高中物理：15.1-15.2《磁场 磁感线 安培力 磁感应强度》教案（旧人教选修3）

用心 爱心 专心 第一节第一节 磁场磁场 磁感线磁感线 第二节第二节 安培力安培力 磁感应强度磁感应强度人教版人教版 同步教育信息同步教育信息 一 本周教学内容 第十五章 磁场 第一节 磁场 磁感线 第二节 安培力 磁感应强度 二 知识要点 1 知道磁场的基本特性是对处在它里面的磁极或电流有磁场力的作用 2 知道磁极和磁极之间 磁极和电流之间 电流和电流之间都是通过磁场发生相互作用的 3 知道什么叫磁感线 4 知道条形磁铁 蹄形磁铁 直线电流 环形电流和通电螺线管的磁感线分布情况 5 会用安培定则判定直线电流 环形电流和通电螺线 6 理解磁感应强度 B 的定义及单位 7 知道用磁感线的疏密可以形象直观地反映磁感应强度的大小 8 知道什么叫匀强磁场 知道匀强磁场的磁感线的分布情况 9 知道什么是安培力 知道电流方向与磁场方向平行时 电流受的安培力为零 电流方向 与磁场方向垂直时 电流受安培力的大小 F BIL 10 会用左手定则熟练地判定安培力的方向 三 重点 难点解析 1 磁场 演示 在玻璃板上放两辆小车 小车上各放置一条形磁铁 通过演示实验 1 观察到 磁 体同名磁极相斥 异名磁极相吸 且不需要接触就可以发生力的作用 显然这一力是场力 但磁不带电 不存在电场 它就是另一种场一一磁场 磁体周围存在着磁场 常见的条形磁 铁 蹄形磁铁周围都存在着磁场 除磁体周围有磁场外 丹麦物理学家奥斯特首先发现电流 周围也存在着磁场 观察演示实验 得出 当通入电流时 小磁针转动 说明电流周围也有 磁场 磁极与磁极之间 电流与磁极之间 电流与电流之间通过演示 实验看出都会发生相 互作用 这种作用都是通过磁场这种特殊物质发生作用的 图 1 图 2 1 磁场的性质 在磁铁周围的不同位置放置一些小磁针 发现小磁针静止时 指向各不相同 如图 2 所 示 这表明磁场中不同位置力的作用方向不同 因此磁场具有方向性 与电场对比 在电场中 我们利用检验电荷的受力情况来反映电场的方向性 规定正电 荷受的电场力方向为电场方向 在磁场中 我们利用小磁针来规定磁场的方向 规定在磁场中的任意一点小磁针北极受力的 用心 爱心 专心 方向亦即小磁针静止时北极所指的方向 就是那一点的磁场方向 图 3 2 磁感线 为了形象地反映电场的方向性 我们引进了电场线的概念 同理 在研究磁场时 我们 引进磁感线来反映磁场的方向性 磁感线是一些 有方向的曲线 在这些曲线上 每一点的 切线方向都跟该点的磁场方向相同 即为小磁针的北极指向 利用磁感线 我们就可以比 较直观描述磁场的方向性 不同的磁场 磁感线的空间分布是不一样的 常见的磁场的磁感线空间分布情况如下 条形磁铁的磁场 取一块玻璃板 在其上面撒上碎铁屑 下面放条形磁铁 轻轻敲击玻璃板 碎铁屑等效于无 数个小磁针 形象地显现出磁场的方向 即为磁感线的平面分布情况 所以条形磁铁的磁感 线分布如图 4 图 4 蹄形磁铁的磁场 图 5 图 5 直线电流的磁场 图 6 图 6 用心 爱心 专心 环形电流的磁场 图 7 图 7 通电螺线管的磁场 图 8 图 8 3 磁感线的特点 磁感线是不存在不相交的闭合曲线 磁感线某点的切线方向表示该点的磁场方向 磁感线的疏密表示磁场的强弱 2 安培定则 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 如图 9 所示 图 9 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 如图 10 所示 用心 爱心 专心 图 10 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 如图 8 所示 3 磁场对电流的作用 