大学物理第十一章

1、 我国是我国是世界上最早世界上最早发现磁现象的国家，早发现磁现象的国家，早 在在战国末年就有磁铁的记载战国末年就有磁铁的记载，我国古代的四大，我国古代的四大 发明之一的发明之一的指南针指南针就是其中之一。指南针的发就是其中之一。指南针的发 明为世界的航海业做出了巨大的贡献。明为世界的航海业做出了巨大的贡献。 在现代，磁现象与日常生活、科技密切相在现代，磁现象与日常生活、科技密切相 关，认识磁现象，我们先从认识磁场开始。关，认识磁现象，我们先从认识磁场开始。 11.1 11.1 磁场磁场 一、磁场一、磁场 点击右图点击右图 观看实验观看实验 11.1 11.1 磁场磁场 点击右图点击右图 观看实

2、验观看实验 11.1 11.1 磁场磁场 实验表明：实验表明：磁场不仅存在于磁体周围，还磁场不仅存在于磁体周围，还 存在于电流周围。存在于电流周围。 1 1、磁场、磁场：磁场是存在于磁体或电流周围的一种：磁场是存在于磁体或电流周围的一种 客观存在的物质。客观存在的物质。 2 2、磁场的基本性质、磁场的基本性质：对处在它里面的磁极或电：对处在它里面的磁极或电 流有磁场力的作用（这种性质叫做磁场具有力的流有磁场力的作用（这种性质叫做磁场具有力的 性质）。性质）。 11.1 11.1 磁场磁场 同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引；同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引； 同向电流间相互吸引，反向电流间相

3、互排斥。同向电流间相互吸引，反向电流间相互排斥。 磁极和磁极之间、磁极和电流之间、电流和电磁极和磁极之间、磁极和电流之间、电流和电 流之间的相互作用都是通过磁场来传递的。流之间的相互作用都是通过磁场来传递的。 11.1 11.1 磁场磁场 二、磁场的方向二、磁场的方向 磁场具有方向性磁场具有方向性 物理学规定，在磁场中的任一点，小磁针物理学规定，在磁场中的任一点，小磁针 北极受力的方向，亦即小磁针静止时北极所指北极受力的方向，亦即小磁针静止时北极所指 的方向为该点的磁场方向的方向为该点的磁场方向 11.1 11.1 磁场磁场 、磁感线、磁感线：在磁场中画一些有方向的曲线，：在磁场中画一些有方向

4、的曲线， 在这些曲线上，每一点的切线方向都在该点的在这些曲线上，每一点的切线方向都在该点的 磁场方向上。磁场方向上。 （1 1）磁感线是假想的曲线）磁感线是假想的曲线 用假想的、形象的磁感线来描写实在的、抽象用假想的、形象的磁感线来描写实在的、抽象 的磁场的磁场 三、磁感线三、磁感线 11.1 11.1 磁场磁场 （2 2）磁感线的疏密表示磁场的强弱）磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线，磁感线 较密的地方磁场较强没有画到磁感线的地较密的地方磁场较强没有画到磁感线的地 方不表示那里没有磁场存在。方不表示那里没有磁场存在。 （3 3）磁感线不相交，也不相切。）磁感线不相交，也不相切。 （4 4）磁

5、感线总是闭合曲线）磁感线总是闭合曲线，在磁体的外部是，在磁体的外部是 从从N N极出来，进入极出来，进入S S极，在内部则由极，在内部则由S S极回到极回到N N 极，形成闭合曲线。极，形成闭合曲线。 11.1 11.1 磁场磁场 2 2、条形磁铁和蹄形磁铁的磁感线分布、条形磁铁和蹄形磁铁的磁感线分布，如图，如图 所示，磁铁外部的磁感线从磁铁的所示，磁铁外部的磁感线从磁铁的N N极出来，极出来， 进入磁铁的进入磁铁的S S极极 11.1 11.1 磁场磁场 、电流磁场的磁感线分布、电流磁场的磁感线分布 （1 1）直线电流磁场的磁感线分布）直线电流磁场的磁感线分布 安培定则（右手螺旋定则）安培定

