高中物理31知识总结(磁场).ppt

第三章磁现象和磁场 知识梳理 1 磁场的产生 1 磁体周围有磁场 2 电流周围有磁场2 磁场的基本性质磁场对放入其中的磁体和电流有磁场力的作用 对磁体一定有力的作用 对电流只是可能有力的作用 当电流和磁感线平行时不受磁场力作用 3 磁感应强度 条件是匀强磁场中 或 L很小 并且L B 4 磁感线 1 用来形象地描述磁场中各点的磁场方向和强弱的曲线 磁感线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向 也就是在该点小磁针静止时N极的指向 磁感线的疏密表示磁场的强弱 2 磁感线是封闭曲线 和静电场的电场线不同 3 要熟记常见的几种磁场的磁感线 4 安培定则 右手螺旋定则 对直导线 四指指磁感线方向 对环行电流 大拇指指中心轴线上的磁感线方向 对长直螺线管大拇指指螺线管内部的磁感线方向 5 磁通量如果在磁感应强度为B的匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面 其面积为S 则定义B与S的乘积为穿过这个面的磁通量 用 表示 是标量 但是有方向 进该面或出该面 单位为韦伯 符号为Wb 1Wb 1T m2 1V s 1kg m2 A s2 可以认为磁通量就是穿过某个面的磁感线条数 在匀强磁场磁感线垂直于平面的情况下 B S 所以磁感应强度又叫磁通密度 在匀强磁场中 当B与S的夹角为 时 有 BSsin 二 安培力1 安培力方向的判定 1 用左手定则 2 用 同性相斥 异性相吸 只适用于磁铁之间或磁体位于螺线管外部时 3 用 同向电流相吸 反向电流相斥 反映了磁现象的电本质 只要两导线不是互相垂直的 都可以用 同向电流相吸 反向电流相斥 判定相互作用的磁场力的方向 当两导线互相垂直时 用左手定则判定 2 安培力大小的计算F ILBsin 为B L间的夹角 高中只要求会计算 0 不受安培力 和 90 两种情况 三 洛伦兹力1 洛伦兹力运动电荷在磁场中受到的磁场力叫洛伦兹力 它是安培力的微观表现 计算公式的推导 如图所示 整个导线受到的磁场力 安培力 为F安 BIL 其中I nesv 设导线中共有N个自由电子N nsL 每个电子受的磁场力为F 则F安 NF 由以上四式可得F qvB 条件是v与B垂直 当v与B成 角时 F qvBsin 2 洛伦兹力方向的判定在用左手定则时 四指必须指电流方向 不是速度方向 即正电荷定向移动的方向 对负电荷 四指应指负电荷定向移动方向的反方向 3 洛伦兹力大小的计算带电粒子在匀强磁场中仅受洛伦兹力而做匀速圆周运动时 洛伦兹力充当向心力 由此可以推导出该圆周运动的半径公式和周期公式 4 带电粒子在混合场中的运动速度选择器正交的匀强磁场和匀强电场组成速度选择器 带电粒子必须以唯一确定的速度 包括大小 方向 才能匀速 或者说沿直线 通过速度选择器 否则将发生偏转 这个速度的大小可以由洛伦兹力和电场力的平衡得出 qvB Eq 注意 1 这个结论与离子带何种电荷 电荷多少都无关 2 若速度小于这一速度 电场力将大于洛伦兹力 带电粒子向电场力方向偏转 电场力做正功 动能将增大 洛伦兹力也将增大 粒子的轨迹既不是抛物线 也不是圆 而是一条复杂曲线 若大于这一速度 将向洛伦兹力方向偏转 电场力将做负功 动能将减小 洛伦兹力也将减小 轨迹是一条复杂曲线 5 带电粒子在匀强磁场中的偏转 1 穿过矩形磁场区 一定要先画好辅助线 半径 速度及延长线 偏转角由sin L R求出 侧移由R2 L2 R y 2解出 经历时间由得出 注意 这里射出速度的反向延长线与初速度延长线的交点不再是宽度线段的中点 这点与带电粒子在匀强电场中的偏转结论不同 2 穿过圆形磁场区 画好辅助线 半径 速度 轨迹圆的圆心 连心线 偏角可由求出 经历的时间可以由得出 注意 由对称性 射出线的反向延长线必过磁场圆的圆心 例1 如图所示 用绝缘丝线悬挂着的环形导体 位于与其所在平面垂直且向右的匀强磁场中 若环形导体通有如图所示方向的电流I 试判断环形导体的运动情况 解析 利用左手定则判断 可将环形导体等分为若干段 每小段通电导体所受安培力均指向圆心 由对称性可知 这些安培力均为成对的平衡力 