高中物理知识全解 2.4 磁场的基本性质

1 高中物理知识全解高中物理知识全解 2 4 磁场的基本性质磁场的基本性质 注意 左手生力 右手生电生磁 基础知识 1 磁场 磁体或电流周围存在一种特殊物质 能够传递磁体与磁体之间 磁体与电流之间 电流与电流之间的相互作用 这种特殊的物质叫磁场 2 磁场的基本性质 对放入其中的磁极 电流或运动电荷产生力的作用 3 磁场的产生 I 永磁体周围存在磁场 II 电流周围存在磁场 电流的磁效应 注意 结合安培右手定则及楞次定律判定磁场的方向 4 磁场决定磁场强度的客观性 磁场强度是由磁场所决定的客观物理量 例题 由公式 FsinBq 洛 可知 在磁场中的同一点 磁场强度 B 与 F洛 成正比 与 sinq 成反比 无论带电粒子所带电量如何变化 Fsinq 洛 始终不变 磁场中某点的磁场强度为零 则带电粒子在该点所受的磁场力一定为零 如果磁场中有静止的带电粒子 则该带电粒子不受磁场力 若带电粒子在某点不受磁场力 则说明该点磁场强度为零 磁场中的运动电荷不一定受磁场力 答案 BCDF 5 磁现象 I 磁性 物质具有吸引铁 钴 镍等物质的性质 II 磁体 具有磁性的物体叫磁体 磁体可分为 永磁体 即硬磁体 和软磁体两大类 III 磁极 磁体的各部分磁性强弱不同 磁性最强的区域叫磁极 任何磁铁都有两个磁极 一个叫南极 S 极 一个叫北极 N 极 IV 磁极间的相互作用 同名磁极相互排斥 异名磁极相互吸引 6 电流的磁效应 I 电流对小磁针的作用 奥斯特实验 奥斯特发现 电流能使磁针偏转 如下图所示 II 磁体对通电导线的作用 磁体对通电导线产生力的作用 使悬挂 在蹄形磁铁两极间的通电导线发生移动 如下图 所示 2 III 电流和电流间的相互作用 相互平行且距离较近的两条导线 当导线中分别通以方向相同的电流时 两导线相互吸引 当导线中通以方向相反的电流时 两导线相互排斥 如下图所示 总结 不仅磁铁能产生磁场 电流也能产生磁场 这个现象称为电流的磁效应 奥斯特实 验的意义在于不仅发现了电流的磁效应 而且揭示了电与磁之间是有联系的 一 磁感线 注意 磁感线实际不存在 是为了方便研究磁场的性质而人为画出来的 定义 在磁场中画出一些曲线 使曲线上每一点的切线方向都跟这点的磁感应强度的方 向一致 这样的曲线就叫做磁感线 特点 1 磁感线上某一点的切线方向就是该点的磁场方向 2 磁场中任何一条磁感线都是闭合曲线 在磁体外部由 N 极到 S 极 在磁体内部由 S 极 到 N 极 因为磁感线是闭合曲线 所以磁体内部磁感线与外部磁感线的总条数相等 内部 磁感线比外部磁感线更密集 两极的磁感线比磁体外部其它区域的磁感线更密集 注意 磁体内部磁感线容易忽略而错解 例题 如下图所示 在竖直放置的条形磁铁的中垂面内套有两个线框a和b 且a的面 积小于b的面积 则磁通量 a 和 b 哪个更大 3 例 如下图所示 同上原理可知 当通电螺线管中的电流增大时 则从左往右看 线圈 A 中产生顺时针的电流 当通电螺线管中的电流减小时 则从左往右看 线圈 A 中产生逆时 针的电流 3 磁感线的疏密程度能反映磁场的强弱 磁感线越密的地方表示磁场越强 磁感线越疏的 地方表示磁场越弱 4 磁场中某点的磁场方向是唯一的 所以磁感线不相交 磁感线与电场线的不同点与共同点 电场线磁感线 区 别 之 处 起始于正电荷或无穷远 终止于负电 荷或无穷远 是不闭合的曲线 磁体外部是从 N 极到 S 极 磁体 内部是从 S 极到 N 极 是闭合曲 线 相 似 之 处 都是为了形象地描述场而人为引入的 实际中并不存在 疏密都表示场的强弱 任意两条电场线或磁感线都不相交 曲线上任意一点的切线方向都表示该点的场的方向 几种常见磁场的磁感线分布情况 1 磁铁的磁场 2 通电直导线的磁场 安培右手定则 3 环形电流的磁场 