第三章磁场

高二物理期末复习高二物理教研组魏江第三章磁场第三章磁场一、基本概念：1、磁场：（1）概念：存在于磁体、电流和运动电荷周围的一种特殊物质。（1）来源：①磁体；②电流；③运动的电荷；④变化的电场（2）方向：①表述一，在磁场中的小磁针北极受力方向为该点磁场的方向；②表述二，静止在磁场中的小磁针北极所指的方向为该处磁场的方向；③表述三，磁感线的切线方向为该处磁场的方向。（3）基本特性：磁场对处于其中的磁体，电流和运动电荷有力的作用（4）几种常见的磁场：①直线电流的磁场：1）是以导线上某点为圆心的同心圆；2）对外不显示磁极；3）离导线越远，直线电流的磁场越弱，距直线电流等距离的点磁感应强度大小相等，并且与直线电流的强度成正比；②环形电流的磁场：1）环形电流中心的磁感线为直线，其它磁感线为曲线；2）环形电流对外显示磁极；③通电螺线管的磁场：1）可以看成是多个环形电流按相同的电流流向组成；2）类似于条形磁铁的磁场；3）对外显示磁极；4）通电螺线管的管外两头磁场较强中间磁场较弱，管内中间附近的磁场为匀强磁场；5）通电螺线管中心轴线处的磁感线为直线；④地磁场：1）地磁场类似于条形磁铁（或通电螺线管）周围的磁场；2）在地球两极附近，地磁场的磁感应强度约为：5×10-5T，地磁场很弱；3）地磁场主要是由于地球内部电磁流体的运动产生的：4）如果认为地球带电，地磁场是由于地球自转而形成环形电流产生的，则地球带负电；5）地磁场的磁极与地理的极性正好相反，地理的北极是地磁场的南极，地理的南极是地磁场的北极；6）在北半球，地磁场的竖直分量向下；在南半球，地磁场的竖直分量向上，这里的上下是争对地球而言的，指向地球为下，背离地球为上。7）磁偏角：地球的地理两极与地磁两极并不重合，磁针并非准确地指向南北，其间有一个夹角，这就是地磁偏角，简称磁偏角。磁偏角的数值在地球上不同地点是不同的，并且随着地球磁极的缓慢移动，磁偏角也在缓慢的变化。注：不但地球具有磁场，宇宙中的许多天体都有磁场。太阳表面的黑子，耀斑和太阳风等活动都与太阳磁场有关，火星的磁场不像地球那样有一个全球性的磁场，因此指南针不能在火星上工作。（5）安培分子电流假说：①内容：在原子、分子等物质微粒内部，存在着一种环形电流-----分子电流，分子电流使每一个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极。②磁现象电本质：磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的，磁体与磁体，电流与电流，磁体与电流之间的作用都是运动电荷通过周围的磁场发生作用。③电流的磁效应：电流流过导体，在导体周围产生磁场的现象，电流的磁效应最初是由丹麦物理学家奥斯特发现的。2、磁感应强度B：描述磁场力的性质的物理量（1）大小：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，受到的磁场力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度，用B表示，即B=F/IL。注意：①该式为磁感应强度的定义式，B与F、IL不成比例，并且该式适用于任何磁场②式中的L为垂直于磁场方向的有效长度③为了反映磁场中某一点的磁场情况，要求引入的导线足够短，所以L为电流足够小的一个电流元。④电流元的受力方向与磁感应强度的方向是垂直关系，不是共线关系。⑤磁感应强度的方向即为该处磁场的方向⑥磁感应强度是由磁场本身的性质决定的，与有无检验通电导线无关⑦磁感应强度的叠加满足矢量叠加的规则，遵守平行四边形定则。（2）单位：在国际单位制中单位是：“特斯拉”，符号是“T”。1T=1N/（A·m）（3）磁感应强度与电场强度的区别与联系3、磁通量（Φ）：（1）概念：穿过某一面积的磁感线条数叫穿过这个面积的磁通量。（2）公式：在匀强磁场中Φ=BS说明：①该公式只适用于匀强磁场磁通量的计算；②公式中的S为在垂直于磁场方向上的有效投影面积，线框面与B垂直时，穿过线框面的磁通量最大，线框面与B平行时，穿过线框的磁通量最小，为零；③磁通量对应与某一面积的磁感线条数，与该面线圈的匝数多少无关；④磁通量的单位：“韦伯”，符号是“Wb”，1Wb=1T·m2；⑤磁通量直接对应的是磁感线的条数，与该面面积的具体大小不成比例。