高二物理人教版选修3-1精品课件 3.3 几种常见的磁场

欢迎进入物理课堂 第三节几种常见的磁场 课标解读1 知道磁感线的定义和特点 了解几种常见的磁场及其磁感线的分布 2 会用安培定则判断电流的磁场方向 3 知道磁现象的本质 了解安培分子电流假说 4 知道匀强磁场 磁通量的概念 课前自主学习一 磁感线1 定义 在磁场中画出一些有方向的曲线 在这些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 2 特点 磁场中的磁感线的疏密程度表示磁场强弱 磁场强的地方磁感线密 磁场弱的地方磁感线疏 磁感线是这样一条封闭的曲线 二 电流的磁场和安培定则 右手螺旋定则 1 通电直导线右手握住导线 让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致 弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向 如图甲所示 2 环形电流和通电螺线管让右手弯曲四指与电流方向一致 伸直的拇指所指的方向就是环形电流轴线上的磁感线的方向或螺线管内部磁感线的方向 如图乙 丙所示 三 安培分子电流假说1 分子电流假说安培认为 在原子 分子等物质微粒的内部 存在的一种环形电流 即分子电流 2 分子电流假说的意义揭示了磁现象的本质 即磁体的磁场和电流的磁场一样 都是由电荷的运动产生的 四 匀强磁场1 定义 强弱 方向处处相同的磁场 2 特点 匀强磁场的磁感线是间隔相同的平行直线 五 磁通量1 定义 磁感应强度为B的匀强磁场和磁场方向垂直的平面的面积为S 则穿过这个面积的磁通量 BS 2 单位韦伯 简称韦 符号Wb 3 引申因此磁感应强度B又叫磁通密度 知识梳理图 课堂互动探究一 磁感线 1 磁感线是为了形象地描述磁场而人为假设的曲线 其疏密程度能反映磁场的强弱 曲线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同 2 磁感线的特点 在磁体的外部 磁感线从北极发出 进入南极 在磁体内部由南极回到北极 磁感线的疏密表示磁场的强弱 磁感线越密的地方 磁场越强 磁场方向在过该点的磁感线的切线上 磁场中磁感线闭合而不相交 不相切 也不中断 3 条形磁铁和蹄形磁铁的磁感线分布 二 安培定则 右手螺旋定则 1 内容 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 如右图所示 2 安培定则的拓展 1 环形电流的磁场 如下图所示 由 甲 图过渡到 乙 图 四指绕向为电流方向 则拇指方向即为环形电流中心轴线上磁感线方向 2 通电螺线管的磁场 如下图所示 通电螺线管 右手握住螺线管 四指环绕电流方向 拇指方向为螺线管内部磁感线的方向 3 三种电流的磁场 三 探究磁现象的本质 安培分子电流假说1 安培分子电流假说内容安培认为 在原子 分子等物质微粒的内部存在着一种环形电流 分子电流 分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体 分子的两侧相当于两个磁极 如右图 2 安培假说对有关磁现象的解释 1 磁化现象 一根软铁棒 在未被磁化时 内部各分子电流的取向杂乱无章 它们的磁场互相抵消 对外不显磁性 当软铁棒受到外界磁场的作用时 各分子电流取向变得大致相同时 两端显示较强的磁作用 形成磁极 软铁棒就被磁化了 2 磁体的消磁 磁体在高温和猛烈敲击 即在激烈的热运动和机械运动影响下 分子电流取向又变得杂乱无章 磁体磁性消失 注意 安培提出分子电流假说时 人们还不知道物质的微观结构 电子绕原子核高速旋转 所以称为假说 但现在我们知道分子电流假说是真理 分子电流假说揭示了电和磁的本质联系 3 磁现象的本质安培的分子电流假说揭示了磁性的起源 它使我们认识到磁铁的磁场和电流的磁场一样 都是由电荷的定向运动产生的 例如 假设地球的磁场是由于地球带某种电荷而又绕地轴自转产生的 你认为地球带什么电荷 由于地理北极在地磁南极附近 故地球内部磁场方向是由北向南 而地球自转方向是自西向东 据安培定则知地球应带负电荷 