第三章磁場(教案)

第三章磁場課標導引本章的重點內(nèi)容：磁場、磁感線、磁感應強度、安培力、洛倫茲力的概念以及磁場對通電導線、運動電荷的作用；難點是安培力作用下物體的平衡和運動，帶電粒子在勻強磁場以及復合場中的運動等問題．本章分析、推理和推導內(nèi)容較多．如：分析引出磁感應強度的概念；由安培力公式導出洛倫茲力公式；由洛倫茲力導出帶電粒子在勻強磁場中的運動規(guī)律等．在這些分析推導過程中，運用的知識比較綜合．因此，除了掌握重點知識，突破難點知識，還要在學習過程中提高自己的分析，推理和推導能力，發(fā)展綜合運用知識的能力和提高抽象思維的能力．本章高考的熱點：安培力的應用和帶電粒子在磁場中的運動；在洛倫茲力的考查中，大多數(shù)試題是以帶電粒子在復合場中的運動為主．第一、二節(jié)磁現(xiàn)象和磁場磁感應強度學習目標：1.知道磁場的概念，認識磁場是客觀存在的物質(zhì)，了解磁現(xiàn)象及電流的磁效應．2．掌握地磁場的產(chǎn)生，理解地磁兩極與地理兩極的關系．3．理解掌握磁感應強度的大小、方向．4．學會類比法，知道比值定義物理量的方法是常用的物理方法．重點難點：1.了解磁現(xiàn)象、磁場及電流的磁效應．2．地磁場中磁感線的分布．3．磁感應強度概念的建立和計算．易錯問題：磁感應強度的計算式B＝F/IL中F應是B⊥I時的磁場力．核心有點突破一、對地磁場的認識1．地磁場(1)地磁場特點：地磁場的方向并不是正南正北方向的，即地磁兩極與地理兩極并不重合．地磁南極在地理北極附近，地磁北極在地理南極附近．地磁場方向與正南正北方向間有一夾角叫磁偏角．(2)雖然地磁兩極與地理兩極并不重合，但它們的位置相對來說差別不是很大．因此，一般我們認為：①地理南極正上方磁場方向豎直向上，地理北極正上方磁場方向豎直向下．②在赤道正上方，地磁場方向水平向北．③在南半球，地磁場方向指向北上方；在北半球，地磁場方向指向北下方．(3)影響：由于磁場對運動電荷有力的作用，故射向地球的高速帶電粒子，其運動方向會發(fā)生變化，不能直接到達地球．因此地磁場對地球生命有保護作用．二、對磁感應強度公式B＝的理解1．在定義式B＝中，通電導線必須垂直于磁場方向放置．2．磁感應強度B的大小只決定于磁場本身的性質(zhì)，與F、I、L無關．3．磁感應強度的定義式也適用于非勻強磁場，這時L應很短很短4．我們要找的是磁場中某一點磁感應強度的大小，因此要把電流元放入磁場中某一點，這要求電流元要足夠的短．三、磁感應強度B與電場強度E的比較電場強度E是描述電場的力的性質(zhì)的物理量，磁感應強度B是描述磁場的力的性質(zhì)的物理量．現(xiàn)把這兩個物理量比較如下磁感應強度B電場強度E物理意義描述磁場的性質(zhì)描述電場的性質(zhì)定義式B=通電導線與B垂直E=方向矢量小磁針N極受力方向矢量放入該點正電荷受力方向場的疊加合磁感應強度等于各磁場的磁感應強度的矢量和合場強等于各個電場的場強的矢量和單位1T＝1N/(A·m)1V/m＝1N/C課堂互動訓練互動1：一位同學設計實驗以驗證奧斯特實驗的結(jié)論，以下操作及判斷正確的是()A．讓電流由東向西流過水平放置的直導線，直導線下方的小磁針N極指向南方B．讓電流由東向西流過水平放置的直導線，直導線下方的小磁針N極指向北方C．讓電流由北向南流過水平放置的直導線，直導線下方的小磁針N極指向東方D．