（3）符号：磁通量是标量，但有正负问题，若磁感线从某一方向穿过S规定为正时，那么从相反的方向穿过S时则为负。（4）磁通量变化量大小的计算：①当磁感线穿过某一面积的方向没有改变时：△Φ=Φ1-Φ2②当磁感线穿过某一截面的方向先后相反时：△Φ=Φ1+Φ2（5）合磁通：当同时有相反方向的磁场穿过同一个面积时，此时穿过该面积的磁通量为合磁通，合磁通等于穿过该面的磁感线的净剩条数（即磁通量的代数和）Φ=Φ1-Φ2对于匀强磁场Φ=Φ1-Φ2=S（B1-B2）说明：一般来说，我们只求磁通量的大小，或磁通量变化量的大小，所以应用以上各式，涉及到差值时往往都是大的减去小的。例1：三根平行的长直导线，分别垂直通过一个等腰直角三角形的三个顶点，如图所示，现在使每根通电导线在斜边中点O处产生的磁感应强度大小均为B，则O点实际磁感应强度的大小和方向如何？分析：由于磁感应强度为矢量，O点的磁感应强度应为各通电导线在该点产生的磁感应强度的矢量和。根据安培定则，I1与I3在O点处产生的磁感应强度B1、B3方向相同，I2在O点处产生的磁感应强度B2与B1、B3方向垂直，如图所示，故O点处实际磁感应强度大小为B/=合磁感应强度与斜边的夹角为：θ=arctan2。BBBB5)(22231例2：安培的分子电流假说，可用来解释[]A、通电线圈产生磁场的原因B、软铁棒被磁化的现象C、两通电导体间有相互作用的原因D、运动电荷受磁场力作用的原因例3：如图所示，一束带电粒子沿水平方向沿虚线飞过磁针上方，并与磁针方向平行，能使磁针的N极转向读者，那么这束带电粒子可能是[]A、向右飞的正离子B、向右飞的负离子C、向左飞的正离子D、向左飞的负离子BBC例4：矩形线圈有N匝，面积大小为S，放在水平面内，加一个竖直向下的范围较大的匀强磁场如图所示，磁感应强度B，若线圈绕ab边转过1800，在这个过程中，穿过线圈的磁通量改变了多少？分析：转动之前穿过线圈的磁通量Φ1=BS，转过1800后磁感线沿相反方向穿过线圈，此时穿过线圈的磁通量为Φ2=-BS磁通量的变化量的大小为△=|Φ2-Φ1|=2BS例5：关于匀强磁场中穿过线圈平面的磁通量和磁感应强度关系的描述正确的是[]A、若穿过线圈平面的磁通量最大，则该处的磁感应强度一定最大B、若穿过线圈平面的磁通量为零，则该处的磁感应强度一定为零C、当线圈平面与磁感线方向垂直时，穿过线圈平面的磁通量最大D、穿过线圈的磁通量由磁感应强度和线圈的面积以及两者间夹角共同决定CD例6：如图所示，两同心圆环a和b，处于同一平面内，a的半径小于b的半径，一条形磁铁的轴线通过圆心且与圆环平面垂直，则穿过两圆环的磁通量φa和φb的大小关系是[]A、φa＞φbB、φa＜φbC、φa＝φbD、无法比较A二、三个定则1、安培定则（右手螺旋定则）：表述一：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。表述二：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，也就是说，大拇指指向通电螺线管的北极。2、左手定则：表述一：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，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的方向，那么，大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。表述二：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，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正电荷运动的方向（对于负电荷，四指指向负电荷运动的反方向），那么，大拇指所指的方向就是带电粒子在磁场中所受洛仑兹力的方向。