注意 正电荷定向移动的方向为电流的方向 对地球所说的南北通常指地理位置的南北 四 磁通量 1 概念 穿过某一面积的磁感线条数叫做穿过这一面积的磁通量 磁通量简称磁通 用符号 表示 说明 磁通量是对某一特定的 面 而言的 是 面 的特征量 不是磁场的特征量 没有特定的面 就无磁通量 2 磁通量的计算 公式 BS 此式的适用条件是 a 匀强磁场 b 磁感线与平面垂直 如右图所示 在匀强磁场B中 若磁感线与平面不垂直 公式 BS中的S应为平面在垂直于磁感线方向上的投影面积 如右图所示 在水平方向的匀强磁场中 平面abcd与垂直于磁感线方向的平面的夹角为 则穿过面积abcd的磁通量应为 BScos Scos 即为面积S在垂直于磁感线方向的投影 我们称之为 有效面积 如右图所示 若闭合电路abcd和ABCD所在平面均与匀强磁场B垂直 面积分别为S1和S2 且S1 S2 但磁场区域恰好只有ABCD那么大 穿过S1和S2的磁通量是相同的 因此 BS中的S应是指闭合回路中包含磁场的那部分有效面积S2 磁通量虽然是标量 却有正负之分 磁通量如同力做功一样 虽然功是标量 却有正负之分 求总功时 正功和负功按代数和进行计算 如图 1 所示 有两个环a和b 其面积Sa b 由此可知 若有像图 2 所示的磁场 在求磁通量时要按代数和的方法求总的磁通量 穿过平面的磁感线的净条数 磁通量的正 负号并不表示磁通量的方向 它的符号仅表示磁感线的贯穿方向 一般来说 如果磁感线从线圈的正面穿过线圈 线圈的磁通量就为 那么磁感线从线圈的反面穿过线圈 线圈的磁通量就为 反之亦然 磁通量与线圈的匝数无关 磁通量与线圈的匝数无关 也就是磁通量大小不受线圈匝数的影响 同理 磁通量的变化量 2 1也不受线圈匝数的影响 所以 直接用公式求 时 不必去考虑线圈匝数n 3 磁通量的单位在国际单位制中 磁通量的单位是韦伯 简称韦 符号是 Wb 1Wb 1T 1m2 1V s 推导如下 4 磁通密度垂直于磁场方向单位面积内的磁通量叫磁通密度 磁通密度的大小在数值上等于磁感应强度 即由此可知磁感应强度B的另一个单位1 典例分析一 磁感线例1 关于磁感线 下列说法正确的是 A 两条磁感线的空隙处一定不存在磁场B 磁感线总是从N极到S极C 磁感线上任意一点的切线方向跟该点的磁场方向一致D 两个磁场的叠加区域 磁感线就可能相交答案 C 解析 磁感线是为了形象描绘磁场而假设的一组有方向的曲线 曲线上的每一点的切线方向表示磁场的方向 曲线的疏密表示磁场的强弱 所以C选项正确 A不正确 在磁体的外部磁感线从N到S极 内部由S极到N极 磁感线不相交 所以B D不正确 名师点拨 用磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向 它是一种理想化模型 在磁场中并不真正存在 由于磁体的N极和S极是密不可分的 所以磁感线总是闭合的曲线 磁场中任一点的磁场的强弱和方向是确定的 所以任意的两条磁感线都不可能相交 1 关于磁场的方向 下列叙述中不正确的是 A 磁感线上每一点的切线方向B 磁场N极到S极的方向C 小磁针静止时N极所指的方向D 小磁针N极受力的方向解析 磁场方向规定为小磁针N极的受力方向或静止时小磁针N极的指向 用磁感线表示则是磁感线的切线方向即为该点的磁场方向 磁场方向 磁感线的切线方向 静止时小磁针N极所指方向都是相同的 答案 B 二 安培定则的应用例2 如下图所示 分别给出了导线中的电流方向或磁场中某处小磁针N极的指向或磁感线方向 请画出对应的磁感线 标上方向 或电流方向 解析 如果已知电流的方向 可用右手螺旋定则判断磁感线的方向 如果已知小磁针指向 那么小磁针N极所指方向就是磁感线方向 答案 用安培定则来判断 分别如下图中各图所示 名师点拨 通过本例既要掌握几种通电导体周围的磁场分布情况 又要熟练掌握安培定则 巩固练习 2 如图所示为通电螺线管的剖面图 分别表示电流垂直纸面流进和流出 试画出 b c d四个位置上小磁针静止时N极的指向 解析 小磁针静止时N极的指向 就是该点的磁场方向 即磁感线的切线方向 准确画出通电螺线管的磁感线就可以知道小磁针N极的指向 a b c