高中物理選修3-1——磁場(chǎng)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

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高中物理選修 3-1——磁場(chǎng)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)一、磁場(chǎng)及其磁感線1、磁場(chǎng)（1）磁場(chǎng)是存在于磁極或電流周?chē)臻g里的一種特殊的物質(zhì)，磁場(chǎng)和電場(chǎng)一樣，都是“場(chǎng)形態(tài)物質(zhì)”。（2）磁場(chǎng)的方向：物理學(xué)規(guī)定，在磁場(chǎng)中的任一點(diǎn)，小磁針北極受力的方向，亦即小磁針靜止時(shí)北極所指的方向，就是那一點(diǎn)磁場(chǎng)的方向。（3）磁場(chǎng)的基本性質(zhì)：磁場(chǎng)對(duì)處在它里面的磁極或電流有磁場(chǎng)力的作用。磁極和磁極之間、磁場(chǎng)和電流之間、電流和電流之間的相互作用都是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)傳遞的。2、磁感線（1）磁感線：是形象地描述磁場(chǎng)而引入的有方向的曲線。在曲線上，每一點(diǎn)切線方向都在該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向上，曲線的疏密反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。（2）磁感線的特點(diǎn)：a.磁感線是閉合的曲線，磁體的磁感線在磁體外部由 N 極到 S 極，內(nèi)部由 S 極到 N 極。b.任意兩條磁感線不能相交。3、幾種常見(jiàn)磁場(chǎng)的磁感線的分布（1）條形磁鐵和碲形磁鐵的磁感線條形磁鐵和蹄形磁鐵是兩種最常見(jiàn)的磁體，如圖所示的是這兩種磁體在平面內(nèi)的磁感線形狀，其實(shí)它們的磁感線分布在整個(gè)空間內(nèi)，而且磁感線是閉合的，它們的內(nèi)部都有磁感線分布。（2）通電直導(dǎo)線磁場(chǎng)的磁感線通電直導(dǎo)線磁場(chǎng)的磁感線的形狀與分布如圖所示，通電直導(dǎo)線磁場(chǎng)的磁感線是一組組以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓。需要指出的是，通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)是不均勻的，越靠近導(dǎo)線，磁場(chǎng)越強(qiáng)，磁感線越密。電流的方向與磁感線方向的關(guān)系可以用安培定則來(lái)判斷，如圖所示。用右手握住直導(dǎo)線，伸直的大拇指與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。（3）環(huán)形電流磁場(chǎng)的磁感線環(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)形的中心軸上，由對(duì)稱(chēng)性可知，磁感線是與環(huán)形導(dǎo)線的平面垂直的一條直線。如圖甲所示，環(huán)形電流方向與磁感線方向的關(guān)系也可以用右手定則來(lái)判斷，如圖乙所示，讓右手彎曲的四指和環(huán)形電流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是圓環(huán)軸線上磁感線的方向；如圖丙所示，讓右手握住部分環(huán)形導(dǎo)線，伸直的大拇指與電流方向一致，則四指所指的方向就是圍繞環(huán)形導(dǎo)線的磁感線的方向。（4）通電螺線管的磁感線通電螺線管表現(xiàn)出來(lái)的磁性很像一根條形磁鐵，一端相當(dāng)于北極（N），另一端相當(dāng)于南極（S），形成的磁感線在通電螺線管的外部從北極（N）出來(lái)進(jìn)入南極（S），通電螺線管內(nèi)部具有磁場(chǎng)，磁感線方向與管軸線平行，方向都是由 S 極指向N 極，并與外部磁感線連接形成一些閉合曲線，其方向也可用安培定則判斷，用右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致，那么大拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向，如圖所示。（5）地磁場(chǎng)的磁感線地磁場(chǎng)的南北極與地理上的南北極剛好相反，所以磁感線從地理的南極出來(lái)進(jìn)入地理的北極二、磁感應(yīng)強(qiáng)度（1）定義：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向放置的通電直導(dǎo)線，所受的安培力 F 跟電流強(qiáng)度 I 和導(dǎo)線長(zhǎng)度 L 的乘積之比，叫做通電導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 只是由磁場(chǎng)本身決定，與所放置的電流 I 和導(dǎo)線長(zhǎng)度 L 均無(wú)關(guān)。（2）單位：特斯拉，簡(jiǎn)稱(chēng)特，符號(hào)是 T，。（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)的力的性質(zhì)的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，其方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。5、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)叫做勻強(qiáng)磁場(chǎng)，距離很近的兩個(gè)異名磁極之間的磁場(chǎng)，通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)都可以看成是勻強(qiáng)磁場(chǎng)。勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線為相互平行，等間距的平行線。6、安培力的大小和方向（1）定義：磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力叫安培力。（2）大?。寒?dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直放置時(shí)，安培力最大，為 F=BIL。當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向平行放置時(shí)，安培力最小，為零。