1 用条形磁铁可以在一定的距离内吸起较小质量的铁块 巨大的电磁铁却能吸起成 吨的钢块 表明磁场有强有弱 如何表示磁场的强弱呢 我们利用磁场对电流的作用力 安培力来研究磁场的强弱 2 决定安培力大小的因素有哪些 利用教材 P147 演示实验装置 研究安培力大小与哪些因素有关 与电流的大小有关 保持导线在磁铁中所处的位置及与磁场方向不变这两个条件下 通过移动滑动变阻器触 头改变导线中电流的大小 请学生观察实验现象 导线摆动的角度大小随电流的改变而改变 电流大 摆角大 电 流小 摆角小 实验结论 垂直于磁场方向的通电直导线 受到磁场的作用力的大小跟导线中电流的大 小有关 电流大 作用力大 电流小 作用力也小 与通电导线在磁场中的长度有关 保持导线在磁铁中所处的位置及方向不变 电流大小也不变 改变通电电流部分的长度 学生观察实验现象 导线摆动的角度大小随通电导线长度而改变 导线长 摆角大 导线短 摆角小 实验结论 垂直于磁场方向的通电直导线 受到的磁场的作用力的大小跟通电导线在磁 场中的长度有关 导线长 作用力大 导线短 作用力小 与导线在磁场中的放置方向有关 保持电流的大小及通电导线的长度不变 改变导线与磁场方向的夹角 当夹角为 0 时 导线不动 即电流与磁场方向平行时不受安培力作用 当夹角增大到 90 的过程中 导线摆 角不断增大 即电流与磁场方向垂直时 所受安培力最大 不平行也不垂直时 安培力大小 介于 0 和最大值之间 4 磁感应强度 B 总结归纳以上实验现象 用 L 表示通电导线长度 I 表示电流 保持电流和磁场方向垂直 通电导线所受的安培力大小ILF 或BILF 用B表示这一比值 IL F B 的物理意义为 通电导线垂直置于磁场同一位置 B值保 持不变 若改变通电导线的位置B值随之改变 表明B值的大小是由磁场本身的位置决定的 对于电流和长度相同的导线 放置在 B 值大的位置受的安培力 F 也大 表明磁场强 放在 B 值小的位置受的安培力 F 也小 表明磁场弱 因而我们可以用比值 IL F B 来表示磁场的强 弱 把它叫做磁感应强度 定义 磁感应强度 IL F B 单位 特斯拉 符号为 T mA N T 11 常见的地磁场磁感应强度大约是T 4 103 0 T 4 107 0 永磁铁磁极附近的磁感应 强度大约是T 3 10 10 T1 用磁感线也可直观地反映磁场的强弱和方向 磁感线越密处 磁感应强度大 磁场强 用心 爱心 专心 若磁感应强度大小和方向处处相同 称为匀强磁场 根据匀强磁场的特点 请同学们画出匀 强磁场的磁感线的空间分布 在非匀强磁场中 用 IL F B 量度磁感应强度时 导线长 L 应很短 电流近似处在匀强 磁场中 安培力的大小和方向 根据磁感应强度的定义式 可得通电导线垂直磁场方向放置时所受的安培力大小为 IL F B 安培力的方向如何呢 通过前面的演示实验现象可知 通电导线在磁场中受到的安培力 方向跟导线中的电流方向 磁场方向都有关系 人们通过大量的实验研究 总结出通电导线 受安培力方向和电流方向 磁场方向存在着一个规律一一左手定则 左手定则 伸开左手 使大拇指跟其余四个手指垂直 并且跟手掌在同一个平面内 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方向 那么 拇指所指的 方向 就是通电导线在磁场中的受力方向 应该注意的是 若电流方向和磁场方向垂直 则磁场力的方向 电流方向 磁场方向三者互 相垂直 若电流方向和磁场方向不垂直 则磁场力的方向仍垂直于电流方向 也同时垂直于 磁场方向 典型例题典型例题 例 1 如图 11 所示 可以自由转动的小磁针静止不动时 靠近螺线管的是小磁针的那个磁极 若将小磁针放到该通电螺线管内部 小磁针指向与图示位置时的指向相同还是相反 解析 解析 由安培定则可知 