d四个位置上小磁针静止时N极的指向如下图所示 答案 见上图 例3 如右图所示 一束带电粒子沿着水平方向平行地飞过磁针上方时 磁针的S极向纸内偏转 则这束带电粒子可能是 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 解析 小磁针N极的指向即是磁针所在处的磁场方向 题中磁针S极向纸内偏转 说明离子束下方的磁场方向由纸内指向纸外 由安培定则可判定离子束下方的磁场方向由纸内指向纸外 由安培定则可判定由离子束的定向运动所产生的电流方向由右向左 故若为正离子 则应是自右向左运动 若为负离子 则应是自左向右运动 带电粒子束的定向运动可以看作 等效电流 正电荷定向移动方向和 等效电流 方向相同 负电荷相反 等效电流 的磁场也可以应用安培定则判定 答案 BC 名师点拨 电流在周围空间能产生磁场 电流是电荷定向移动形成的 所以定向移动的电荷也能形成磁场 磁场方向仍用安培定则判断 3 如右图所示 带负电的金属环绕轴OO 以角速度 匀速旋转 在环左侧轴线上的小磁针最后平衡的位置是 A N极竖直向上B N极竖直向下C N极沿轴线向右D N极沿轴线向左答案 C 四 磁通量和磁通量的变化例4 如右图所示 框架面积为S 框架平面与磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直 则穿过平面的磁通量为 若使框架绕OO 转过60 角 则穿过线框平面的磁通量为 若从初始位置转过90 角 则穿过线框平面的磁通量为 若从初始位置转过180 角 则穿过线框平面的磁通量变化为 BS 2BS 0 解析 在图示位置时 磁感线与线框平面垂直 BS 当框架绕OO 轴转过60 时可以将原图改画成从上面向下看的俯视图 如右图所示 BS BScos60 转过90 时 线框由磁感线垂直穿过变为平行 0 线框转过180 时 磁感线仍然垂直穿过线框 只不过穿过方向改变了 因而 1 BS 2 BS 2 1 2BS 名师点拨 磁通量有大小 有正负 但磁通量为标量 当线框发生转动时 从另一角度观察线框和磁场 很容易求出线框的有效面积 从而准确得到正确答案 4 如图所示的磁场中竖直放置两个面积相同的闭合线圈S1 左 S2 右 由图可知穿过线圈S1 S2的磁通量大小关系正确的是 A 穿过线圈S1的磁通量比较大B 穿过线圈S2的磁通量比较大C 穿过线圈S1 S2的磁通量一样大D 不能比较 解析 线圈S1处的磁感线密集 磁感应强度大 线圈S2处的磁感线稀疏 磁感应强度小 由 BS可知 A选项正确 答案 A 课后巩固提升巩固基础1 关于磁场和磁感线的描述 下列说法正确的是 A 磁极之间的相互作用是通过磁场发生的 磁场和电场一样 也是一种客观存在的特殊物质B 磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向 它每一点的切线方向都和小磁针在该点静止时 北极所指的方向一致C 磁感线总是从磁极的N极出发 到S极终止D 磁感线可以用细铁屑来显示 因而是真实存在的 解析 磁感线是为了形象地描述磁场而假设的一组有方向的闭合的曲线 实际上并不存在 所以C D不正确 磁场是客观存在的特殊物质 所以A正确 磁感线上每一点的切线方向表示磁场方向 磁感线的疏密表示磁场的强弱 小磁针静止时N极指向 N极受力方向均为磁场方向 所以B正确 答案 AB 2 一条竖直放置的长直导线 通以由下向上的电流 在它正东方某点的磁场方向为 A 向东B 向西C 向南D 向北解析 由右手螺旋定则可以判断它正东方某点磁场方向向北 答案 D 3 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 A 分子电流消失B 分子电流取向变得大致相同C 分子电流取向变得杂乱D 分子电流减弱解析 由于高温或猛烈的敲击 会使原来取向一致的分子电流变得杂乱 从而失去磁性 故C选项正确 答案 C 4 2007 上海 两个完全相同的长导线 用其中一根绕成如图 a 所示螺线管 当该螺线管中通以电流强度为I的电流时 测得螺线管内中部的磁感应强度大小为B 若将另一根长导线对折后绕成如图 b 