故该环形导体将保持原来的静止状态 注意 对于直线电流的磁场和匀强磁场都应将其看作无极场 在这种磁场中分析通电线圈受力的问题时 不能用等效磁极的办法 因为它不符合实际情况 而必须运用左手定则分析出安培力合力的方向后 再行确定其运动状态变化情况 典型例题 例2 有一自由的矩形导体线圈 通以电流I 将其移入通以恒定电流I的长直导线的右侧 其ab与cd边跟长直导体AB在同一平面内且互相平行 如图所示 试判断将该线圈从静止开始释放后的受力和运动情况 不计重力 解析 利用左手定则判断 先画出直线电流的磁场在矩形线圈所在处的磁感线分布 由右手螺旋定则确定其磁感线的方向垂直纸面向里 如图所示 线圈的四条边所受安培力的方向由左手定则判定 其中F1与F3相互平衡 因ab边所在处的磁场比cd边所在处的强 故F4 F2 由此可知矩形线圈abcd所受安培力的合力的方向向左 它将加速向左运动而与导体AB靠拢 例3 如图所示 光滑导轨与水平面成 角 导轨宽L 匀强磁场磁感应强度为B 金属杆长也为L 质量为m 水平放在导轨上 当回路总电流为I1时 金属杆正好能静止 求 1 B至少多大 这时B的方向如何 2 若保持B的大小不变而将B的方向改为竖直向上 应把回路总电流I2调到多大才能使金属杆保持静止 解析 画出金属杆的截面图 由三角形定则可知 只有当安培力方向沿导轨平面向上时安培力才最小 B也最小 根据左手定则 这时B应垂直于导轨平面向上 大小满足 BI1L mgsin B mgsin I1L 当B的方向改为竖直向上时 这时安培力的方向变为水平向右 沿导轨方向合力为零 得BI2Lcos mgsin I2 I1 cos 注意 在解这类题时必须画出截面图 只有在截面图上才能正确表示各力的准确方向 从而弄清各矢量方向间的关系 例4 如图所示 一块铜块左右两面接入电路中 有电流I自左向右流过铜块 当一磁感应强度为B的匀强磁场垂直前表面穿入铜块 从后表面垂直穿出时 在铜块上 下两面之间产生电势差 若铜块前 后两面间距为d 上 下两面间距为L 铜块单位体积内的自由电子数为n 电子电量为e 求铜板上 下两面之间的电势差U为多少 并说明哪个面的电势高 解析 铜块的电流的方向向右 铜块内的自由电子的定向移动的方向向左 用左手定则判断 四指指向电子运动的反方向 磁感线穿过手心 大拇指所指的方向为自由电子的受力方向 右图为自由电子受力的示意图 随着自由电子在上极板的聚集 在上 下极板之间形成一个 下正上负 的电场 这个电场对自由电子产生作用力 作用力方向与自由电子刚进入磁场时所受的洛仑兹力方向相反 当电场强度增加到使电场力与洛仑兹力平衡时 自由电子不再向上表面移动 在铜块的上 下表面形成一个稳定的电势差U 研究电流中的某一个自由电子 其带电量为e 根据牛顿第二定律有由电流的微观表达式I neSv nedLv 解方程组得 U BI ned 例7 如图所示 一束电子以大小不同的速率沿图示方向飞入横截面是一正方形的匀强磁场 下列判断正确的是 A 电子在磁场中运动时间越长 其轨迹线越长B 电子在磁场中运动时间越长 其轨迹线所对应的圆心角越大C 在磁场中运动时间相同的电子 其轨迹线一定重合D 电子的速率不同 它们在磁场中运动时间一定不相同 解析 在图中画出了不同速率的电子在磁场中的轨迹 由前面的知识点可知轨迹的半径R mv qB 说明了半径的大小与电子的速率成正比 但由于电子在磁场中运动时间的长短仅与轨迹所对应的圆心角大小有关 故可判断图中五条轨迹线所对应的运动时间关系有t5 t4 t3 t2 t1显然 本题选项中只有B正确 如右图 例8 竖直放置的半圆形光滑绝缘管道处在如图所示的匀强磁场中 B 1 1T 管道半径R 0 8m 其直径POQ在竖直线上 在管口P处以2m s的速度水平射入一个带电小球 可把它视为质点 其电荷量为l0 4C g l0m s2 试求 1 小球滑到Q处的速度为多大 2 若小球从Q处滑出瞬间 管道对它的弹力正好为零 小球的质量为多少 例9 如图所示 在x轴上有垂直于xy平面向里的匀强磁场 磁感应强度为B 在x轴下方有沿y铀负方向的匀强电场 场强为E 一质最为m 电荷量为q的粒子从坐标原点 沿着y轴正方向射出 射出之后 第3次到达X轴时 它与点O的距离为L