高中物理同步学案必修1必修2选修31选修32人教版 第三章磁场docWord文档下载推荐.docx
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反之越强.
②环形电流的磁场
如图3-1-2所示,右手弯曲的四指方向与方向一致,伸直的大拇指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向,大拇指指向磁的位置.
螺线管是由多个环形串联而成,所以通电螺线管与环形电流的磁场的确定的方法是相同的.
③运动电荷的磁场
电流是由电荷的定向移动形成的,电流的磁场实质是运动电荷产生的.氢原子核外的电子由于受到库仑力的作用,绕氢原子核做匀速圆周运动,产生的电流相当于一个环形电流,由于在一个周期内电子通过环上任意一个截面一次,根据电流强度的定义,电流强度大小为I=e/T[圆周运动周期满足ke2/r2=m(2π/T)2r],判断该环形电流的磁场方向时,必须注意,弯曲的四指必须与负电荷运动的方向相反,即指向正电荷运动的方向。
④地球磁场
地磁场的磁感线的分布与条形磁铁、通电螺线管的磁场相似.如图3-1-3所示,与地理南极对应的是地磁北极,与地理北极对应的是地磁南极(不计磁偏角时)。
⑤一对条形磁铁组成的磁场分布(如图3-1-4)
⑥匀强磁场
如果某个区域里磁感应强度大小_______,且______相同,这个区域里的磁场叫做匀强磁场,匀强磁场的磁感线是一组平行且________的直线.匀强磁场是一种理想化的模型,大的异名磁极之间的磁场、通电螺旋管内部(扣除边缘区域)的磁场可以近似看作匀强磁场处理,如图3-1-5所示
6、关于磁偏角
指南针并不指向地球的正南和正北.公元11世纪,我国科学家通过长期的观察发现,指南针的指向并不是地球的正南和正北,而是略微偏离一点.也就是说地的两极和地磁的两极并不重合,这个偏差,在现代科学技术中可以用磁偏角来描述.
如图3-1-6所示,地理南北极与地磁南北极并不重合,地磁的北极(N极)在南半球南纬70010/和东经150045/的地方,地磁的南极(S极)在北半球北纬70050/和西经960的地方.
通过磁针静止位置所作的竖直平面叫做地磁子午面,地磁子午面和地理子午面做夹的角度叫做磁偏角.实际测量的结果指出,地球各处的磁偏角不同.
【范例精析】
例1、做奥斯特实验时,把小磁针放在水平的通电直导线的下方,通电后发现小磁针不动,用手拨动一下小磁针,小磁针转动180o后静止不动,由此可知通电直导线放置情况是()
A.东西向B.南北向C.正西南D.正西北
解析:
由于地球磁场的作用,小磁针静止时N极指向地球的北极,如果通电导线是南北方向放置的,则不论电流方向指向南还是指向北,小磁针静止时将偏离南北方向而指向东西方向,即磁针转动的角度接近900。
如果通电导线是东西方向放置,通以由东向西的电流,则小磁针北极静止时仍然指向地理的北极;
如果通以由西向东的电流,则小磁针静止时北极指向地理的南极。
所以本题中的通电导线应东西方向放置,答案A是正确的。
拓展:
磁针的偏转是由于受到磁场的作用,做奥斯特实验时的磁针既受到地球磁场的作用,又受到通电直导线的磁场力的作用,如果导线东西方向放置(电流也是在东西方向上),则有可能出小磁针不发生新的偏转,从而误认为电流不能产生磁场,为了有效地演示电流产生的磁场使小磁针偏转的效果,演示奥斯特实验时,要求导线南北方向放置。
例2、如图3-1-7所示,在全自动洗衣机中,排水阀由程序控制器控制其动作的.当洗衣机进行排水和脱水工序时电磁铁的线圈通电,使电磁铁的铁心2动作,牵引排水阀的活塞,排除污水.牵引电磁铁结构如图所示.以下正确的是()
(A)若a,b初输入交变电流,铁心2不能吸入线圈中
(B)若a,b初输入交变电流,铁心2能吸入线圈中
(C)若某时刻输入控制电流时,a为正,b为负,则铁心2的B为S极
(D)若某时刻输入控制电流时,a为正,b为负,则铁心2的B为N极
只要电磁铁通电就具有磁性,就可能吸合铁心,因此答案B是正确的;
根据初中学过的右手螺旋定则可知,若输入控制电流时,a为正,b为负,则铁心2的右端B为N极,答案D是正确的。
电磁铁是磁性的一种应用,常用的电磁铁大多做成形,目的是让它两个磁极可以同时吸引物体.巨大的电磁铁里可以通以强大的电流,从而产生强大的磁场,充当电磁起重机的提手,吸引起很重的铁块.
