高级中学物理选修31磁场全章完美分析情况总结资料.doc
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1、-=高中物理选修高中物理选修 3-1磁场磁场全章完美总结全章完美总结=-磁场基本性质磁场基本性质基础基础知知识识 一、磁场一、磁场1、磁场:磁场是存在于磁体、运动电荷周围的一种物质它的基本特性是:对处于其中的磁体、电 流、运动电荷有力的作用 2、磁现象的电本质:所有的磁现象都可归结为运动电荷之间通过磁场而发生的相互作用 二、磁感线二、磁感线 为了描述磁场的强弱与方向,人们想象在磁场中画出的一组有方向的曲线 1疏密表示磁场的强弱 2每一点切线方向表示该点磁场的方向,也就是磁感应强度的方向 3是闭合的曲线,在磁体外部由 N 极至 S 极,在磁体的内部由 S 极至 N 极磁线不相切不相交。 4匀强磁
2、场的磁感线平行且距离相等没有画出磁感线的地方不一定没有磁场 5安培定则:姆指指向电流方向,四指指向磁场的方向注意这里的磁感线是一个个同心圆,每点 磁场方向是在该点切线方向*熟记常用的几种磁场的磁感线:【例 1】根据安培假说的物理思想:磁场来源于运动电荷如果用这种思想解释地球磁场的形成,根 据地球上空并无相对地球定向移动的电荷的事实那么由此推断,地球总体上应该是:(A) A.带负电; B.带正电; C.不带电; D.不能确定 解析解析:因在地球的内部地磁场从地球北极指向地球的南极,根据右手螺旋定则可判断出地球表现环形 电流的方向应从东到西,而地球是从西向东自转,所以只有地球表面带负电荷才能形成上
3、述电流,故选 A. 三、磁感应强度三、磁感应强度 1磁场的最基本的性质是对放入其中的电流或磁极有力的作用,电流垂直于磁场时受磁场力最大, 电流与磁场方向平行时,磁场力为零。 2在磁场中垂直于磁场方向的通电导线受到的磁场力 F 跟电流强度 I 和导线长度 l 的乘积 Il 的比值, 叫做通电导线所在处的磁感应强度 表示磁场强弱的物理量是矢量 大小:B=F/Il(电流方向与磁感线垂直时的公式) 方向:左手定则:是磁感线的切线方向;是小磁针 N 极受力方向;是小磁针静止时 N 极的指 向不是导线受力方向;不是正电荷受力方向;也不是电流方向 单位:牛/安米,也叫特斯拉,国际单位制单位符号 T 点定 B
4、 定:就是说磁场中某一点定了,则该处磁感应强度的大小与方向都是定值 匀强磁场的磁感应强度处处相等 磁场的叠加:空间某点如果同时存在两个以上电流或磁体激发的磁场,则该点的磁感应强度是各电流 或磁体在该点激发的磁场的磁感应强度的矢量和,满足矢量运算法则. 【例 2】如图所示,正四棱柱 abed 一 abcd的中心轴线 00处有一无限长 的载流直导线,对该电流的磁场,下列说法中正确的是(AC) A.同一条侧棱上各点的磁感应强度都相等 B.四条侧棱上的磁感应强度都相同 C.在直线 ab 上,从 a 到 b,磁感应强度是先增大后减小 D.棱柱内任一点的磁感应强度比棱柱侧面上所有点都大 解析解析: :因通
5、电直导线的磁场分布规律是 B1/r,故 A,C 正确,D 错误四条侧棱上的磁感应强度大小 相等,但不同侧棱上的点的磁感应强度方向不同,故 B 错误 【例 3】如图所示,两根导线 a、b 中电流强度相同方向如图所示,则离两导线等距离的 P 点,磁 场方向如何? 解析解析:由 P 点分别向 a、b 作连线 Pa、Pb然后过 P 点分别做 Pa、Pb 垂线,根据安 培定则知这两条垂线用 PM、PN 就是两导线中电流在 P 点产生磁感应强度的方向,两导 线中的电流在 P 处产生的磁感应强度大小相同,然后按照矢量的合成法则就可知道合磁 感应强度的方向竖直向上,如图所示,这也就是该处磁场的方向 答案答案:
6、竖直向上 【例 4】六根导线互相绝缘,所通电流都是 I,排成如图 10 一 5 所示的形状,区域 A、B、C、D 均为相等的正方形,则平均磁感应强度最大的区域是哪些区域?该区域的 磁场方向如何? 解析解析:由于电流相同,方格对称,从每方格中心处的磁场来定性比较即可,如 I1在任 方格中产生的磁感应强度均为 B,方向由安培定则可知是向里,在 A、D 方格内产生的磁 感应强度均为 B/,方向仍向里,把各自导线产生的磁感应强度及方向均画在四个方格中, 可以看出在 B、D 区域内方向向里的磁场与方向向外的磁场等同,叠加后磁场削弱 答案答案:在 A、C 区域平均磁感应强度最大,在 A 区磁场方向向里C
