8.1 磁场的描述 磁场对电流的作用.pptx

第八章磁场 第一节磁场的描述磁场对电流的作用 一 磁场磁感应强度 1 磁场 1 基本特性 磁场对处于其中的磁体 电流和运动电荷有的作用 2 方向 小磁针的所受磁场力的方向 答案 1 1 磁场力 2 N极 2 大小 B 通电导线垂直于磁场 3 方向 小磁针静止时的指向 3 安培的分子电流假说 安培认为 在原子 分子等物质微粒的内部 存在着一种 分子电流 分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体 它的两侧相当于 2 磁感应强度 1 物理意义 描述磁场的 答案 2 1 强弱和方向 2 3 N极 3 环形电流两个磁极 二 磁感线及几种常见的磁场分布 1 磁感线 在磁场中画出一些曲线 使曲线上每一点的方向都跟这点的磁感 应强度的方向一致 答案 1 切线 2 几种常见的磁场 1 条形磁铁和蹄形磁铁的磁场 如图所示 2 几种电流周围的磁场分布 3 匀强磁场 在磁场的某些区域内 磁感线为的平行线 如图所示 答案 2 越弱最强越弱 3 同向等密 在赤道平面上 距离地球表面高度相等的各点 磁感应强度 且方向水平 答案 4 南极北极 相等向北 4 地磁场 地磁场的N极在地理附近 S极在地理附近 磁感线分布如图所示 三 磁场对电流的作用 安培力 1 大小 若I B时 若I B时 F BIl 2 方向 总垂直于所决定的平面 即一定垂直于B和I 但B与I不一定垂直 可以用左手定则来判定 伸开左手 使大拇指跟其余四个手指 并且都跟手掌在 把手放入磁场中 让磁感线 使伸开的四指指向的方向 那么 所指的方向 就是通电导线在磁场中的受力方向 答案 1 F 0 2 B I垂直同一平面内垂直穿入手心电流拇指 3 两平行通电导线间的作用 同向电流相互 反向电流相互 答案 3 吸引排斥 一 磁感线和电场线的比较 自主探究1 关于电场线和磁感线的下列说法中错误的是 A 静电场的电场线总是从正电荷或无穷远出发 终止于无穷远或负电荷 B 磁感线总是从磁体北极出发 到磁体南极终止 C 电场中某点的电场强度方向就是电场线的切线方向 也是正电荷所受电场力的方向 D 磁场中某点的磁场方向就是磁感线的切线方向 也是小磁针北极在该点的受力方向 答案 B 归纳要点 二 对磁感应强度的理解 自主探究2 关于磁感应强度的概念 以下说法中正确的有 A 电流元Il在磁场中受力为F 则磁感应强度B一定等于 B 电流元Il在磁场中受力为F 则磁感应强度可能大于或等于 C 磁场中电流元受力大的地方 磁感应强度不一定大 D 磁场中某点磁感应强度的方向与电流元在此点的受力方向相同 答案 BC 归纳要点1 磁感应强度是用比值法定义的 其大小由磁场本身的性质决定 与放入的直导线的电流I的大小 导线的长短L的大小无关 解析 判断磁感应强度的大小 需要在电流元受力最大的前提下进行 选项A B中的力F可能小于或等于最大受力 因此 磁感应强度B可能大于或等于 电流元在磁场中受力与其放置方位有关 因此电流元受力大的地方 磁感应强度不一定大 磁场的方向规定为小磁针N极的受力方向 与电流元受力方向不相同 2 由定义式B 计算B时 通电导线必须垂直于磁场 若通电导线平行于磁场 则不受安培力 但不能说该处磁感应强度为零 3 磁感应强度是矢量 其方向是放入其中的小磁针静止时N极的指向 不是磁场中电流所受安培力的方向 而是与受到安培力的方向垂直 4 磁感应强度与电场强度有很多方面类似 但要注意二者的区别 1 电荷在电场中总是受力 而电流在磁场中不一定受力 且受力情况取决于电流与磁场方向的关系 两者方向平行时不受力 垂直时受力最大 2 电场力方向总与电场强度方向在同一条直线上 但安培力方向与 磁场方向总是垂直的 且垂直于磁场和电流决定的平面 三 安培力的理解 自主探究3 如图所示 一段导线ABCD位于磁感应强度大小为B的匀强磁场中 且与磁场方向 垂直于纸面向里 垂直 线段AB BC和CD的长度均为l 且 ABC BCD 135 流经导线的电流为I 方向如图中箭头所示 导线段ABCD所受到的磁场的作用力的合力 A 方向沿纸面向上 大小为 1 IlB B 方向沿纸面向上 大小为 1 IlB C 方向沿纸面向下 大小为 1 IlB D 方向沿纸面向下 大小为 1 IlB 答案 A解析 将导线分为三段直导线 根据左手定则分别判断出安培力的方向 根据F BIl计算出安培力的大小 再求合力 导线所受合力F BIl 