福建省三明一中人教版物理选修31课件磁场分解.ppt

第三章磁场 3 1 磁现象和磁场 东汉王充在 论衡 中写道 司南之杓 投之于地 其柢指南 最初发现的磁体是被称为 天然磁石 的矿物 其中含有主要成分为Fe3O4 能吸引其他物体 很像磁铁 磁悬浮列车上装有电磁体 铁路底部则安装线圈 通电后 地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同 两者 同性相斥 排斥力使列车悬浮起来 铁轨两侧也装有线圈 交流电使线圈变为电磁体 它与列车上的电磁体相互作用 使列车前进 列车头的电磁体 N极 被轨道上靠前一点的电磁体 S极 所吸引 同时被轨道上稍后一点的电磁体 N极 所排斥 1 磁性 能够吸引铁质物体的性质2 磁体 具有磁性的物体叫磁体 3 磁极 磁体上磁性最强的部分叫磁极 小磁针静止时指南的磁极叫做南极 又叫S极 指北的磁极叫做北极 又叫N极 一 复习 4 磁极间的相互作用 同名磁极相斥 异名磁极相吸 5 变无磁性物体为有磁性物体叫磁化 变有磁性物体为无磁性物体叫退磁 问题 磁体之间是通过什么发生相互作用的呢 1 磁场 磁体周围空间存在的一种特殊物质 二 磁场 类比 电荷之间的相互作用是通过电场 磁体之间的相互作用是通过磁场发生的 电场和磁场一样都是一种物质 问题 是否只有磁铁周围才存在磁场 磁体 磁体 磁场 2 电流的磁效应 丹麦物理学家奥斯特 HansChristianOersted 1777 851 1777年8月14日生于丹麦朗格兰德岛一个药剂师家庭 12岁开始帮助父亲在药房里干活 同时坚持学习化学 由于刻苦攻读 17岁以优异的成绩考取了哥本哈根大学的免费生 他一边当家庭教师 一边在学校学习药物学 天文 数学 物理 化学等 1806年任哥本哈根大学物理学教授 1821年被选为英国皇家学会会员 1823年被选为法国科学院院士 后来任丹麦皇家科学协会会长 奥斯特实验 实验装置如左图 实验现象 当给导线通电时 与导线平行放置的小磁针发生转动 注意事项 导线应沿南北方向水平放置 实验结论 通电导线周围存在磁场 即电流可以产生磁场 演示 1 磁场 磁体周围空间存在的一种特殊物质 2 电流的磁效应 电流能在周围空间产生磁场 磁铁不是磁场的唯一来源 二 磁场 演示实验 结论 磁体对通电导体有力的作用 问题 磁体和通电导体之间的相互作用力是通过什么发生的呢 3 磁场与电流之间的相互作用 磁体 电流 磁场 问题 电流与电流之间是否有力的作用 演示实验 结论 同向电流相互吸引 反向电流相互排斥 问题 电流和电流之间的相互作用力是通过什么发生的呢 电流 电流 磁场 三 磁场的基本性质 磁场对放入其中的磁体或通电导体会产生磁力作用 磁体之间 磁体与通电导体之间 通电导体与通电导体之间的相互作用都是通过磁场发生的 四 地磁场 1 地球是一个巨大的磁体 2 地球周围空间存在的磁场叫地磁场 3 地磁的北极在地理的南极附近 地磁的南极在地理的北极附近 但两者并不完全重合 它们之间的夹角称为磁偏角 近百年地球磁场衰减 地磁场的减弱是可能导致磁场方向倒转的预兆 小结 1 磁现象 磁性 磁体 磁极 磁化 退磁2 磁场 磁体和电流周围有磁场磁体间的相互作用 磁体与电流间相互作用 电流与电流间的相互作用都是通过磁场发生的 3 电流的磁效应 电流能在周围空间产生磁场4 磁场的基本性质 对放入其中的磁体或通电导体会产生磁力作用 5 地磁场 地球周围空间存在的磁场叫地磁场地磁的北极在地理的南极附近 地磁的南极在地理的北极附近 但两者并不完全重合 它们之间的夹角称为磁偏角 3 2 磁感应强度 电场的基本性质是什么 对放入其中的电荷有电场力的作用 磁场的基本性质是什么 对放入其中的磁体或通电导体有磁力的作用 电场强度 试探电荷所受电场力跟电荷量的比值正试探电荷的受力方向 如何描述电场的强弱和方向 如何描述磁场的强弱和方向 是否类似电场的研究方法 分析磁体或电流在磁场中所受的力 找出表示磁场强弱和方向的物理量 复习类比 如何描述磁场的强弱和方向呢 电场 电场力F F q表示电场的强弱 磁场 磁场力F 磁场的强弱 电场强度E 磁场强度 磁感应强度 描述磁场的强弱和方向 电场 正试探电荷的受力方向 磁场 磁体或电流的受力方向 小磁针N极的受力方向 一 磁感应强度的方向 物理学规定 小磁针N极 北极 的受力方向或小磁针静止时N极的指向 规定为该点的磁场方向 即磁感应强度的方向 观察小磁针北极指向 归纳方向 不能 