第十二章--磁场.ppt

知识结构 第一节磁场 一 电流的磁场 1 电流与磁场的相互作用 通电导线在磁场中受到力的作用 说明电流与磁场有相互作用 2 电流与电流的相互作用 两条通电导线在它们的电流方向相同或相反时会产生吸引或排斥的力 说明电流和电流之间也会通过磁场发生力的作用 二 磁现象的电本质 1 安培分子电流假说 1 在原子 分子等物质微粒内部存在着一种环形电流 分子电流 分子电流使每个物质微粒都成为一个微小的磁体 它的两极相当于两个磁极 这两个磁极不可分割地联系在一起 2 磁铁的磁场和电流的磁场一样 都是由电荷的运动产生的 但并不是说所有磁场都是由运动电荷产生的 因为变化的电场也能产生磁场 2 用安培分子电流假说解释有关磁现象 1 每个分子电流就相当于一个小的磁铁 当它们排列整齐的时候 对外显示出磁性 当它们排列不整齐的时候 对外不显示出磁性 2 物体分子的环形电流在受到外界的机械振动或者高温的影响下 会使其排列由整齐变为不整齐 就是失去磁性 反之就是产生磁性 3 磁性材料 能够被强烈磁化的物质叫磁性材料 磁化后容易去磁的叫软磁性材料 不容易去磁的叫做硬磁性材料 磁体和通电导线周围都存在着 磁体间 磁体和电流间以及电流和电流之间的相互作用都是通过发生的 安培的假说揭示了磁现象的 磁铁的磁场和电流的磁场一样 都是由产生的 磁场 磁场 分子电流 电本质 电荷的运动 关于磁现象的电本质 安培提出了分子电流的概念 他是在怎样的情况下提出来的 A 安培通过精密的仪器观测到了分子电流B 安培通过环形电流的磁性与磁铁相似 提出的一种假说C 安培根据原子结构理论 进行严格推理得出的结论D 安培凭空想出来的 B 图是铁棒甲与铁棒乙内部各分子电流取向的示意图 甲棒内部各分子电流取向是杂乱无章的 乙棒内部各分子电流取向大致相同 则下面说法正确的是A 两棒均显磁性B 两棒均不显磁性C 甲棒不显磁性 乙棒显磁性D 甲棒显磁性 乙棒不显磁性 下列关于对磁铁的使用的说法中正确的是A 磁铁受到撞击 会使磁铁的磁性减弱B 原先没有磁性的铁 在长期受到磁铁的吸引会产生磁性C 对磁铁加热 会使磁铁的磁性减弱D 永磁体在受到加热或敲打后 其磁性不会发生改变 C ABC 安培的分子电流假说 可以解释A 电荷定向移动的原因 B 电流为什么能产生磁场C 通电导线在磁场中为什么受力 D 磁体在高温下为什么会失去磁性 下列物品中必须用到磁性材料的是A 录像带 B 计算机上的磁盘 C 银行的信用卡 D 喝水用的搪瓷杯子 BD ABC 三 磁场的性质 1 磁场是存在于磁体及运动电荷周围的一种特殊物质 它的基本性质是对放入其中的磁极及运动电荷有力的作用 对磁极一定有力的作用 对电流可能有力的作用 2 磁场力的本质 磁极和电流之间的相互作用力 包括磁极与磁极 电流与电流 磁极与电流 都是运动电荷通过磁场发生的 3 磁场的方向 人们规定 某点的磁场方向就是小磁针N极在该点的受力方向 注意 人们并不把运动的正电荷在某点的受力方向作为该点的磁场方向 磁场中一系列的有向曲线 这些曲线上每一点的切向方向 都和该点的磁场方向一致 疏密程度反映磁场的强弱程度 4 磁感线 磁感线是不存在 不相交的闭合曲线 5 典型磁场的磁感线 5 典型磁场的磁感线 地磁场 特点 1 地磁场的N极在地球南极附近 S极在地球北极附近2 地磁场B的水平分量总是从地球南极指向北极 竖直分量在南半球垂直地面向上 在北半球垂直地面向下3 在赤道平面上 距地球表面高度相等的各点 磁感应强度相等 且方向水平向北 地面附近的磁感应强度约为10 5T的数量级 6 安培定则及其应用 1 直线电流 用右手握住导线 让大拇指所指的方向跟电流的方向一致 弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向 2 环形电流 让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致 伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向 3 通电螺线管 用右手握住通电螺线管 