第一讲磁场的描述磁场对电流的作用

鄂尔多斯市二中高三一轮复习物理教案王付胜第十一章磁场第一讲磁场的描述磁场对电流的作用201001091第十一章磁场考纲要求内容要求说明71．电流的磁场72．磁感应强度．磁感线．地磁场．73．磁性材料．分子电流假说74．磁场对通电直导线的作用．安培力．左手定则．75．磁电式电表原理76．磁场对运动电荷的作用，洛伦兹力．带电粒子在匀强磁场中的运动77．质谱仪，回旋加速器ⅠⅡⅠⅡⅠⅡⅠ1．安培力的计算限于直导线跟B平行或垂直的两种情况2．洛伦兹力的计算限于v跟B平行或垂直的两种情况第一讲磁场的描述磁场对电流的作用教学目标：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过程：一、基本概念1.磁场的产生⑴磁极周围有磁场。鄂尔多斯市二中高三一轮复习物理教案王付胜第十一章磁场第一讲磁场的描述磁场对电流的作用201001092⑵电流周围有磁场（奥斯特实验）。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）。(3)磁感线的物理意义①磁感线上任意一点的切线方向表示该位置的磁场方向，亦即小磁针在该位置时N极的受力方向，或小磁针在该位置静止时N极的指向。②磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。磁感线密集处磁场强，稀疏处磁场弱。不可以认鄂尔多斯市二中高三一轮复习物理教案王付胜第十一章磁场第一讲磁场的描述磁场对电流的作用201001093为有磁感线的地方就有磁场，没有磁感线的地方就没有磁场。（4）要熟记常见的几种磁场的磁感线：(5)磁感线的特点①磁感线为闭合曲线，无起点和终点。在磁体的外部磁感线由N极发出，回到S极。在磁体的内部磁感线则由S极指向N极。②在稳定的磁场中，某一点只有惟一确定的磁场方向，所以两条磁感线不能相交。③磁感线也不相切。若磁感线相切，则切点处的磁场将趋近于无穷大，这是不可能的。问题思考：磁感线和电场线的关系？比较项目磁感线电场线相似点意义用来形象地描述磁场方向和相对强弱而假想的线用来形象地描述电场方向和相对强弱而假想的线方向线上某点的切线方向为磁场方向，也是磁针N极受力方向线上某点的切线方向为电场方向，也是正电荷受电场力的方向通电直导线周围磁场通电环行导线周围磁场鄂尔多斯市二中高三一轮复习物理教案王付胜第十一章磁场第一讲磁场的描述磁场对电流的作用201001094疏密表示场强弱特点在空间不相交除电荷外，在空间不相交不同点是闭合曲线始于正电荷或无穷远，止于负电荷或无穷远处，不闭合（6）安培定则（右手螺旋定则）：对直导线，四指指磁感线方向；对环形电流，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ILFB（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/（Am）=1kg/（As2）常见的地磁场磁感应强度大约是0.3×10－4T～0.7×10－4T，永磁铁磁极附近的磁感应强度大约是10－3T～1T。在电机的变压器铁芯中，磁感应强度可达0.8T～1.4T。磁感应强度是矢量，把某点的磁场方向即该点磁感线的切线方向定义为该点的磁感应强度的方向。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=BS)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=1Tm2=1Vs=1kgm2/（As2）。可以认为穿过某个面的磁感线条数就表示磁通量。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.安培力方向的判定鄂尔多斯市二中高三一轮复习物理教案王付胜第十一章磁场第一讲磁场的描述磁场对电流的作用201001095⑴用左手定则伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都和手掌在一个平面内，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。注意：①若电流方向和磁场方向垂直，则磁场力②在应用左手定则时，磁感线不一定垂直穿过手心，但四指一定指着电流方向，大拇指一定要垂直于磁场方向和电流方向所构成的平面。当电流方向与磁场方向不垂直时，仍可用左手定则来判断安培力的方向，只是磁感线不再垂直穿过手心。⑵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）。⑶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，SNIBBF×F×B鄂尔多斯市二中高三一轮复习物理教案王付胜第十一章磁场第一讲磁场的描述磁场对电流的作用201001096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。）2.安培力大小的计算(匀强磁场中)(1)安培力的大小①I与B平行时F=0，不受安培力，②I与B垂直时F=BIL，③当电流I与磁感应强度B不垂直时，可将B分解为平行于电流分量B||和垂直于电流分量B⊥，则安培力F=B⊥IL=BILsinθ（α为B、L间的夹角）。注意：F=BLIsinθ（θ为B、L间的夹角）高中只要求会计算θ=0（不受安培力）和θ=90°两种情况。（2）适用条件a.通电导线与磁场方向垂直；NSFFF/FSN鄂尔多斯市二中高三一轮复习物理教案王付胜第十一章磁场第一讲磁场的描述磁场对电流的作用201001097b.匀强磁场；非匀强磁场中，公式适用于很短的一段通电导线，这是因为导线很短时，它所在处各点的磁感应强度的变化很小，可近似认为磁场是匀强磁场。c.公式中L为磁场中的有效长度，弯曲导线的有效长度L等于连接两端点直线的长度，相应的电流方向，沿L由始端指向末端。例6：如图所示，光滑导轨与水平面成θ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=mgsinθ，B=mgsinθ/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BI2Lcosθ=mgsinθ，I2=I1/cosθ。（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=IΔt，由平抛规律可算铜棒离开导线框时的初速度hgstsv20，最终可得hgBLmsQ2。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αBBhsθθθOMNabR鄂尔多斯市二中高三一轮复习物理教案王付胜第十一章磁场第一讲磁场的描述磁场对电流的作用201001098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=vB2Rsinθ，以a、b为端点的两个弧上的电阻分别为2R（π-θ）和2Rθ，回路的总电阻为Rr2，总电流为I=E/r，安培力F=IB2Rsinθ，由以上各式解得：22sin2RvBF。例9：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ghdBILdBLISFP.所以磁感应强度B的大小为：IghdB.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