高中物理 2-1+2《磁現(xiàn)象與電流的磁效應 磁場》課件 （教科版選修1-1）

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歡迎進入物理課堂 1磁現(xiàn)象與電流的磁效應2磁場 1 知道磁場是一種特殊的物質形式 知道磁體和電流周圍有磁場 知道磁場的基本性質 2 知道磁感線 磁感應強度 磁通量等描述磁場的概念 3 會利用磁感線判斷磁感應強度的大小和方向 4 會進行簡單的磁通量的計算 一 奧斯特的劃時代發(fā)現(xiàn) 電流的磁效應1 電流能夠產(chǎn)生磁場 這個現(xiàn)象叫做電流的磁效應 2 電流的磁效應是丹麥物理學家奧斯特于1820年發(fā)現(xiàn)的 3 奧斯特的發(fā)現(xiàn)使人們認識到了電和磁間的聯(lián)系 吸引著科學家們?nèi)ヌ剿骱脱芯?電磁學的大門打開了 隨著發(fā)電機 電動機的問世 人類進入了 電氣化 時代 二 安培力 磁場對通電導線的作用力1 定義 磁場對通電導體的作用力叫做安培力 2 特點 通電直導線與磁場方向垂直時 所受的安培力最大 與磁場方向平行時 導線不受安培力 導線與磁場方向斜交時 安培力介于最大值和零之間 即同一通電導線 按不同方式放在同一磁場中 如圖2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 3所示 三種情況下 導線與磁場方向垂直時安培力最大 取為Fmax 當導線與磁場方向平行時 安培力最小 F 0 其他情況下 0 F Fmax 3 影響安培力大小的因素安培力大小的決定因素有兩個 一個是放入磁場中的一段導體的Il的乘積 另一個是磁場本身 即磁場的磁感應強度B 因而安培力是可以改變的 1 通過改變磁感應強度B的大小來改變 2 通過改變通電導線的長短l來改變 3 通過改變通電導線電流I的大小來改變 4 通過改變通電導線在磁場中的放置位置來改變 4 左手定則伸開左手 使拇指跟四指在同一個平面內(nèi)并跟四指垂直 讓磁感線垂直穿入手心 使四指指向電流的方向 那么拇指所指的方向就是通電導線所受安培力的方向 如圖2 1 2 4所示 三 磁感應強度1 物理意義 磁感應強度是表示磁場強弱和方向的物理量 2 單位 特斯拉 簡稱特 國際符號是T 3 矢量性 磁感應強度是矢量 既有大小 又有方向 磁場中某點磁感應強度的方向就是該點磁場的方向 4 勻強磁場 1 概念 在磁場的某一區(qū)域里 磁感應強度的大小和方向處處相同的磁場 2 描述 勻強磁場中的磁感線是一組方向一致的等間距平行直線 3 距離很近的兩個平行異名磁極之間或者通電長螺線管內(nèi)部的磁場 除邊緣部分外 都可以近似地看作勻強磁場 四 磁感線1 定義 磁感線是為了形象地描述磁場而人為假設的曲線 其疏密程度反映磁場的強弱 線上每一點的切線方向都跟該點的磁場方向一致 2 特點 1 在磁體外部 磁感線從北極發(fā)出 進入南極 在磁體內(nèi)部由南極回到北極 2 磁感線的疏密程度表示磁場的強弱 磁感線越密的地方磁場越強 磁感線的切線方向為該點的磁場方向 3 磁感線閉合而不相交 不相切 也不中斷 4 沒有畫磁感線的地方 并不表示那里就沒有磁場存在 通過磁場中的任一點總能而且只能畫出一條磁感線 5 磁場中的任何一條磁感線都是閉合曲線 例如 條形磁鐵或通電螺線管的磁感線在外部都是從N極出來進入S極 在內(nèi)部則由S極回到N極 形成閉合曲線 五 磁通量1 定義 如果在勻強磁場中有一個與磁場方向垂直的平面 而磁場的磁感應強度為B 平面的面積為S 則磁感應強度B與垂直于勻強磁場的平面的面積S的乘積叫做穿過這個面積的磁通量 簡稱磁通 符號為 2 公式 BS 此公式只適用于與S垂直的勻強磁場 3 單位 韋伯 符號Wb 1Wb 1T 1m2 1 