第8章 磁场 第1课时 磁场 磁场对电流的作用

1、第,课时,磁场,磁场对电流的作用,第八章,磁场,考纲展示,复习目标,1.,磁场、,磁感应强度、,磁感线,.(,),2.,通电直导线和通电,线圈周围磁场的方,向,.(,),3.,安培力、安培力的,方向,.(,),4.,匀强磁场中的安培,力,.(,),5.,磁通量,.(,),1.,了解各种常见磁场的磁感线分,布情况,理解磁感应强度、,磁感线、,磁通量、地磁场等概念,2.,掌握安培定则、左手定则,能确,定安培力的大小和方向,3.,会分析通电导线在安培力作用,下的运动,4.,掌握含有安培力作用的力学问,题的解题方法,基础预习通关,要点探究冲关,随堂自测过关,一、磁场、磁感应强度,1.,磁场,(1),基

2、本特性,磁场对处于其中的磁体、,电流和运动,电荷有磁场力的作用,.,(2),方向,小磁针的,N,极所受磁场力的方向,.,2.,磁感应强度,(1),物理意义,描述磁场的强弱,.,(2),定义式,B=,IL,F,(,通电导线垂直于磁场,).,(3),方向,小磁针静止时,N,极的指向,.,3.,磁通量,(1),概念,在磁感应强度为,B,的匀强磁场中,与磁场方向,垂直的平面的面积,S,和,B,的乘积,.,(2),公式,=,BS,.,(3),单位,1 Wb=1 T,m,2,.,二、磁感线及几种常见的磁场,1.,磁感线,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,.,

3、2.,几种常见磁铁的磁场,(1),条形磁铁和蹄形磁铁的磁场,(,如,图所示,),(2),几种电流周围的磁场分布,类,型,直线电流,的磁场,环形电流,的磁场,通电螺线管,的磁场,特,点,无磁极、,非,匀强且距,导线越远,处磁场越,弱,环形电流的两,侧是等效小磁,针的,N,极和,S,极,且离圆环中,心越远,磁场越,弱,与条形磁铁,的磁场相,似,管内为,匀强磁场,管外为非匀,强磁场,类,型,直线电流,的磁场,环形电流,的磁场,通电螺线管,的磁场,安培定则,立体图,类,型,直线电流,的磁场,环形电流,的磁场,通电螺线管,的磁场,横截面图,纵截面图,(3),匀强磁场,在磁场的某些区域内,磁感线为等间,距

4、的平行线,如图所示,.,(4),地磁场,地磁场的,N,极在地理南极附近,地,磁场的,S,极在地理北极附近,.,地磁场,B,的水平分量,(B,x,),总是从地,理南极指向北极,而竖直分量,(B,y,),则,南北相反,在南半球垂直地面向上,在北半球垂直地面向下,.,赤道处的地,磁场沿水平方向,指向北,.,三、安培力的大小和方向,1.,大小,(1)F=ILBsin,(,其中为,B,与,I,之间,的夹角,),(2),磁感应强度,B,的方向与电流,I,的,方向垂直时,F=ILB.,(3),磁感应强度,B,的方向与电流,I,的,方向平行时,F=0.,2.,方向,(1),用左手定则判定,伸开左手,使拇指与其

5、余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内,;,让磁感,线从掌心进入,并使四指指向电流的方,向,这时拇指所指的方向就是通电导线,在磁场中所受安培力的方向,.,(2),安培力的方向特点,F,B,F,I,即,F,垂直于,B,和,I,决定的,平面,.(,注意,:B,和,I,可以有任意夹角,),四、磁电式电流表的工作原理,1.,磁场特点,(1),方向,沿径向均匀辐射地分布,.,(2),大小,在距轴线等距离处的磁感应强度大小,相等,.,2.,安培力的特点,(1),方向,安培力的方向与线圈平面垂直,.,(2),大小,安培力的大小与通过的电流成正比,.,3.,表盘刻度特点,由于导线在安培力作用下带动线圈,转