例3、已知电流磁场的磁感应线方向或N、S极方向,请在图3-1-8上标出电流方向。
根据安培定则,各图中的电流方向如图3-1-9所示。
应用安培定则时,对于通电直导线的磁场,大母指指向表示电流的方向,弯曲的四指方向表示磁感线的环绕方向;
对于通电圆环或通电螺线管,弯曲的四指方向表示电流方向,大拇指的指向表示螺线管内部的磁感线方向.
例4、如图3-1-10所示的电路中,当开关S断开时,螺线管中的小磁针的N极指向如图所示,当开关S闭合后,试确定小磁针的N极指向。
由于小磁针放在通电螺线管的内部,就涉及螺线管的内部磁场方向问题.根据安培定则,螺线管的内部磁感线方向是向左的,所以小磁针静止时,北极应指向左端.
部分同学用安培定则确定了通电螺线管左端为北极后,就肯定地回答小磁针静止时,北极应指向右端,这是没有区分内磁场和外磁场的结果,是受了习惯思维的影响.由于磁感线是闭合的,在内部磁场中,磁感线由南极经过内部空间回到北极.
例5、电视机显象管的偏转线圈示意图3-1-11,此时电流方向如图所示。
试画出线圈中心的磁场方向。
答案:
竖直向下
【能力训练】
1.首先发现电流产生磁场的科学家是(C)
(A)牛顿(B)阿基米德(C)奥斯特(D)伏特
2.如图3-1-12所示,一束带电粒子沿着水平方向平行地飞过磁针的上方时,磁针的S极向纸内偏转,这一带电粒子束可能是(BC)
(A)向右飞行的正离子束
(B)向左飞行的正离子束
(C)向右飞行的负离子束
(D)向左飞行的负离子束
3.关于磁感线的概念和性质,以下说法中正确的是(A)
(A)磁感线上各点的切线方向就是小磁针静止时北极的指向
(B)磁场中任意两条磁感线有可能相交
(C)铁屑在磁场中的分布所形成的曲线就是实际存在的磁感线
(D)磁感线总是从磁体的N极发出终止于磁体的S极
4.在图3-1-11中,已知下列各图中的电流方向,请画出相应的磁感线。
5.不接触的磁体间的相互作用力,是通过而发生的,发现电流磁效应的实验是由物理学家完成的。
磁场,奥斯特
6.如图3-1-12所示,可以自由转动的小磁针静止不动时,靠近螺线管的是小磁针的____极。
若将小磁针放到螺线管内部,小磁针指向与图示位置时的指向相____(填“同”或“反”)。
N、同
7.如图3-1-13所示通电螺线管,试标出它的N、S极.并在A(螺线管内部一点),B,C,D四点上各画一小磁针,标出当它们平衡时,N极的指向。
8.如图3-1-14所示,一个电子做逆时针方向的圆周运动。
请标出圆心处产生的磁场方向及小磁针南极的转动方向。
9.地球是一个大磁体:
(1)试在图3-1-15画出地球磁场的磁感线大致分布图,不考虑磁偏角(即认为磁轴和地轴重合)
(2)19世纪20年代,以塞贝克(数学家)为代表的科学家已认识到:
温度差会引起电流,安培考虑到地球自转造成了太阳照射后正面与背面的温度差,从而提出如下假设:
地球磁场是由地球的环形电流引起的,则该假设中的电流方向是(注:
磁子午线是地球磁场N极与S极在地球表面的连线)(B)
(A)由西向东垂直磁午线
(B)由东向西垂直磁子午线
(C)由南向北沿磁子午线
(D)由赤道向两极沿磁子午线方向
10.很多矿藏资源都是共生的,也就是说好几种矿物质混合的一起,它们具有不同的磁性。