當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向成其他任意角放置時(shí)，安培力介于最大值和最小值之間。（3）方向：安培力的方向可以用左手定則來(lái)判斷。安培力方向垂直磁場(chǎng)方向，垂直電流方向，即垂直于電流方向和磁場(chǎng)方向決定的平面。三、磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用1、磁感線是閉合曲線磁感線與電場(chǎng)線不同，在磁體外部是從 N 極指向 S 有，磁體內(nèi)部則從 S 極指向 N 極，從而形成閉合曲線。2、安培定則用安培定則判斷通電線圈（或螺線管）的磁感線時(shí)，拇指指向?yàn)榫€圈（或螺線管）內(nèi)部的磁感線方向，其外部與此方向相反。3、磁感應(yīng)強(qiáng)度（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)的物理量，由磁場(chǎng)自身決定，與是否放入檢驗(yàn)電流無(wú)關(guān)。（2）磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，其方向就是該點(diǎn)磁場(chǎng)方向。當(dāng)磁場(chǎng)疊加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量合成。4、安培力（1）安培力的大小不僅與 B、I、L 的大小有關(guān)，還與電流方向與磁場(chǎng)方向間的夾角有關(guān)。當(dāng)通電直導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，通電導(dǎo)線所受安培力最大，這時(shí)安培力 F=BIL。當(dāng)兩者平行最小為零，對(duì)于電流方向與磁場(chǎng)方向成任意角的情況，可以把磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 分解為垂直電流方向和平行電流方向兩種情況處理。（2）F=BIL 只適用于勻強(qiáng)磁場(chǎng)，對(duì)非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng) L 足夠短時(shí)，可以認(rèn)為導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng)。（3）安培力的方向要用左手定則判斷，垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度方向，這跟電場(chǎng)力與電場(chǎng)強(qiáng)度方向之間的關(guān)系是不同的。5、安培分子電流假說(shuō)導(dǎo)體中的電流是由大量的自由電子的定向移動(dòng)而形成的，而電流的周?chē)?guó)又有磁場(chǎng)，所以電流的磁場(chǎng)應(yīng)該是由于電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。安培提出在磁鐵中分子、原于存在著一種環(huán)形電流——分子電流，分子電流使每個(gè)物質(zhì)微粒都成為微小的磁體．磁鐵的分子電流的取向大致相同時(shí)，對(duì)外顯磁性；磁鐵的分子電流取向雜亂無(wú)章時(shí)，對(duì)外不顯磁性。根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)理論，微粒原子由原子核和核外電子組成，原子核帶正電，核外電子帶負(fù)電，電子在庫(kù)侖力的作用下，繞核高速旋轉(zhuǎn)，形成分子電流。假說(shuō)的意義在于其揭示了電與磁之間的聯(lián)系。6、安培力的應(yīng)用——磁電式儀表（1）根據(jù)通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中會(huì)受到安培力的作用這一原理制成的儀表，稱(chēng)為磁電式儀表。（2）磁電式儀表的結(jié)構(gòu)（3）磁電式儀表原理由于磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力方向與電流方向有關(guān)，因此，如果改變通過(guò)電流表的電流方向，磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力方向也會(huì)隨著改變，指針和線圈的偏轉(zhuǎn)方向也就隨著改變，據(jù)此便可判斷出被測(cè)電流的方向。磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力跟電流成正比，線圈中的電流越大，受到的作用力也越大，指針和線圈的偏轉(zhuǎn)角度也越大．因此，指針偏轉(zhuǎn)角度的大小反映了被測(cè)電流的大?。灰ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)把兩者一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系記錄下來(lái)，并標(biāo)示在刻度盤(pán)上，這樣在使用中，就可以在刻度盤(pán)上直接讀出被測(cè)電流的大小。四、磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力1、洛倫茲力是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，它是安培力的微觀本質(zhì)。安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。2、洛倫茲力的大小（1）當(dāng)電荷速度方向垂直于磁場(chǎng)的方向時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力，等于電荷量、速率、磁感應(yīng)強(qiáng)度三者的乘積，即F=qvB.（2）當(dāng)電荷速度方向平行磁場(chǎng)方向時(shí)，洛倫茲力 F=0。（3）當(dāng)電荷速度方向與磁場(chǎng)方向成 θ 角時(shí)，可以把速度分解為平行磁場(chǎng)方向和垂直磁場(chǎng)方向來(lái)處理，此時(shí)受洛倫茲力F=qvBsinθ。3、洛倫茲力的方向安培力的方向可以用左手定則來(lái)判斷，洛倫茲力的方向也可用左手定則來(lái)判斷：伸開(kāi)左手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場(chǎng)，讓磁感線穿過(guò)手心，對(duì)于正電荷，四指指向電荷的運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)于負(fù)電荷，四指的指向與電荷的運(yùn)動(dòng)方向相反，大拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向。