電場力與安培力有何區(qū)別 電荷在電場中受到的電場力是一定的 方向與該點的電場方向相同或相反 電流在磁場中某處所受的磁場力 安培力 與電流在磁場中放置的方向有關 當電流方向與磁場方向平行時 電流受到的安培力最小 等于零 當電流方向與磁場方向垂直時 電流受的安培力最大 2 如何理解左手定則所反映的方向關系 1 左手定則反映了磁場方向 電流方向和電流所受安培力方向之間的關系 知道了三個方向中的任意兩個 就可以用左手定則判定出第三個的方向 2 不論通電導線如何放置 磁場對導線的安培力方向一定跟直導線中的電流方向與磁場方向所構成的平面垂直 即F安 I且F安 B 3 要注意左手定則判定的是磁場對電流作用力 即安培力 的方向 而不一定是載流導體運動的方向 載流導體是否運動 還要視它所處的具體情況 受力情況 初速度方向等 而定 3 電場強度的方向是根據(jù)電荷受到的電場力的方向規(guī)定的 為什么磁感應強度的方向不用電流受力的方向來規(guī)定呢 電場強度的方向判定為正電荷所受電場力的方向 實際上磁感應強度的方向也與小磁針N極的指向是相同的 但作為電流受磁場力的方向與磁場方向垂直 在空間中與某一已知方向的垂直方向是不確定的 所以不能用電流受磁場力的方向來規(guī)定磁感應強度的方向 4 磁場中兩條磁感線能相交嗎 為什么 不能相交 因為磁感線上各點的切線方向表示磁場的方向 若兩條磁感線相交 交點的磁場方向就有兩個了 這是不對的 5 磁通量的變化及變化原因磁通量的變化 2 1 是某兩個時刻穿過平面S的磁通量之差 即 取決于末狀態(tài)的磁通量 2與初狀態(tài)的磁通量 1的代數(shù)差 磁通量發(fā)生變化的兩種方式 1 磁感應強度B不變 垂直于磁場的面積發(fā)生變化 此時 B S S可以由 因面積變化引起 因磁感線方向與平面的夾角變化 如線圈轉動 而引起垂直于磁場方向的面積變化 2 垂直于磁場的面積S不變 磁感應強度大小發(fā)生變化 此時 S B 6 當磁感應強度B的方向與面積S不垂直 有一夾角 時 如何來計算磁通量呢 如圖2 1 2 5所示 我們采用投影的方法 將平面向垂直于磁場的方向上投影 就可得到磁通量的一般的計算公式 BScos 為平面與垂直磁場方向間的夾角 因此 引起磁通量變化的情況不外乎三種類型 1 B變 2 S變 3 B和S的夾角變 或三者都變 典例1 已知北京地區(qū)地磁場的水平分量為3 0 10 5T 若北京市一高層建筑安裝了高100m的金屬桿作為避雷針 在某次雷雨天氣中 某一時刻的放電電流為105A 此時金屬桿所受安培力的方向和大小如何 解析首先要搞清放電電流的方向 因為地球帶有負電荷 雷雨放電時 是地球所帶的負電荷通過金屬桿向上運動 即電流方向向下 對于這類問題 都可采用如下方法確定空間的方向 面向北方而立 則空間水平磁場均為 自己右手邊為東方 左手邊為西方 背后為南方 如圖所示 由左手定則判定電流所受磁場力向右 即指向東方 大小為F BIl 3 0 10 5 105 100N 300N 答案金屬桿所受磁場力指向東方 大小為300N 變式1 質量為m的通電細桿ab置于傾角為 的導軌上 導軌寬度為d 桿ab與導軌間的動摩擦因數(shù)為 有電流時 ab恰好在導軌上靜止 如圖2 1 2 6所示 它的四個側視圖中標示出四種可能的勻強磁場方向 其中桿ab與導軌之間的摩擦力可能為零的是 解析根據(jù)對上述四種情況的受力分析可知 C D中摩擦力不可能為零 答案AB 典例2 關于磁感應強度 下列說法正確的是 A 磁場中某處的磁感應強度大小 就是長度為L 所通電流為I的一小段直導線放在該處時 通電導線所受安培力F與I L之積的比值B 一小段通電導線在磁場中某點所受安培力的方向就是該處的磁感應強度方向C 磁場中某點的磁感應強度的大小和方向與放在該處的通電短直導線受到的安培力的大小和方向無關D 