2024-2025學年高中物理第三章磁場3幾種常見的磁場學案新人教版選修3-1

PAGE10-3幾種常見的磁場1．磁感線(1)定義：在磁場中畫出一些曲線，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樣，這樣的曲線叫作磁感線．(2)磁感線的疏密程度：描述磁場的強弱．(3)磁感線的方向：磁體外部從N極指向S極，內部從S極指向N極，是閉合曲線．磁感線是磁場中真實存在的曲線嗎？提示：不是．磁感線是一種物理模型，利用磁感線可以形象地描述磁場的強弱和方向．2．幾種電流的磁場(安培定則的應用)(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的方向一樣，彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向．這個規(guī)律也叫右手螺旋定則．(2)環(huán)形電流的磁場：讓右手彎曲的四指與環(huán)形電流的方向一樣，伸直的拇指所指的方向就是環(huán)形導線中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樣，拇指所指的方向就是螺線管中軸線上磁感線的方向或拇指指向螺線管的磁場的北極．3．安培分子電流假說什么是分子電流：在原子、分子等物質微粒的內部存在著一種環(huán)形電流——分子電流．沒有磁性的鐵棒在受到外界磁場的作用時，兩端對外界顯示出較強的磁作用，形成了磁極．這是怎么回事呢？提示：當沒有磁性的鐵棒受到外界磁場的作用時，鐵棒中各分子電流的取向變得大致相同，使鐵棒整體顯磁性，這種現(xiàn)象叫作磁化現(xiàn)象．4．勻強磁場(1)定義：強弱、方向到處相同的磁場，稱為勻強磁場．(2)磁感線的分布：一簇間距相等彼此平行的磁感線．(3)勻強磁場的產(chǎn)生：正對且距離很小的異名磁極之間(除邊緣部格外)的磁場，勻稱的通電螺線管內部空間的磁場．5．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的乘積叫作穿過這個面積的磁通量．(2)公式：Φ＝BS，單位：韋伯，符號：Wb.(3)磁通密度：磁感應強度又叫磁通密度，B＝eq\f(Φ,S)，等于垂直穿過單位面積的磁通量．磁通量是標量，但有正負，你是如何理解磁通量中的正負的？提示：磁通量有正負之分，其正負是這樣規(guī)定的：任何一個面都有正、反兩面，若規(guī)定磁感線從正面穿入為正磁通量，則磁感線從反面穿入時磁通量為負值．考點一幾種常見的磁場的分布特點及安培定則1．常見永磁體的磁場(如圖)2．三種常見的電流磁場的特點及畫法比較(1)直線電流的磁場安培定則：右手握住導線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一樣，彎曲的四指所指的方向就是磁感線環(huán)繞的方向，如圖1所示，直線電流的磁場可有幾種不同的畫法，如圖2所示．圖1圖21圖中的“×”號表示磁場方向垂直進入紙面.“·”表示磁場方向垂直離開紙面.2直線電流的磁場強弱與距導線的遠近有關，距導線越遠處，磁場越弱.(2)環(huán)形電流的磁場：兩側分別是N極和S極，離圓環(huán)越遠，磁場越弱，畫法如圖所示．(3)通電螺線管的磁場：兩端分別是N極和S極，管內是勻強磁場，磁感線方向由S極指向N極，管外為非勻強磁場，磁感線由N極指向S極，畫法如圖所示．1磁場是分布在立體空間的，要嫻熟駕馭常見磁場的磁感線的立體圖和縱、橫截面圖的畫法，以備解題時須要.這是本節(jié)的重點和難點內容.2在畫磁感線時，應留意磁感線的疏密.3．常見磁場分布四點留意：(1)環(huán)形電流的磁場，如2中(2)立體圖所示，兩側是N極和S極，離圓環(huán)中心越遠，磁場越弱．