高二物理磁場基本概念及安培力

1、 輔導(dǎo)講義學(xué)員姓名： 年 級：高二 輔導(dǎo)科目：物理 課 題磁場基本概念及安培力教學(xué)目標(biāo)掌握電流的磁場、安培定則；了解磁性材料，分子電流假說掌握磁感應(yīng)強度，磁感線，知道地磁場的特點掌握磁場對通電直導(dǎo)線的作用，安培力，左手定則能夠分析計算通電直導(dǎo)線在復(fù)合場中的平衡和運動問題。重點、難點教學(xué)重點：磁場對通電直導(dǎo)線的作用，安培力教學(xué)難點：通電直導(dǎo)線在復(fù)合場中的平衡和運動問題考點及考試要求磁場的理解,安培力的判斷及相關(guān)計算,直導(dǎo)線的運動情況分析.教學(xué)內(nèi)容磁場基本概念及安培力一、基本概念1.磁場的產(chǎn)生磁極周圍有磁場。電流周圍有磁場（奧斯特）。安培提出分子電流假說（又叫磁性起源假說），認(rèn)為磁極的磁場和電流的

2、磁場都是由電荷的運動產(chǎn)生的。（但這并不等于說所有磁場都是由運動電荷產(chǎn)生的，因為麥克斯韋發(fā)現(xiàn)變化的電場也能產(chǎn)生磁場。）變化的電場在周圍空間產(chǎn)生磁場。2.磁場的基本性質(zhì)磁場對放入其中的磁極和電流有磁場力的作用（對磁極一定有力的作用；對電流只是可能有力的作用，當(dāng)電流和磁感線平行時不受磁場力作用）。這一點應(yīng)該跟電場的基本性質(zhì)相比較。3.磁場力的方向的判定磁極和電流之間的相互作用力（包括磁極與磁極、電流與電流、磁極與電流），都是運動電荷之間通過磁場發(fā)生的相互作用。因此在分析磁極和電流間的各種相互作用力的方向時，不要再沿用初中學(xué)過的“同名磁極互相排斥，異名磁極互相吸引”的結(jié)論（該結(jié)論只有在一個磁體在另一個

3、磁體外部時才正確），而應(yīng)該用更加普遍適用的：“同向電流互相吸引，反向電流互相排斥”，或用左手定則判定。4.磁感線用來形象地描述磁場中各點的磁場方向和強弱的曲線。磁感線上每一點的切線方向就是該點的磁場方向，也就是在該點小磁針靜止時N極的指向。磁感線的疏密表示磁場的強弱。磁感線是封閉曲線（和靜電場的電場線不同）。要熟記常見的幾種磁場的磁感線： 地球磁場 通電直導(dǎo)線周圍磁場 通電環(huán)行導(dǎo)線周圍磁場安培定則（右手螺旋定則）：對直導(dǎo)線，四指指磁感線方向；對環(huán)行電流，大拇指指中心軸線上的磁感線方向；對長直螺線管大拇指指螺線管內(nèi)部的磁感線方向。5.磁感應(yīng)強度（條件是勻強磁場中，或L很小，并且LB ）。磁感應(yīng)強

4、度是矢量。單位是特斯拉，符號為T，1T=1N/（Am）=1kg/（As2）6.磁通量如果在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中有一個與磁場方向垂直的平面，其面積為S，則定義B與S的乘積為穿過這個面的磁通量，用表示。是標(biāo)量，但是有方向（進(jìn)該面或出該面）。單位為韋伯，符號為Wb。1Wb=1Tm2=1Vs=1kgm2/（As2）?？梢哉J(rèn)為穿過某個面的磁感線條數(shù)就是磁通量。在勻強磁場磁感線垂直于平面的情況下，B=/S，所以磁感應(yīng)強度又叫磁通密度。在勻強磁場中，當(dāng)B與S的夾角為時，有=BSsin。二、安培力 （磁場對電流的作用力）1.安培力方向的判定用左手定則。用“同性相斥，異性相吸”（只適用于磁鐵之間或磁體位于

5、螺線管外部時）。用“同向電流相吸，反向電流相斥”（反映了磁現(xiàn)象的電本質(zhì)）?？梢园褩l形磁鐵等效為長直螺線管（不要把長直螺線管等效為條形磁鐵）?！纠?】磁場對電流的作用力大小為FBIL（注意：L為有效長度，電流與磁場方向應(yīng)）F的方向可用定則來判定試判斷下列通電導(dǎo)線的受力方向×BI××××B××××××××××××試分別判斷下列導(dǎo)線的電流方向或磁場方向或受力方向×F×BBFSNI【例2】如圖所示，可以自由移動的豎