6、则（右手螺旋定则）：用右手握住导：用右手握住导 线，让伸直的大拇指所指的方向限电流的方向一线，让伸直的大拇指所指的方向限电流的方向一 致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方 向。向。 11.1 11.1 磁场磁场 安培定则应用于直线电流，如图所示。安培定则应用于直线电流，如图所示。 11.1 11.1 磁场磁场 （2 2）环形电流、通电螺线管磁场的磁感线分布）环形电流、通电螺线管磁场的磁感线分布 安培定则安培定则：用右手握住螺线管（或环形导：用右手握住螺线管（或环形导 线），让弯曲的四指所指的方向跟电流方向一线），让弯曲的四指所指的方向跟电流方向一

7、 致，大拇指所指的方向就是螺线管（或环形导致，大拇指所指的方向就是螺线管（或环形导 线）内部磁感线的方向线）内部磁感线的方向 11.1 11.1 磁场磁场 安培定则应用于环形电流、通电螺线管，如图安培定则应用于环形电流、通电螺线管，如图 所示。所示。 通电的长直螺线管外部的磁场分布跟条形磁通电的长直螺线管外部的磁场分布跟条形磁 铁外部的磁场分布情况相同。铁外部的磁场分布情况相同。 11.1 11.1 磁场磁场 例例1 1 如图所示，当如图所示，当S S闭合时，在螺线管上方的一闭合时，在螺线管上方的一 根小软铁棒被软化，左端为根小软铁棒被软化，左端为N N极试判断通电螺极试判断通电螺 线管的极性

8、和电源的极性，这时用绝缘线悬挂线管的极性和电源的极性，这时用绝缘线悬挂 的小通电圆环将怎样转动（俯视）？的小通电圆环将怎样转动（俯视）？ 11.1 11.1 磁场磁场 解解软铁棒被磁化后左端为软铁棒被磁化后左端为N N极，表明软铁所在极，表明软铁所在 处的磁场方向向左，根据通电螺线管内外的磁感处的磁场方向向左，根据通电螺线管内外的磁感 线的分布情况，利用安培定则可判断出螺线管的线的分布情况，利用安培定则可判断出螺线管的 左端为左端为S S极，右端为极，右端为N N极，电源的左端为正极，右极，电源的左端为正极，右 端为负极端为负极 很小的环形电流可看成是一个小磁针，由安很小的环形电流可看成是一个

9、小磁针，由安 培定则可知，在图示位置环形电流的培定则可知，在图示位置环形电流的N N极垂直纸极垂直纸 面向里，由于通电螺线管在圆环所在处的磁场方面向里，由于通电螺线管在圆环所在处的磁场方 向向右，所以俯视圆环，圆环将沿顺时针方向转向向右，所以俯视圆环，圆环将沿顺时针方向转 过过9090 11.1 11.1 磁场磁场 小结：小结： 磁体和电流周围都存在磁场，磁场对处在它里面磁体和电流周围都存在磁场，磁场对处在它里面 的磁极或电流有磁场力的作用。的磁极或电流有磁场力的作用。 磁场可用磁感线来形象地描述，电流磁场的磁感磁场可用磁感线来形象地描述，电流磁场的磁感 线方向由安培定则来判定。线方向由安培定

10、则来判定。 11.1 11.1 磁场磁场 磁场不仅具有方向性，而且各处的强弱也磁场不仅具有方向性，而且各处的强弱也 可能不同，靠近磁极或电流处的磁场较强，为可能不同，靠近磁极或电流处的磁场较强，为 了反映磁场的基本特性（具有力的性质），反了反映磁场的基本特性（具有力的性质），反 映磁场不仅具有方向而且还有强弱，我们将引映磁场不仅具有方向而且还有强弱，我们将引 入一个叫做入一个叫做磁感应强度磁感应强度的物理量加以定量地描的物理量加以定量地描 述述 11.2 11.2 磁感应强度磁感应强度 安培力安培力 一、磁感应强度一、磁感应强度 点击右图观看实验点击右图观看实验 磁场对放于其中的通电的直导线有