因为N极不能单独存在 小磁针静止时所受的合力为零 因而不能用测量N极受力的大小来确定磁感应强度的大小 问题 磁感应强度的大小能否从小磁针受力的情况来研究 问题 磁场不仅能对磁体有作用力 还对通电导体有作用力 能否用很小一段通电导体来检验磁场的强弱 电流元 很短的一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积IL 方法 用检验电流元来研究磁场强弱 思考 通电导线受到的磁场力与哪些因素有关 导线长度 电流大小 磁场的不同 放置的位置 导线与磁场方向平行 垂直及任意夹角受力情况不同 二 磁感应强度的大小 理想模型 实验方法 控制变量法 1 保持磁场和通电导线的长度不变 改变电流的大小 2 保持磁场和导线中的电流不变 改变通电导线的长度 实验方案设计 结论 在通电导线的长度和磁场不变时 电流越大 导线所受的力就越大 结论 在通电导线的电流和磁场不变时 导线越长 导线所受的力就越大 现象 电流越大 导线的偏角越大 探究实验 探究实验 实验演示 逻辑推理 FIL F B IL 精确的实验研究表明 通电导线与磁场方向垂直时 它受力的大小既与导线的长度L成正比 又与导线中的电流I成正比 即与I和L的乘积IL成正比 2 不同磁场中 比值F IL一般不同 磁感应强度 1 定义 3 单位 4 方向 在磁场中垂直于磁场方向的通电导线 所受的磁场力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫磁感应强度 在国际单位制中 磁感应强度的单位是特斯拉 简称特 国际符号是T 1T 1N A m 小磁针N极 北极 的受力方向或小磁针静止时N极的指向 2 定义式 比值定义法 3 你对电流元如何理解 1 磁感应强度由通电导线的长度 电流及导线受力决定吗 B与L I F无关 由磁场本身决定 理解 4 反映什么性质 如果导线很短很短 B就是导线所在处的磁感应强度 2 定义式中B F IL要注意什么问题 通电导线必须垂直于磁场方向放置 因为通电导线受力的大小 除和磁场强弱有关以外 还和导线的方向有关 物理意义 B是表示磁场强弱和方向的物理量 是描述磁场力的性质的物理量 是矢量 5 你认为电场力 磁场力 在方向上与电场强度 磁感应强度 有何关系 6 若在某一点同时存在几个磁场 则该点的磁感应强度B如何 若某一空间同时存在几个磁场 空间的磁场应由这几个磁场叠加而成 某点的磁感应强度为B 则有 B B1 B2 B3 矢量和 用平行四边形法则运算 电场强度方向规定为正电荷受力方向 磁感应强度方向规定为小磁针北极受力方向 与电流受力方向垂直 3 3 几种常见的磁场 复习 在学习电场时为了形象的描述电场强度E的大小和方向 我们引入了什么物理量 1 电场线的疏密代表场强的强弱 2 电场线的切线方向代表场强的方向 3 在电场中电场线不相交 4 电场线始于正电荷 终止于负电荷 不闭合曲线 5 电场线是假想线 实际不存在 电场线 电场线有那些特点 问题 磁场中各点的磁场方向如何判定呢 将一个小磁针放在磁场中某一点 小磁针静止时 北极N所指的方向 就是该点的磁场方向 如何形象地描述磁场中各点的磁场方向 是在磁场中画出一些有方向的曲线 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 磁感线 几种常见磁场磁感线分布 观察 安培定则 右手握住导线 让伸直的大拇指所指的方向与电流的方向一致 弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向 直线电流的磁场的磁感线 侧视图 俯视图 直线电流的磁场的磁感线 由直到曲 环形电流周围磁感线 安培定则 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轴线上磁感线的方向 侧视图 俯视图 环形电流周围磁感线 由少到多 通电螺旋管周围磁感线 等效 安培定则 用右手握住螺旋管 让弯曲的四指所指的方向跟电流方向一致 大拇指所指的方向就是螺旋管内部磁感线的方向 大拇指指向螺旋管北极 练习3 如图所示 当开关闭合时 1 判断通电螺线管的磁极 练习3 如图所示 当开关闭合时 1 判断通电螺线管的磁极 2 指出每个小磁针的N S极 N S 练习4 根据图中所示 小磁针所指方向 画出通电螺线管的绕线情况 N 练习4 如图所示 根据小磁针所指方向及电流方向 画出通电螺线管的绕线情况 