6、直導(dǎo)線中通有向下的電流，不計通電導(dǎo)線的重力，僅在磁場力作用下，導(dǎo)線將如何移動？解：先畫出導(dǎo)線所在處的磁感線，上下兩部分導(dǎo)線所受安培力的方向相反，使導(dǎo)線從左向右看順時針轉(zhuǎn)動；同時又受到豎直向上的磁場的作用而向右移動（不要說成先轉(zhuǎn)90°后平移）。分析的關(guān)鍵是畫出相關(guān)的磁感線?！纠?】 條形磁鐵放在粗糙水平面上，正中的正上方有一導(dǎo)線，通有圖示方向的電流后，磁鐵對水平面的壓力將會（增大、減小還是不變？）。水平面對磁鐵的摩擦力大小為。NSFFF /F解：本題有多種分析方法。畫出通電導(dǎo)線中電流的磁場中通過兩極的那條磁感線（如圖中粗虛線所示），可看出兩極受的磁場力的合力豎直向上。磁鐵對水平面的壓力

7、減小，但不受摩擦力。畫出條形磁鐵的磁感線中通過通電導(dǎo)線的那一條（如圖中細(xì)虛線所示），可看出導(dǎo)線受到的安培力豎直向下，因此條形磁鐵受的反作用力豎直向上。把條形磁鐵等效為通電螺線管，上方的電流是向里的，與通電導(dǎo)線中的電流是同向電流，所以互相吸引。S N【例4】 如圖在條形磁鐵N極附近懸掛一個線圈，當(dāng)線圈中通有逆時針方向的電流時，線圈將向哪個方向偏轉(zhuǎn)？解：用“同向電流互相吸引，反向電流互相排斥”最簡單：條形磁鐵的等效螺線管的電流在正面是向下的，與線圈中的電流方向相反，互相排斥，而左邊的線圈匝數(shù)多所以線圈向右偏轉(zhuǎn)。（本題如果用“同名磁極相斥，異名磁極相吸”將出現(xiàn)判斷錯誤，因為那只適用于線圈位于磁鐵外部

8、的情況。）【例5】 電視機(jī)顯象管的偏轉(zhuǎn)線圈示意圖如右，即時電流方向如圖所示。該時刻由里向外射出的電子流將向哪個方向偏轉(zhuǎn)？i解：畫出偏轉(zhuǎn)線圈內(nèi)側(cè)的電流，是左半線圈靠電子流的一側(cè)為向里，右半線圈靠電子流的一側(cè)為向外。電子流的等效電流方向是向里的，根據(jù)“同向電流互相吸引，反向電流互相排斥”，可判定電子流向左偏轉(zhuǎn)。（本題用其它方法判斷也行，但不如這個方法簡潔）。2.安培力大小的計算F=BLIsin（為B、L間的夾角）高中只要求會計算=0（不受安培力）和=90°兩種情況?！纠?】 如圖所示，光滑導(dǎo)軌與水平面成角，導(dǎo)軌寬L。勻強磁場磁感應(yīng)強度為B。金屬桿長也為L ，質(zhì)量為m，水平放在導(dǎo)軌上。當(dāng)回

9、路總電流為I1時，金屬桿正好能靜止。求：B至少多大？這時B的方向如何？若保持B的大小不變而將B的方向改為豎直向上，應(yīng)把回路總電流I2調(diào)到多大才能使金屬桿保持靜止？B解：畫出金屬桿的截面圖。由三角形定則得，只有當(dāng)安培力方向沿導(dǎo)軌平面向上時安培力才最小，B也最小。根據(jù)左手定則，這時B應(yīng)垂直于導(dǎo)軌平面向上，大小滿足：BI1L=mgsin， B=mgsin/I1L。當(dāng)B的方向改為豎直向上時，這時安培力的方向變?yōu)樗较蛴?，沿?dǎo)軌方向合力為零，得BI2Lcos=mgsin，I2=I1/cos。（在解這類題時必須畫出截面圖，只有在截面圖上才能正確表示各力的準(zhǔn)確方向，從而弄清各矢量方向間的關(guān)系）?！纠?】如圖