安培右手定则 4 4 通电螺线管的磁场 安培右手定则 5 地球的磁场 I 地磁场 地球本身是一个磁体 附近存在的磁场叫地磁场 地磁场的南极在地理北极附 近 不重合 地磁场的北极在地理南极附近 不重合 如上图所示 1 地磁体周围的磁场分布与条形磁铁周围的磁场分布情况相似 地球外部 两极磁性最 强 中部空间磁性最弱 2 由洛伦兹力的性质可知 地磁场对垂直入射的宇宙射线有阻挡作用 且阻挡作用在赤 道最强 两级最弱 由左手定则可知垂直射向地球赤道的宇宙射线在地磁场的阻挡作用下 会向东西方向偏转 II 磁偏角 地球的地理两极与地磁两极并不重合 磁针并非准确地指南或指北 其间有 一个夹角 叫地磁偏角 简称磁偏角 世界上最早发现并准确记述磁偏角的是我国宋代学 者沈括 III 放在地球周围的指南针当指针静止时两端分别指南和指北 这就是受到了地磁场作用 的结果 例题 在北京地区进行如下实验 一个可以在水平面内自由转动的小磁针 在地磁场作 用下保持静止 一根长直导线位于小磁针的北方 竖直放置 且通有竖直向上的电流 已知 地磁场的水平分量为 1 B 长直导线电流产生的磁场在小磁针处的磁感应强度为 0 B 则小磁 5 针的 N 极将 A 向西偏转角度 1 0 arctan B B B 向西偏转角度 0 1 arctan B B C 向东偏转角度 1 0 arctan B B D 向东偏转角度 0 1 arctan B B 例题 具有金属外壳的人造地球卫星 在环绕地球做匀速圆周运动时 A 如果卫星沿着地球的经线绕地球运动 则在通过地磁场两极上空时 卫星的表面将产生 感应电流 B 如果卫星的运行轨道经过泰国曼谷和日本东京的上空 则它的表面不会产生感应电流 C 如果卫星在地球同步轨道上运行 它的表面不会产生感应电流 D 如果卫星表面产生了感应电流 它的机械能将减小 轨道半径减小 运行速率减小 解析 结合地球的自转 地磁场的分布及卫星的运动情况可知 AC 正确 B 错误 如果卫 星表面产生了感应电流 它的机械能将减小 轨道半径减小 运行速率增大 D 错误 答 案 AC 例题 由于地磁场的存在 飞机在一定高度水平飞行时其机翼就会切割磁感线 机翼的 两端之间就会有一定的电势差 若飞机在北半球水平飞行 则从飞行员的角度看机翼左端 的电势比右端的电势 A 低 B 高 C 相等 D 以上情况都有可能 源 所以 B 选项正确 答案 B 二 磁场强度 大小 B sinsin FF ILq 安洛 1 单位 在国际单位制中 磁感应强度的单位是特斯拉 简称特 符号是 T 2 由安培力与洛伦兹力的性质理解 角的物理意义 一般情况 0 90sin1 即 方向 磁感线的切线方向 小磁针静止时北极的指向 注意 磁场强度 B 是矢量 遵守平行四边形法则 例题 有 a b c d 四个小磁针 分别放置在通电螺线管的附近和内部 如 右图所示 其中小磁针的指向正确的是 6 A a B b C c D d 解析 由右手螺旋定则 可知螺线管内部的磁场方向向左 小磁针的 N 极方向向左 D 项 正确 外部磁感线由 N 极到 S 极 故 A B C 均错 答案 D 匀强磁场 1 定义 匀强磁场是强弱 方向处处相同的磁场 2 磁感线分布特点 匀强磁场的磁感线是间隔相等的平行直线 3 距离很近的两个异名磁极之间的磁场可以认为 是匀强磁场 相隔一定距离的两个平行 放置的相同线圈通电时 其中间区域的磁场是匀强磁场 条形磁铁内部是匀强磁场 通电 螺线管的管内是匀强磁场 蹄形磁铁外部两极的中间区域是匀强磁场等 安培分子电流假说 安培分子电流假说 安培认为 在原子 分子等物质微粒的内部 存在着一种环形电流 分子电流 分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体 它的两侧相当于两个磁极 