高中物理 第一章 電與磁 1.3 認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)素材 粵教版選修1-1（通用）

1、1.3 認(rèn)識(shí)磁場(chǎng) 1磁現(xiàn)象磁性、磁體、磁極：能吸引鐵質(zhì)物體的性質(zhì)叫磁性。具有磁性的物體叫磁體，磁體中磁性最強(qiáng)的區(qū)域叫磁極。2電流的磁效應(yīng) 奧斯特實(shí)驗(yàn)磁極間的相互作用規(guī)律：同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引.（與電荷類比）電流的磁效應(yīng)：電流通過導(dǎo)體時(shí)導(dǎo)體周圍存在磁場(chǎng)的現(xiàn)象(奧斯特實(shí)驗(yàn))。3磁場(chǎng)磁場(chǎng)的概念：磁體周圍存在的一種特殊物質(zhì)（看不見摸不著，是物質(zhì)存在的一種特殊形式）。磁場(chǎng)的基本性質(zhì)：對(duì)處于其中的磁極和電流有力的作用.磁場(chǎng)是媒介物：磁極間、電流間、磁極與電流間的相互作用是通過磁場(chǎng)發(fā)生的。4磁性的地球地球是一個(gè)巨大的磁體，地球周圍存在磁場(chǎng)-地磁場(chǎng)。地球的地理兩極與地磁兩極不重合（地磁的N極在地

2、理的南極附近，地磁的S極在地理的北極附近），其間存在磁偏角。地磁體周圍的磁場(chǎng)分布情況和條形磁鐵周圍的磁場(chǎng)分布情況相似。宇宙中的許多天體都有磁場(chǎng)。月球也有磁場(chǎng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度是通過將一檢驗(yàn)電荷放在電場(chǎng)中分析電荷所受的電場(chǎng)力與檢驗(yàn)電荷量的比值來定義的，其定義式為E=F/q磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 :小磁針靜止時(shí)N極所指的方向規(guī)定為該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向精確實(shí)驗(yàn)表明，通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，通電導(dǎo)線受力（磁場(chǎng)力）大小寫成等式為：F = BIL 式中B為比例系數(shù)。注意：B與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和電流的大小無關(guān)在不同的磁場(chǎng)中B的值不同（即使同樣的電流導(dǎo)線的受力也不樣）磁感應(yīng)強(qiáng)度的大?。ū碚鞔艌?chǎng)強(qiáng)弱的物理量）（1）定義

3、： 在磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線，所受的力（安培力）F跟電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度L的乘積IL的比值叫磁感應(yīng)強(qiáng)度。符號(hào)：B說明：如果導(dǎo)線很短很短，B就是導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。其中，I和導(dǎo)線長(zhǎng)度L的乘積IL稱電流元。（2）定義式： （3）單位：在國際單位制中是特斯特，簡(jiǎn)稱特，符號(hào)T. 1T=N/Am（4）物理意義：磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量.【例】磁場(chǎng)中放一根與磁場(chǎng)方向垂直的通電導(dǎo)線，它的電流強(qiáng)度是2.5 A，導(dǎo)線長(zhǎng)1 cm，它受到的安培力為510-2 N，則這個(gè)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度是多大？解答：幾種常見的磁場(chǎng)1磁感線（1）磁感線的定義在磁場(chǎng)中畫出一些曲線，使曲線上每一點(diǎn)的切線方向都跟這點(diǎn)的磁感

4、應(yīng)強(qiáng)度的方向一致，這樣的曲線叫做磁感線。（2）特點(diǎn)：A、磁感線是閉合曲線，磁鐵外部的磁感線是從北極出來，回到磁鐵的南極，內(nèi)部是從南極到北極.B、每條磁感線都是閉合曲線，任意兩條磁感線不相交。C、磁感線上每一點(diǎn)的切線方向都表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。D、磁感線的疏密程度表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小【注意】磁場(chǎng)中并沒有磁感線客觀存在，而是人們?yōu)榱搜芯繂栴}的方便而假想的。區(qū)別電場(chǎng)線和磁感線的不同之處：電場(chǎng)線是不閉合的，而磁感線則是閉合曲線。2幾種常見的磁場(chǎng)（2）電流的磁場(chǎng)與安培定則直線電流周圍的磁場(chǎng)直線電流周圍的磁感線：是一些以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓，這些同心圓都在跟導(dǎo)線垂直的平面上.（圖3）直線電流的方向和磁感