让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致 大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向 4 虽然都叫安培定则 都是用右手进行判断 但是它们应用的场合是不同的 且对直导线 四指指磁感线方向 对环形电流 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 下列关于磁感线的叙述 正确的说法是A 磁感线是磁场中确实存在的一种曲线B 磁感线总是从N极指向S极C 磁感线是由磁场中的铁屑形成的D 磁感线是根据磁场的性质人为画出来的曲线 在某个区域中存在磁场 这个区域中某点的磁场方向是A 正电荷在该点的受力方向 B 小磁针S极在该点的受力方向C 沿磁感线由N极指向S极 D 在该点磁感线的切线方向上 D D 二 磁感应强度 1 磁场的强弱用磁感强度B定量描述 磁感强度的定义式为 B F IL 条件是匀强磁场 或 L很小 并且L B 磁感强度大 表示磁场强 磁感强度小 表示磁场弱 该定义式中的F是指垂直置入磁场中的检验电流所受到的磁场力 磁感强度由磁场本身性质所决定 与检验电流无关 2 磁感强度的单位是特斯拉 简称特 符号是T 1T 1N Am 1kg As2 3 磁感强度是矢量 它的方向是在磁场中小磁针N极受力的方向 4 在磁场中画出一些有方向的曲线是磁感线 在磁感线上每一点的切线方向是磁感强度的方向 6 表示磁场强弱的物理量叫 它在国际单位制中的单位是 7 以下关于磁感强度的说法 正确的是A 在电场中电量为1C的点电荷 受到电场的作用力为1N时点电荷所在处的磁感强度是1TB 在磁场中电量为1C的点电荷 受到磁场的作用力为1N时点电荷所在处的磁感强度是1TC 在电场中垂直于电场方向的导线 通过1A的电流 受到电场的作用力为1N时导线所在处的磁感强度是1TD 在磁场中垂直于磁场方向的导线 通过1A的电流 受到磁场的作用力为1N时导线所在处的磁感强度是1T 磁感应强度 特斯拉 D 磁场中某点的磁感强度的方向是A 正电荷在该点的受力方向 B 小磁针S极在该点的受力方向C 沿磁感线由N极指向S极 D 在该点磁感线的切线方向上 下列关于磁感线的叙述 正确的说法是A 磁感线是磁场中确实存在的一种曲线B 磁感线总是从N极指向S极C 磁感线是由磁场中的铁屑形成的D 磁感线是根据磁场的特性人为地画出来的曲线 如图是地球的示意图 图上的A点表示北极 请你在这个图中画出一条地磁场的磁感线 D D 第二节磁场对电流的作用 1 安培力磁场对通电导线的作用力称安培力 其大小为F BILsin 其中 表示电流方向与磁感强度方向的夹角 安培力的方向可用左手定则判定 由左手定则可知 安培力F一定垂直B I所组成的平面 综合安培定则和左手定则 可以证明两同向电流互相吸引 两反向电流互相排斥 因此 螺线管通电后 在轴向上有收缩趋势 在径向上有扩张趋势 注意 当B 方向确定时 安培力F的方向也就确定了 而当F B方向确定时 I的方向不是唯一的 2 左手定则 伸开左手 使大拇指跟其余四个手指垂直 并且都跟手掌在一个平面内 把手放入磁场中 让磁感线垂直穿入手心 并使伸开的四指指向电流的方向 那么大拇指所指的方向 就是通电导线在磁场中的受力的方向 磁场对电流发生作用 如图不计通电导线的重力 在磁场力作用下 导线将如何运动 分析 先画出导线所在处的磁感线 上下两部分导线所受安培力的方向相反 使导线从左向右看顺时针转动 同时又受到竖直向上的磁场的作用而向右移动 解题小结 定性分析可以 用左手定则 用 同性相斥 异性相吸 只适用于磁铁或螺线管外部 用 同向电流相吸 反向电流相斥 反映了磁现象的电本质 可以把条形磁铁等效为长直螺线管 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 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 解答 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 