通电螺线管的磁场左端为 S 极 磁感线在 S 极附近应该指向 S 极 小磁针北极指向与磁感线方向相同 靠近螺线管的是北极 在内部磁感线方向与外部连 续 小磁针指向与外部相同 图 11 例 2 四条导线在同一个平面内 通入相同大小的电流 电流方向如图 12 所示 试判断图中 的 4 个区域中 1 2 3 4 个点磁场磁感应强度的大小 各个点到电流的距离相等 解析 解析 每个电流多产生磁场 周围空间的磁场是所有电流磁场的叠加 磁场叠加遵循矢 量叠加原则 即平行四边形定则 1 3 两点两个电流产生的磁场同向 和是一个的两倍 2 4 两点磁场方向相反 和为零 图 12 例 3 如图 13 两个同样的导线环同轴平行悬挂 相隔一小段距离 当同时给两导线环通以 同向电流时 两导线环将 用心 爱心 专心 A 吸引 B 排斥 C 保持静止 D 边吸引边转动 解析 解析 两个线圈内的电流产生的磁场方向相同 互相吸引 也可以由一个电流受另一个 的磁场力判断得相同的结论 图 13 例 4 如图 14 所示 长 L 质量为 m 的金属杆 ab 被两根竖直的金属丝静止吊起 金属杆 ab 处在方向垂直纸面向里的匀强磁场中 当金属杆中通有方向 a b 的电流 I 时 每根金属 丝的拉力大小为 T 当金属杆通有方向 b a 的电流 I 时 每根金属丝的拉力大小为 2T 求磁 场的磁感应强度 B 的大小 解析 解析 导体 ab 受重力 磁场力弹簧的的拉力而平衡 当 ab 中的电流方向由 a 到 b 时 磁场力向上 2T BIL mg 当 ab 中的电流由 b 到 a 时 磁场力向下 4T BIL mg 解方程组得 IL T B 图 14 模拟试题模拟试题 1 在下面如图所示的各图中画出导线中通电电流方向或通电导线周围磁感线的方向 其中 a b 为平面图 c d 为立体图 2 在条形或蹄形铁芯上绕有线圈 根据如图所示小磁针指向在图中画出线圈的绕线方向 用心 爱心 专心 3 有一束电子流沿 x 轴正方向高速运动 如图所示 电子流在 Z 轴上的 P 点处所产生的磁 场方向是沿 A y 轴正方向 B y 轴负方向 C Z 轴正方向 D Z 轴负方向 4 正在通电的条形电磁铁的铁心突然断成两截 则两截铁心将 A 互相吸引 B 互相排斥 C 不发生相互作用 D 无法判断 5 如图 一束带电粒子沿着水平方向平行地飞过磁针上方时 磁针的 S 极向纸内偏转 这 一束带电粒子可能是 A 向右飞行的正离子 B 向左飞行的正离子 C 向右飞行的负离子 D 向左飞行的负离子 6 画出图中各磁场对通电导线的安培力的方向 7 如图所示 两根平行放置的长直导线 a 和 b 载有大小相同方向相反的电流 a 受到的 磁场力大小为 F1 当加入一与导线所在平面垂直的匀强磁场后 a 受到的磁场力大小变为 F2 则此时 b 受到的磁场力大小变为 A 2 F B 21 FF C 21 FF D 21 2FF 8 如图所示 匀强磁场中有一通以方向如图的稳定电流的矩形线 abcd 可绕其中心轴 转动 则在转动过程中 用心 爱心 专心 A ab 和 cd 两边始终无磁场力作用 B ab 和 cd 两边所受磁场力大小和方向在转动过程中不断变化 C 线圈在磁场力作用下转动过程中合力始终不为零 D ab cd 两边受到和磁场力的大小和方向在转动过程中始终保持不变 9 如图 当左边的线圈通以逆时针电流 I 时 天平恰好平衡 此时天平右边的砝码为 m 若改为顺时针方向的电流且大小不变 则需在天平右边增加 m 的砝码 通电线圈受到磁场 力大小为 A mg 2 B m m g C mg D m m g 2 10 质量为 m 长为 L 的的金属棒 ab 用两根细金属丝悬挂在绝缘架 MN 下面 整个装置 处在竖直方向的匀强磁场中 当金属棒通以由 a 向 b 的电流 I 后