高中物理 2-1+2《磁現(xiàn)象與電流的磁效應(yīng) 磁場》課件 （教科版選修1-1）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 1磁現(xiàn)象與電流的磁效應(yīng)2磁場 1 知道磁場是一種特殊的物質(zhì)形式 知道磁體和電流周圍有磁場 知道磁場的基本性質(zhì) 2 知道磁感線 磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量等描述磁場的概念 3 會(huì)利用磁感線判斷磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向 4 會(huì)進(jìn)行簡單的磁通量的計(jì)算 一 奧斯特的劃時(shí)代發(fā)現(xiàn) 電流的磁效應(yīng)1 電流能夠產(chǎn)生磁場 這個(gè)現(xiàn)象叫做電流的磁效應(yīng) 2 電流的磁效應(yīng)是丹麥物理學(xué)家奧斯特于1820年發(fā)現(xiàn)的 3 奧斯特的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到了電和磁間的聯(lián)系 吸引著科學(xué)家們?nèi)ヌ剿骱脱芯?電磁學(xué)的大門打開了 隨著發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)的問世 人類進(jìn)入了 電氣化 時(shí)代 二 安培力 磁場對(duì)通電導(dǎo)線的作用力1 定義 磁場對(duì)通電導(dǎo)體的作用力叫做安培力 2 特點(diǎn) 通電直導(dǎo)線與磁場方向垂直時(shí) 所受的安培力最大 與磁場方向平行時(shí) 導(dǎo)線不受安培力 導(dǎo)線與磁場方向斜交時(shí) 安培力介于最大值和零之間 即同一通電導(dǎo)線 按不同方式放在同一磁場中 如圖2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 3所示 三種情況下 導(dǎo)線與磁場方向垂直時(shí)安培力最大 取為Fmax 當(dāng)導(dǎo)線與磁場方向平行時(shí) 安培力最小 F 0 其他情況下 0 F Fmax 3 影響安培力大小的因素安培力大小的決定因素有兩個(gè) 一個(gè)是放入磁場中的一段導(dǎo)體的Il的乘積 另一個(gè)是磁場本身 即磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 因而安培力是可以改變的 1 通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小來改變 2 通過改變通電導(dǎo)線的長短l來改變 3 通過改變通電導(dǎo)線電流I的大小來改變 4 通過改變通電導(dǎo)線在磁場中的放置位置來改變 4 左手定則伸開左手 使拇指跟四指在同一個(gè)平面內(nèi)并跟四指垂直 讓磁感線垂直穿入手心 使四指指向電流的方向 那么拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線所受安培力的方向 如圖2 1 2 4所示 三 磁感應(yīng)強(qiáng)度1 物理意義 磁感應(yīng)強(qiáng)度是表示磁場強(qiáng)弱和方向的物理量 2 單位 特斯拉 簡稱特 國際符號(hào)是T 3 矢量性 磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量 既有大小 又有方向 磁場中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點(diǎn)磁場的方向 4 勻強(qiáng)磁場 1 概念 在磁場的某一區(qū)域里 磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向處處相同的磁場 2 描述 勻強(qiáng)磁場中的磁感線是一組方向一致的等間距平行直線 3 距離很近的兩個(gè)平行異名磁極之間或者通電長螺線管內(nèi)部的磁場 除邊緣部分外 都可以近似地看作勻強(qiáng)磁場 四 磁感線1 定義 磁感線是為了形象地描述磁場而人為假設(shè)的曲線 其疏密程度反映磁場的強(qiáng)弱 線上每一點(diǎn)的切線方向都跟該點(diǎn)的磁場方向一致 2 特點(diǎn) 1 在磁體外部 磁感線從北極發(fā)出 進(jìn)入南極 在磁體內(nèi)部由南極回到北極 2 磁感線的疏密程度表示磁場的強(qiáng)弱 磁感線越密的地方磁場越強(qiáng) 磁感線的切線方向?yàn)樵擖c(diǎn)的磁場方向 3 磁感線閉合而不相交 不相切 也不中斷 4 沒有畫磁感線的地方 并不表示那里就沒有磁場存在 通過磁場中的任一點(diǎn)總能而且只能畫出一條磁感線 5 磁場中的任何一條磁感線都是閉合曲線 例如 條形磁鐵或通電螺線管的磁感線在外部都是從N極出來進(jìn)入S極 在內(nèi)部則由S極回到N極 形成閉合曲線 五 磁通量1 定義 如果在勻強(qiáng)磁場中有一個(gè)與磁場方向垂直的平面 而磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 平面的面積為S 則磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于勻強(qiáng)磁場的平面的面積S的乘積叫做穿過這個(gè)面積的磁通量 