2BIlsin45 1 IlB 方向沿纸面向上 归纳要点 安培力的方向取决于电流和磁场方向决定的平面 且总与该平面垂直 处理此类问题首先要把立体图改画为截面图 要正确判断出通电导线与磁场方向的关系 注意分析二者是否垂直 分析出安培力及其他力来 这类问题本质上是力学问题 另外 计算弯曲导线受的安培力 要注意弯曲导线的有效长度L等于两端点连接直线的长度 如图所示 相应的电流方向沿L由始端流向末端 同一平面内任何形状的闭合线圈 通电后在匀强磁场中受到的安培力的矢量和一定为零 因为有效长度L 0 易错辨析 请你判断下列表述正确与否 对不正确的 请予以更正 1 电流在磁场中受力为零 说明该处磁感应强度为零 2 磁体的磁感线不论在磁体外部还是在内部都是由N极指向S极 3 同名磁极相互排斥 异名磁极相互吸引 与此类似 同向电流相互排斥 异向电流相互吸引 4 安培力F 磁感应强度B 电流I三者方向总相互垂直 5 安培力计算公式F BIL的成立条件是磁感应强度B垂直于电流I 即B I 答案 1 错误 电流在磁场中受力为零 磁感应强度有可能不为零 如 电流方向与磁场方向平行 2 错误 在磁体外部磁感线由N极指向S极 在内部是由S极指向N极 3 错误 同向电流相互吸引 异向电流相互排斥 4 错误 安培力F与磁感应强度B 电流I一定垂直 但磁感应强度B与电流I方向不一定垂直 5 正确 提升应用技巧的突破口 例1 如图所示 直导线AB 螺线管C 电磁铁D三者相距较远 它们的磁场互不影响 当开关S闭合后 则小磁针的北极N 黑色一端 指示出的磁 命题研究一 安培定则的应用 场方向正确的是 A a c B b c C c d D a d 思路点拨 由安培定则判断出磁场的分布 小磁针的N极总是指向磁场的方向 解析 据安培定则判断出 1 AB直导线磁场在小磁针a所在位置垂直纸面向外 所以磁针a的N极指向正确 2 C左侧为N极 内部磁场向左 所以磁针c的N极指向正确 磁针b的N极指向不正确 3 D左端为S极 右端为N极 所以磁针d的N极指向也不正确 规律总结 在运用安培定则判定直线电流和环形电流的磁场时有所不同 在判定直线电流的磁场方向时 大拇指指向 电流方向 四指指向 磁场绕向 在判定环形电流磁场方向时 四指指向 电流绕向 大拇指指向 环内沿中心轴线的磁感线方向 答案 A 拓展链接1磁铁放久了 其磁性将变弱 为了保持其磁性 我们需要给磁铁充磁 充磁的方式有两种 图甲是将条形磁铁穿在通电螺线管中 图乙是将条形磁铁夹在电磁铁之间 a b和c d接直流电源 下列接线正确的是 C a接电源负极 b接电源正极 c接电源正极 d接电源负极 B a接电源正极 b接电源负极 c接电源负极 d接电源正极 D a接电源负极 b接电源正极 c接电源负极 d接电源正极 答案 B解析 充磁时 应使外加磁场方向与磁铁的磁场方向相同 甲图中 因磁铁在螺线管内部 应使螺线管内部磁感线方向从右向左 由安培定则可判定 a接电源正极 b接电源负极 乙图中 同理可知 右端为螺线管N极 左端为S极 由安培定则可判定c接电源负极 d接电源正极 故B正确 A a接电源正极 b接电源负极 c接电源正极 d接电源负极 例2 如图所示 一根通电直导线垂直放在磁感应强度为1T的匀强磁场中 在以导线截面的中心为圆心 r为半径的圆周上有A B C D四个点 已知A点的磁感应强度为0 则下列叙述正确的是 命题研究二 磁场的叠加问题 A 直导线中的电流方向垂直纸面向里 B B点的实际磁感应强度为T 方向斜向右上方 与竖直方向的夹角为45 C C点的实际磁感应强度也为0 D D点的实际磁感应强度与B点相同 思路点拨 由A点的实际磁感应强度为0 根据安培定则判断出电流方向 每一点的磁感应强度为电流的磁场和匀强磁场的叠加 遵从矢量合成法则 解析 A点的实际磁感应强度为0 即直线电流在A处的磁感应强度与匀强磁场在该处的磁感应强度的矢量和为0 所以直线电流在A处的磁感应强度为1T 方向向左 由安培定则可得直导线中的电流方向垂直纸面向里 由于圆周上各点到直导线的距离相同 所以直线电流在圆周上各处的磁感应强度大小均为1T 但方向不同 在B处向上 在C处向右 在D处向下 则B C D三处的实际磁感应强度分别为T 方向斜向右上方与竖直方向成45 夹角 2T 方向向右 T 方向斜向右下方与竖直方向成45 夹角 选项A B正确 规律总结 空间中磁场叠加 在某一点的磁场方向即该点的磁感应强度的方向只有一个 即合磁场方向 应用平行四边形定则求解 