（山東省專用）2018-2019學年高中物理 第三章 磁場 第3節(jié) 幾種常見的磁場講義（含解析）新人教版選修3-1.doc
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第3節(jié)幾種常見的磁場 1.磁感線是假想的線，磁感線可以定性地描述磁場的強弱和方向。 2．電流的磁場方向可由右手螺旋定則(或安培定則)判定。 3．安培提出了分子電流假說，能夠解釋磁化、退磁等一些磁現(xiàn)象。 4．磁通量的大小為：Φ＝BS，磁感應強度也可叫做磁通密度。 一、磁感線 1．定義：用來形象描述磁場強弱和方向的假想曲線。 2．特點 (1)磁感線的疏密程度表示磁場的強弱。磁場強的地方，磁感線較密；磁場弱的地方，磁感線較疏。 (2)磁感線某點的切線方向表示該點磁感應強度的方向。 二、幾種常見的磁場 電流的磁場方向可以用安培定則(右手螺旋定則)判斷。 1．直線電流的磁場 右手握住導線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線環(huán)繞的方向。 2．環(huán)形電流的磁場 讓右手彎曲的四指與環(huán)形電流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是環(huán)形導線軸線上磁感線的方向。 3．通電螺線管的磁場 右手握住螺線管，讓彎曲的四指跟電流的方向一致，拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部的磁場的方向或者說拇指所指的方向是它的北極的方向。 三、安培分子電流假說 1．分子電流假說：安培認為，在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流，即分子電流。分子電流使每個物質(zhì)微粒都成為小磁體，它的兩側相當于兩個磁極。 2．分子電流假說意義：能夠解釋磁化以及退磁現(xiàn)象，解釋磁現(xiàn)象的電本質(zhì)。 3．磁鐵的磁場和電流的磁場一樣，都是由電荷的運動產(chǎn)生的。 四、勻強磁場和磁通量 1．勻強磁場 (1)定義：強弱、方向處處相同的磁場。 (2)磁感線特點：疏密均勻的平行直線。 2．磁通量 (1)定義：勻強磁場中磁感應強度和與磁場方向垂直的平面面積S的乘積。即Φ＝BS。 (2)拓展：磁場與平面不垂直時，這個面在垂直于磁場方向的投影面積S′與磁感應強度的乘積表示磁通量。 (3)單位：國際單位制是韋伯，簡稱韋，符號是Wb，1 Wb＝1_Tm2。 (4)引申：B＝，表示磁感應強度等于穿過單位面積的磁通量，因此磁感應強度又叫磁通密度。 1．自主思考——判一判 (1)磁感線是閉合的曲線，沒有起始終了的位置。(√) (2)磁感線可以用細鐵屑來顯示，因而是真實存在的。() (3)通電直導線周圍磁場的磁感線是閉合的圓環(huán)。(√) (4)通電螺線管周圍的磁場類似于條形磁體周圍的磁場。(√) (5)將一平面置于勻強磁場中的任何位置，穿過該平面的磁通量總相等。 () (6)除永久性磁鐵外，一切磁場都是由運動電荷產(chǎn)生的。 () (7)一般的物體不顯磁性是因為物體內(nèi)的分子電流取向雜亂無章。(√) 2．合作探究——議一議 (1)有同學認為磁感線總是從磁體北極指向南極，你認為對嗎？ 提示：不對，在磁體外部磁感線從磁體北極指向南極，而在磁體內(nèi)部，磁感線是從南極指向北極。 (2)若通過某面積的磁通量等于零，則該處一定無磁場，你認為對嗎？ 提示：不對。