11、力的作用，磁场对放于其中的通电的直导线有力的作用， 这个力叫这个力叫安培力安培力。 11.2 11.2 磁感应强度磁感应强度 安培力安培力 1 1、磁感应强度：、磁感应强度： （1 1）在同一磁场中的某处，不管电流）在同一磁场中的某处，不管电流I I、导线长导线长 度度L L怎样变但导线所受的安培力怎样变但导线所受的安培力F F跟跟ILIL的比值的比值 保持不变，对不同的磁场或磁场中的不同处，保持不变，对不同的磁场或磁场中的不同处， 这一比值一般是不同的这一比值一般是不同的 （2 2）比值）比值F/ILF/IL与放入的通电导线无关，反映了与放入的通电导线无关，反映了 磁场本身的特性（力的性质）

12、，磁场本身的特性（力的性质），为了反映这一为了反映这一 特性我们引入物理量磁感应强度特性我们引入物理量磁感应强度B B 11.2 11.2 磁感应强度磁感应强度 安培力安培力 2 2、定义、定义：在磁场中垂直于磁场方向的通电导：在磁场中垂直于磁场方向的通电导 线，所受的安培力线，所受的安培力F F跟电流跟电流I I和导线长度和导线长度L L的乘的乘 积积ILIL的比值，叫做的比值，叫做磁感应强度磁感应强度。 F B IL （电流与磁场垂直） B B是矢量，在国际单位制中是矢量，在国际单位制中B B的单位是特斯的单位是特斯 拉，简称特，符号是拉，简称特，符号是T T1T1T1N/Am1N/Am

13、11.2 11.2 磁感应强度磁感应强度 安培力安培力 3 3、需要注意：、需要注意： （1 1）磁感应强度是反映磁场本身特性的物理量磁感应强度是反映磁场本身特性的物理量， 跟磁场中是否存在通电导线无关跟磁场中是否存在通电导线无关 （2 2）B B的大小表示磁场的强弱的大小表示磁场的强弱，B B越大表示磁场越越大表示磁场越 强。强。 （3 3）为了让）为了让B B不仅能反映磁场的强弱，还能反映不仅能反映磁场的强弱，还能反映 磁场具有方向性，我们把磁场中某一点的磁场方磁场具有方向性，我们把磁场中某一点的磁场方 向定义为该点的磁感应强度的方向。向定义为该点的磁感应强度的方向。 11.2 11.2

14、磁感应强度磁感应强度 安培力安培力 4 4、匀强磁场、匀强磁场：磁感应强度的大小和方向处处相磁感应强度的大小和方向处处相 同的磁场。同的磁场。 （1 1）匀强磁场的实例：相距很近的两平行的异名）匀强磁场的实例：相距很近的两平行的异名 磁极间的磁场；通电的长直螺线管内部（边缘部磁极间的磁场；通电的长直螺线管内部（边缘部 分除外）的磁场。分除外）的磁场。 （2 2）匀强磁场的磁感线分布是一组等间隔的平行）匀强磁场的磁感线分布是一组等间隔的平行 线。磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小，线。磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小， 磁感线越密的地方表示磁感强度越大。磁感线越密的地方表示磁感强度越大。

15、11.2 11.2 磁感应强度磁感应强度 安培力安培力 二、安培力的大小和方向二、安培力的大小和方向： 1 1、安培力的大小为：、安培力的大小为：F=BILF=BIL （电流方向与磁场方向垂直）（电流方向与磁场方向垂直） 此式表明：安培力大小此式表明：安培力大小与电流的大小，与与电流的大小，与 通电导线在磁场中的长度成正比，与磁感应强通电导线在磁场中的长度成正比，与磁感应强 度度B B成正比成正比. . 在通电导线平行于磁场方向时，安在通电导线平行于磁场方向时，安 培力为零培力为零 11.2 11.2 磁感应强度磁感应强度 安培力安培力 2 2、安培力的方向、安培力的方向：既跟磁场方向垂直，又

