高中物理 2-1+2《磁现象与电流的磁效应 磁场》课件 （教科版选修1-1）

欢迎进入物理课堂 1磁现象与电流的磁效应2磁场 1 知道磁场是一种特殊的物质形式 知道磁体和电流周围有磁场 知道磁场的基本性质 2 知道磁感线 磁感应强度 磁通量等描述磁场的概念 3 会利用磁感线判断磁感应强度的大小和方向 4 会进行简单的磁通量的计算 一 奥斯特的划时代发现 电流的磁效应1 电流能够产生磁场 这个现象叫做电流的磁效应 2 电流的磁效应是丹麦物理学家奥斯特于1820年发现的 3 奥斯特的发现使人们认识到了电和磁间的联系 吸引着科学家们去探索和研究 电磁学的大门打开了 随着发电机 电动机的问世 人类进入了 电气化 时代 二 安培力 磁场对通电导线的作用力1 定义 磁场对通电导体的作用力叫做安培力 2 特点 通电直导线与磁场方向垂直时 所受的安培力最大 与磁场方向平行时 导线不受安培力 导线与磁场方向斜交时 安培力介于最大值和零之间 即同一通电导线 按不同方式放在同一磁场中 如图2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 3所示 三种情况下 导线与磁场方向垂直时安培力最大 取为Fmax 当导线与磁场方向平行时 安培力最小 F 0 其他情况下 0 F Fmax 3 影响安培力大小的因素安培力大小的决定因素有两个 一个是放入磁场中的一段导体的Il的乘积 另一个是磁场本身 即磁场的磁感应强度B 因而安培力是可以改变的 1 通过改变磁感应强度B的大小来改变 2 通过改变通电导线的长短l来改变 3 通过改变通电导线电流I的大小来改变 4 通过改变通电导线在磁场中的放置位置来改变 4 左手定则伸开左手 使拇指跟四指在同一个平面内并跟四指垂直 让磁感线垂直穿入手心 使四指指向电流的方向 那么拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向 如图2 1 2 4所示 三 磁感应强度1 物理意义 磁感应强度是表示磁场强弱和方向的物理量 2 单位 特斯拉 简称特 国际符号是T 3 矢量性 磁感应强度是矢量 既有大小 又有方向 磁场中某点磁感应强度的方向就是该点磁场的方向 4 匀强磁场 1 概念 在磁场的某一区域里 磁感应强度的大小和方向处处相同的磁场 2 描述 匀强磁场中的磁感线是一组方向一致的等间距平行直线 3 距离很近的两个平行异名磁极之间或者通电长螺线管内部的磁场 除边缘部分外 都可以近似地看作匀强磁场 四 磁感线1 定义 磁感线是为了形象地描述磁场而人为假设的曲线 其疏密程度反映磁场的强弱 线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致 2 特点 1 在磁体外部 磁感线从北极发出 进入南极 在磁体内部由南极回到北极 2 磁感线的疏密程度表示磁场的强弱 磁感线越密的地方磁场越强 磁感线的切线方向为该点的磁场方向 3 磁感线闭合而不相交 不相切 也不中断 4 没有画磁感线的地方 并不表示那里就没有磁场存在 通过磁场中的任一点总能而且只能画出一条磁感线 5 磁场中的任何一条磁感线都是闭合曲线 例如 条形磁铁或通电螺线管的磁感线在外部都是从N极出来进入S极 在内部则由S极回到N极 形成闭合曲线 五 磁通量1 定义 如果在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面 而磁场的磁感应强度为B 平面的面积为S 则磁感应强度B与垂直于匀强磁场的平面的面积S的乘积叫做穿过这个面积的磁通量 简称磁通 符号为 2 公式 BS 此公式只适用于与S垂直的匀强磁场 3 单位 韦伯 符号Wb 1Wb 1T 1m2 1 电场力与安培力有何区别 电荷在电场中受到的电场力是一定的 方向与该点的电场方向相同或相反 电流在磁场中某处所受的磁场力 安培力 与电流在磁场中放置的方向有关 当电流方向与磁场方向平行时 电流受到的安培力最小 等于零 当电流方向与磁场方向垂直时 电流受的安培力最大 2 如何理解左手定则所反映的方向关系 1 左手定则反映了磁场方向 电流方向和电流所受安培力方向之间的关系 知道了三个方向中的任意两个 就可以用左手定则判定出第三个的方向 2 不论通电导线如何放置 磁场对导线的安培力方向一定跟直导线中的电流方向与磁场方向所构成的平面垂直 即F安 I且F安 B 3 要注意左手定则判定的是磁场对电流作用力 即安培力 的方向 而不一定是载流导体运动的方向 载流导体是否运动 还要视它所处的具体情况 受力情况 初速度方向等 而定 3 电场强度的方向是根据电荷受到的电场力的方向规定的 为什么磁感应强度的方向不用电流受力的方向来规定呢 电场强度的方向判定为正电荷所受电场力的方向 实际上磁感应强度的方向也与小磁针N极的指向是相同的 但作为电流受磁场力的方向与磁场方向垂直 在空间中与某一已知方向的垂直方向是不确定的 所以不能用电流受磁场力的方向来规定磁感应强度的方向 4 磁场中两条磁感线能相交吗 为什么 不能相交 因为磁感线上各点的切线方向表示磁场的方向 若两条磁感线相交 交点的磁场方向就有两个了 这是不对的 5 磁通量的变化及变化原因磁通量的变化 2 1 是某两个时刻穿过平面S的磁通量之差 即 取决于末状态的磁通量 2与初状态的磁通量 1的代数差 磁通量发生变化的两种方式 1 磁感应强度B不变 垂直于磁场的面积发生变化 此时 B S S可以由 因面积变化引起 因磁感线方向与平面的夹角变化 如线圈转动 