如下图 所示 磁化现象 一条铁棒未被磁化的时候 内部分子电流的取向是杂乱无章的 它们的磁场相 互抵消 对外不显磁性 当铁棒受到外界磁场的作用时 各分子电流的取向变的大致相同 铁棒被磁化 两端对外显示出较强的磁性 形成磁极 例题 下列情况中 可以肯定钢棒没有磁性的是 A 将钢棒的一端接近磁针的北极 两者互相吸引 再将钢棒的这端接近磁针南极 两者 互相排斥 B 将钢棒的一端接近磁针北极 两者互相排斥 C 将钢棒的一端接近磁针北极 两者相互吸引 再将钢棒的另一端接近磁针北极 两者 仍相互吸引 D 将钢棒的一端接近磁针北极 两者相互吸引 再将钢棒的另一端接近磁针南极 两者 仍相互吸引 磁体的消磁 磁体受到高温或猛烈撞击时会失去磁性 这是因为激烈的热运动或震动使分 7 子电流的取向又变的杂乱无章了 三 磁通量 定义 设在磁感应强度为 B 的匀强磁场中 有一个与磁场方向垂直的平面 面积为 S 我们把 B 与 S 的乘积叫做穿过这个面积的磁通量 简称磁通 用字母 表示 磁通量的计算公式 BScos 1 适应条件 匀强磁场 2 Scos 为垂直于磁场方向的有效面积 为线框与磁场方向的夹角 3 单位 韦伯 Wb 4 磁通量和线圈匝数 n 无关 5 某一面积上的磁通量是表示穿过该面积的磁感线的总条数 例题 如下图所示 空间存在两个磁场 磁感应强度大小均为 B 方向相反且垂直纸面 MN PQ 为其边界 OO 为其对称轴 一导线折成边长为 L 的正方形闭合回路 abcd 回路 在纸面内以恒定速度 vo 向右运动 当运动到关于 OO 对称的位置时 则 A 穿过回路的磁通量为零 B 回路中感应电动势大小为 2BLvo C 回路中感应电流的方向为顺时针方向 D 回路中 ab 边与 cd 边所受安培力方向相同 注意 磁通量是标量 但是有正负 一般以线框初状态的磁通量为正 若磁感线穿过某一 线框平面的磁通量为正 则磁感线穿过该线框的反面的磁通量就为负 例 穿过任何封闭曲面的磁通量一定为零 例题 如下图所示 框架面积为 S 框架平面与磁感应强度为 B 的匀强磁场方向垂直 则穿过平面的磁通量为 若使框架绕 OO 转过 600 角 则穿过框架平面的磁 通量为 若从初始位置转过 900 角 则穿过框架平面的磁通量为 若从初始位置转过 1800 角 则穿过框架平面的磁通量为 答案 BS 0 5BS O BS 注意 21 磁通量的变化量 指的是大小 为正值 结合楞次定 律理解和判定有关感应电流和感应电动势的方向 例题 如下图所示 有一磁感应强度为 B 的匀强磁场垂直于一面积为 S 的矩形线圈 abcd 磁场方向垂直纸面向里 若以ad 为轴旋转 180 度 则磁通量的变化量及旋转过程 中感应电流的方向 解 0 090 磁通量的变化量为 1 0BSBS 8 例题 如下图所示 有一磁感应强度为 B 的匀强磁场平行于一面积为 S 的矩形线圈 abcd 磁场方向水平向右 若以ad 为轴旋转 180 度 则磁通量的变化量及旋转过程中感 应电流的方向 例题 如下图所示 有一磁感应强度为 B 的匀强磁场与一面积为 S 的矩形线圈abcd成 夹角 磁场方向斜向左下方 求 1 以ad为轴旋转 0 90 磁通量的变化量及旋转过程中感应电流的方向 2 在上述 1 步骤的基础上继续以ad为轴按原来的旋转方向旋转 0 90 则磁通量的变 化量及旋转过程中感应电流的方向 9 例题 如下图甲所示 一个电阻为 R 面积为 S 的矩形导线框 abcd 水平放置在匀强磁场 中 磁场的磁感应强度为 B 方向与 ad 边垂直并与线框平面成 45 角 O O 分别是 ab 边 和 cd 边的中点 现将线框右半边 ObcO 绕 OO 逆时针旋转 90 到下图乙所示位置 在这一 过程中 导线中通过的电荷量是 A B C D 0 2BS 2R 2BS R BS R 例题