6、动,螺旋弹簧变形,反抗线圈的转,动,电流越大,安培力越大,形变就越,大,所以指针偏角与通过线圈的电流,I,成正比,表盘刻度均匀,.,思考探究,1:,同一个图中可以根据磁,感线的疏密判定磁场的强弱,没有画,出磁感线的地方是否表示没有磁场,存在,?,答案,:,磁感线是为了形象描述磁场而,人为引入的假想曲线,实际并不存在,.,没有画出磁感线的地方并不表示没有,磁场存在,.,思考探究,2:,在磁场中某点的电流元,不受安培力作用时,该点的磁感应强,度是否一定为零,?,答案,:,不一定,.F,的大小与,I,、,L,、,B,及,有关,当电流元的方向与磁场方向,垂直时产生的安培力最大,.,当电流元,的方向与磁

7、场方向平行时,虽磁感应,强度不为零,但电流元所受安培力却,为零,.,对磁感应强度的理解,1.,电荷在电场中一定受电场力,电流,在磁场中一定受安培力吗,?,解答,:,不一定,.,当电流与磁感应强度平,行时不受安培力,不平行则受安培力,.,2.,电场力与电场强度在同一直线上,安培力与磁感应强度在同一直线上,吗,?,解答,:,安培力一定与磁感应强度方向,垂直,两者一定不在同一直线上,.,3.,两个电流在某处产生的磁场的磁感,应强度,B,1,、,B,2,不在同一直线上,如何求,该点的磁感应强度,B?,解答,:,应用平行四边形定则进行矢量,合成求得该点的磁感应强度,B.,4.,磁感应强度,B,与电场强度

8、,E,有何不同,?,解答,:,磁感应强度,B,电场强度,E,物,理,意,义,描述磁场的力,的性质的物理,量,描述电场的力,的性质的物理,量,磁感应强度,B,电场强度,E,定,义,式,B=,IL,F,通电导,线与,B,垂直,E=,q,F,大,小,决,定,由磁场决定,与检验电流元,无关,由电场决定,与检验电荷,无关,磁感应强度,B,电场强度,E,方,向,矢量,磁感线切线方,向,小磁针静,止时,N,极所指,方向,矢量,电场线的切,线方向,放入,该点的正电,荷的受力方,向,单,位,1 T=1,N/(A,m),1 V/m=1 N/C,【例,1,】,如图,两根相互平行的长直导,线过纸面上的,M,、,N,两

9、点,且与纸面垂,直,导线中通有大小相等、,方向相反的,电流,.a,、,O,、,b,在,M,、,N,的连线上,O,为,MN,的中点,c,、,d,位于,MN,的中垂线上,且,a,、,b,、,c,、,d,到,O,点的距离均相等,.,关于以上几点处的磁场,下列说法中,正确的是,(,),A.O,点处的磁感应强度为零,B.a,、,b,两点处的磁感应强度大小相等,方向相反,C.c,、,d,两点处的磁感应强度大小相等,方向相同,D.a,、,c,两点处磁感应强度的方向不同,思路引导,:,思考,1:,如何定性地求两根,通电导线分别产生的磁感应强度,?,解答,:,根据安培定则作出磁感线,磁感,线的切线方向为磁感应强

10、度方向,根,据磁感线疏密和对称性判定磁感应强,度大小,.,思考,2:,如何求出,O,、,a,、,b,、,c,、,d,五点,的合磁感应强度,?,怎样定性地判定合,磁感应强度的大小,?,解答,:,根据平行四边形定则对磁感应,强度进行矢量合成,.,根据对称性来定,性地判定合磁感应强度的大小,.,解析,:,由安培定则可以判断通电导线,产生的磁场的磁感线如图所示,由磁,场的叠加原理可知选项,C,正确,.,答案,:,C.,针对训练,1-1: (2013,攀枝花模拟,),如图,两根相互,平行的长直导线分别通有方向相反的电流,I,1,和,I,2,且,I,1,I,2,; a,、,b,、,c,、,d,为导线某一横

