了高100m的金属杆作为避雷针,在某次雷雨天气中,某一时刻的放电电流为105A,此时金属杆所受培力的方向和大小如何?
磁力矩又是多大?
分析:
首先要搞清放电电流的方向.因为地球带有负电荷,雷雨放电时,是地球所带电荷通过金属杆向上运动
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