讓電流由北向南流過水平放置的直導線，直導線下方的小磁針N極指向西方互動2：地球是一個大磁體，①在地面上放置一個小磁針，小磁針的南極指向地磁場的南極；②地磁場的北極在地理南極附近；③赤道附近地磁場的方向和地面平行；④北半球地磁場方向相對地面是斜向上的；⑤地球上任何地方的地磁場方向都是和地面平行的．以上關于地磁場的描述正確的是 ()A．①②④B．②③④C．①⑤D．②③互動3：有關磁感應強度的方向，下列說法正確的是()A．B的方向就是小磁針N極所指的方向B．B的方向與小磁針在任何情況下N極受力方向一致C．B的方向就是通電導線的受力方向D．B的方向就是該處磁場的方向互動4：在磁場中某一點放入一通電導線，導線與磁場垂直，導線長1cm，電流為5A，所受磁場力為5×10－2N．求：(1)這點的磁感應強度是多大？若電流增加為10A，所受磁場力為多大？(2)若讓導線與磁場平行，這點的磁感應強度多大？通電導線受到的磁場力多大？互動5．有一小段通電導線，長為1cm，電流強度為5A，把它置于磁場中某點，受到的磁場力為0.1N，則該點的磁感應強度B一定是 ()A．B＝2T B．B≤2TC．B≥2T D．以上情況都有可能第三節(jié)幾種常見的磁場一.磁感線是在磁場中畫出一些有方向的曲線,使曲線上每一點的切線方向都跟這點的磁感應強度的方向一致。BBC磁感線的特點磁感線是假想的，不是真實的。磁感線是閉合曲線。磁感線的疏密表示磁場的強弱。磁感線不能相交或相切。磁感線上每一點的切線方向即為該點的磁場的方向。二、幾種常見磁場的分布特點1．常見永磁體的磁場2．三種常用的電流的磁場

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極特別提醒：(1)應用安培定則判定電流的磁場時，直線電流是判定導線之外磁場的方向，環(huán)形電流和通電螺線管判定的是線圈軸線上磁場的方向．(2)放置在螺線管內(nèi)的小磁針受力方向按磁感線方向判斷，不能根據(jù)同名磁極相斥和異名磁極相吸判斷．課堂互動訓練互動1、如圖所示，一束帶電粒子沿水平方向飛過小磁針的上方，并與磁針指向平行，能使小磁針的N極轉(zhuǎn)向讀者，那么這束帶電粒子可能是（）A.向右飛行的正離子束B.向左飛行的正離子束C.向右飛行的負離子束 D.向左飛行的負離子束互動2、如圖所示，在三維直角坐標系中，若一束電子沿y軸正向運動，則由此產(chǎn)生的在z軸上A點和x軸上B點的磁場方向是（）A.A點磁場沿x軸正方向，B點磁場沿z軸負方向B.A點磁場沿x軸負方向，B點磁場沿z軸正方向C.A點磁場沿z軸正方向，B點磁場沿x軸負方向D.A點磁場沿x軸正方向，B點磁場沿z軸正方向互動3、如圖所示，彈簧秤下掛一條形磁棒，其中條形磁棒N極的一部分位于未通電的螺線管內(nèi)，下列說法正確的是（）A.若將a接電源正極，b接負極，彈簧秤的示數(shù)將減小B.若將a接電源正極，b接負極，彈簧秤的示數(shù)將增大C.若將b接電源正極，a接負極，彈簧秤的示數(shù)將增大D.若將b接電源正極，a接負極，彈簧秤的示數(shù)將減小互動4、關于磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，下列說法中正確的是（）A.磁與電緊密聯(lián)系，有磁必有電，有電必有磁B.不管是磁體的磁場還是電流的磁場都起源于電荷的運動C.永久磁鐵的磁性不是由運動電荷產(chǎn)生的D.根據(jù)安培假說可知，磁體內(nèi)分子電流總是存在的，因此，任何磁體都不會失去磁性四、磁通量：1、定義：在磁感應強度為B的勻強磁場中，有一個與磁場方向垂直的平面，面積為S，我們把B與S的乘積叫做穿過這個面積的磁通量，簡稱磁通。