一小段短直通電導線在某處不受安培力作用 說明此處磁感應強度為零 答案C 變式2 下列關于磁感線的說法中 正確的是 A 磁感線可以形象地描述磁場的強弱與方向B 磁感線總是從磁鐵的N極發(fā)出 到S極終止C 磁感線就是細鐵屑在磁鐵周圍排列的曲線 沒有細鐵屑的地方就沒有磁感線D 沿磁感線的方向磁場逐漸減弱 解析磁場是一種看不見的特殊物質 人們?yōu)榱诵蜗蟮孛枥L磁場而引入了磁感線這一假想的曲線 它可以表示磁場的強弱與方向 選項A正確 在磁體外部磁感線從磁鐵的N極發(fā)出 從磁鐵的S極進入 構成閉合曲線 由安培定則知電流產(chǎn)生的磁場磁感線都是閉合曲線 選項B錯誤 磁感線是人們假想的曲線 與有無鐵屑無關 選項C錯誤 磁場的強弱由磁感線的疏密程度表示 而與磁感線的方向無關 選項D錯誤 答案A 典例3 有一個垂直紙面向里的勻強磁場 如圖2 1 2 7所示 磁感應強度B 0 8T 磁場有明顯的圓形邊界 圓心為O 半徑為1cm 現(xiàn)在紙面內(nèi)先后放上圓線圈 圓心均在O處 A線圈半徑為1cm 10匝 B線圈半徑為2cm 1匝 C線圈半徑為0 5cm 1匝 問 1 在磁感應強度B減為0 4T的過程中 線圈A和B中磁通量改變多少 2 當磁場轉過30 角的過程中 線圈C中磁通量改變多少 答案 1 1 256 10 4Wb1 256 10 4Wb 2 8 4 10 6Wb借題發(fā)揮磁通量是指穿過某一面積的磁感線的條數(shù) 與線圈匝數(shù)無關 若線圈所圍面積大于磁場面積 則以磁場區(qū)域面積為準 本題中B線圈與A線圈中的磁通量始終一樣 故它們的改變量也一樣 變式3 如圖2 1 2 8所示 邊長為100cm的正方形閉合線圈置于磁場中 線圈的ad bc兩邊中點連線OO 的左右兩側分別存在著方向相同 磁感應強度大小各為B1 0 60T B2 0 40T的勻強磁場 開始時 線圈平面與磁場垂直 若從上往下看 線圈逆時針轉37 和180 角時 穿過線圈的磁通量分別改變了多少 答案0 1Wb1 0Wb 開拓視野電磁炮如圖2 1 2 9所示 電磁炮是利用電磁發(fā)射技術制成的一種先進的動能殺傷武器 與傳統(tǒng)的大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同 電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力 其作用的時間要長得多 可大大提高彈丸的速度和射程 因而引起了世界各國軍事家們的關注 自80年代初期以來 電磁炮在未來武器的發(fā)展計劃中 已成為越來越重要的部分 典例4 如圖2 1 2 10是導軌式電磁炮實驗裝置示意圖 兩根平行長直金屬導軌沿水平方向固定 其間安放金屬滑塊 即實驗用彈丸 滑塊可沿導軌無摩擦滑行 且始終與導軌保持良好接觸 電源提供的強大電流從一根導軌流入 經(jīng)過滑塊 再從另一導軌流回電源 滑塊被導軌中的電流形成的磁場推動而發(fā)射 在發(fā)射過程中 該磁場在滑塊所在位置始終可以簡化為勻強磁場 方向垂直于紙面 其強度與電流的關系為B kI 比例常量k 2 5 10 6T A 已知兩導軌內(nèi)側間距l(xiāng) 1 5cm 滑塊的質量m 30g 滑塊沿導軌滑行5m后獲得的發(fā)射速度v 3 0km s 此過程視為勻加速運動 求 發(fā)射過程中電源提供的電流 答案A借題發(fā)揮 1 通電導體在磁場中的軌道上平衡與勻加速直線運動的問題 如果是立體圖 要先轉化為平面圖 2 受力分析時 除分析重力 彈力 摩擦力外 注意應用左手定則確定安培力的方向 3 根據(jù)平衡條件或牛頓第二定律列出方程求解 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全