N 1磁感线是假想的 不是真实的 2磁感线上每一点的切线方向即为该点的磁场的方向 3磁感线是闭合曲线 4磁感线的疏密表示磁场的强弱 5磁感线不能相交或相切 思考 磁铁和电流都能产生磁场 它们的磁场是否有什么联系 磁感线的特点 安培分子电流假说 磁铁和电流的磁场本质上都是运动电荷产生的 1 分子电流假说任何物质的分子中都存在环形电流 分子电流 分子电流使每个分子都成为一个微小的磁体 2 安培分子环流假说对一些磁现象的解释 未被磁化的铁棒 磁化后的铁棒 1 磁场强弱 方向处处相同的磁场2 匀强磁场的磁感线 是一组相互平行 方向相同 疏密均匀的直线 匀强磁场 亥姆霍兹线圈 1 定义 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 2 在匀强磁场中 公式为 BS S 表示某一面积在垂直于磁场方向上的投影面 磁通量 3 物理意义 磁通量表示穿过这个面的磁感线条数 由点到面 课堂训练 1 如图 线圈平面与水平方向成 角 磁感应线竖直向下 设匀强磁场的磁感应强度为B 线圈面积为S 则 d b c a B BScos 4 单位 在SI制中是韦伯 简称韦 符号Wb5 磁通密度 磁感应强度又叫磁通密度 B s 等于垂直穿过单位面积的磁通量 5 磁通量是有正负的 既不表示大小 也不表示方向 为了计算方便引人的 若在某个面积有方向相反的磁场通过 求磁通量 应考虑相反方向抵消以后所剩余的磁通量 即应求该面积各磁通量的代数和 标量 6 磁通量变化 2 1是某两个时刻穿过某个平面S的磁通量之差 即 末状态的磁通量 2与初状态磁通量 1的代数差 磁通量 2 如图所示 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60度角则穿过线框平面的磁通量为 若从初始位置转过90度角 则穿过线框平面的磁通量为 若从初始位置转过180度角 则穿过线框平面的磁通量的变化量为 O O BS 0 5BS 0 2BS 课堂训练 课堂训练 3 如图所示 两个同心放置的共面金属圆环a和b 一条形磁铁穿过圆心且与环面垂直 则穿过两环的磁通量 a和 b大小关系为 A 均向上 a bB 均向下 a bC 均向上 a bD 均向下 无法比较 A 课堂训练 4 如图所示 在三维直角坐标系中 若一束电子沿y轴正向运动 则由此产生的在z轴上A点和x轴上B点的磁场方向是 A A点磁场沿x轴正方向 B点磁场沿z轴负方向B A点磁场沿x轴负方向 B点磁场沿z轴正方向C A点磁场沿z轴正方向 B点磁场沿x轴负方向D A点磁场沿x轴正方向 B点磁场沿z轴正方向 A 3 4 通电导线在磁场中受到的力 安培定则 右手螺旋定则 1 判断直线电流周围的磁场 大拇指方向 电流方向 四指弯曲方向 周围磁感线环绕方向 四指弯曲方向 电流方向 环形电流中心磁场方向 大拇指方向 2 判断环形电流周围的磁场 3 判断载流螺线管的磁场 四指弯曲方向 电流方向 大拇指方向 载流螺线管中心磁场方向 例1 图16 2中当电流通过线圈时 磁针将发生偏转 以下的判断正确的是 A 当线圈通以沿顺时针方向的电流时 磁针N极将指向读者B 当线圈通以沿逆时针方向的电流时 磁针S极将指向读者C 当磁针N极指向读者 线圈中电流沿逆时针方向D 不管磁针如何偏转 线圈中的电流总是沿顺时针方向 C 一 磁通量我们将磁感应强度B与面积S的乘积 叫做穿过这个面的磁通量 简称磁通 用 表示 即 BS BS BScos 在SI单位制中 磁通量的单位为 韦伯 Wb 例题 下列各种说法中 正确的是 A 磁通量很大 而磁感应强度可能很小 B 磁感应强度越大 磁通量也越大 C 磁通量小 一定是磁感应强度小 D 磁感应强度很大 而磁通量可能为零 答案 AD 安培力 磁场对电流的作用力称为安培力 一 安培力的方向 左手定则 伸开左手 使拇指与四指在同一个平面内并跟四指垂直 让磁感线垂直穿入手心 使四指指向电流的方向 这时拇指所指的就是通电导体所受安培力的方向 左演示手定则磁场对电流的作用左手定则 mp4 例题1 画出图中第三者的方向 答案 由左手定则作答 注意 安培力的方向永远与导线垂直 例题2 画出图中通电导线棒所受安培力的方向 答案 由左手定则作答 注意 安培力的方向永远与导线垂直 问题 如图所示 两条平行的通电直导线之间会通过磁场发生相互作用 电流方向相同时 将会吸引 电流方向相反时 将会排斥 用学过的知识加以判断 1 当电流与磁场方向垂直时 F