利用这个特点,人们开发了磁选机,将混在一起的不同磁性的矿物质分开,实现了磁性选矿,如图3-1-16为磁选机图,试简述其工作原理。
不同成分矿物质的不同磁性以及磁性强弱的差别,用磁铁吸引这些物质,那么它们所受到的吸引力就有所区别,就可以将他们分开来。
二、磁感应强度
1、本节通过研究磁场对通电导线的作用力来定义磁感应强度。
本节中用控制变量的方法来研究磁场对通电导线的作用力,这是物理学研究的常用方法。
通过学习应正确理解磁感应强度B的定义、单位、矢量性和决定因素。
会用公式F=BIL解答有关问题.
2、磁感应强度:
将一小段通电直导线垂直磁场放置时,其受到的磁场力F与电流强度I成____、与导线的长度L成______,其中F/IL是与通电导线长度和电流强度都______的物理量,它反映了该处磁场的______,定义F/IL为该处的___________.其单位为_______,方向为该点的磁感线的_________,也是小磁针在该处静止时N极的_______。
例1、一小段通电直导线放在空间某个区域中不受到安培作用,能否说导线所在的区域的磁感应强度为零?
根据安培力的计算公式F=BILsinα,导致安培力等于零的可能有两种:
(1)该处的磁感应强度为零;
(2)导线与磁感线平行(α=00或1800),因此不能肯定该处的磁感应强度一定为零.
在电场中某点电荷不受电场力,可以肯定该点的电场强度等于零;
磁场力比电场力复杂,通电导线与磁感线平行时是不受到安培力的,真是由于这一缘故,我们不能从安培力为零来推证磁感应强度也一定为零.
例2、试比较电场强度的定义E=F/q和磁感应强度的定义B=F/IL有什么相似之处。
电场强度和磁感应强度都是按照比值法来定义的,它们都体现了比值与试探电荷(或一小段通电直导线)无关的本质,比值的大小和方向完全有电场或磁场本身决定。
物理学中用比值法来定义的物理量很多,例如:
物质的密度、物质的比热容、电容器的电容、导体的电阻等等,凡是用比值来定义的物理量遵循同样的规律,比值与分子、分母所代表的物理量的具体大小无关,因此不能单纯从数学角度来理解这些物理概念,如不能理解为电场强度E与试探电荷受到的电场力F成正比,与试探电荷的电量成反比。
1.关于磁感强度下列说法中正确的是(D)
(A)由B=F/IL知,磁场中某点的磁感强度的大小与IL的乘积成反比,与F成正比
(B)无论I的方向如何都可由B=F/IL求磁感强度的大小
(C)磁场中某处磁感强度方向与通电导线在该处的安培力的方向相同
(D)磁场中某点的磁感强度大小是由磁场本身因素决定的,而与有无检验电流无关
2.磁感应强度单位是特斯拉,1特斯拉相当于(A)
(A)1kg/A·
s2(B)1kg·
m/A·
s2(C)1kg·
m2/s2(D)1kg·
m2/A·
s2
3.关于磁感应强度,下列说法正确的是:
(C)
A.磁感应强度只是描述磁场的强弱的物理量
B.通电导线所受磁场力为零,该处磁感应强度一定为零
C.通电导线所受磁场力为零,该处磁感应强度不一定为零
D.放置在磁场中lm的导线,通过lA的电流,受到的力为1N时,该处磁感应强度就是1T
4.一根导线长0.2m,通以3A的电流,在磁场中某处受到的最大的磁场力是6×
10-2N,则该处的磁感应强度B的大小是____T.如果该导线的长度和电流都减小一半,则该处的B的大小是______T.