质量为m的通电导体棒ab置于倾角为 的导轨上 如图所示 已知导体与导轨间的动摩擦因数为 在图所加各种磁场中 导体均静止 则导体与导轨间摩擦力为零的可能情况是 解 要使静摩擦力为零 如果N 0 必有f 0 图B选项中安培力的方向竖直向上与重力的方向相反可能使N 0 B正确 如果N 0 则导体除受静摩擦力f以外的其他力的合力只要为零 那么f 0 在图A选项中 导体所受到的重力G 支持力N及安培力F安三力合力可能为零 则导体所受静摩擦力可能为零 图的C D选项中 从导体所受到的重力G 支持力N及安培力F安三力的方向分析 合力不可能为零 所以导体所受静摩擦力不可能为零 故A B正确 解 画其截面图 如图所示 如图所示 金属杆ab质量为m 长为L 通过的电流为I 处在磁感应强度为B的匀强磁场中 结果ab静止且紧压于水平导轨上 若磁场方向与导轨平面成 角 求 1 棒ab受到的摩擦力 2 棒对导轨的压力 如图所示 有一金属棒ab 质量m 5g 电阻R 1 可以无摩擦地在两条轨道上滑动 轨道间的距离d 10cm 电阻不计 轨道平面与水平面间的夹角 置于磁感应强度B 0 4T 方向竖直向上的匀强磁场中 回路中电池的电动势E 2V 内电阻r 0 1 问变阻器的电阻Rb为多大时 金属棒恰好静止 解析 由题意可知 金属棒ab受重力 支持力和安培力而平衡 画出受力平面图如图所示 则有 F mgtan30 又 F BIL 联立 式 待入数据可解得 Rb 1 7 平行光滑导轨宽度为L 导线平面与水平面夹 角 在导轨回路中有电动势为 内阻为r的电池 回路其他电阻均集中在R 如图所示 一根质量为m 长为L的金属棒ab水平置于导轨平面上 在磁场作用下保持静止 试求 分析 金属棒ab能静止在导轨平面上 必然是ab的重力G 导轨 即 若B垂直斜面向下 则 即 若B垂直水平面向下 则 在图中 标出了磁场的方向 通电直导线中电流I的方向 以及通电直导线所受安培力F的方向 其中正确的是 如图所示 要使线圈abed受到磁场力后 ab边向纸外 cd边向纸里转动 可行的方法是A 施加垂直纸面向外的磁场 同时通以abcd电流B 施加平行纸面向上的磁场 同时通以abcd电流C 施加平行纸面向下的磁场 同时通以adcb电流D 施加垂直纸面向内的磁场 同时通以adcb电流 C BC 某同学画的表示磁场从电流I和安培力F的相互关系如图所示 其中正确的是 D 下列关于通电导线受磁场力的说法 正确的是A 磁场力方向既跟磁场方向垂直 又跟电流方向垂直B 磁场力大小只跟磁场的强弱和电流的强弱有关C 如果导线受到的磁场力为零 导线所在处的磁感强度必为零D 如果导线受到的磁场力最大 导线必与磁场方向垂直 AD 如图所示 在水平方向的匀强磁场中 用两根柔软的细线将金属棒ab悬挂在水平位置上 金属棒中通入由a到b的稳定电流I 这时两根细线被拉紧 现要想使两根细线对金属棒拉力变为零 可采用的方法是A 适当增大电流IB 将电流反向并适当改变大小C 适当增大磁场D 将磁场反向并适当改变大小 把一个可以绕水平轴转动的铝盘放在水平方向的匀强磁场中 匀强磁场的方向与铝盘平面垂直 盘的下边浸在水银糟内 将转轴和水银用导线直接连在电源的两极上 如图所示 则下列说法正确的是A 由于磁场对电流的作用 铝盘将顺时针转动B 由于磁场对电流的作用 铝盘将逆时针转动C 将电源两极对调 铝盘的转动方向不会改变D 将电流及磁场方向同时改变 铝盘的转动方向改变 AC B 2 通电线圈所受到的安培力矩 磁场对运动电荷的作用力称洛仑兹力 洛仑兹力的大小为f Bqvsin 其中 表示磁感强度B与电荷运动方向v的夹角 洛仑兹力的方向可用左手定则判定 因负电荷所受的洛仑兹力方向与正电荷相反 因此 负电荷运动时 左手的四指应指向负电荷运动的反方向 在磁场中 当运动电荷的电性 B的方向 v的方向确定时 其f方向也就确定了 一定垂直于B的方向 v的方向所组成的平面 洛仑兹力的特点 洛仑兹力始终与速度垂直 不改变速度的大小 只改变速度的方向 即洛仑兹力不做功 应当注意 在电场 磁场等混合场中 尽管洛仑兹力不改变速度的大小 但可通过改变速度的方向 