11、截面所在平面,内的四点,且,a,、,b,、,c,与两导线共面,;b,点在两导线,之间,b,、,d,的连线与导线所在平面垂直,.,磁感应强,度可能为零的点是,(,),A.a,B.b,C.c,D.d,解析,:,空间某点的磁感应强度的大小和方向是两条,直线电流各自产生的磁场叠加的结果,.,距离导线越,近的地方,磁场越强,.,根据安培定则,只有在,c,点,两,条导线电流各自产生的磁场才有可能大小相等,方,向相反,叠加后互相抵消,磁感应强度为零,.,答案,:,C,.,对磁通量的理解,1.,对,=B,S,的理解,=BS,只适用于磁感应强度,B,与面积,S,垂直的情况,当,S,与垂直于,B,的平面间,的夹角

12、为时,则有,=BScos,如,图,(,甲,).,2.,面积,S,的含义,S,不一定是某个线圈的真正面积,而是,线圈在磁场范围内的面积,.,如图,(,乙,),所,示,S,应为线圈面积的一半,.,3.,多匝线圈的磁通量,磁通量的大小与线圈匝数无关,因为,不论线圈匝数多少,穿过线圈的磁感,线条数相同,而磁感线条数可表示磁,通量的大小,.,4.,合磁通量求法,若某个平面内有不同方向和强弱的,磁场共同存在,当计算穿过这个面的,磁通量时,先规定某个方向的磁通量,为正,反方向的磁通量为负,平面内,各个方向的磁通量的代数和等于这,个平面内的合磁通量,.,【例,2,】,如图所示,框架面积为,S,框架平面与磁感应

13、强度为,B,的匀强,磁场方向垂直,则穿过线框平面的,磁通量为,若使框架绕轴,OO,转过,60,角,则穿过线框平面的,磁通量为,;,若从初始位置转过,90,角,则穿过线框平,面的磁通量为,;,若从初始位置转,过,180,角,.,则穿过线框平面的磁通量的,变化量为,.,思路探究,:,(1),在公式,=BS,中,S,是线圈的,面积吗,?,答,:,不是,应该是与磁感应强度,B,垂直的投,影面,.,在题图示位置时,磁感线与线框平面垂直,=BS,当框架绕,OO,轴转过,60,时可以将,原图改画成从侧面看的侧视图,如图所示,=BS,=BS,cos 60,=,2,1,BS.,转过,90,时,线框由磁感线垂直穿

14、过变为与磁感线平,行,=0,线框转过,180,时,磁感线仍,然垂直穿过线框,只不过穿过方向,改变了,因而,1,=BS,2,=-BS,=|,2,-,1,|=|-2BS|=2BS.,答案,:,BS,2,1,BS,0,2BS,磁通量是标量,但是有,正负,其正负代表磁感线是正穿还,是反穿过平面,.,针对训练,2-1: (2013,广元模拟,),如图,所示,条形磁铁竖直放置,一水平圆环,从磁铁上方位置向下运动,到达磁,铁上端位置,套在磁铁上到达中部,再到磁铁下端位置,再到下方,.,磁铁从过,程中,穿过圆环的磁通量变化情况,是,(,),A.,变大,变小,变大,变小,B.,变大,变大,变小,变小,C.,变大

15、,不变,不变,变小,D.,变小,变小,变大,变大,解析,:,从条形磁铁磁感线的分布情况看,穿过圆环,的磁通量在位置处最大,所以正确答案为,B.,熟,悉几种常见磁场的磁感线分布图,知道条形磁铁,内部的磁感线方向是从,S,极到,N,极,.,答案,:,B.,对磁场和安培力的判断,1.,解决安培力问题的一般思路,(1),确定研究对象,;,(2),明确导线中电流的方向及其周围磁,场的方向,;,(3),利用左手定则判断通电导线所受安,培力的方向,;,(4),结合物体的平衡条件或牛顿运动定,律进行求解,.,2.,通电导体在安培力作用下运动方向,的判断,判定通电导体在安培力作用下的运动,或运动趋势,首先必须弄