1×
10-1,1×
10-1
5.在赤道上,地球磁场磁感应强度的大小是0.5×
10-4T,则沿东西方向、长为20m,通有由西向东30A电流的水平导线,受地磁场作用力的大小为________。
3×
10-2N
6.如图3-2-1所示,在一个盛稀硫酸的大容器中浮着一个软木塞,在木塞中插入一片锌片和铜片,它们的上部用一个小的铜线圈连起来,问在地磁场的作用下线圈将停在什么方向?
南北方向.提示:
锌片和铜片插入稀硫酸中,相当于一个电池(化学中的原电池),对线圈通电,线圈相当于一个地磁场中用下一个小磁针.
7.电磁炮是一种理想的兵器,它的主要原理如图3-2-2,1982年澳大利亚国立大学制成了能把2.2g的弹体(包括金属杆EF的质量)加速到10km/s的电磁炮(常规炮弹速度约为2km/s),若轨道宽2m,长100m,通过的电流为10A,则轨道间所加磁场的磁感应强度为_______T,磁场力的最大功率P=______W.(轨道摩擦不计)
55T1.1×
107W
三、几种常见的磁场
.1、磁场的叠加
磁感强度是矢量,空间某点的磁场的叠加遵循平行四边形法则。
2、安培分子电流假说
安培的分子电流假说是用来解释磁铁为什么能产生磁场的,在这个假说中安培认为:
原子和分子等物质微粒内部,存在一种___________(也叫做分子电流),每一个__________产生的磁场使物体微粒成为一个________,如图3-3-1所示,利用这一假说可以很好地解释磁化现象、温度对磁性的影响。
安培分子电流假说指出,磁铁的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的_______产生的.
3、磁通量
在匀强磁场中,如果有一个与磁感应强度B垂直的平面,其面积为S,定义Φ=________为穿过这个平面的磁通量,单位是,简称,符号为。
如果平面与磁感应强度方向不垂直,如何计算穿过它的磁通量呢?
一种方法是:
考虑到磁感应强度是矢量,可以分解为平行于平面的分量和垂直于平面的分量,如图3-3-2所示,由于平行于平面的分量并不穿过平面,所以磁通量数值上等于垂直于平面的分量与面积的乘积,Φ=Bsinα·
S=BSsinα。
另一种方法是:
磁感应强度不分解,将平面的面积做投影,磁通量数值上等于磁感应强度与投影面积的乘积,Φ=B⊥S=BSsinα。
不管用哪种方法来计算磁通量的值,必须保证Φ=BS中的磁感应强度与平面垂直。
4、磁通密度
穿过单位面积的磁通量称为磁通密度,根据这一定义,磁通密度与磁感应强度数值上是等价的,即B=_______。
磁感线越密处(磁通密度越大),磁场的磁感应强度越大,磁感线越稀疏处,(磁通密度越小),磁场的磁感应强度越小。
例1、在纸面上有一个等边三角形ABC,在B、C顶点处都通有相同电流的两根长直导线,导线垂直于纸面放置,电流方向如图3-3-3所示,每根通电导线在三角形的A点产生的磁感应强度大小为B,则三角形A点的磁感应强度大小为.方向为.若C点处的电流方向反向,则A点处的磁感应强度大小为,方向为.