磁通量除與磁感應強度、面積有關外，還與環(huán)面和磁場夾角有關，當環(huán)面與磁場平行時，磁通量為零，但存在磁場。 (3)通電的螺線管相當于一個條形磁鐵，一端是N極，另一端是S極，把一個小磁針放入螺線管內(nèi)部，小磁針的N極指向螺線管的哪端？ 提示：指向N極。小磁針N極的指向是N極受到磁場力的方向，N極受力的方向是該位置的磁感應強度的方向，在螺線管內(nèi)部，磁感應強度方向由S極指向N極。所以小磁針的N極指向螺線管的N極。 對磁感線的理解 磁感線與電場線的比較 磁感線 電場線 相似點 引入目的 為形象描述場而引入的假想線，實際不存在 疏密 場的強弱 切線方向 場的方向 是否相交 不能相交(電場中無電荷空間不相交) 不同點 不中斷的閉合曲線 不閉合，起始于正電荷或無限遠，終止于無限遠或負電荷 1．對磁感線的認識，下列說法正確的是( ) A．磁感線總是從磁體的北極出發(fā)，終止于磁體的南極 B．磁感線上某點的切線方向與放在該點小磁針南極的受力方向相同 C．磁感線的疏密可以反映磁場的相對強弱 D．磁感線是磁場中客觀存在的線 解析：選C 磁感線在磁體的外部是從N到S，在磁體內(nèi)部是從S到N，形成閉合曲線，A錯誤；磁感線上某點的切線方向與放在該點小磁針北極的受力方向相同，B錯誤；磁感線是人假象出來的，現(xiàn)實中不存在，磁感線越密，磁感應強度越大，磁感線越疏，磁感應強度越小，C正確D錯誤。 2.磁場中某區(qū)域的磁感線如圖所示，則( ) A．a(chǎn)、b兩處的磁感應強度的大小不等，Ba＞Bb B．a(chǎn)、b兩處的磁感應強度的大小不等，Ba＜Bb C．同一通電導線放在a處受力一定比放在b處受力小 D．a(chǎn)處沒有磁感線，所以磁感應強度為零 解析：選B 由圖中可知b處的磁感線較密，a處的磁感線較疏，所以Ba＜Bb，故A錯，B對；導線在磁場中受力的大小與導線在磁場中的放置方向有關，而不是僅僅取決于B與LI的大小，故C錯；磁感線是用來描述磁場的，而又不可能在存在磁場的區(qū)域內(nèi)全部畫磁感線，那樣將會與不畫磁感線產(chǎn)生相同的效果，故D錯。 3．[多選]下列關于電場線和磁感線的說法中，正確的是( ) A．電場線和磁感線都是電場或磁場中實際存在的線 B．磁場中兩條磁感線一定不相交，但在復雜電場中的電場線是可以相交的 C．電場線是一條不閉合曲線，而磁感線是一條閉合曲線 D．電場線越密的地方，電場越強，磁感線越密的地方，磁場也越強 解析：選CD 電場線與磁感線分別是為了形象描述電場、磁場而引入的假想線，實際不存在，A錯誤。兩種場線的切線方向均表示相應的場方向，兩種場線都不會相交，B錯誤。電場線起始于正電荷或無限遠、終止于負電荷或無限遠，而磁感線在磁體外部由N極指向S極，在磁體內(nèi)部由S極指向N極，組成閉合曲線，C正確。電場線越密，表示該處電場越強；磁感線越密，表示該處磁場越強，D正確。 常見磁場的分布規(guī)律 1．常見永磁體的磁場 2．常見電流的磁場 安培定則 立體圖 橫截面圖 縱截面圖 直線電流 以導線上任意點為圓心垂直于導線的多組同心圓，越向外越稀疏，磁場越弱 環(huán)形電流 內(nèi)部磁場比環(huán)外強，磁感線越向外越稀疏 通電螺線管 內(nèi)部為勻強磁場且比外部強，方向由S極指向N極，外部類似條形磁鐵，由N極指向S極 [典例] 如圖所示，a、b、c三枚小磁針分別在通電螺線管的正上方、管內(nèi)和右側，當這些小磁針靜止時，小磁針N極的指向是( ) A．a(chǎn)、b、c均向左 B．a(chǎn)、b、c均向右 C．