5、線方向之間的關(guān)系可用安培定則（也叫右手螺旋定則）來判定：用右手握住導(dǎo)線，讓伸直的大拇指所指的方向跟電流的方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向.環(huán)形電流的磁場(chǎng)環(huán)形電流磁場(chǎng)的磁感線：是一些圍繞環(huán)形導(dǎo)線的閉合曲線，在環(huán)形導(dǎo)線的中心軸線上，磁感線和環(huán)形導(dǎo)線的平面垂直（圖4）。環(huán)形電流的方向跟中心軸線上的磁感線方向之間的關(guān)系也可以用安培定則來判定：讓右手彎曲的四指和和環(huán)形電流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是環(huán)形導(dǎo)線中心軸線上磁感線的方向.通電螺線管的磁場(chǎng).通電螺線管磁場(chǎng)的磁感線：和條形磁鐵外部的磁感線相似，一端相當(dāng)于南極，一端相當(dāng)于北極；內(nèi)部的磁感線和螺線管的軸線平行，方向由南極指向

6、北極，并和外部的磁感線連接，形成一些環(huán)繞電流的閉合曲線（圖5）通電螺線管的電流方向和它的磁感線方向之間的關(guān)系，也可用安培定則來判定：用右手握住螺線管，讓彎曲四指所指的方向和電流的方向一致，則大拇指所指的方向就是螺線管的北極（螺線管內(nèi)部磁感線的方向）.電流磁場(chǎng)（和天然磁鐵相比）的特點(diǎn)：磁場(chǎng)的有無可由通斷電來控制；磁場(chǎng)的極性可以由電流方向變換；磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可由電流的大小來控制。3安培分子電流假說（1）安培分子電流假說（P92）對(duì)分子電流，結(jié)合環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的知識(shí)及安培定則，以便學(xué)生更容易理解“它的兩側(cè)相當(dāng)于兩個(gè)磁極”，這句話；并應(yīng)強(qiáng)調(diào)“這兩個(gè)磁極跟分子電流不可分割的聯(lián)系在一起”，以便使他們了解磁

7、極為什么不能以單獨(dú)的N極或S極存在的道理。（2）磁現(xiàn)象的電本質(zhì)：磁鐵和電流的磁場(chǎng)本質(zhì)上都是運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的4勻強(qiáng)磁場(chǎng)（1）勻強(qiáng)磁場(chǎng)：如果磁場(chǎng)的某一區(qū)域里，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向處處相同，這個(gè)區(qū)域的磁場(chǎng)叫勻強(qiáng)磁場(chǎng)。勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線是一些間隔相同的平行直線。（2）兩種情形的勻強(qiáng)磁場(chǎng)：即距離很近的兩個(gè)異名磁極之間除邊緣部分以外的磁場(chǎng)；相隔一定距離的兩個(gè)平行線圈(亥姆霍茲線圈)通電時(shí)，其中間區(qū)域的磁場(chǎng)P92圖3.3-7，圖3.3-8。5.磁通量（1）定義： 磁感應(yīng)強(qiáng)度B與線圈面積S的乘積，叫穿過這個(gè)面的磁通量（是重要的基本概念）。（2）表達(dá)式：=BS【注意】對(duì)于磁通量的計(jì)算要注意條件，即B是勻強(qiáng)磁場(chǎng)或可