簡稱磁通 符號(hào)為 2 公式 BS 此公式只適用于與S垂直的勻強(qiáng)磁場 3 單位 韋伯 符號(hào)Wb 1Wb 1T 1m2 1 電場力與安培力有何區(qū)別 電荷在電場中受到的電場力是一定的 方向與該點(diǎn)的電場方向相同或相反 電流在磁場中某處所受的磁場力 安培力 與電流在磁場中放置的方向有關(guān) 當(dāng)電流方向與磁場方向平行時(shí) 電流受到的安培力最小 等于零 當(dāng)電流方向與磁場方向垂直時(shí) 電流受的安培力最大 2 如何理解左手定則所反映的方向關(guān)系 1 左手定則反映了磁場方向 電流方向和電流所受安培力方向之間的關(guān)系 知道了三個(gè)方向中的任意兩個(gè) 就可以用左手定則判定出第三個(gè)的方向 2 不論通電導(dǎo)線如何放置 磁場對(duì)導(dǎo)線的安培力方向一定跟直導(dǎo)線中的電流方向與磁場方向所構(gòu)成的平面垂直 即F安 I且F安 B 3 要注意左手定則判定的是磁場對(duì)電流作用力 即安培力 的方向 而不一定是載流導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向 載流導(dǎo)體是否運(yùn)動(dòng) 還要視它所處的具體情況 受力情況 初速度方向等 而定 3 電場強(qiáng)度的方向是根據(jù)電荷受到的電場力的方向規(guī)定的 為什么磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向不用電流受力的方向來規(guī)定呢 電場強(qiáng)度的方向判定為正電荷所受電場力的方向 實(shí)際上磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向也與小磁針N極的指向是相同的 但作為電流受磁場力的方向與磁場方向垂直 在空間中與某一已知方向的垂直方向是不確定的 所以不能用電流受磁場力的方向來規(guī)定磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 4 磁場中兩條磁感線能相交嗎 為什么 不能相交 因?yàn)榇鸥芯€上各點(diǎn)的切線方向表示磁場的方向 若兩條磁感線相交 交點(diǎn)的磁場方向就有兩個(gè)了 這是不對(duì)的 5 磁通量的變化及變化原因磁通量的變化 2 1 是某兩個(gè)時(shí)刻穿過平面S的磁通量之差 即 取決于末狀態(tài)的磁通量 2與初狀態(tài)的磁通量 1的代數(shù)差 磁通量發(fā)生變化的兩種方式 1 磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變 垂直于磁場的面積發(fā)生變化 此時(shí) B S S可以由 因面積變化引起 因磁感線方向與平面的夾角變化 如線圈轉(zhuǎn)動(dòng) 而引起垂直于磁場方向的面積變化 2 垂直于磁場的面積S不變 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小發(fā)生變化 此時(shí) S B 6 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與面積S不垂直 有一夾角 時(shí) 如何來計(jì)算磁通量呢 如圖2 1 2 5所示 我們采用投影的方法 將平面向垂直于磁場的方向上投影 就可得到磁通量的一般的計(jì)算公式 BScos 為平面與垂直磁場方向間的夾角 因此 引起磁通量變化的情況不外乎三種類型 1 B變 2 S變 3 B和S的夾角變 或三者都變 典例1 已知北京地區(qū)地磁場的水平分量為3 0 10 5T 若北京市一高層建筑安裝了高100m的金屬桿作為避雷針 在某次雷雨天氣中 某一時(shí)刻的放電電流為105A 此時(shí)金屬桿所受安培力的方向和大小如何 解析首先要搞清放電電流的方向 因?yàn)榈厍驇в胸?fù)電荷 雷雨放電時(shí) 是地球所帶的負(fù)電荷通過金屬桿向上運(yùn)動(dòng) 即電流方向向下 對(duì)于這類問題 都可采用如下方法確定空間的方向 面向北方而立 則空間水平磁場均為 自己右手邊為東方 左手邊為西方 背后為南方 如圖所示 由左手定則判定電流所受磁場力向右 即指向東方 大小為F BIl 3 0 10 5 105 100N 300N 答案金屬桿所受磁場力指向東方 大小為300N 變式1 質(zhì)量為m的通電細(xì)桿ab置于傾角為 的導(dǎo)軌上 導(dǎo)軌寬度為d 桿ab與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為 有電流時(shí) ab恰好在導(dǎo)軌上靜止 如圖2 1 2 6所示 它的四個(gè)側(cè)視圖中標(biāo)示出四種可能的勻強(qiáng)磁場方向 其中桿ab與導(dǎo)軌之間的摩擦力可能為零的是 解析根據(jù)對(duì)上述四種情況的受力分析可知 C D中摩擦力不可能為零 答案AB 典例2 關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度 下列說法正確的是 A 磁場中某處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小 就是長度為L 所通電流為I的一小段直導(dǎo)線放在該處時(shí) 通電導(dǎo)線所受安培力F與I L之積的比值B 