7、区磁场方向向外 【例 5】一小段通电直导线长 1cm,电流强度为 5A,把它放入磁场中某点时所受磁场力大小为 01N,则该点的磁感强度为( )AB2T; BB2T; C、B2T ;D以上三种情况均有可能 解析:由 BF/IL 可知 F/IL2(T)当小段直导线垂直于磁场 B 时,受力最大,因而此时可能导线 与 B 不垂直, 即 Bsin2T,因而 B2T。 说明说明:B 的定义式 BF/IL 中要求 B 与 IL 垂直,若不垂直且两者间夹角为 ,则 IL 在与 B 垂直方 向分上的分量即 ILsin,因而 B=F/ILsin,所以 F/IL=Bsin则 BF/IL。 【例 6】如图所示,一根通
8、电直导线放在磁感应强度 B=1T 的匀强磁 场中,在以导线为圆心,半径为 r 的圆周上有 a,b,c,d 四个点,若 a 点的 实际磁感应强度为 0,则下列说法中正确的是(AC) A.直导线中电流方向是垂直纸面向里的 B.C 点的实际磁感应强度也为 0C. d 点实际磁感应强度为,方向斜向下,与 B 夹角为 4502T D.以上均不正确 解析解析: :题中的磁场是由直导线电流的磁场和匀强磁场共同形成的,磁 场中任一点的磁感应强度应为两磁场分别产生的磁感应强度的矢量和a 处磁感应强度为 0,说明直线电 流在该处产生的磁感应强度大小与匀强磁场 B 的大小相等、方向相反,可得直导线中电流方向应是垂直
9、 纸面向里在圆周上任一点,由直导线产生的磁感应强度大小均为 B1T,方向沿圆周切线方向,可知 C点的磁感应强度大小为 2T,方向向右.d 点的磁感应强度大小为,方向与 B 成 450斜向右下方2TBabcd四、磁通量与磁通密度四、磁通量与磁通密度 1磁通量 :穿过某一面积磁力线条数,是标量 2磁通密度 B:垂直磁场方向穿过单位面积磁力线条数,即磁感应强度,是矢量 3二者关系:B/S(当 B 与面垂直时) ,BScos,Scos 为面积垂直 于 B 方向上的投影, 是 B 与 S 法线的夹角 【例 7】如图所示,A 为通电线圈,电流方向如图所示,B、C 为与 A 在同一平 面内的两同心圆,B、C
10、分别为通过两圆面的磁通量的大小,下述判断中正确的 是( )A穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向外B穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向里CBC DBC 解析解析:由安培定则判断,凡是垂直纸面向外的磁感线都集中在是线圈内,因磁感线是闭合曲线,则 必有相应条数的磁感线垂直纸面向里,这些磁总线分布在线圈是外,所以 B、C 两圆面都有垂直纸面向里 和向外的磁感线穿过,垂直纸面向外磁感线条数相同,垂直纸面向里的磁感线条数不同,B 圆面较少,c 圆面较多,但都比垂直向外的少,所以 B、C 磁通方向应垂直纸面向外,BC,所以 A、C 正确 分析磁通时要注意磁感线是闭合曲线的特点和正反两方向磁总线条数的多少,不能认
11、为面积大的磁 通就大 答案答案:AC 规律方法规律方法 1.磁通量的计算磁通量的计算【例 8】如图所示,匀强磁场的磁感强度 B20T,指向 x 轴的正方向,且 ab=40cm,bc=30cm,ae=50cm,求通过面积 Sl(abcd) 、S2(befc)和 S3(aefd)的磁通量 1、2、3 分别是多少? 解析解析:根据 =BS垂,且式中 S垂就是各面积在垂直于 B 的 yx 平面上投影的大 小,所以各面积的磁通量分别为1=BS1204030104024 Wb;2=0 31=BS1204030104024 Wb答案:1 0 24 Wb, 20, 3 024 Wb 【例 9】如图 4 所示,
12、一水平放置的矩形闭合线圈 abcd 在细长磁铁 N 极附近下 落,保持 bc 边在纸外,ad 边在纸内,由图中的位置经过位置到位置,且位置和都很靠近位置 ,在这个过程中,线圈中的磁通量A是增加的; B是减少的C先增加,后减少; D先减少,后增加 解析:要知道线圈在下落过程中磁通量的变化情况,就必须知道条 形磁铁在磁极附近磁感线的分布情况条形磁铁在 N 极附近的分布情况 如图所示,由图可知线圈中磁通量是先减少,后增加D 选项正确 点评:要知道一个面上磁通量,在面积不变的条件下,也必须知道磁场的磁感线的分布情况因此, 牢记条形磁铁、蹄形磁铁、通电直导线、通电螺线管和通电圆环等磁场中磁感线的分布情况