ILB 2 当电流与磁场方向夹 角时 F ILBsin 二 安培力的大小 F ILBsin 例题3 如图所示 两平行光滑导轨相距0 2m 与水平面夹角为450 金属棒MN的质量为0 1kg 处在竖直向上磁感应强度为1T的匀强磁场中 电源电动势为6V 内阻为1 为使MN处于静止状态 则电阻R应为多少 其他电阻不计 答案 R 0 2 三 磁电式电表 说明 由于磁场对电流的作用力跟电流成正比 因而安培力的力矩也跟电流成正比 而螺旋形弹簧的扭矩与指针转过的角度成正比 所以磁电式电表的表盘刻度是均匀的 动画演示 课堂练习1 图16 3所示的四种情况 通电导体均置于匀强磁场中 其中通电导线不受安培力的是 安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面 即F B F I 但B和I不一定垂直 与电场力和电场强度方向间有区别 两电流不平行时 有转动到相互平行且电流方向相同的趋势 例题 N S I F F N S F 1 绳子拉力 变大 变小 不变 2 桌面对磁铁的支持力 3 桌面对磁铁的摩擦力 有 无 变大 变小 无 桌面对磁铁的摩擦力 有 无 方向 有 水平向右 课堂训练 例 如图 把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近 磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面 当线圈内通入如图所示的电流后 判断线圈如何运动 向左摆动 例题 如图 在条形磁铁S极附近悬挂一个线圈 磁铁水平放置 其轴线与线圈共面并通过线圈的圆心 当线圈中的电流沿图示方向时 线圈将会如何运动 从上向下看逆时针转动的同时向右摆动 例 在倾斜角为 的光滑斜面上 置一通有电流I 长为L 质量为m的导体棒 如图所示 在竖直向上的磁场中静止 则磁感应强度B为 引申1 欲使它静止在斜面上 外加磁场的磁感应强度B的最小值为 方向 引申2 欲使它静止在斜面上 且对斜面无压力 外加磁场的磁感应强度B的最小值为 方向 X G N F B mgsin BIL B mgsin IL mg BILB mg IL X G F B 3 5 磁场对运动电荷的作用力 大小 安培力 2 通电导线中的电流是怎样形成的呢 思考 既然磁场对电流有力的作用 而电流是由电荷的定向移动形成的 那么磁场是否对运动电荷也有作用力呢 电荷的定向移动形成的 1 磁场对通电导线的作用力 方向 左手定则 复习回顾 电子射线管的原理 从阴极发射出来电子 在阴阳两极间的高压作用下 使电子加速 形成电子束 轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光 可以显示电子束的运动轨迹 实验现象 在没有外磁场时 电子束沿直线运动 将条形磁铁靠近阴极射线管 发现电子束运动轨迹发生了弯曲 结论 磁场对运动电荷有作用 让事实说话 电子射线管演示 一 洛伦兹力 运动电荷在磁场中受到的作用力叫做洛伦兹力 安培力是洛伦兹力的宏观表现 洛伦兹力是安培力的微观本质 如果是负电荷 我们应如何判定洛伦兹力的方向 二 洛伦兹力的方向 左手定则 伸开左手 使大拇指和其余四指垂直且处于同一平面内 把手放入磁场中 让磁感线垂直穿过手心 若四指指向正电荷运动的方向 那么拇指所指的方向就使正电荷所受洛伦兹力的方向 课堂训练 q 竖直向上 竖直向上 垂直纸面向内 垂直纸面向外 1 判断下列粒子进入磁场时所受的洛伦兹力的方向 设有一段长为L 横截面积为S的直导线 单位体积内的自由电荷数为n 每个自由电荷的电荷量为q 自由电荷定向移动的速率为v 这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中 求 1 通电导线中的电流 2 通电导线所受的安培力 3 这段导线内的自由电荷数 4 每个电荷所受的洛伦兹力 三 洛伦兹力大小 当与B成一角度 时 三 洛伦兹力大小 思考与讨论 1 洛伦兹力方向与带电粒子的运动方向有什么关系 洛伦兹力方向与带电粒子运动方向垂直 2 洛伦兹力带电粒子运动的速度有什么影响 只改变粒子速度的方向 不改变粒子速度的大小 3 洛伦兹力对带电粒子做的功是多少 由于洛伦兹力方向始终与带电粒子运动方向垂直 所以洛伦兹力对运动电荷不做功 F vF B 电荷在电场中一定受到电场力的作用 与其运动状态无关 而电荷在磁场中不一定受到磁场力作用 