答案 AB 拓展链接2 2011 全国理综 如图 两根相互平行的长直导线分别通有方向相反的电流I1和I2 且I1 I2 A B C D为导线某一横截面所在平面内的四点 且A B C与两导线共面 B点在两导线之间 B D的连线与导线所在平面垂直 磁感应强度可能为零的点是 A A点B B点C C点D D点 答案 C解析 空间某点的磁感应强度的大小和方向是I1 I2各自产生的磁场叠加的结果 距离导线越近的地方 磁场越强 根据安培定则 只有在C点 两条导线电流各自产生的磁场才有可能大小相等 方向相反 叠加后互相抵消 磁感应强度为零 例3 如图所示 把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方 导线可以自由转动 当导线通入图示方向电流I时 导线的运动情况是 从上往下看 命题研究三 导体在安培力作用下的定性分析 A 顺时针方向转动 同时下降 B 顺时针方向转动 同时上升 C 逆时针方向转动 同时下降 D 逆时针方向转动 同时上升 思路点拨 首先明确常见磁场的磁感线分布情况 然后取 电流元 用左手定则判定其受力方向 特别注意导线旋转后 磁场有了垂直于纸面的分量而导致向下受力 解析 1 电流元法如图所示 把直线电流等效为AO O O OB三段 O O段极短 电流元 由于O O段电流方向与该处磁场方向平行 所以不受安培力作用 AO 段电流元所在处的磁场方向倾斜向上 根据左手定则可知其所受安培力方向垂直于纸面向外 OB段电流元所在处的磁场方向倾斜向下 同理可知其所受安培力方向垂直于纸面向里 综上可知导线将以OO 段为轴顺时针转动 俯视 2 特殊位置法 把导线转过90 的特殊位置来分析 根据左手定则判得安培力方向向下 故导线在顺时针转动的同时向下运动 综上所述 选项A正确 答案 A 规律总结1 判定安培力作用下导体运动情况的常用方法 2 在本题中 除了已用到的两种方法外 还可以应用 转换研究对象法 即假设导线固定不动 判断出蹄形磁铁的N S极受力方向 从而确定蹄形磁铁的转动方向 再根据实际情况 将结论反过来即可 拓展链接3 如图所示 用细橡皮筋悬吊一轻质线圈 置于一固定直导线上方 线圈 可以自由运动 当给两者通以图示电流时 线圈将 A 靠近直导线 两者仍在同一竖直平面内 B 远离直导线 两者仍在同一竖直平面内 C 靠近直导线 同时旋转90 D 远离直导线 同时旋转90 答案 A 解析 由安培定则知 通电直导线在线圈处产生的磁场垂直于纸面向外 为了判定通电线圈在这一磁场内的受力方向 不妨将它分成足够多的等份来处理 这样每一小段便可看做是一小段通电直导线 结合左手定则可判定出各段受力皆背离圆心 但由于直线电流的磁场不均匀 靠近直导线的部分磁场较强 因而线圈靠近直导线的部分受力较大 考虑对称性特点 将各段受力合成时 合力方向一定竖直向下 这样线圈必定靠近直导线 并仍处于竖直平面内 例4 如图所示 质量为60g的铜棒长为a 20cm 棒两端与长为l 30cm的细软铜线相连 吊在磁感应强度B 0 5T 竖直向上的匀强磁场中 当棒中通过恒定电流I后 铜棒向上摆动 最大偏角 60 g取10m s2 求 命题研究四 通电导线在安培力作用下的力学问题 1 铜棒中电流I的大小及方向 2 铜棒在摆动过程中的最大速度 结果保留一位有效数字 解析 1 因铜棒的最大摆角为 60 由运动对称性可知 铜棒上摆30 时速度最大 此处铜棒所受的合力为零 对铜棒受力分析如图所示 由左手定则可知 电流的方向向左 由平衡条件有BIa mgtan30 代入数据得I 2A 2 当铜棒上摆30 时速度最大 设最大速度为v 由动能定理可得 BIa mgl 1 cos30 mv2 而BIa mgtan30 结合以上两式得 v2 gltan30 2gl 1 cos30 代入数据得 v 1m s 规律总结 为了便于分析 此类问题首先要画出截面图 要正确判断出电流方向与磁场方向的关系 注意分析二者是否垂直 分析出安培力及其他力来 这类问题本质上是力学问题 答案 1 2A方向向左 2 1m s 拓展链接4 2011 课标全国理综 电磁轨道炮工作原理如图所示 待发射弹体可在两平行轨道之间自由移动 并与轨道保持良好接触 电流I从一条轨道流入 通过导电弹体后从另一条轨道流回 轨道电流可形成在弹体处垂直于轨道面的磁场 可视为匀强磁场 磁感应强度的大小与I成正比 通电的弹体在轨道上受到安培力的作用而高速射出 现欲使弹体的出射速度增加至原来的2倍