高中物理 21+2 磁現(xiàn)象與電流的磁效應(yīng) 磁場課件 教科版選修11

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1、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會利用磁感線判斷磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向4會進(jìn)行簡單的磁通量的計算. 一、奧斯特的劃時代發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)1電流能夠產(chǎn)生磁場，這個現(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)識到了電和磁間的聯(lián)系，吸引著科學(xué)家們?nèi)ヌ剿骱脱芯浚姶艑W(xué)的大門打開了，隨著發(fā)電機(jī)、電動機(jī)的問世，人類進(jìn)入了“電氣化”時代二、安培力磁場對通電導(dǎo)線的作用力1定義：磁場對通電導(dǎo)體的作用力叫做安培力2特點：通電直導(dǎo)線與磁場方向垂直時

2、，所受的安培力最大；與磁場方向平行時，導(dǎo)線不受安培力；導(dǎo)線與磁場方向斜交時，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安培力最大，取為Fmax；當(dāng)導(dǎo)線與磁場方向平行時，安培力最小，F(xiàn)0；其他情況下，0FFmax.3影響安培力大小的因素安培力大小的決定因素有兩個：一個是放入磁場中的一段導(dǎo)體的Il的乘積，另一個是磁場本身，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

3、)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，磁場中某點磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點磁場的方向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)距離很近的兩個平行異名磁極之間或者通電長螺線管內(nèi)

4、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，線上每一點的切線方向都跟該點的磁場方向一致2特點：(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)；磁感線的切線方向為該點的磁場方向(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)

5、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面積的磁通量，簡稱磁通，符號為.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Wb)1 Wb1 T1 m21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，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，電流受的安培力最大2如何理解左手定

6、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，知道了三個方向中的任意兩個，就可以用左手定則判定出第三個的方向(2)不論通電導(dǎo)線如何放置，磁場對導(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電流作用力(即安培力)的方向，而不一定是載流導(dǎo)體運動的方向，載流導(dǎo)體是否運動，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，實際上磁感應(yīng)強(qiáng)度的

7、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？不能相交因為磁感線上各點的切線方向表示磁場的方向若兩條磁感線相交，交點的磁場方向就有兩個了，這是不對的5磁通量的變化及變化原因磁通量的變化|21|，是某兩個時刻穿過平面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BS，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)而引起垂

8、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SB.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，如何來計算磁通量呢？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3.0105 T若北京市一高層建筑安裝了高100 m的金屬桿作為避雷針，在某次雷雨天氣中，某一時刻的放電電流為105 A，此時金屬桿所受安培力的方向和大小如

9、何？解析首先要搞清放電電流的方向因為地球帶有負(fù)電荷，雷雨放電時，是地球所帶的負(fù)電荷通過金屬桿向上運動，即電流方向向下對于這類問題，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FBIl3.0105105100 N300 N.答案金屬桿所受磁場力指向東方，大小為300 N.【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)軌間的動摩擦因數(shù)為，有電流時，ab恰好在導(dǎo)軌上靜止，如圖2(1、2)6所示，它的四個側(cè)視圖中標(biāo)示出四種可能的勻強(qiáng)磁場方向

10、，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，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

11、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B錯誤磁感線是人們假想的曲線，與有無鐵屑無關(guān)，選項C錯誤磁場的強(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D錯誤答案A【典例3】 有一個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B0.8 T，磁場有明顯的

12、圓形邊界，圓心為O，半徑為1 cm，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1 cm，10匝；B線圈半徑為2 cm，1匝；C線圈半徑為0.5 cm，1匝問：(1)在磁感應(yīng)強(qiáng)度B減為0.4 T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)1.256104 Wb1.256104 Wb(2)8.4106 Wb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100 cm的正

13、方形閉合線圈置于磁場中，線圈的ad、bc兩邊中點連線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B10.60 T、B20.40 T的勻強(qiáng)磁場開始時，線圈平面與磁場垂直，若從上往下看，線圈逆時針轉(zhuǎn)37和180角時，穿過線圈的磁通量分別改變了多少？答案0.1 Wb1.0 Wb開拓視野電磁炮如圖21、29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姶排谑抢秒姶畔到y(tǒng)中電磁場的作用力，其作用的時間要長得多，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)展計劃中，已成為越來越重要的部分【

14、典例4】如圖2(1、2)10是導(dǎo)軌式電磁炮實驗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(即實驗用彈丸)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BkI，比例常量k2.5106 T/A.已知兩導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)間距l(xiāng)1.5 cm，滑塊的質(zhì)量m30 g，滑塊沿導(dǎo)軌滑行5 m后獲得的發(fā)射速度v3.0 km/s(此過程視為勻加速運動)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動的問題，如果是立體圖，要先轉(zhuǎn)化為平面圖(2)受力分析時，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