而引起垂直于磁场方向的面积变化 2 垂直于磁场的面积S不变 磁感应强度大小发生变化 此时 S B 6 当磁感应强度B的方向与面积S不垂直 有一夹角 时 如何来计算磁通量呢 如图2 1 2 5所示 我们采用投影的方法 将平面向垂直于磁场的方向上投影 就可得到磁通量的一般的计算公式 BScos 为平面与垂直磁场方向间的夹角 因此 引起磁通量变化的情况不外乎三种类型 1 B变 2 S变 3 B和S的夹角变 或三者都变 典例1 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 此时金属杆所受安培力的方向和大小如何 解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 是地球所带的负电荷通过金属杆向上运动 即电流方向向下 对于这类问题 都可采用如下方法确定空间的方向 面向北方而立 则空间水平磁场均为 自己右手边为东方 左手边为西方 背后为南方 如图所示 由左手定则判定电流所受磁场力向右 即指向东方 大小为F BIl 3 0 10 5 105 100N 300N 答案金属杆所受磁场力指向东方 大小为300N 变式1 质量为m的通电细杆ab置于倾角为 的导轨上 导轨宽度为d 杆ab与导轨间的动摩擦因数为 有电流时 ab恰好在导轨上静止 如图2 1 2 6所示 它的四个侧视图中标示出四种可能的匀强磁场方向 其中杆ab与导轨之间的摩擦力可能为零的是 解析根据对上述四种情况的受力分析可知 C D中摩擦力不可能为零 答案AB 典例2 关于磁感应强度 下列说法正确的是 A 磁场中某处的磁感应强度大小 就是长度为L 所通电流为I的一小段直导线放在该处时 通电导线所受安培力F与I L之积的比值B 一小段通电导线在磁场中某点所受安培力的方向就是该处的磁感应强度方向C 磁场中某点的磁感应强度的大小和方向与放在该处的通电短直导线受到的安培力的大小和方向无关D 一小段短直通电导线在某处不受安培力作用 说明此处磁感应强度为零 答案C 变式2 下列关于磁感线的说法中 正确的是 A 磁感线可以形象地描述磁场的强弱与方向B 磁感线总是从磁铁的N极发出 到S极终止C 磁感线就是细铁屑在磁铁周围排列的曲线 没有细铁屑的地方就没有磁感线D 沿磁感线的方向磁场逐渐减弱 解析磁场是一种看不见的特殊物质 人们为了形象地描绘磁场而引入了磁感线这一假想的曲线 它可以表示磁场的强弱与方向 选项A正确 在磁体外部磁感线从磁铁的N极发出 从磁铁的S极进入 构成闭合曲线 由安培定则知电流产生的磁场磁感线都是闭合曲线 选项B错误 磁感线是人们假想的曲线 与有无铁屑无关 选项C错误 磁场的强弱由磁感线的疏密程度表示 而与磁感线的方向无关 选项D错误 答案A 典例3 有一个垂直纸面向里的匀强磁场 如图2 1 2 7所示 磁感应强度B 0 8T 磁场有明显的圆形边界 圆心为O 半径为1cm 现在纸面内先后放上圆线圈 圆心均在O处 A线圈半径为1cm 10匝 B线圈半径为2cm 1匝 C线圈半径为0 5cm 1匝 问 1 在磁感应强度B减为0 4T的过程中 线圈A和B中磁通量改变多少 2 当磁场转过30 角的过程中 线圈C中磁通量改变多少 答案 1 1 256 10 4Wb1 256 10 4Wb 2 8 4 10 6Wb借题发挥磁通量是指穿过某一面积的磁感线的条数 与线圈匝数无关 若线圈所围面积大于磁场面积 则以磁场区域面积为准 本题中B线圈与A线圈中的磁通量始终一样 故它们的改变量也一样 变式3 如图2 1 2 8所示 边长为100cm的正方形闭合线圈置于磁场中 线圈的ad bc两边中点连线OO 的左右两侧分别存在着方向相同 磁感应强度大小各为B1 0 60T B2 0 40T的匀强磁场 开始时 线圈平面与磁场垂直 若从上往下看 线圈逆时针转37 和180 角时 穿过线圈的磁通量分别改变了多少 答案0 1Wb1 0Wb 开拓视野电磁炮如图2 1 2 9所示 电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器 与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同 电磁炮是利用电磁系统中电磁场的作用力 其作用的时间要长得多 可大大提高弹丸的速度和射程 因而引起了世界各国军事家们的关注 自80年代初期以来 电磁炮在未来武器的发展计划中 已成为越来越重要的部分 典例4 如图2 1 2 10是导轨式电磁炮实验装置示意图 两根平行长直金属导轨沿水平方向固定 其间安放金属滑块 即实验用弹丸 滑块可沿导轨无摩擦滑行 且始终与导轨保持良好接触 电源提供的强大电流从一根导轨流入 经过滑块 再从另一导轨流回电源 滑块被导轨中的电流形成的磁场推动而发射 在发射过程中 该磁场在滑块所在位置始终可以简化为匀强磁场 方向垂直于纸面 其强度与电流的关系为B kI 比例常量k 2 5 10 6T A 已知两导轨内侧间距l 1 5cm 滑块的质量m 30g 滑块沿导轨滑行5m后获得的发射速度v 3 0km s 此过程视为匀加速运动 求 发射过程中电源提供的电流 答案A借题发挥 1 通电导体在磁场中的轨道上平衡与匀加速直线运动的问题 如果是立体图 要先转化为平面图 2 受力分析时 除分析重力 弹力 摩擦力外 注意应用左手定则确定安培力的方向 3 根据平衡条件或牛顿第二定律列出方程求解 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