1.7B、水平向右,B、竖直向下
例2、一根软铁棒被磁化是因为()
A.软铁棒中产生了分子电流
B.软铁棒中分子电流取向杂乱无章
C.软铁棒中分子电流消失了
D.软铁棒中分子电流取向变得大致相同
磁化结果是使材料中分子电流的取向大致相同,这是分子电流假说对于磁化现象的解释,所以本题的正确选项是D.
分子电流起源于原子核外的电子绕原子核运动而形成的环电流,因而任何材料中都存在分子电流,没有外加磁场时,由于热运动的缘故,分子电流取向是杂乱无章的,有了外加磁场,分子电流取向变得大致一致,从而使软铁产生了磁性.
1.利用安培分子电流假说可以解释下列哪些现象(AD)
A.永久磁铁的磁场
B.直线电流的磁场
C.环形电流的磁场
D.软铁被磁化产生磁性
2.磁铁在高温下或者受到敲击时会失去磁性,根据安培的分子电流假说,其原因是 (C)
A.分子电流消失 B.分子电流的取向变得大致相同
C.分子电流的取向变得杂乱D.分子电流的强度减弱
3.图3-3-4是铁棒甲与铁棒乙内部各分子电流取向的示意图,甲棒内部各分子电流取向是杂乱无章的,乙棒内部各分子电流取向大致相同,则下面说法正确的是(C)
(A)两棒均显磁性
(B)两棒均不显磁性
(C)甲棒不显磁性,乙棒显磁性
(D)甲棒显磁性,乙棒不显磁性
4.如图3-3-5所示,两个同心放置的共面金属圆环a和b,一条形磁铁穿过圆心且与环面垂直,用穿过两环的磁通量Φa和Φb大小关系为:
(B)
A.Φa<
Φb
B.Φa>
C.Φa=Φb
D.无法比较
5.一平面线圈用细杆悬于P点,开始时细杆处于水平位置,释放后让它在如图3-3-6所示的匀强磁场中运动.已知线圈平面始终与纸面垂直,当线圈第一次通过位置B和位置C的过程中,下列对磁通量变化判断正确的是(C)
A.一直变大
B.一直变小
C.先变大后变小
D.先变小后变大
6.如图3-3-7所示,两根平行的直导线,通以大小相等、方向相反的电流,下列说法中正确的是(C)
(A)两根导线之间不存在磁场
(B)两根导线之外不存在磁场
(C)两根导线之间存在磁场,方向垂直纸面向里
(D)两根导线之间存在磁场,方向垂直纸面向外
7.在B=0.48T的匀强磁场中,有一个长为L1=0.20m,宽为L2=0.10m的矩形线圈,求下列情形通过线圈的磁通量:
(1)线圈平面与磁感方向平行;
(2)线圈平面与磁感方向垂直;
(3)线圈平面与磁感方向成60o角;
(4)若题(3)中线圈的匝数为100匝,结果又如何?
0,9.6×
10-3Wb4.8×
10-3Wb,4.8×
10-3Wb
8.在一个平面内有6根彼此绝缘的通电直导线,电流方向如图3-3-8所示,各导线的电流大小相等,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个区域的面积相等,则垂直纸面指向纸内磁通量最大的区域是______,垂直纸面指向纸外磁通量最大的区域是_______
Ⅰ,Ⅲ
9.如图3-3-9所示,匀强磁场的磁感强度B=2.0T,方向沿z轴正方向,且ab=40cm,bc=30cm,ae=50cm,求通过面积S1(abcd)、S2(befc)、S3(aefd)的磁通量Φ1、Φ2、Φ3分别是、、
0,0.18Wb,0.18Wb
四、磁场对通电导线的作用力
1、本节通过控制变量的方法探究安培力的方向,得出左手定则,通过磁感应强度的定义得出安培力的计算公式,进而拓展到磁场对通电线圈的作用效果,使大家认识磁电式电流表的工作原理。
通过本节的学习,应会用公式F=BIL解答有关问题、知道左手定则的内容,并会用它解答有关问题,知道磁电式电流表的工作原理。
2、安培力的方向(左手定则):
当磁场与电流垂直时,安培力、磁场、电流构成如图3-4-1的三维直角坐标系.当磁场方向与电流方向不垂直时,安培力、磁场的垂直分量、电流构成如图所示的三维直角坐标系.尽管磁场与电流方向可以不垂直,但安培力肯总是直于电流方向、同时也垂直于磁场方向,即垂直于_____方向和_______方向所构成的平面.