由此可見(jiàn)洛倫茲力方向總是垂直速度方向和磁場(chǎng)方向，即垂直速度方向和磁場(chǎng)方向決定的平面。4、洛倫茲力的特點(diǎn)因?yàn)槁鍌惼澚κ冀K與電荷的運(yùn)動(dòng)方向垂直，所以洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功。它只改變運(yùn)動(dòng)電荷速度的方向，而不改變速度的大小。5、洛倫茲力與電場(chǎng)力的比較（1）與帶電粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系帶電粒子在電場(chǎng)中所受到的電場(chǎng)力的大小和方向，與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。但洛倫茲力的大小和方向，則與帶電粒子本身運(yùn)動(dòng)的速度緊密相關(guān)。（2）決定大小的有關(guān)因素電荷在電場(chǎng)中所受到的電場(chǎng)力 F=qE，與兩個(gè)因素有關(guān)：本身電量的多少和電場(chǎng)的強(qiáng)弱。運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受的磁場(chǎng)力，與四個(gè)因素有關(guān)；本身電量的多少、運(yùn)動(dòng)速度 v 的大小、速度v 的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 方向間的關(guān)系、磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B。（3）方向的區(qū)別電荷所受電場(chǎng)力的方向，一定與電場(chǎng)方向在同一條直線上（正電荷同向，負(fù)電荷反向），但洛倫茲力的方向則與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直。6、解決在洛倫茲力等多力作用下電荷運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的注意問(wèn)題：（1）正確分析受力情況是解決電荷運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的關(guān)鍵。要在詳細(xì)分析問(wèn)題給出的物理過(guò)程的基礎(chǔ)上，認(rèn)清洛倫茲力是怎么變化的。伴隨著洛倫茲力的變化，物體的受力情況又發(fā)生了什么樣的變化。（2）受力變化演變，出現(xiàn)了什么新運(yùn)動(dòng)情況，電荷從什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡到什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。（3）尋找關(guān)鍵狀態(tài)各物理量之間的數(shù)量關(guān)系，選擇合適的物理規(guī)律去求解，這些常常就是解題的關(guān)鍵之所在。7、帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心、半徑及運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定：（1）圓心的確定．因?yàn)槁鍌惼澚χ赶驁A心，根據(jù) F 洛⊥v，畫(huà)出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡中任意兩點(diǎn)（一般是射入和射出磁場(chǎng)的兩點(diǎn)）的 F 洛的方向，其延長(zhǎng)線的交點(diǎn)即為圓心．（2）半徑的確定和計(jì)算．半徑的計(jì)算一般是利用幾何知識(shí)，常用解三角形的方法．（3）在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定．利用圓心角與弦切角的關(guān)系，或者是四邊形內(nèi)角和等于 360°計(jì)算出圓心角 θ 的大小，由公式可求出運(yùn)動(dòng)時(shí)間．五、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律1、帶電粒子的速度方向若與磁場(chǎng)方向平行，帶電粒子不受洛倫茲力作用，將以入射速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。2、帶電粒子若垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)且只受洛倫茲力的作用，帶電粒子一定做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道平面一定與磁場(chǎng)垂直。由洛倫茲力提供向心力，得軌道半徑：。由軌道半徑與周期的關(guān)系得：?？梢?jiàn)，周期與入射速度和運(yùn)動(dòng)半徑無(wú)關(guān)。荷質(zhì)比相同的帶電粒子，當(dāng)它們以不同的速度在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)論速度相差多大，由于其運(yùn)動(dòng)半徑，與速度成正比，所以它們運(yùn)動(dòng)的周期都相同。3、質(zhì)譜儀利用不同質(zhì)量而帶同樣電量的帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不同，可以制成測(cè)定帶電粒子質(zhì)量的儀器——質(zhì)譜儀。如圖所示，粒子帶電量為 q，質(zhì)量為 m，經(jīng)加速電壓 U 加速后進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在加速電場(chǎng)中，由動(dòng)能定量得：，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中軌道半徑：，所以粒子質(zhì)量。4、回旋加速器的工作原理粒子源位于兩 D 形盒的縫隙中央處，從粒子源放射出的帶電粒子經(jīng)兩 D 形盒間的電場(chǎng)加速后，垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入某一 D形盒內(nèi)，在洛侖茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，若帶電粒子的電荷量為 q，質(zhì)量為 m，進(jìn)入 D 形盒時(shí)速度為 v，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B。