16、清楚导体所,在位置的磁场分布情况,然后利用左,手定则准确判定导体的受力情况,进,而确定导体的运动方向或运动趋势的,方向,.,现对几种常用的方法列表比较,如下,:,电,流,元,法,把整段弯曲导线分为多段直线电流元,先用左手定则,判断每段电流元受力的方向,然后判断整段导线所受,合力的方向,从而确定导线运动方向,特,殊,位,置,法,通电导线转动到某个便于分析的特殊位置时,判断其,所受安培力的方向,从而确定其运动方向,等,效,法,环形电流可等效成小磁针,通电螺线管可以等效成,条形磁铁或多个环形电流,反过来等效也成立,.,然后,根据同极相斥、异极相吸判断相互作用情况,结,论,法,两平行直线电流在相互作用

17、过程中,无转动趋势,同,向电流互相吸引,反向电流互相排斥,;,两不平行的直,线电流相互作用时,有转到平行且电流方向相同的,趋势,转,换,研,究,对,象,法,定性分析磁体在电流磁场作用,下如何运动或运动趋势的问题,时,可先分析电流在磁体磁场中,所受的安培力,然后由牛顿第三,定律,确定磁体所受电流磁场的,作用力,从而确定磁体所受合力,及运动方向,(1),安培力的方向与磁,感应强度的方向垂直,而不是相同或,相反,.(2),某些情况下导体在安培力作,用下可能会出现平动与转动同时发生,的情况,.,【例,3,】,(2012,江苏模拟,),如图所示,条形磁铁放在光滑斜面上,用平行于,斜面的轻弹簧拉住而平衡,

18、A,为水平,放置的直导线的截面,导线中无电流,时磁铁对斜面的压力为,F,N1,;,当导线中有垂直纸面向外的电流时,磁,铁对斜面的压力为,F,N2,则下列关于压,力和弹簧的伸长量的说法中正确的是,(,),A.F,N1,F,N2,弹簧的伸长量减小,B.F,N1,=F,N2,弹簧的伸长量减小,C.F,N1,F,N2,弹簧的伸长量增大,D.F,N1,F,N2,弹簧的伸长量减小,思路探究,:,(1),怎样判断通电导线对磁,铁的力,?,答,:,先用左手定则判定通电导线所受,安培力,再用牛顿第三定律判定磁铁,所受通电导线的作用力,.,(2),解此题的流程是怎样的,?,解析,:,由于条形磁铁的磁感线是从,N,

19、极,出发到,S,极,所以画出磁铁在导线,A,处,的一条磁感线,此处磁感应强度方向斜,向左下方,如图,导线,A,中的电流垂直,纸面向外,由左手定则可判断导线,A,必,受斜向右下方的安培力,由牛顿第三定,律可知磁铁所受作用力的方向是斜向,左上方,所以磁铁对斜面的压力减小,即,F,N1,F,N2,同时,由于导线,A,比较靠近,N,极,安培,力的方向与斜面的夹角小于,90,所,以对磁铁的作用力有沿斜面向下的分,力,使得弹簧弹力增大,可知弹簧的伸,长量增大,所以正确选项为,C.,答案,:,C.,针对训练,3,1:,图中装置可演示磁场对,通电导线的作用,.,电磁铁上下两磁极之,间某一水平面内固定两条平行金

20、属导,轨,L,是置于导轨上并与导轨垂直的金,属杆,.,当电磁铁线圈两端,a,、,b,导轨两端,e,、,f,分别接到两个不同的直流电源上,时,L,便在导轨上滑动,.,下列说法正确的,是,(,),A.,若,a,接正极,b,接负极,e,接正极,f,接,负极,则,L,向右滑动,B.,若,a,接正极,b,接负极,e,接负极,f,接,正极,则,L,向右滑动,C.,若,a,接负极,b,接正极,e,接正极,f,接,负极,则,L,向左滑动,D.,若,a,接负极,b,接正极,e,接负极,f,接,正极,则,L,向左滑动,解析,:,若,a,接正极,b,接负极,电磁铁磁,极间磁场方向向上,e,接正极,f,接负极,由左手