3、安培力的大小:
在匀强磁场中,通电导线受到的安培力的计算公式为____________.非匀强磁场可以看成是很多个大小、方向不同的匀强磁场的组合,通电导线在非匀强磁场中受到的安培力,是每一小段受到的安培力的合力.
4、磁电式电流表:
在磁电式电流表中,极靴和铁质圆柱之间构成一个特殊的磁场分布,磁场方向沿着____________________,电流通过电流表的矩形线圈时,线圈的两条边线始终与磁感应强度方向垂直,受到大恒定的安培力,安培力将促使线圈绕轴转动,同时螺旋弹簧被收紧,将产生一个______的转动效果,当两种转动效果抵消时,指针会指在一个相应的位置,从而指示出电流值。
电流表的灵敏度很高,是指通过很小的电流时,指针就可以偏转较大的角度。
在使用电流表时,允许通过的电流一般都很小,使用时应该特别注意。
例1、试用电流的磁场及磁场对电流的作用力的原理,证明通有同向电流的导线相互吸引,通有异向电流的导线相互推斥力.
如图3-4-2所示,研究a对b的磁场力:
(1)根据安培定则画出电流a在导线b处产生的磁场分布图;
(2)根据左手定则可知通电导线b受到的磁场力是向左的;
(3)根据牛顿第三定律,可知通电导线a受到的磁场力是向左的,即通有同向电流的平行导线相互吸引.同理可得通有异向电流的平行导线是相互推斥的.
两根平行的通电导线之间有力的作用,这是实验所证明的结论,通电导线之间的作用力是通过磁场相互作用的.有些同学在研究两根导线之间的相互作用力时,同时画出两根导线在空间产生的磁场是没有必要的,也是思路不清的表现,两根导线之间的作用是通过各自的磁场对另一方作用的,不是两个磁场的相互作用。
例2、如图3-4-3所示,质量为m的导体棒AB静止在水平导轨上,导轨宽度为L,已知电源的电动势为E,内阻为r,导体棒的电阻为R,其余接触电阻不计,磁场方向垂直导体棒斜向上与水平面的夹角为θ,磁感应强度为B,求轨道对导体棒的支持力和摩擦力.
涉及安培力时的物体的平衡问题,通过对通电棒的受力分析,根据共点力平衡方程求解.棒的受力分析图如图3-4-4所示
由闭合电路欧姆定律I=E/(R+r)…………①
由安培力公式F=BIL…………②
由共点力平衡条件Fsinθ=f…………③
N+Fcosθ=mg…………④
整理得f=EBLsinθ/(R+r)…………⑤
N=mg-EBLcosθ/(E+r)………………⑥
本题是有关安培力的典型问题,必须作好受力分析图,原题给出的是立体图是很难进行受力分析,应画出投影图,养成良好的受力习惯是能力培养过程中的一个重要环节.
1.关于安培力的说法中正确的是(C)
A.通电导线在磁场中一定受安培力的作用
B.安培力的大小与磁感应强度成正比,与电流成正比,而与其他量无关
C.安培力的方向总是垂直于磁场和通电导线所构成的平面
D.安培力的方向不一定垂直于通电直导线
2.下图所示的四种情况,通电导体均置于匀强磁场中,其中通电导线不受安培力的是(C)
3.如图3-4-5所示,一根质量为m的金属棒AC用软线悬挂在磁感强度为B的匀强磁场中,通入
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