13、在电磁学中 是很必要的 【例 10】如图所示边长为 100cm 的正方形闭合线圈置于磁场中,线圈 AB、CD 两边中点连线 OO/的 左右两侧分别存在方向相同、磁感强度大小各为 B106T,B2=04T 的匀强磁场。 若从上往下看,线圈逆时针转过 370时,穿过线圈的磁通量改变了多少? 解析解析:在原图示位置,由于磁感线与线圈平面垂直,因此1B1S/2B2S/2(061/2041/2)Wb=05Wb当线圈绕 OO/轴逆时针转过 370后, (见图中虚线位置): 2B1Sn/2B2Sn/2B1Scos370/2B2Scos370/204Wb磁通量变化量 =21(0405)Wb=01Wb所以线圈转
14、过 370后。穿过线圈的磁通量减少了 01Wb2.磁场基本性质的应用磁场基本性质的应用 【例11】从太阳或其他星体上放射出的宇宙射线中含有高能带电粒子,若到达地球,对地球上的生 命将带来危害对于地磁场对宇宙射线有无阻挡作用的下列说法中,正确的是(B) A.地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在南北两极最强,赤道附近最弱 B.地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在赤道附近最强,南北两极最弱 C.地磁场对宇宙射线的阻挡作用各处相同 D.地磁场对宇宙射线无阻挡作用解析:因在赤道附近带电粒子运动方向与地磁场近似垂直,而在两极趋于平行 【例12】超导是当今高科技的热点之一,当一块磁体靠近超导体时,超导体
15、中会产生强大的电流, 对磁体有排斥作用,这种排斥力可使磁体悬浮在空中,磁悬浮列车就采用了这项技术,磁体悬浮的原理 是(D) 超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相同 超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相反 超导体使磁体处于失重状态 超导体对磁体的磁力与磁体的重力相平衡 A. B. C. D. 解析解析: :超导体中产生的是感应电流,根据楞次定律的“增反减同”原理,这个电流的磁场方向与原磁 场方向相反,对磁体产生排斥作用力,这个力与磁体的重力达平衡 【例 13】.如图所示,用弯曲的导线环把一铜片和锌片相连装在一绝缘的浮 标上,然后把浮标浸在盛有稀硫酸的容器中,设开始设置时,环平面处于东西方 向
16、上放手后,环平面将最终静止在 方向上 解析解析: :在地表附近地磁场的方向是大致由南向北的,此题中由化学原理可推 知在环中有环形电流由等效法可假定其为一个垂直于纸面的条形磁体,而条形磁 体所受地磁场的力的方向是南北方向的 【例 14】普通磁带录音机是用一个磁头来录音和放音的。磁头结构如图所 示,在一个环形铁芯上绕一个线圈铁芯有个缝隙,工作时磁带就贴着这个缝隙移动。录音时磁头线圈 跟微音器相连,放音时,磁头线圈改为跟扬声器相连,磁带上涂有一层磁粉,磁粉能被磁化且留下剩磁。 微音器的作用是把声音的变化转化为电流的变化;扬声器的作用是把电流的变化转化为声音的变化,根 据学过的知识,把普通录音机录、放
17、音的基本原理简明扼要地写下来。 解析解析:(1)录音原理:当由微音器把声音信号转化为电流信号后,电流信号 流经线圈,在铁芯中产生随声音变化的磁场,磁带经过磁头时磁粉被不同程度地 磁化,并留下剩磁,且剩磁的变化与声音的变化一致,这样,声音的变化就被记 录成磁粉不同程度的变化。 即录音是利用电流的磁效应。 (2)放音原理:各部分被不同程度磁化的磁带经过铁芯时,铁芯中形成变化 的磁场,在线圈中激发出变化的感应电流,感应电流经过扬声器时,电流的变化被转化为声音的变化。 这样,磁信号又被转化为声音信号而播放出来。 即放音过程是利用电磁感应原理。 【例 15】磁场具有能量,磁场中单位体积所具有的能量叫做能