间接地使其它力改变速度的大小 二 磁场对运动电荷的作用 公式推导 每个电荷的带电量 q横截面积 S单位体积的电荷数 n定向移动的速率 v 通电导体的长度 L磁感应强度 B 洛伦兹力的大小 1 电场对运动电荷 静止电荷都有电场力的作用磁场只对运动电荷才有磁场力的作用 洛伦兹力与电场力的区别 2 在匀强电场中 电荷所受的电场力是一个恒力即使在匀强磁场中 若运动电荷的速度大小或方向发生变化 洛伦兹力也是一个变力 3 电场力的方向与电场方向平行 正电荷的电场力方向就是电场方向运动电荷所受洛伦兹力永远与磁场方向垂直 4 电场力可对电荷做功洛伦兹力始终与电荷速度方向垂直 永远不会做功 从太阳或其他星体上 时刻都有大量的高能粒子流放出 称为宇宙射线 这些高能粒子流 如果都到达地球 将对地球上的生物带来危害 庆幸的是 地球周围存在地磁场 改变了宇宙射线中带电粒子的运动方向 对宇宙射线起了一定的阻挡作用 洛伦兹力的作用 洛仑兹力的应用 1 速度选择器如图所示 在平行板电容器间加有正交的匀强电场和匀强磁场 运动电荷垂直于电场及磁场射入 沿直线运动的电荷受到的电场力和洛仑兹力满足 qBv qE故速率v E B的粒子 即使电性不同 荷质比不同 也可沿直线穿出右侧小孔 而其它速率的粒子或者上偏 或者下偏 无法穿出右孔 从而该装置可达到选速及控速的目的 2 带电粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动如图所示 带电粒子垂直射入匀强磁场中因洛仑兹力始终垂直于速度 所以当带电粒子垂直射入匀强磁场时 一定作匀速圆周运动 其向心力由洛仑兹力提供 从上式可推出 若带电粒于在磁场中 所通过的圆弧对应的圆心角为 弧度 则运动时间 即运动的时间与粒子的初速 半径无关 如图所示 3 质谱仪如图所示 从离子源放出的离子初速可忽略 经电压为U的加速电场加速后 垂直射入一个有界的磁场 磁感强度为B 然后作匀速圆周运动 落在记录它的照相底片M上 若测出出入口的距离 直径 为d 则可求得离子的荷质比 磁流体发电机原理图如右 等离子体高速从左方向右喷射 两极板间有如图方向的匀强磁场 该发电机哪个极板为正极 两板间最大电压为多少 分析 由左手定则 正 负离子受的洛伦兹力分别向上 向下 所以上极板为正 正 负极板间会产生电场 当离子受的洛伦兹力与电场力等值反向时 达到最大电压 U Bdv 可见正负离子速度方向相同时 在同一磁场中受洛伦兹力方向相反 外电路接通时 电路中有电流 洛伦兹力大于电场力 两板间电压将小于Bdv 垂直纸面向外的匀强磁场仅限于宽度为d的条形区域内 磁感应强度为B 一个质量为m 电量为q的粒子以一定的速度垂直于磁场边界方向从 点垂直飞入磁场区 如图所示 当它飞离磁场区时 运动方向偏转 角 试求粒子的运动速度v以及在磁场中运动的时间t 分析 运动带电粒子以一定速度垂直于磁感线方向飞入匀强磁场后 洛仑兹力提供粒子做匀速率圆周运动所需要的向心力 因而 其运动周期为 粒子在磁场中的运动轨迹不是整圆时 可以通过作辅助线 半径找到圆心 从而求解 解 通过a b两点作即时速度的垂线交于O 则aO bO即为运动粒子轨迹的圆半径R 圆弧ab所对的圆心角 aOb等于其运动方向的偏转角 如图所示 粒子在磁场中运动时间为 1 物理方法 3 几何方法 2 物理和几何方法 作出带电粒子在磁场中两个位置所受洛仑兹力 沿其方向延长线的交点确定圆心 从而确定其运动轨迹 作出带电粒子在磁场中某个位置所受洛仑兹力 沿其方向的延长线与圆周上两点连线的中垂线的交点确定圆心 从而确定其运动轨迹 圆周上任意两点连线的中垂线过圆心 圆周上两条切线夹角的平分线过圆心 过切点作切线的垂线过圆心 如图所示 在y 0的区域内存在匀强磁场 磁场方向垂直于xy平面并指向纸面外 磁感应强度为B 一带正电的粒子以速度v0从O点射入磁场 入射方向在xy平面内 与x轴正向的夹角为 若粒子射出磁场的位置与O点的距离为L 求该粒子的电量和质量之比q m 解 由几何知识 粒子的运动半径 r L 2sin 粒子的运动半径 r mv qB 由上两式可得粒子的荷质比 q m 2vsin BL 作出粒子运动轨迹如图 