10、所示是一個可以用來測量磁感應(yīng)強度的裝置：一長方體絕緣容器內(nèi)部高為L，厚為d，左右兩管等高處裝有兩根完全相同的開口向上的管子a、b，上、下兩側(cè)裝有電極C（正極）和D（負(fù)極）并經(jīng)開關(guān)S與電源連接，容器中注滿能導(dǎo)電的液體，液體的密度為；將容器置于一勻強磁場中，磁場方向垂直紙面向里，當(dāng)開關(guān)斷開時，豎直管子a、b中的液面高度相同，開關(guān)S閉合后，a、b管中液面將出現(xiàn)高度差。若當(dāng)開關(guān)S閉合后，a、b管中液面將出現(xiàn)高度差為h，電路中電流表的讀數(shù)為I，求磁感應(yīng)強度B的大小。AabACDS 解析：開關(guān)S閉合后，導(dǎo)電液體中有電流由C流到D，根據(jù)左手定則可知導(dǎo)電液體要受到向右的安培力F作用，在液體中產(chǎn)生附加壓強P，這

11、樣a、b管中液面將出現(xiàn)高度差。在液體中產(chǎn)生附加壓強P為所以磁感應(yīng)強度B的大小為：【例8】安培秤如圖所示，它的一臂下面掛有一個矩形線圈，線圈共有N匝，它的下部懸在均勻磁場B內(nèi)，下邊一段長為L，它與B垂直。當(dāng)線圈的導(dǎo)線中通有電流I時，調(diào)節(jié)砝碼使兩臂達(dá)到平衡；然后使電流反向，這時需要在一臂上加質(zhì)量為m的砝碼，才能使兩臂再達(dá)到平衡。求磁感應(yīng)強度B的大小。解析：根據(jù)天平的原理很容易得出安培力F=，所以F=NBLI=因此磁感應(yīng)強度B=。三、與地磁場有關(guān)的電磁現(xiàn)象綜合問題地磁場中安培力的討論【例9】已知北京地區(qū)地磁場的水平分量為3.0×105T.若北京市一高層建筑安裝了高100m的金屬桿作為避雷針

12、，在某次雷雨天氣中，某一時刻的放電電流為105A，此時金屬桿所受培力的方向和大小如何？磁力矩又是多大？分析：首先要搞清放電電流的方向.因為地球帶有負(fù)電荷，雷雨放電時，是地球所帶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2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FBIl3.0×105×105×100300（N）.因為磁力與通電導(dǎo)線的長度成正比，可認(rèn)為合力的作用點為金屬桿的中點，所以磁力矩MF l×

13、300×1001.5×104（N·m）.用同一方法可判斷如下問題：一條長2m的導(dǎo)線水平放在赤道上空，通以自西向東的電流，它所受地磁場的磁場力方向如何？四、針對訓(xùn)練：1.下列說法中正確的是A.磁感線可以表示磁場的方向和強弱B.磁感線從磁體的N極出發(fā)，終止于磁體的S極C.磁鐵能產(chǎn)生磁場，電流也能產(chǎn)生磁場D.放入通電螺線管內(nèi)的小磁針，根據(jù)異名磁極相吸的原則，小磁針的N極一定指向通電螺線管的S極2.關(guān)于磁感應(yīng)強度，下列說法中錯誤的是A.由B=可知，B與F成正比，與IL成反比B.由B=可知，一小段通電導(dǎo)體在某處不受磁場力，說明此處一定無磁場C.通電導(dǎo)線在磁場中受力越大，說明

14、磁場越強D.磁感應(yīng)強度的方向就是該處電流受力方向3.一束電子流沿x軸正方向高速運動，如圖所示，則電子流產(chǎn)生的磁場在z軸上的點P處的方向是A.沿y軸正方向 B.沿y軸負(fù)方向C.沿z軸正方向 D.沿z軸負(fù)方向4.在地球赤道上空有一小磁針處于水平靜止?fàn)顟B(tài)，突然發(fā)現(xiàn)小磁針N極向東偏轉(zhuǎn)，由此可知A.一定是小磁針正東方向上有一條形磁鐵的N極靠近小磁針B.一定是小磁針正東方向上有一條形磁鐵的S極靠近小磁針C.可能是小磁針正上方有電子流自南向北水平通過D.可能是小磁針正上方有電子流自北向南水平通過5.兩根長直通電導(dǎo)線互相平行，電流方向相同.它們的截面處于一個等邊三角形ABC的A和B處.如圖所示，兩通電導(dǎo)線在C