8、視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S是線圈面積在與磁場(chǎng)方向垂直的平面上的投影面積。磁通量是標(biāo)量，但有正、負(fù)之分，可舉特例說明。（3）單位：韋伯，簡(jiǎn)稱韋，符號(hào)Wb 1Wb = 1Tm2（4）磁感應(yīng)強(qiáng)度的另一種定義（磁通密度）:即B =/S上式表示磁感應(yīng)強(qiáng)度等于穿過單位面積的磁通量，并且用Wb/m2做單位（磁感應(yīng)強(qiáng)度的另一種單位）。所以：1T = 1 Wb/m2 = 1N/Am1.如圖所示，放在通電螺線管內(nèi)部中間處的小磁針，靜止時(shí)N極指向右.試判定電源的正負(fù)極.解析：小磁針N極的指向即為該處的磁場(chǎng)方向，所以在螺線管內(nèi)部磁感線方向由ab，根據(jù)安培定則可判定電流由c端流出，由d端流入，故c端為電源的正極，d端

9、為負(fù)極.2.如圖所示，當(dāng)線圈中通以電流時(shí)，小磁針的北極指向讀者.試確定電流方向.電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向.磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力安培力：磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力.安培力是以安培的名字命名的，因?yàn)樗芯看艌?chǎng)對(duì)電流的作用力有突出的貢獻(xiàn).1安培力的方向既跟磁場(chǎng)方向垂直，又跟電流方向垂直，也就是說，安培力的方向總是垂直于磁感線和通電導(dǎo)線所在的平面.左手定則：伸開左手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，并且跟手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，把手放人磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿人手心，并使伸開的四指指向電流方向，那么，拇指所指的方向，就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力方向（如圖）。*一般情形的安培力方向法則介紹結(jié)論：電流和磁場(chǎng)可以不垂直，但安培力

10、必然和電流方向垂直，也和磁場(chǎng)方向垂直，用左手定則時(shí)，磁場(chǎng)不一定垂直穿過手心，只要不從手背傳過就行。*至于大小法則，如果電流和磁場(chǎng)不垂直，則將磁場(chǎng)進(jìn)行分解，取垂直分量代入公式即可；從這個(gè)角度不難理解如果電流和磁場(chǎng)平行，那么安培力是多少？學(xué)生為零。補(bǔ)充練習(xí)：判斷下圖中導(dǎo)線A所受磁場(chǎng)力的方向.答案：（垂直于紙面向外）2、安培力的大小通電導(dǎo)線（電流為I、導(dǎo)線長(zhǎng)為L(zhǎng)）和磁場(chǎng)（B）方向垂直時(shí)，通電導(dǎo)線所受的安培力的大?。篎 = BIL（最大）兩種特例：即F = ILB(IB)和F = 0(IB)。一般情況：當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與導(dǎo)線成角時(shí)，有F = ILBsin3、磁電式電流表電流表的組成：永久磁鐵、鐵芯

11、、線圈、螺旋彈簧、指針、刻度盤.（最基本的是磁鐵和線圈）所謂均勻輻向分布，就是說所有磁感線的延長(zhǎng)線都通過鐵芯的中心，不管線圈處于什么位置，線圈平面與磁感線之間的夾角都是零度.該磁場(chǎng)并非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，但在以鐵芯為中心的圓圈上，各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小是相等的.第五節(jié) 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用1、 洛倫茲力的方向和大小2、 洛倫茲力：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的作用力.通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn).洛倫茲力方向的判斷左手定則伸開左手，使大拇指和其余四指垂直且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿入手心，若四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，那么拇指所受的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向；若四指指

12、向是電荷運(yùn)動(dòng)的反方向，那么拇指所指的正方向就是負(fù)電荷所受洛倫茲力的方向.洛倫茲力的大小 洛倫茲力的計(jì)算公式（1）當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直時(shí)（vB） F = qvB（2）當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向成時(shí)（vB） F = qvBsin上兩式各量的單位：F為牛（N），q為庫倫（C）， v為米/秒（m/s）, B為特斯拉（T）1 像管的工作原理（1）原理 ：應(yīng)用電子束磁偏轉(zhuǎn)的道理（2）構(gòu)造 ：由電子槍（陰極）、偏轉(zhuǎn)線圈、熒光屏等組成（介紹各部分的作用102頁）第六節(jié) 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)（1）、運(yùn)動(dòng)軌跡：沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子，粒子在垂直磁場(chǎng)方