只有相对于磁场运动且运动方向与磁场方向不平行的电荷才受磁场力作用 2 大小 F电 Eq F洛 qvBsin 3 电荷所受电场力方向总是平行于电场线的切线方向 而电荷所受磁场力的方向总是既垂直于磁场方向 又垂直于运动方向 4 电场力要对运动电荷做功 电荷在等势面上运动除外 而电荷在磁场中运动时 磁场力一定不会对电荷做功 课堂训练 1 试判断下列各图带电粒子所受洛仑兹力的方向 或磁场的方向 或粒子运动方向 q v B两两垂直 垂直纸面向外 F v q 课堂训练 2 电子以初速度V垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中 则 A 磁场对电子的作用力始终不变 B 磁场对电子的作用力始终不做功C 电子的速度始终不变 D 电子的动能始终不变 BD 课堂训练 3 电子的速率v 3 106m s 垂直射入B 0 10T的匀强磁场中 它受到的洛伦兹力是多大 F洛 qvB 1 60 10 19 3 106 0 10N 4 8 10 14N 课堂训练 4 当一带正电q的粒子以速度v沿螺线管中轴线进入该通电螺线管 若不计重力 则 A 带电粒子速度大小改变 B 带电粒子速度方向改变 C 带电粒子速度大小不变 D 带电粒子速度方向不变 CD 小结 1 洛伦兹力 磁场对运动电荷的作用力安培力是洛伦兹力的宏观表现 2 洛伦兹力的方向 左手定则F vF B3 洛伦兹力大小 F洛 qVBsin V BF洛 qVBV BF洛 04 特点 洛伦兹力只改变速度的方向 不改变速度的大小 洛伦兹力对运动电荷不做功 1 要是电子打在A点 偏转磁场应该沿什么方向 垂直纸面向外 2 要是电子打在B点 偏转磁场应该沿什么方向 垂直纸面向里 3 要是电子打从A点向B点逐渐移动 偏转磁场应该怎样变化 先垂直纸面向外并逐渐减小 然后垂直纸面向里并逐渐增大 四 电视显像管的工作原理 沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场的带电粒子 在磁场中将做什么运动 3 6 带电粒子在匀强磁场中的运动 复习 1 洛伦兹力产生的条件 2 洛伦兹力的大小和方向如何确定 3 洛伦兹力有什么特点 沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场的带电粒子 在磁场中将做什么运动 思考 一 带电粒子在匀强磁场中的运动 带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态 重力不计 问题1 问题2 带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态 重力不计 匀速直线运动 1 理论推导 1 时 洛伦兹力的方向与速度方向的关系 2 带电粒子仅在洛伦兹力的作用下 粒子的速率变化么 能量呢 3 洛伦兹力的大小和方向如何变化 4 从上面的分析 你认为垂直于匀强磁场方向射入的带电粒子 在匀强磁场中的运动状态如何 垂直 一 带电粒子在匀强磁场中的运动 1 理论推导 沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子 在匀强磁场中做匀速圆周运动 问题3 推导粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径R和运动周期T 与粒子的速度v和磁场的磁感应强度B的关系表达式 1 圆周运动的半径 2 圆周运动的周期 沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子 在匀强磁场中做匀速圆周运动 2 实验验证 1 洛伦兹力演示仪 励磁线圈 亥姆霍兹线圈 作用是能在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的匀强磁场 加速电场 作用是改变电子束出射的速度 电子枪 射出电子 亥姆霍兹线圈 2 实验演示 a 不加磁场时观察电子束的径迹 b 给励磁线圈通电 观察电子束的径迹 c 保持初射电子的速度不变 改变磁感应强度 观察电子束径迹的变化 d 保持磁感应强度不变 改变出射电子的速度 观察电子束径迹的变化 演示 3 实验结论 沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子 在匀强磁场中做匀速圆周运动 磁感应强度不变 粒子射入的速度增加 轨道半