用字母Φ表示磁通量。2、在勻強磁場中，公式為Φ=BS⊥（S⊥表示某一面積在垂直于磁場方向上的投影面積）．3、單位：在SI制中是韋伯，簡稱韋，符號Wb1Wb=1T·m4、磁通量是有正負的，若在某個面積有方向相反的磁場通過，求磁通量，應考慮相反方向抵消以后所剩余的磁通量，即應求該面積各磁通量的代數(shù)和．5、磁通密度：B=φ/S表示磁感應強度等于穿過單位面積的磁通量。1T=1Wb/m=1N/A·m課堂互動訓練互動5、面積S＝0.5m2的閉合金屬圓線圈處于磁感應強度B=0.4T的勻強磁場中，當磁場與環(huán)面垂直時，穿過環(huán)面的磁通量是________；當金屬圓環(huán)轉(zhuǎn)過90°，環(huán)面與磁場平行時，穿過環(huán)面的磁通量是_____互動6、某地地磁場的磁感應強度的水平分量是3.0×l0-5T，豎直分量是4.0×10-5T，則地磁場磁感應強度的大小為,方向為.在水平面上，面積為5m2的范圍內(nèi)，地磁場的磁通量為Wb?；?、如圖所示，線圈平面與水平方向夾角θ＝60°，磁感線豎直向下，線圈平面面積S＝0.4m2，勻強磁場磁感應強度B＝0.6T，則穿過線圈的磁通量Φ為多少？解析：法一：把S投影到與B垂直的方向，則Φ＝B·Scosθ＝0.6×0.4×cos60°Wb＝0.12Wb.法二：把B分解為平行于線圈平面的分量B∥和垂直于線圈平面的分量B⊥，B∥不穿過線圈，且B⊥＝Bcosθ，則Φ＝B⊥S＝Bcosθ·S＝0.6×0.4×cos60°Wb＝0.12Wb.答案：0.12Wb互動8、如圖所示，套在條形磁鐵外的三個線圈，其面積S1＞S2=S3，且“3”線圈在磁鐵的正中間。設各線圈中的磁通量依次為φ1、φ2、φ3則它們的大小關系是()A、φ1>φ2>φ3B、φ1>φ2=φ3c、φ1<φ2<φ3D、φ1<φ2=φ3互動9、有兩個固定的完全相同的通電圓環(huán)，通過的電流大小相同，方向如圖所示．一個在豎直平面內(nèi)放著，一個在水平面內(nèi)放著，每個圓環(huán)在共同圓心O處產(chǎn)生的磁感應強度大小均為B，則在O點的總磁感應強度多大？【答案】B?互動10、如圖所示，框架面積為S，框架平面與磁感應強度為B的勻強磁場方向垂直，則穿過平面的磁通量為________．若使框架繞OO′轉(zhuǎn)過60°角，則穿過框架平面的磁通量為________；若從初始位置轉(zhuǎn)過90°角，則穿過框架平面的磁通量為________；若從初始位置轉(zhuǎn)過180°角，則穿過框架平面的磁通量變化量大小為________．【思路點撥】當面積S和勻強磁場方向垂直時Φ＝BS，不垂直時應取垂直于磁場方向的有效面積．磁通量是有正負的，可以認為磁感線從同一面穿入時為正、穿出時為負．【解析】在圖示位置，磁感線與框架平面垂直時，Φ＝BS.當框架繞OO′軸轉(zhuǎn)過60°時可以將原圖改畫成從上向下看的圖，如圖所示，Φ＝BS⊥＝BS·cos60°＝eq\f(1,2)BS.轉(zhuǎn)過90°時，框架由與磁感線垂直穿過變?yōu)槠叫?，Φ?.框架轉(zhuǎn)過180°時，磁感線仍然垂直穿過框架，只不過穿過另一面了．因而Φ1＝BS，Φ2＝－BS，ΔΦ＝|Φ2－Φ1|＝2BS.磁場對通電導線的作用力學習目標：1.掌握安培力方向的判斷方法——左手定則．2．掌握安培力大小的計算方法．3．了解磁電式電流表的原理．重點難點：安培力的大小計算和方向判定．易錯問題：1.安培力方向的判定．2．計算安培力大小時，導體有效長度的確定．