高考物理选修知识点知识讲解_几种常见的磁场

几种常见的磁场 编稿：周军审稿：李勇康【学习目标】1理解磁感线的意义，能够熟练地运用安培定则确定电流的磁场方向2理解磁场的方向；理解磁通量的定义和计算方法3理解匀强磁场的特点以及在匀强磁场中磁通量的计算【要点梳理】要点一、磁感线要点诠释：1.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。2特点：（1）磁感线的疏密反映磁场的强弱，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。（2）磁感线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向。（3）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。（4）磁感线在空间不能相交，不能相切，也不能中断。说明：（1）磁感线是为了形象地描述磁场而在磁场中假想出来的一组有方向的曲线，并不是客观存在于磁场中的真实曲线 （2）没有磁感线的地方，并不表示就没有磁场存在，通过磁场中的任一点总能而且只能画出一条磁感线要点二、 几种常见的磁场要点诠释：1通电直导线周围的磁场 （1）安培定则：右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向，这个规律也叫右手螺旋定则 （2）磁感线分布：如下图所示 2环形电流的磁场 （1）安培定则：让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致，伸直的拇指的方向就是环形导线轴线上磁感线的方向 （2）磁感线分布：如图所示 3通电螺线管的磁场 （1）安培定则：用右手握住螺线管，让弯曲的四指的方向跟电流方向一致，大拇指所指的方向就是螺线管中心轴线上的磁感线方向 （2）磁感线分布：如图所示 说明：与天然磁体的磁场相比，电流磁场的强弱容易控制，因而在实际中有很多重要的应用4.常见电流磁场的分布特点 电流的磁场通常研究的是直线电流、环形电流和通电螺线管的磁场，判断它们的磁场，都可用安培定则来判断，该定则也叫右手螺旋定则，各种电流的磁场分布及磁感线方向的判断如下：安培定则立体图横截面图纵截面图特点直线电流（1）通电直导线周围的磁感线是以导线上各点为圆心的同心圆，实际上电流磁场应为空间图形（2）直线电流的磁场无磁极（3）磁场的强弱与距导线的距离有关离导线越近，磁场越强；离导线越远，磁场越弱环形电流（1）环形电流的磁场类似于条形磁铁的磁场，其两侧分别是N极和S极（2）由于磁感线均为闭合曲线，所以环内、外磁感线条数相等，故环内磁场强，环外磁场弱（3）环形电流的磁场在微观上可看成无数根很短的直线电流的磁场的叠加通电螺线管（1）内部为匀强磁场且比外部强，方向由S极指向N极，外部类似条形磁铁，由N极指向S极（2）环形电流宏观上其实就是只有一匝的通电螺线管，通电螺线管则是由许多匝环形电流串联而成的因此，通电螺线管的磁场也就是这些环形电流磁场的叠加注意：（1）应用安培定则判定电流的磁场时，直线电流是判定导线之外磁场的方向，环形电流和通电螺线管判定的是线圈轴线上磁场的方向 （2）放置在螺线管内的小磁针受力方向按磁感线方向判断，不能根据螺线管的极性判断（3）不管是磁体的磁场还是电流的磁场，其都是分布在立体空间的，要熟练掌握其立体图，纵、横截面图的画法及转换要点三、 安培分子电流假说 要点诠释：1安培分子电流假说的内容 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，分子的两侧相当于两个磁极2安培假说对有关磁现象的解释 （1）磁化现象：一根软铁棒，在未被磁化时，内部各分子电流的取向杂乱无章，它们的磁场互相抵消，对外不显磁性；当软铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流取向变得大致相同时，两端显示较强的磁性作用，形成磁极，软铁棒就被磁化了 （2）磁体的消磁：磁体在高温或猛烈敲击状况，即在激烈的热运动或机械运动影响下，分子电流取向又变得杂乱无章，磁体磁性消失 3磁现象的电本质 磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由运动的电荷产生的说明：（1）根据物质的微观结构理论，原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电，核外电子带负电，核外电子在库仑引力作用下绕核高速旋转，形成分子电流，在安培生活的时代，由于人们对物质的微观结构尚不清楚，所以称为“假说”但是现在，“假说”已成为真理 （2）分子电流假说揭示了电和磁的本质联系，指出了磁性的起源：一切磁现象都是由运动的电荷产生的要点四、 匀强磁场 要点诠释：1定义：在磁场的某个区域内，如果各点的磁感应强度大小和方向都相同，这个区域内的磁场叫做匀强磁场 2磁感线分布特点：间距相同的平行直线 3产生：距离很近的两个异名磁极之间的磁场除边缘部分外可以认为是匀强磁场；相隔一定距离的两个平行放置的线圈通电时，其中间区域的磁场也是匀强磁场，如图所示 要点五、 磁通量要点诠释：1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，把B与S的乘积叫做穿过这个面积的磁通量，用字母表示2物理意义：穿过某一面的磁感线条数 3公式： （1）公式运用的条件： 匀强磁场；磁感线与平面垂直 （2）在匀强磁场B中，若磁感线与平面不垂直，公式中的S应为平面在垂直于磁感线方向上的投影面积 式中即为面积S在垂直于磁感线方向的投影，我们称为“有效面积”4单位：在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，简称韦，符号是， 5磁通密度：磁感线越密的地方，穿过垂直单位面积的磁感线条数越多，反之越少，因此穿过单位面积的磁通量磁通密度，它反映了磁感应强度的大小，在数值上等于磁感应强度，。要点六、 对磁通量和磁通量变化的理解要点诠释： 1对磁通量的理解 （1）磁通量是标量，但有正负当磁感线从某一面积上穿入时，磁通量为正值，穿出时即为负值 （2）磁通量与磁感线的关系是当规定单位面积上磁感线条数等于B时，磁通量就等于该面积上的磁感线条数 （3）磁感线是闭合曲线（不同于静电场的电场线），所以穿过任意闭合曲面的磁通量一定为零，即=0例如一个球面，磁感线只要穿入球面，就一定穿出球面，穿过磁感线的净条数为零，即磁通量为零 （4）磁通量是针对某个面来说的与给定的线圈的匝数多少无关即在有关磁通量的计算时，不要考虑线圈匝数n 2对磁通量变化的理解与计算 磁通量的变化，一般有下列三种情况： （1）磁感应强度B不变，有效面积S变化，则如下图所示，金属三角形框架MON与导体棒DE构成回路，处在匀强磁场中与磁场垂直，若B=0.1 T，DE从O点出发，向右以1 ms的速度匀速运动4 s时，回路中磁通量的变化是： （2）磁感应强度B变化，磁感线穿过的有效面积S不变，则穿过回路中的磁通量的变化是：在下图中，若令保持不变，而B从0.1 T变为0.8 T，则穿过回路的磁通量的变化量 （3）磁感应强度B和回路面积S同时发生变化的情况，则 在图中，若回路面积从变到，磁感应强度B同时从变到，则回路中的磁通量的变化是：注意：（1）磁通量的正负既不表示大小，也不表示方向，是为了计算方便而引入的（2）当磁感应强度和回路面积同时发生变化时，不能用计算，即上述（3）中常见的错误算法是【典型例题】类型一、 对磁场、磁感线的理解例1、 （2015 黄浦区一模）关于磁感线，下列说法中正确的是（ ）A磁感线是实际存在于磁场中的线B磁感线是一条条不闭合的曲线C磁感线有可能出现相交的情况D磁感线上任意一点的切线方向，都跟该点的磁场方向一致【答案】D 【解析】磁感线是为了描述磁场而引入的假想的曲线，并不客观存在，故A错误；在磁体内部，磁感线从磁体的S极出发回到N极，而外部则是从磁体的N极出发回到S极，构成闭合曲线，故B错误；若两条磁感线可以相交，则交点处就可以做出两个磁感线的方向，即该点的磁场方向就会有两个，这与理论相矛盾，因此磁感线不能相交，故C错误；磁感线上任意一点的切线方向，都跟该点的磁场方向一致，故D正确。故选D 【总结升华】 （1）磁场是一种客观存在的特殊物质，磁感线虽是假想的闭合的曲线，但可形象地描述磁场的强弱和方向 （2）理解并区别电场线和磁感线 从电场、磁场的概念理解两种场线的相似点：矢量性线的切线，强弱线的疏密，方向的唯一性空间任意一点场线不相交 从两种场线的不同特性理解两种场的区别：电场线电荷有正负电场线有始终；磁感线N、S极不可分离磁感线闭合【高清课程：磁场及其描述 例题1】【变式】关于磁场和磁感线的描述，下列说法中正确的是（ ）A磁感线可以形象地描述各点磁场的强弱和方向，它每一点的切线方向都和小磁针放在该处静止时北极所指的方向一致B磁极之间的相互作用是通过磁场发生的，磁场和电场一样，也是一种客观存在的特殊物质C磁感线总是从磁铁北极出发，到南极终止的D磁感线就是细铁屑连成的曲线 【答案】AB类型二、 安培定则的应用 例2、 如图所示，图a、图b是直线电流的磁场，图c、图d是环形电流的磁场，图e、图f是螺线管电流的磁场试在各图中补画出电流方向或磁感线的方向 【答案】 见解析【解析】 