设P点为出射点 一带电质点 质量为m 电量为q 以平行于Ox轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限所示的区域 为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于Ox轴的速度v射出 可在适当的地方加一个垂直于Oxy平面 磁感应强度为B的匀强磁场 若此磁场仅分布在一个圆形区域内 试求这个圆形磁场区域的最小半径 重力忽略不计 解 连接MN 所求的最小磁场区域应以MN为直径的圆形区域 故所求磁场区域的最小半径为 过P点作角 aPb的角平分线 然后在角 aPb的平分线上取一点O 以O 为圆心 以R为半径作圆与aP和bP分别相切于M点和N点 粒子的运动迹为MN的一段圆弧 P 如图所示 有两条互相绝缘的 垂直放置的导线a和b a中通有竖直向下的电流 b中通有水平向右的电流 导线a固定 导线b可自由运动 那么正确说法是A 导线b顺时针转动同时向a靠拢B 导线b逆时针转动同时向a靠拢C 导线b顺时针转动同时远离aD 导线b逆时针转动同时远离a 答案 A 有关磁现象及其电本质的判断 正确的是 A 同向电流间的吸引力是通过磁场来实现的B 安培分子电流假设揭示了磁体的磁场也是一种特殊的运动电荷 分子电流 所激发的C 安培分子电流假设是用来解释通电导线产生磁场的原因的D 安培分子电流假设是用来解释通电导线间有相互作用力的原因的 答案 AB 第四节带电微粒在复合场中的运动 1 带电微粒在电场中的运动 1 加速 2 偏转2 带电微粒在磁场中的运动 1 匀速运动 2 匀速圆周运动3 带电微粒在电场 磁场的复合场中的运动 1 电场与磁场垂直带电微粒做匀速运动 2 电场与磁场平行带电微粒做匀加速直线运动4 带电微粒在电场 磁场与重力场的复合场中的运动 1 三场正交带电微粒做匀速运动 2 电场与磁场平行与重力场成角度带电微粒做匀速运动 3 电场力与重力平衡且与磁场垂直带电微粒做匀速圆周运动5 带电体的运动 1 带电微粒在电场中的运动 1 加速 2 偏转 2 带电微粒在磁场中的运动 1 匀速运动 2 匀速圆周运动 3 带电微粒在电磁场中的运动 1 电场与磁场垂直带电微粒做匀速运动 2 电场与磁场平行带电微粒做匀加速直线运动 4 带电微粒在电场 磁场与重力场的复合场中的运动 1 三场正交带电微粒做匀速运动 2 电场与磁场平行与重力场成角度带电微粒做匀速运动 3 电场力与重力平衡且与磁场垂直带电微粒做匀速圆周运动 5 带电体的运动 质量为m 正电量为q的小球串在一根倾角为 的绝缘长杆上 如图 球与杆之间的动摩擦因数为 整个装置置于纸面内 并处在垂直纸面向外的磁感应强度为 的匀强磁场中 求小球从静止起沿杆下滑时的最大加速度和最大速度 解析 要详细分析小球下滑的物理过程 才能知道小球在什么时候有最大加速度和什么时候有最大速度 开始球受摩擦力f mgcos 按题意 mgsin f 故球加速下滑 于是出现了垂直杆子向上的洛仑兹力 它使杆与球之间的正压力 减小 摩擦力f随着减小 加速度增大 到 处时 洛仑兹力已大到 mgcos 因而球与杆间无挤压 摩擦力消失 此时加速度最大 随着速度增大 继续变大 球与杆间正压力 转为垂直杆子向下 摩擦力再次出现使加速度减小 但速度仍增大 据此 在 处 am mgsin m gsin 在 处 由f mgsin 得 qvm mgcos mgsin 解得vm mg sin cos qf Bqv v变化 f变化 F合变化 a变化 到 处时 摩擦力大到f mgsin 小球加速度为零 然后 球向下匀速滑动 球在 处有最大收尾速度vm 在图中 各图已标明电流 或运动电荷速度 磁感强度B 和安培力 或洛仑兹力 这三个物理量的方向 其中正确的是 答案 D 在垂直纸面向里的匀强磁场B中 有一个垂直磁感线的环形线圈 通有顺时针电流I 如图所示 则下列叙述中正确的是A 环形线圈所受的磁力的合力为零 且所受的磁力矩也为零B 环形线圈所受的磁力的合力不为零 磁力矩也不为零C 环形线圈有收缩的趋势D 环形线圈有扩张的趋势 答案 AD 显像管的磁偏转线圈由