15、處的磁場的磁感應(yīng)強度的值都是B，則C處磁場的總磁感應(yīng)強度是A.2B B.B C.0 D.B6.磁鐵在高溫下或者受到敲擊時會失去磁性，根據(jù)安培的分子電流假說，其原因是A.分子電流消失B.分子電流的取向變得大致相同C.分子電流的取向變得雜亂D.分子電流的強度減弱7.根據(jù)安培假說的思想，認(rèn)為磁場是由于電荷運動產(chǎn)生的，這種思想對于地磁場也適用，而目前在地球上并沒有發(fā)現(xiàn)相對于地球定向移動的電荷，那么由此判斷，地球應(yīng)該（）A.帶負(fù)電 B.帶正電 C.不帶電 D.無法確定8. 關(guān)于垂直于磁場方向的通電直導(dǎo)線所受磁場作用力的方向，正確的說法是A.跟電流方向垂直，跟磁場方向平行B.跟磁場方向垂直，跟電流方向平行

16、C.既跟磁場方向垂直，又跟電流方向垂直D.既不跟磁場方向垂直，又不跟電流方向垂直9.如圖所示，直導(dǎo)線處于足夠大的勻強磁場中，與磁感線成=30°角，導(dǎo)線中通過的電流為I，為了增大導(dǎo)線所受的磁場力，可采取下列四種辦法，其中不正確的是A.增大電流IB.增加直導(dǎo)線的長度C.使導(dǎo)線在紙面內(nèi)順時針轉(zhuǎn)30°D.使導(dǎo)線在紙面內(nèi)逆時針轉(zhuǎn)60°10.如圖所示，線圈abcd邊長分別為L1、L2，通過的電流為I，當(dāng)線圈繞OO軸轉(zhuǎn)過角時A.通過線圈的磁通量是BL1L2cosB.ab邊受安培力大小為BIL1cosC.ad邊受的安培力大小為BIL2cosD.線圈受的磁力矩為BIL1L2cos1

17、1.如圖所示，一金屬直桿MN兩端接有導(dǎo)線，懸掛于線圈上方，MN與線圈軸線均處于豎直平面內(nèi)，為使M N垂直紙面向外運動，可以A.將a、c端接在電源正極，b、d端接在電源負(fù)極B.將b、d端接在電源正極，a、c端接在電源負(fù)極C.將a、d端接在電源正極，b、c端接在電源負(fù)極D.將a、c端接在交流電源的一端，b、d接在交流電源的另一端12.（2000年上海高考試題）如圖所示，兩根平行放置的長直導(dǎo)線a和b載有大小相同、方向相反的電流，a受到的磁場力大小為F1，當(dāng)加入一與導(dǎo)線所在平面垂直的勻強磁場后，a受到的磁場力大小變?yōu)镕2，則此時b受到的磁場力大小變?yōu)锳.F2B.F1F2C.F1F2D.2F1F213.

18、如圖所示，條形磁鐵放在水平桌面上，在其正中央的上方固定一根長直導(dǎo)線，導(dǎo)線與磁鐵垂直，給導(dǎo)線通以垂直紙面向外的電流，則A.磁鐵對桌面壓力減小，不受桌面的摩擦力作用B.磁鐵對桌面的壓力減小，受到桌面的摩擦力作用C.磁鐵對桌面的壓力增大，不受桌面的摩擦力作用D.磁鐵對桌面的壓力增大，受到桌面的摩擦力作用14.長為L，重為G的均勻金屬棒一端用細(xì)線懸掛，一端擱在桌面上與桌面夾角為，現(xiàn)垂直細(xì)線和棒所在平面加一個磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，當(dāng)棒通入如圖所示方向的電流時，細(xì)線中正好無拉力.則電流的大小為_ A.15.電磁炮是一種理想的兵器，它的主要原理如圖所示，1982年澳大利亞國立大學(xué)制成了能把2.2 g的彈

19、體（包括金屬桿EF的質(zhì)量）加速到10 km/s的電磁炮（常規(guī)炮彈速度大小約為2 km/s），若軌道寬2 m，長為100 m，通過的電流為10 A，則軌道間所加勻強磁場的磁感應(yīng)強度為_ T，磁場力的最大功率P=_ W（軌道摩擦不計）.16.如圖所示，在兩根勁度系數(shù)都為k的相同的輕質(zhì)彈簧下懸掛有一根導(dǎo)體棒ab，導(dǎo)體棒置于水平方向的勻強磁場中，且與磁場垂直.磁場方向垂直紙面向里，當(dāng)導(dǎo)體棒中通以自左向右的恒定電流時，兩彈簧各伸長了l1；若只將電流反向而保持其他條件不變，則兩彈簧各伸長了l2，求：（1）導(dǎo)體棒通電后受到的磁場力的大小?（2）若導(dǎo)體棒中無電流，則每根彈簧的伸長量為多少?17.如圖所示，在傾角為30°的光滑斜面上垂直紙面放置一根長為L，質(zhì)量為m的通電直導(dǎo)體棒，棒內(nèi)電流大小為I，方向垂直紙面