安培力：通電導線在磁場中受到的力安培力的方向左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)．讓磁感線從進入，并使四指指向 ，這時拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向．BFIBFIFBααBBBFIBFIFBααBBIFαBII判定右圖通電導線所受安培力的方向IBIBB2B1θ（1）在勻強磁場中，在通電直導線與磁場方向垂直的情況下，導線所受安培力F等于磁感應強度B、電流I和導線的長度L三者的乘積。即：F=BIL（2）平行時：F＝0如果既不平行也不垂直呢？把磁感應強度B分解為兩個分量：一個分量與導線垂直B=Bsinθ另一分量與導線平行B=Bcosθ平行于導線的分量B不對通電導線產(chǎn)生作用力，通電導線所受作用力僅由B決定。即F=BIL，將B=Bsinθ代入得：F=BILsinθ公式的適用條件及各量的意義在中學階段，此公式僅適用于勻強磁場.1．公式F＝ILBsinθ中，L指的是“有效長度”．θ表示磁場方向與電流方向間的夾角,當B與I垂直時，F(xiàn)最大，F(xiàn)＝ILB；當B與I平行時，F(xiàn)＝0.2．彎曲導線的有效長度L，等于連接兩端點直線的長度(如圖所示)；相應的電流沿L由始端流向末端．3.若磁場和電流成θ角時，如圖所示．可以將磁感應強度B正交分解成B⊥＝Bsinθ和B∥＝Bcosθ，而B∥對電流是沒有作用的．F＝ILB⊥＝ILBsinθ，即F＝ILBsinθ.課堂互動訓練互動1、如圖所示，蹄形磁體用懸線懸于O點，在磁鐵的正下方有一水平放置的長直導線，當導線中通以由左向右的電流時，蹄形磁鐵的運動情況將是______。A．靜止不動B．向紙外平動C．N極向紙外，S極向紙內(nèi)轉(zhuǎn)動D．N極向紙內(nèi)，S極向紙外轉(zhuǎn)動互動2、將長度為20cm、通有0.1A電流的直導線放入一勻強磁場中，電流與磁場的方向如圖所示，已知磁感應強度為1T。試求出下列各圖中導線所受安培力的大小和方向。答案：0，0.02N水平向右，0.02N垂直導線斜向左上方。BACBI互動3、如圖所示，直角三角形ABC組成的導線框內(nèi)通有電流I＝1A，并處在方向豎直向下的勻強磁場B＝2T中，AC=40cm，BACBI答案;F=0MNBF=F=0.4√3NMNB互動4、如圖所示，在磁感應強度為1T的勻強磁場中，有兩根相同的彈簧，下面掛一條長為0.5m，質(zhì)量為0.1kg的金屬棒MN，此時彈簧伸長10cm，欲使彈簧不伸長則棒上應通過的電流的大小和方向如何？2A，方向從M到N三、安培力作用下導體運動方向的判斷如果通電導體放置在非勻強磁場中，則不能夠運用F＝BIL進行定量的計算，但可用F＝BIL和左手定則進行定性的討論，常用的方法有以下幾種：1．電流元分析法把整段電流等效分成很多段直線電流元，先用左手定則判斷出每小段電流元所受安培力的方向，從而判斷出整段電流所受合力的方向，最后確定運動方向，注意一般取對稱的兩段電流元分析．2．等效分析法環(huán)形電流可以等效為小磁針(或條形磁鐵)，條形磁鐵也可等效成環(huán)形電流，通電螺線管可以等效成很多的環(huán)形電流來分析．3．特殊位置分析法根據(jù)通電導體在特殊位置所受安培力的方向，判斷其運動方向，然后推廣到一般位置．4．結(jié)論法兩平行直線電流在相互作用過程中，無轉(zhuǎn)動趨勢，同向電流互相吸引，反向電流互相排斥；兩不平行的直線電流相互作用時，有轉(zhuǎn)到平行且電流方向相同的趨勢．