21、定则判定金属杆受安培力向左,则,L,向左滑动,选项,A,错误,同理判定,选项,B,、,D,正确,选项,C,错误,.,答案,:,BD.,与安培力有关的力学综合,问题,【,情景探究,】,如图所示,在匀强磁场中,有两平行的倾斜金属导轨,导轨的一端,接有直流电源,现把一导体棒,ab,垂直,放在导轨上,棒,ab,处于静止状态,.,思考,1:,若已知电源电动势,E=4.5 V,内,阻,r=0.5,导轨之间的导体棒电阻,R=2.5,其他电阻不计,请尝试确定,棒,ab,上的电流大小和方向,.,解答,:,导体棒、金属导轨和直流电源构,成闭合电路,由闭合电路欧姆定律,得,:I=,r,R,E,?,=1.5 A,方向

22、由,b,向,a.,思考,2:,若已知匀强磁场垂直导轨斜,向上,磁感应强度,B=0.5 T,两导轨间,距,L=0.40 m,请尝试确定导体棒所受,安培力的大小和方向,.,解答,:,导体棒受到的安培力,F,安,=ILB=0.3 N,由左手定则可知安培力,的方向沿导轨斜向上,.,思考,3:,若已知导体棒质量,m=0.04 kg,导,轨所在平面与水平面夹角,=37,(sin 37,=0.60,cos 37,=0.80,g=,10 m/s,2,),请尝试判断导体棒是否受摩擦力,若受摩擦力,请说明其大小和方向,并画,出导体棒的受力示意图,.,解答,:,导体棒重力沿斜面向下的分力,F,1,=mgsin 37

23、,=0.24 N,由于,F,1,小于安,培力,F,安,故棒受摩擦力,.,由共点力平衡,得,:mgsin,37,+F,f,=F,安,所以,F,f,=0.06,N,其方向沿导轨斜向下,.,故棒,ab,受力如,图所示,.,思考,4:,你能从中体会并简单归纳解决,此类问题的一般思路吗,?,请试着归纳,.,解答,:,解决与安培力有关的力学问题,一般思路如下,:,(1),选定受力分析的研究对象,确定其,电流和安培力,.,(2),变三维为二维,画研究对象的平面,受力示意图,进行受力分析,.,(3),正交分解,列平衡方程或牛顿第二,定律方程进行计算求解,.,(1),安培力公式,F,安,=ILB,适用,于,I,

24、与,B,垂直的情景,.,(2),安培力公式中,L,为有效长度,即垂,直于磁场方向的长度,.,针对训练,4-1:,(2013,内江模拟,),如图所示,质量为,m,、,长为,L,的直导线用两绝缘细线悬挂于,O,、,O,并处于,匀强磁场中,当导线中通以沿,x,轴正方向的电流,I,且导线保持静止时,悬线与竖直方向夹角为,.,则磁,感应强度方向和大小可能为,(,),A.z,正向,mg,IL,tan,B.y,正向,mg,IL,C.z,负向,mg,IL,tan,D.,沿悬线向上,mg,IL,sin,解析,:,若,B,沿,z,轴正方向,导线无法平衡,A,错误,;,若,B,沿,y,轴正方向,由左手定则,受力如图,(,甲,):mg=BIL,则,B=,mg,IL,所以,B,正确,;,若,B,沿,z,轴负方向,受力如图,(,乙,),Tsin,=BIL;Tcos,=mg,所以,B=,tan,C,正确,;,若,B,沿悬线向上,受力如图,(,丙,),导线无法平,衡,D,错误,.,答案,:,BC.,1.,下列关于磁场和磁感线的描述中正确的,是,(,A,),A.,磁感线可以形象地描述各点磁场的方向,B.,磁感线是磁场中客观存在的线,C.,磁感线总是从磁铁的,N,极出发,到,S,极,终止,D.,实验中观察到的铁屑的分布就是磁感,线,解析,:,磁感线可以形象地描述磁场