3、右手定则：说明：①右手定则一般用于判断一段导线切割磁感线运动时产生感应电动势或感应电流的方向；②切割磁感线运动的那部分导体充当回路中的电源，该段导体两端的电压为路端电压；③闭合电路中的某段导体两端有电动势，但回路中不一定有感应电流，如果是闭合电路整体在匀强磁场中做平动切割磁感线运动，这时回路中无感应电流。三、磁场的描述1、磁感应强度2、磁感线：（1）特点：①磁感线的疏密表示磁场的强弱；②磁感线不能相交、也不能相切，更不能中断是闭合的曲线，在磁体外由N到S，在磁体内是由S到N；③磁感线的切线方向为该点的磁场方向；④磁感线是人们为了研究无形、抽象的磁场而人为引入的一种方法。实际当中并不存在，但可以通过实验模拟磁感线的形状。（2）几种常见磁场的磁感线：①直线电流的磁场；②环形电流的磁场；③条形磁铁的磁场④梯形磁铁的磁场；⑤通电螺线管的磁场例7：下列叙述中，正确的是[]①磁场对静止电荷和运动电荷都有力的作用②磁铁的磁场和电流的磁场都是由电荷的运动产生的③磁感线从磁体的N极出发到磁体的S极终止④磁感线上某点的切线方向与小磁针在该点静止时N极的受力方向相同。A、①②③B、②④C、①③D、②③④例8：磁场中某区域的磁感线如图所示，则[]A、a、b两处的磁感应强度的大小不等，且Ba＞BbB、a、b两处的磁感应强度的大小不等，且Ba＜BbC、同一通电导线放在a处受力一定比放在b处受力小D、同一通电导线放在a处受力一定比放在b处受力大BB四、磁场对电流和运动电荷的作用1、磁场对电流的作用（安培力）（1）安培力①方向的判定：由左手定则判定②安培力的特点：1）安培力既垂直于磁感应强度，也垂直于电流I，所以安培力垂直于B和I所确定的平面，而B和I可以有任意的夹角，但如果B和I平行则导线所受的安培力等于零；2）已知B和I的方向，F的方向是唯一确定的。而已知F和I（或B）的方向，B（或I）的方向不能唯一确定；③大小的计算：1）L为直导线时：Ⅰ.B、I（或L）互相垂直时：F=BILⅡ.B、I（或L）不垂直时：设B与I方向之间的夹角为θ，则F=BILsinθ说明：该公式一般只适用于匀强磁场中安培力的计算，并且要用垂直于磁场方向的有效长度与B和I的乘积；2）L为弯曲导线时：Ⅰ.L的含义：如右图所示，弯曲导线的有效长度L等于两端点所连线段的长度；Ⅱ.安培力方向的判定：假设电流是由导线始端沿两端点所连的线段流向末端，由左手定则判定安培力的方向是垂直于始末两端点所连线段的。3）磁场中垂直于磁场方向的闭合电流所受安培力：因为任意形状的闭合导线，其等效长度L=0，所以通电后在匀强磁场中，受到的安培力的矢量和一定为零。（2）安培力、重力、电场力的区别：例9：如图所示，条形磁铁放在水平桌面上，在其正中央的上方固定一根直导线MN，导线与磁场垂直，给导线通以由N向M的电流，则[]A、磁铁对桌面的压力减小，不受桌面的摩擦力作用B、磁铁对桌面的压力减小，受桌面的摩擦力作用C、磁铁对桌面的压力增大，受桌面的摩擦力作用D、磁铁对桌面的压力增大，不受桌面的摩擦力作用A（3）电流在磁场中平衡或运动的常见类型题：①定性判断物体在安培力作用下的运动方向：1）电流元受力分析法：把整段电流等分为很多段直线电流元，先用左手定则判断出小段电流元受到的安培力的方向，再判断整段电流所受安培力合力的方向，从而确定导体的运动方向。2）特殊位置分析法：把通电导体转到一个便于分析的特殊位置后判断其安培力的方向，从而确定运动方向。3）等效分析法：环形电流可等效为小磁针，条形磁铁也可等效为环形电流，通电螺线管可等效成多个环形电流。4）利用平行电流相互作用分析法：Ⅰ.两电流相互平行时无转动趋势，方向相同相互吸引，方向相反相互排斥。Ⅱ.两电流不平行时有转动到相互平行且方向相同的趋势例10：如图所示，把轻质线圈用绝缘细线悬挂在磁铁的N极附近，磁铁的轴线穿过线圈圆心且垂直于线圈平面，当线圈中通入如图所示的电流后，判断线圈将如何运动。分析：方法一，电流元受力分析法将环形电流分成许多小段，每一小段看成一段直线电流，取其中关于环心对称的上下两段分析受力如图，F1、F2上下对称，F1、F2的水平分力均水平向左，竖直分力等大反向共线，背离圆心，即F1、F2