a(chǎn)向左，b向右，c向右 D．a(chǎn)向右，b向左，c向右 [解析] 小磁針靜止時N極的指向與該點磁感線方向相同，如果a、b、c三處磁感線方向確定，那么三枚小磁針靜止時N極的指向也就確定。所以，只要畫出通電螺線管的磁感線如圖所示，即可知a磁針的N極在左邊，b磁針的N極在右邊，c磁針的N極在右邊。 [答案] C 小磁針在磁場中受力的判斷方法 (1)當小磁針處于磁體產(chǎn)生的磁場，或環(huán)形電流、通電螺線管外部時，可根據(jù)同名磁極相斥，異名磁極相吸來判斷小磁針的受力方向。 (2)當小磁針處于直線電流的磁場中，或處于環(huán)形電流、通電螺線管內(nèi)部時，應該根據(jù)小磁針N極所指方向與通過該點的磁感線的切線方向相同來判斷小磁針的受力方向?！ ? 1．如圖所示為磁場、磁場作用力演示儀中的赫姆霍茲線圈，當在線圈中心處掛上一個小磁針，且與線圈在同一平面內(nèi)，則當赫姆霍茲線圈中通以如圖所示方向的電流時( ) A．小磁針N極向里轉(zhuǎn) B．小磁針N極向外轉(zhuǎn) C．小磁針在紙面內(nèi)向左擺動 D．小磁針在紙面內(nèi)向右擺動 解析：選A 由于線圈中電流沿順時針方向，根據(jù)安培定則可以確定，線圈內(nèi)部軸線上磁感線方向垂直于紙面向里。而小磁針N極受力方向和磁感線方向相同，故小磁針N極向里轉(zhuǎn)。 2．如圖所示，a、b是直線電流的磁場，c、d是環(huán)形電流的磁場，e、f是通電螺線管的磁場，試在各圖中補畫出電流方向或磁感線方向。 解析：根據(jù)安培定則，可以確定a中電流方向垂直紙面向里，b中電流方向從下向上，c中電流方向沿逆時針，d中磁感線方向向下，e中磁感線方向向左，f中磁感線方向向右。 答案：如圖所示 對磁通量的理解與計算 1．磁通量的計算 (1)公式：Φ＝BS。 適用條件：①勻強磁場；②磁場與平面垂直。 (2)若磁場與平面不垂直，應為平面在垂直于磁感線方向上的投影面積，Φ＝BScos θ。式中Scos θ即為平面S在垂直于磁場方向上的投影面積，也稱為“有效面積”(如圖所示)。 2．磁通量的正、負 (1)磁通量是標量，但有正、負，當以磁感線從某一面上穿入時，磁通量為正值，則磁感線從此面穿出時即為負值。 (2)若同時有磁感線沿相反方向穿過同一平面，且正向磁通量大小為Φ1，反向磁通量大小為Φ2，則穿過該平面的合磁通量Φ＝Φ1－Φ2。 3．磁通量的變化量 (1)當B不變，有效面積S變化時，ΔΦ＝BΔS。 (2)當B變化，S不變時，ΔΦ＝ΔBS。 (3)B和S同時變化，則ΔΦ＝Φ2－Φ1。但此時ΔΦ≠ΔBΔS。 [典例] 如圖所示，有一個垂直于紙面向里的勻強磁場，磁感應強度B＝0.8 T，磁場有明顯的圓形邊界，圓心為O，半徑為10 cm，現(xiàn)在在紙面內(nèi)先后放上圓線圈A、B和C(圖中未畫出)，圓心均在O處，A線圈的半徑為1 cm，共10匝；B線圈的半徑為2 cm，只有1匝；C線圈的半徑為0.5 cm，只有1匝。 (1)在磁感應強度B減為0.4 T的過程中，A和B線圈中的磁通量改變了多少？ (2)在磁場方向轉(zhuǎn)過30角的過程中，C線圈中的磁通量改變了多少？ [解析] (1)對A線圈，有Φ1＝B1πrA2，Φ2＝B2πrA2 故A線圈的磁通量的改變量為 ΦA＝|Φ2－Φ1|＝(0.8－0.4)3.1410－4 Wb＝1.25610－4 Wb B線圈的磁通量的改變量為 ΦB＝(0.8－0.4)3.14(210－2)2 Wb＝5.02410－4 Wb。 (2)對C線圈，Φ1＝BπrC2；磁場方向轉(zhuǎn)過30角，線圈在垂直于磁場方向的投影面積為πrC2cos 30，則Φ2＝BπrC2cos 30，故磁通量的改變量為ΔΦC＝BπrC2(1－cos 30)＝0.83.14(510－3)2(1－0.866)Wb＝8.410－6 Wb。 [答案] (1)1.25610－4 Wb 5.02410－4 Wb (2)8.410－6 Wb 磁通量大小的分析與判斷 1．定量計算 通過公式Φ＝BS來定量計算，計算磁通量時應注意的問題： (1)明確磁場是否為勻強磁場，知道磁感應強度的大小。 (2)平面的面積S應為磁感線通過的有效面積。當平面S與磁場方向不垂直時，應明確所研究的平面與磁感應強度方向的夾角，準確找出垂直面積。 (3)線圈的磁通量及其變化與線圈匝數(shù)無關，即磁通量的大小不受線圈匝數(shù)的影響。 2．定性判斷 磁通量是指穿過線圈面積的磁感線的“凈條數(shù)”，當有不同方向的磁場同時穿過同一面積時，此時的磁通量為各磁場穿過該面磁通量的代數(shù)和。 1．如圖所示的磁場中垂直磁場放置兩個面積相同的閉合線圈S1(左)、S2(右)，由圖可知穿過線圈S1、S2的磁通量大小關系正確的是( ) A．穿過線圈S1的磁通量比較大 B．穿過線圈S2的磁通量比較大 C．穿過線圈S1、S2的磁通量一樣大 D．不能比較 解析：選A 穿過線圈S1的磁感線條數(shù)多，故穿過線圈S1的磁通量比較大。 2.如圖所示，兩個同心放置的平面金屬圓環(huán)，條形磁鐵穿過圓心且與兩環(huán)平面垂直，則通過兩圓環(huán)的磁通量Φa、Φb間的關系是( ) A．Φa＞Φb B．Φa＜Φb C．Φa＝Φb D．不能確定 解析：選A 通過圓環(huán)的磁通量為穿過圓環(huán)的磁感線的條數(shù)，首先明確條形磁鐵的磁感線分布情況，另外要注意磁感線是閉合的曲線。條形磁鐵的磁感線在磁體的內(nèi)部是從S極到N極，在磁體的外部是從N極到S極，內(nèi)部有多少根磁感線，外部的整個空間就有多少根磁感線同內(nèi)部磁感線構成閉合曲線。對兩個圓環(huán)，磁體內(nèi)部的磁感線全部穿過圓環(huán)，外部的磁感線穿過多少，磁通量就抵消多少，所以面積越大，磁通量反而越小。 3．如圖所示，一個閉合線圈放在勻強磁場中，線圈的軸線與磁場方向成30角，磁感應強度為B，用下述哪個方法可使穿過線圈的磁通量增加一倍( ) A．把線圈匝數(shù)增加一倍 B．把線圈面積增加一倍 C．把線圈的半徑增加一倍 D．轉(zhuǎn)動線圈使得軸線與磁場方向平行 解析：選B 把線圈的匝數(shù)增加一倍，穿過線圈的磁感線的條數(shù)不變，磁通量不變，故A錯誤；根據(jù)Φ＝BSsin θ，把線圈面積增加一倍，可使穿過線圈的磁通量增加一倍，故B正確；把線圈的半徑增加一倍，線圈的面積S＝πR2變?yōu)樵瓉淼?倍，磁通量為原來的4倍，故C錯誤；轉(zhuǎn)動線圈使得軸線與磁場方向平行，相當于線圈轉(zhuǎn)過30，與磁場垂直，有效面積由Ssin 60變?yōu)镾，磁通量沒有增加一倍，故D錯誤。 磁場的疊加 [典例] [多選]三條在同一平面(紙面)內(nèi)的長直絕緣導線組成一等邊三角形，在導線中通過的電流均為I，方向如圖所示。a、b和c三點分別位于三角形的三個頂角的平分線上，且到相應頂點的距離相等。將a、b和c處的磁感應強度大小分別記為B1、B2和B3，下列說法正確的是( ) A．B1＝B2
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