本题考查安培定则的应用根据安培定则，可以确定图a中电流方向垂直纸面向里，b中电流的方向自下而上，c中电流方向是逆时针，d中磁感线的方向向上，e中磁感线方向向左，f中磁感线的方向向右 【总结升华】 使用安培定则时要注意对直线电流和环形电流右手拇指各指什么方向要掌握几种通电导体周围的磁场分布情况，同时又要搞清楚所给图示是平面图还是投影图，熟练掌握安培定则的应用方法举一反三 【变式1】 19世纪20年代，以塞贝克（数学家）为代表的科学家已认识到，温度差会引起电流，安培考虑到地球自转造成了太阳照射后正面与背面的温度差，从而提出如下假说：地磁场是由绕地球的环形电流引起的则该假说中的电流方向是（ ） A由西向东垂直磁子午线 B由东向西垂直磁子午线 C由南向北沿磁子午线方向 D由赤道向两极沿磁子午线方向【答案】 B【解析】 地球内部磁场方向由北向南，由安培定则可判定电流方向本题为信息迁移题，关键是抽象出模型想象赤道为环形电流如图，则从上往下看，由安培定则可知电流方向为顺时针方向，即自东向西 【总结升华】了解地磁场的特点，构建正确的物理模型是正确使用安培定则的前提，也是科学分析该类题目的关键【高清课程：磁场及其描述 例题3】【变式2】如图所示，水平放置一螺旋管，现在管内、外的相应位置放两个小磁针A和B，试确定通电后A、B小磁针静止时两端极性，其中小磁针A的右端为_极，小磁针B的右端为_极。【答案】S N类型三、 对安培分子电流假说的理解 例3、 用安培提出的分子电流假说可以解释下列哪些现象（ ）A永久磁铁的磁场 B直线电流的磁场C环形电流的磁场 D软铁棒被磁化的现象 【答案】 AD【解析】 分子电流假说是安培为解释磁体的磁现象而提出的。所以选项A、D是正确的而通电导线周围的磁场是由其内部自由电荷定向移动而产生的宏观电流产生的分子电流和宏观电流虽然都是运动电荷引起的，但产生的原因是不同的 【总结升华】 磁铁的磁场和电流的磁场一样，都可归结为运动电荷（电流）之间通过磁场而发生作用磁体的磁场起源于内部的分子电流，电流周围的磁场起源于运动电荷的定向移动举一反三 【变式】你见过只有一个磁极的磁铁吗？能否将条形磁铁折断得到单个磁极？为什么？ 【答案】 没有 不能 原因见解析【解析】 磁铁有磁性是因为内部分子电流取向一致使一端表现为N极，一端为S极磁铁折断后，磁铁内部的分子电流仍然是原来的取向，因此折断后的部分，保留端的极性不变，折断端极性与保留端相反 【总结升华】磁铁上磁性特别强的部位称为磁极，N极与S极相互依存而不可分离迄今为止，我们还没有找到独立存在的磁单极对一些物理现象的认识，不能只局限于表面，应明确其本质，由原理找结论类型四、 对磁通量的理解 例4、关于磁通量的下列说法，正确的是 （ ） A磁通量是反映磁场强弱和方向的物理量 B某一面积上的磁通量是表示穿过此面积的磁感线的总条数 C在磁场中所取的面积越大，该面上磁通量越大 D穿过任何封闭曲面的磁通量一定为零 【答案】 BD【解析】 磁通量中是磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，即，亦表示穿过磁场中某面积S的磁感线的总条数，只有大小，没有方向，是标量由此可知选项A错误，B正确 磁通量的大小由B、S共同决定，所以面积大，不一定大，由此可知选项C错误由于磁感线是闭合曲线，所以只要有磁感线穿入封闭曲面，如一个球面，则该磁感线必然从该曲面穿出，由此可知选项D正确 【总结升华】 在该题中误选A是因为没有理解磁通量是标量，它的大小反映穿过某一面积的磁感线条数，而在单位面积上穿过的磁感线条数的多少才表示磁场强弱；如果只注意决定磁通量大小因素之一的面积，忽视另外因素，如磁感应强度及磁场方向和面积法线间的夹角，将会误选C。举一反三 【变式1】（2015 合肥校级期中）如图所示，环形金属轻弹簧，套在条形磁铁中心位置。若将弹簧沿半径向外拉，使其面积增大，则穿过弹簧所包围面积的磁通量将（ ） A增大 B减小 C不变 D无法确定变化情况【答案】 B【解析】 本题考查磁通量概念，=内外，弹簧所包围面积增大时，内没有变化， 外增大，所以AB所以减小，故正确答案为B【总结升华】 在分析穿过某个面的磁通量时，要注意通过这个面的磁场是否有两个不同的方向因为磁通量是针对一个面而言的，虽然是标量，但有正负因此当有两个不同方向的磁感线同时穿过时，磁通量的计算应为“净”值特别是涉及通电螺线管和条形磁铁的题目，因。为在磁体的内部，所有的磁感线都是由S极指向N极的，磁感线较密【变式2】面积是0.5m2的导体环，处于磁感应强度为2.0102T的匀强磁场中，环面与磁场垂直。穿过导线环的磁通量等于 （ ） A2.5102Wb B1.0102WbC1.5102Wb D4.0102Wb 【答案】B类型五、磁通量的变化及计算 例5、 如图所示，线圈平