18、量密度,其值为 B2/2,式中 B 是感 应强度, 是磁导率,在空气中 为一已知常数为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感应强度 B,一学生用一根端面面积为 A 的条形磁铁吸住一相同面积的铁片 P,再用力将铁片与磁铁拉开一段微小 距离L,并测出拉力 F,如图所示因为 F 所做的功等于间隙中磁场的能量,所以由此可得磁感应强度 B 与 F、A 之间的关系为 B 解析:在用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离L 的过程中,拉力 F 可 认为不变,因此 F 所做的功为:WFL.以 表示间隙中磁场的能量密度,则间隙中磁场的能量 EVAL又题给条件 B2/2,故 EALB2/2. 因为 F 所做的功等于间隙中磁
19、场的能量,即 W=E,故有 FL= ALB2/2解得2 FBAZnCuFN磁场对电流的作用磁场对电流的作用基础知识基础知识 一、安培力一、安培力1.安培力:通电导线在磁场中受到的作用力叫做安培力 说明:磁场对通电导线中定向移动的电荷有力的作用,磁场对这些定向移动电荷作用力的宏观表现即 为安培力 2.安培力的计算公式:FBILsin( 是 I 与 B 的夹角) ;通电导线与磁场方向垂直时,即 900,此时安培力有最大值;通电导线与磁场方向平行时,即 00,此时安培力有最小值, F=0N;00B900时,安培力 F 介于 0 和最大值之间. 3.安培力公式的适用条件: 公式 FBIL 一般适用于匀
20、强磁场中 IB 的情况,对于非匀强磁场只是近似适用(如对电流元) , 但对某些特殊情况仍适用如图所示,电流 I1/I2,如 I1在 I2处磁场的磁感应强度为 B,则 I1对 I2的安培力 FBI2L,方向向左,同理 I2对 I1,安培力向右,即同向电流相吸,异向电流相斥 根据力的相互作用原理,如果是磁体对通电导体有力的作用,则通电导体对磁体 有反作用力两根通电导线间的磁场力也遵循牛顿第三定律 二、左手定则 1.用左手定则判定安培力方向的方法:伸开左手,使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都在同一平面内, 让磁感线垂直穿过手心,并使四指指向电流方向,这时手掌所在平面跟磁感线和导线所在平面垂直,大 拇指
21、所指的方向就是通电导线所受安培力的方向 2.安培力 F 的方向既与磁场方向垂直,又与通电导线垂直,即 F 跟 BI 所在的面垂直但 B 与 I 的方向 不一定垂直 3.安培力 F、磁感应强度 B、电流 1 三者的关系 已知 I,B 的方向,可惟一确定 F 的方向; 已知 F、B 的方向,且导线的位置确定时,可惟一确定 I 的方向; 已知 F,1 的方向时,磁感应强度 B 的方向不能惟一确定 4.由于 B,I,F 的方向关系常是在三维的立体空间,所以求解本部分问题时,应具有较好的空间想象力, 要善于把立体图画变成易于分析的平面图,即画成俯视图,剖视图,侧视图等 【例 1】如图所示,一条形磁铁放在
22、水平桌面上在其左上方固定一根与磁铁垂直的长直导线,当导线 通以如图所示方向电流时( ) A磁铁对桌面的压力减小,且受到向左的摩擦力作用 B磁铁对桌面的压力减小,且受到向右的摩擦力作用 C磁铁对桌面的压力增大,且受到向左的摩擦力作用 D磁铁对桌面的压力增大,且受到向右的摩擦力作用 解析解析:导线所在处磁场的方向沿磁感线的切线方向斜向下,对其沿水平竖直方向 分解,如图 1015 所示对导线:Bx产生的效果是磁场力方向竖直向上By产生的效果是磁场力方向水平向左根据牛顿第三定律:导线对磁铁的力有竖直向下的作用力,因而磁铁对桌面压 力增大;导线对磁铁的力有水平向右的作用力因而磁铁有向右的运动趋势,这样磁
23、铁与桌面间便产生 了摩擦力,桌面对磁铁的摩擦力沿水平方向向左 答案答案:C 【例 2】.如图在条形磁铁 N 极处悬挂一个线圈,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? 分析:用“同向电流互相吸引,反向电流互相排斥”最简单: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。I1I2【例 3】电视机显象管的偏转线圈示意图如右,即时电流方向如图所示。该时 刻由里向外射出的电子流将向哪个方向偏转? 解:画出偏转线圈内侧的电流,是左半线圈靠电子流的一侧为向里,右半线 圈靠电子流的一侧为向外。电子流的等效电流方向是向里的,根据“同向电流互
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