四、安培力與力學相結(jié)合的綜合問題1．有安培力參與的物體平衡，此平衡與前面所講的物體平衡一樣，也是利用物體平衡條件解題，其中安培力是眾多受力中的一個．2．與閉合電路歐姆定律相結(jié)合的題目，主要應用：(1)閉合電路歐姆定律；(2)安培力求解公式F＝ILB；(3)物體平衡條件．3．在安培力作用下的物體平衡的解決步驟和前面學習的共點力平衡相似，一般也是先進行受力分析，再根據(jù)共點力平衡的條件列出平衡方程，其中重要的是在受力分析過程中不要漏掉了安培力．安培力作為通電導體所受的外力參與受力分析，產(chǎn)生了通電導體在磁場中的平衡、加速及做功問題，這類問題與力學知識聯(lián)系很緊密，解題時把安培力等同于重力、彈力、摩擦力等性質(zhì)力；對物體進行受力分析時，注意安培力大小和方向的確定；求解時注意運用力學中靜力學、動力學及功和能等有關知識，解此類題可以有效地培養(yǎng)綜合分析能力，必須引起重視．為方便對問題的分析和便于列方程，在受力分析時將立體圖畫成平面圖，即畫成俯視圖、剖面圖或側(cè)視圖等．課堂互動訓練互動5、如圖所示，a、b為平行放置的兩根長直導線，當a、b中通入方向相同的電流時，a、b將發(fā)生怎樣的作用？【思路點撥】當直導線a中通入電流時，在它的周圍就產(chǎn)生了磁場，磁場方向可用安培定則確定，另一通電直導線b處在它的磁場中要受到安培力的作用，其方向可用左手定則判斷，同理a也處在b的磁場中要受安培力作用．【思維總結(jié)】從上例中可以看出：(1)電流與電流之間的作用也是相互的，完全遵從牛頓第三定律；(2)作為結(jié)論記?。和螂娏飨嗷ノ愊螂娏飨嗷ヅ懦猓?互動6、如圖所示，把一通電直導線放在蹄形磁鐵磁極的正上方，導線可以自由移動，當導線中通過如圖所示方向的電流I時，試判斷導線的運動情況．【解析】根據(jù)圖所示的導線所處的特殊位置判斷其轉(zhuǎn)動情況．將導線AB從N、S極的中間O分成兩段，AO、BO段所處的磁場方向如圖所示，由左手定則可得AO段受安培力方向垂直于紙面向外，BO段受安培力的方向垂直紙面向里，可見從上向下看，導線AB將繞O點逆時針轉(zhuǎn)動．再根據(jù)導線轉(zhuǎn)過90°時的特殊位置判斷其上下運動情況．如圖所示，導線AB此時受安培力方向豎直向下，導線將向下運動．由上述兩個特殊位置的判斷可知，當導線在題中所給狀態(tài)時，所受安培力使AB逆時針轉(zhuǎn)動的同時還要向下運動．【答案】逆時針轉(zhuǎn)動的同時向下運動【思維總結(jié)】(1)判斷安培力作用下物體的運動方向，要根據(jù)具體問題選擇合適的判斷方法．(2)利用電流元分析法，要在合適的位置選取電流元．(3)若磁感應強度方向與電流方向不垂直，可將磁感應強度B分解為與電流垂直分量和平行分量．互動7、如圖所示，把輕質(zhì)導電線圈用絕緣細線懸掛在磁鐵N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直于線圈平面，當線圈內(nèi)通入如圖所示方向的電流后，則線圈 ()A．向左運動B．向右運動C．靜止不動D．無法確定解析：選A.法一：等效法．把通電線圈等效成小磁針．由安培定則知，線圈等效成小磁針后，左端是S極，右端是N極，異名磁極相吸引，線圈向左運動．法二：電流元法．如圖所示，取其中的上、下兩小段分析，根據(jù)其中心對稱性知線圈所受安培力的合力水平向左，故線圈向左運動．互動8、 質(zhì)量為m＝0.02kg的通