一小段通電導(dǎo)線在磁場中某點(diǎn)所受安培力的方向就是該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向C 磁場中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向與放在該處的通電短直導(dǎo)線受到的安培力的大小和方向無關(guān)D 一小段短直通電導(dǎo)線在某處不受安培力作用 說明此處磁感應(yīng)強(qiáng)度為零 答案C 變式2 下列關(guān)于磁感線的說法中 正確的是 A 磁感線可以形象地描述磁場的強(qiáng)弱與方向B 磁感線總是從磁鐵的N極發(fā)出 到S極終止C 磁感線就是細(xì)鐵屑在磁鐵周圍排列的曲線 沒有細(xì)鐵屑的地方就沒有磁感線D 沿磁感線的方向磁場逐漸減弱 解析磁場是一種看不見的特殊物質(zhì) 人們?yōu)榱诵蜗蟮孛枥L磁場而引入了磁感線這一假想的曲線 它可以表示磁場的強(qiáng)弱與方向 選項(xiàng)A正確 在磁體外部磁感線從磁鐵的N極發(fā)出 從磁鐵的S極進(jìn)入 構(gòu)成閉合曲線 由安培定則知電流產(chǎn)生的磁場磁感線都是閉合曲線 選項(xiàng)B錯(cuò)誤 磁感線是人們假想的曲線 與有無鐵屑無關(guān) 選項(xiàng)C錯(cuò)誤 磁場的強(qiáng)弱由磁感線的疏密程度表示 而與磁感線的方向無關(guān) 選項(xiàng)D錯(cuò)誤 答案A 典例3 有一個(gè)垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場 如圖2 1 2 7所示 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 0 8T 磁場有明顯的圓形邊界 圓心為O 半徑為1cm 現(xiàn)在紙面內(nèi)先后放上圓線圈 圓心均在O處 A線圈半徑為1cm 10匝 B線圈半徑為2cm 1匝 C線圈半徑為0 5cm 1匝 問 1 在磁感應(yīng)強(qiáng)度B減為0 4T的過程中 線圈A和B中磁通量改變多少 2 當(dāng)磁場轉(zhuǎn)過30 角的過程中 線圈C中磁通量改變多少 答案 1 1 256 10 4Wb1 256 10 4Wb 2 8 4 10 6Wb借題發(fā)揮磁通量是指穿過某一面積的磁感線的條數(shù) 與線圈匝數(shù)無關(guān) 若線圈所圍面積大于磁場面積 則以磁場區(qū)域面積為準(zhǔn) 本題中B線圈與A線圈中的磁通量始終一樣 故它們的改變量也一樣 變式3 如圖2 1 2 8所示 邊長為100cm的正方形閉合線圈置于磁場中 線圈的ad bc兩邊中點(diǎn)連線OO 的左右兩側(cè)分別存在著方向相同 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小各為B1 0 60T B2 0 40T的勻強(qiáng)磁場 開始時(shí) 線圈平面與磁場垂直 若從上往下看 線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)37 和180 角時(shí) 穿過線圈的磁通量分別改變了多少 答案0 1Wb1 0Wb 開拓視野電磁炮如圖2 1 2 9所示 電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)的動(dòng)能殺傷武器 與傳統(tǒng)的大炮將火藥燃?xì)鈮毫ψ饔糜趶椡璨煌?電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力 其作用的時(shí)間要長得多 可大大提高彈丸的速度和射程 因而引起了世界各國軍事家們的關(guān)注 自80年代初期以來 電磁炮在未來武器的發(fā)展計(jì)劃中 已成為越來越重要的部分 典例4 如圖2 1 2 10是導(dǎo)軌式電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 兩根平行長直金屬導(dǎo)軌沿水平方向固定 其間安放金屬滑塊 即實(shí)驗(yàn)用彈丸 滑塊可沿導(dǎo)軌無摩擦滑行 且始終與導(dǎo)軌保持良好接觸 電源提供的強(qiáng)大電流從一根導(dǎo)軌流入 經(jīng)過滑塊 再從另一導(dǎo)軌流回電源 滑塊被導(dǎo)軌中的電流形成的磁場推動(dòng)而發(fā)射 在發(fā)射過程中 該磁場在滑塊所在位置始終可以簡化為勻強(qiáng)磁場 方向垂直于紙面 其強(qiáng)度與電流的關(guān)系為B kI 比例常量k 2 5 10 6T A 已知兩導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)間距l(xiāng) 1 5cm 滑塊的質(zhì)量m 30g 滑塊沿導(dǎo)軌滑行5m后獲得的發(fā)射速度v 3 0km s 此過程視為勻加速運(yùn)動(dòng) 求 發(fā)射過程中電源提供的電流 答案A借題發(fā)揮 1 通電導(dǎo)體在磁場中的軌道上平衡與勻加速直線運(yùn)動(dòng)的問題 如果是立體圖 要先轉(zhuǎn)化為平面圖 2 受力分析時(shí) 除分析重力 彈力 摩擦力外 注意應(yīng)用左手定則確定安培力的方向 3 根據(jù)平衡條件或牛頓第二定律列出方程求解 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全