16、跟：既跟磁场方向垂直，又跟 电流方向垂直，即安培力的方向总是垂直于磁电流方向垂直，即安培力的方向总是垂直于磁 感线和通电导线所在的平面。感线和通电导线所在的平面。 11.2 11.2 磁感应强度磁感应强度 安培力安培力 小结：小结： 磁感应强度磁感应强度B B是描写磁场强弱和方向的物理量，其是描写磁场强弱和方向的物理量，其 方向规定为该处的磁场方向。方向规定为该处的磁场方向。 安培力大小安培力大小F=BILF=BIL。 磁场对通电导线有力的作用，电流是由电荷的定磁场对通电导线有力的作用，电流是由电荷的定 向移动形成的。向移动形成的。 由此我们会想到由此我们会想到：磁场对通电导线的安培力可能：磁

17、场对通电导线的安培力可能 是作用在大量运动电荷上的力的宏观表现，也就是作用在大量运动电荷上的力的宏观表现，也就 是说磁场对运动电荷可能有力的作用。是说磁场对运动电荷可能有力的作用。 11.3 11.3 磁场对运动电荷的作磁场对运动电荷的作 用用 一、磁场对运动电荷存在作用力一、磁场对运动电荷存在作用力 探索：安培力探索：安培力电荷运动时受磁场力电荷运动时受磁场力验证。验证。 点击右图观看实验点击右图观看实验 11.3 11.3 磁场对运动电荷的作磁场对运动电荷的作 用用 实验表明：实验表明： 阴极射线管（电子射线管）中的电子束在磁场中阴极射线管（电子射线管）中的电子束在磁场中 发生偏转，磁场对

18、运动电荷确实存在作用力。发生偏转，磁场对运动电荷确实存在作用力。 洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹 力。力。 通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的宏通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的宏 观表现。观表现。 11.3 11.3 磁场对运动电荷的作磁场对运动电荷的作 用用 sinFqvB 二、洛伦兹力的大小二、洛伦兹力的大小 为速度方向与磁场方向之间的夹角为速度方向与磁场方向之间的夹角 0 qvB F 09 0 00 11.3 11.3 磁场对运动电荷的作磁场对运动电荷的作 用用 三、洛伦兹力的特点三、洛伦兹力的特点 1 1、洛伦兹力的方

19、向既垂直于磁场，又垂直于、洛伦兹力的方向既垂直于磁场，又垂直于 速度，即垂直于速度，即垂直于v v和和B B所组成的平面。所组成的平面。 2 2、洛伦兹力对电荷不做功，只改变速度的方、洛伦兹力对电荷不做功，只改变速度的方 向，不改变速度的大小。向，不改变速度的大小。 11.3 11.3 磁场对运动电荷的作磁场对运动电荷的作 用用 大量实验表明：大量实验表明： 带电粒子只受洛伦兹力作用（重力通常忽略不带电粒子只受洛伦兹力作用（重力通常忽略不 计）的条件下，在匀强磁场中有两种典型的运计）的条件下，在匀强磁场中有两种典型的运 动：动： 1 1、v v平行平行B B时，做匀速直线运动时，做匀速直线运动 2 2、v v垂直垂直B B时，做匀速圆周运动时，做匀速圆周运动 洛伦兹力提供了带电粒子做匀速圆周运动所需的洛伦兹力提供了带电粒子做匀速圆周运动所需的 向心力。向心力。 五、带电粒子在匀强磁场中运动五、带电粒子在匀强磁场中运动 11.3 11.3 磁场对运动电荷的作磁场对运动电荷的作 用用 点击右图点击右