所示的螺线管 并通以电流强度也为I的电流时 则在螺线管中部的磁感应强度的大小 A 0B 0 5BC BD 2B 解析 用双线绕成的螺线管 双线中的电流刚好相反 其在周围空间产生的磁场相互抵消 所以 螺线管内部磁感应强度为零 答案 A 5 如图所示 水平直导线ab通有向右的电流I 置于导线正下方的小磁针S极将 A 向纸外偏转B 向纸内偏转C 在纸面内顺时针转过90 D 不动 解析 由安培定则判断通电导线ab下方磁场方向应该垂直纸面向里 则小磁针N极应向纸内转 S极向纸外转 故A选项正确 答案 A 6 如下图所示 a和b是直线电流的磁场 c和d是环形电流的磁场 e和f是螺线管电流的磁场 试在各图中补画出电流方向或磁感线方向 解析 a中电流方向垂直纸面向里 b中电流方向向上 c中电流方向为逆时针 d中磁场方向向上 e中磁场方向向左 f中磁场方向向右 答案 见解析 提升能力7 当接通电源后 小磁针A按右图所示方向运动 则 A 小磁针B的N极向纸外转B 小磁针B的N极向纸里转C 小磁针B不转动D 因电流未标出 所以无法判断小磁针B如何转动 解析 由小磁针A的N极运动方向知 螺线管的左侧为S极 右侧为N极 由右手螺旋定则判断小磁针B处的磁场方向向外 小磁针N极受力方向与该处磁场方向一致 故A正确 答案 A 8 条形磁铁竖直放置 闭合圆环水平放置 条形磁铁中心线穿过圆环中心 如右图所示 若圆环为弹性环 其形状由I扩大到 那么圆环内磁通量的变化情况是 A 磁通量增大B 磁通量减小C 磁通量不变D 条件不足 无法确定答案 B 解析 磁铁内部磁感线从S极到N极 方向向上 磁铁外部磁感线从N极到S极 由于圆环在 时 面积大于在 时的面积 因此 中由磁铁N极到S极向下穿过圆环的磁感线条数大于 中 而在 两种形状时 在磁铁内部由S极到N极向上穿过圆环的磁感线的条线相同 不论圆环处在 形状还是 形状 向上穿过圆环的磁感线条数总是多于向下穿过圆环的磁感线条数 且 中向下的磁感线增加 因此 中总的磁通量减小 正确选项是B 9 铁环上绕有绝缘的通电导线 电流方向如右图所示 则铁环中心O处的磁场方向为 A 向下B 向上C 垂直纸面向里D 垂直纸面向外解析 由安培定则可判断出左 右两线圈的上端都是N极 下端都是S极 故O点处磁场方向向下 答案 A 10 如下图所示 电子束沿x轴正方向运动 则电子束产生的磁场在y轴正向A点的方向是 A z轴正方向B z轴负方向C y轴正方向D y轴负方向 解析 电流方向为电子束运动的反方向 然后再由安培定则判断出电流在A点的磁场方向 答案 B 11 弹簧测力计下挂一条形磁铁 其N极一端位于一通电螺线管的正上方 如图所示 下列说法正确的是 A 若将a接电源正极 b接电源负极 弹簧测力计示数不变B 若将a接电源正极 b接电源负极 弹簧测力计示数将增大C 若将b接电源正极 a接电源负极 弹簧测力计示数将减小D 若将b接电源正极 a接电源负极 弹簧测力计示数将增大解析 由安培定则判断螺线管的磁场方向 从而判断与条形磁铁的相互作用情况 可知D选项正确 答案 D 12 如下图所示 ABDC是一环形导线 在C D处用导线与直导线ab接通 图中标出了环形电流的磁感线方向 则可知A B两端中接电源正极的是 端 放在ab下方的小磁针 极将转向纸外 N B 解析 由安培定则可知ABDC中电流方向应为B D C A 故B端接电源的正极 同理由安培定则可知 ab下方磁场方向应垂直纸面向外 13 如右图所示 矩形线圈abcd面积为S 放在空间直角坐标系内 线圈平面垂直Oxy平面 与Ox Oy的夹角分别为 37 53 匀强磁场的磁感应强度为B 当磁场方向沿Ox方向时 通过线圈的磁通量是 当磁场方向沿Oy方向时 通过线圈的磁通量是 当磁场方向沿Oz方向时 通过线圈的磁通量是 0 0 6BS 0 8BS 解析 由 BS 知 当磁场方向沿Ox方向时 S Ssin37 BSsin37 0 6BS 当磁场方向沿Oy方向时 S Scos37 所以 BScos37 0 8BS 当磁场方向沿Oz方向时 S 0 故 0 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全