13、向的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，此洛倫茲力不做功.教師推導(dǎo)粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力F=m是由粒子所受的洛倫茲力提供的，所以 qvB=mv2/ r由此得出r= T=可得T=（2）、軌道半徑和周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑及周期公式.1、軌道半徑r = 2、周期T =2m/ qB【說明】：（1）軌道半徑和粒子的運(yùn)動(dòng)速率成正比.（2）帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期跟軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速率無關(guān).在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中如果帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向不和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，它的運(yùn)動(dòng)軌道是什么樣的曲線？分析：當(dāng)帶電粒子的速度分別為垂直于B的分量v1和平行于B的分量v2，因?yàn)関1和B垂直，受到洛倫茲力qv1

14、B，此力使粒子q在垂直于B的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，v1和B平行，不受洛倫茲力，故粒子在沿B方向上做勻速曲線運(yùn)動(dòng)，可見粒子的運(yùn)動(dòng)是一等距螺旋運(yùn)動(dòng).再用洛倫茲力演示儀演示如圖所示，一質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子從容器A下方小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，最后打到底片D上.(1)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。(2)求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。解：（1）粒子在S1區(qū)做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng).由動(dòng)能定理知，粒子在電場(chǎng)中得到的動(dòng)能等于電場(chǎng)對(duì)它所做的功，即 由此可得v=.（2）粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供，即qvB=m所以粒子的軌道半徑為

15、r=mv/qB=注意：在解決這類問題時(shí)，如何確定圓心、畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、半徑及圓心角，找出幾何關(guān)系是解題的關(guān)鍵。例題: 如圖所示，半徑為r的圓形空間內(nèi)，存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一個(gè)帶電粒子（不計(jì)重力），從A點(diǎn)以速度v0垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)中，并從B點(diǎn)射出，已知AOB=120，求該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。分析：首先通過已知條件找到所對(duì)應(yīng)的圓心O，畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡并畫出幾何圖形。解：設(shè)粒子在磁場(chǎng)中的軌道半徑為R，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡及幾何圖形如圖所示。粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛倫茲力提供，有qvB=mv2/R 由幾何關(guān)系有：R = r tan60 粒子的運(yùn)動(dòng)周期T =2R/v

16、0 由圖可知=60，得電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 t = T/6 聯(lián)立以上各式解得：t=r/3v0（3）、質(zhì)譜儀1.質(zhì)譜儀由靜電加速極、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、顯示屏等組成.2.電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子，它們進(jìn)入磁場(chǎng)后將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條，叫質(zhì)譜線，每一條對(duì)應(yīng)于一定的質(zhì)量，從譜線的位置可以知道圓周的半徑r，如果再已知帶電粒子的電荷量q，就可算出它的質(zhì)量.3.質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子互稱為同位素.4.質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì).5.質(zhì)譜儀是一種十分精密的儀器，是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具.-2回旋加速器由美國物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明。其結(jié)構(gòu)教材圖366所示。核心部件為兩個(gè)D形盒（加勻強(qiáng)磁場(chǎng)）和其間的夾縫（加交變電場(chǎng)）加速原理：可作如下的解釋：如果其他因素(q、m、B)不變，則當(dāng)速率v加大時(shí)，由r=mv/qB得知圓運(yùn)動(dòng)半徑將與v成正比例地增大，因而圓運(yùn)動(dòng)周長(zhǎng)也將與v成正比例地增大，因此運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間(周期)仍將保持原值。磁場(chǎng)的作用：交變電場(chǎng)以某一速度垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其周期在q、m、B不