(2)通電螺線管的磁場分布：外部跟條形磁鐵外部的磁場分布狀況相同，兩端分別為N極和S極，管內是勻強磁場，磁場方向由S極指向N極．(3)環(huán)形電流的磁場，在宏觀上，可看做單匝螺線管的磁場，在微觀上，可看成多數(shù)段很短的直線電流的磁場的疊加．(4)不管是磁體的磁場還是電流的磁場，其分布都是在立體空間的，要嫻熟駕馭其立體圖，縱、橫截面圖的畫法及轉換．【例1】如圖所示，放在通電螺線管內部中間處的小磁針靜止時N極指向右，試判定電源的正、負極．先依據(jù)小磁針N極所指的方向推斷出磁場的方向，再利用安培定則推斷出電流的方向，最終確定出電源的正、負極．【答案】c端為正極，d端為負極．【解析】小磁針N極的指向即為該處的磁場方向，所以螺線管內部磁感線方向由a→b.依據(jù)安培定則可推斷出電流由電源的c端流出，d端流入，故c端為正極，d端為負極．(多選)如圖所示是云層之間閃電的模擬圖，圖中A、B是位于北、南方向帶有電荷的兩塊陰雨云，在放電的過程中在兩云的尖端之間形成了一個放電通道，發(fā)覺位于通道正上方的小磁針N極轉向紙里，S極轉向紙外，則關于A、B的帶電狀況說法中正確的是(BD)A．帶同種電荷 B．帶異種電荷C．B帶正電 D．A帶正電解析：云層間放電必需發(fā)生在異種電荷之間，故B對；在云層間放電時，形成的強電場和高溫將空氣電離成正離子和負離子，并在強電場的作用下做定向移動，形成電流，相當于通電直導線形成磁場．由題意知，從南往北看，磁場是逆時針的，依據(jù)安培定則可以推斷電流是從A流向B的，故可知A帶正電，B帶負電．所以D選項正確．考點二對磁通量的理解1．物理意義：穿過某一平面的磁感線條數(shù)，且為穿過平面的磁感線的凈條數(shù)．2．計算：Φ＝BS(1)公式運用的條件：①勻強磁場；②磁感線與平面垂直．(2)勻強磁場中，若磁感線與平面不垂直，公式Φ＝BS中的S應為平面在垂直于磁感線方向的投影面積．3．磁通量是標量，有正、負之分磁通量的正、負既不表示大小，也不表示方向，它表示磁通量從某一個面穿入還是穿出，若規(guī)定穿入為正，則穿出為負，反之亦然．4．與磁感應強度的關系(1)磁感應強度B主要描述磁場中某點的磁場狀況，與位置對應；而磁通量用來描述磁場中某一個給定面上的磁場狀況，它與給定面對應．(2)由Φ＝BS得B＝Φ/S，即為磁感應強度的另肯定義式，表示穿過垂直于磁場方向的單位面積的磁感線條數(shù)，所以B又叫做磁通密度．5．與磁感線條數(shù)的關系：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，磁通量指的是合磁場的磁感線穿過其面積的條數(shù)，即此時的磁通量為合磁通量．eq\a\vs4\al(1.磁通量是針對某個面來說的，與給定的線圈的匝數(shù)多少無關.,2.當線圈轉過180°時，磁通量的變更量ΔΦ＝|Φ1－Φ2|＝2BS.)【例2】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？把線圈以cd解答本題時，可按以下思路分析：【答案】0.12Wb0.36Wb【解析】線圈在垂直磁場方向上的投影面積S⊥＝Scos60°＝0.4×eq\f(1,2)m2＝0.2m2，穿過線圈的磁通量Φ1＝BS⊥＝0.6×0.2Wb＝0.12Wb.線圈沿順時針方向轉過120°角后變?yōu)榕c磁場垂直，但由于此時磁感線從線圈平面穿入的方向與原來相反，故此時通過線圈的磁通量Φ2＝－BS＝－0.6×0.4Wb＝－0.24Wb.故磁通量的變更量ΔΦ＝|Φ2－Φ1|＝|－0.24－0.12|Wb＝0.36Wb.總結提能(1)只有在勻強磁場中B⊥S時，Φ＝BS才適用，若B與S不垂直，應將S投影，也可以將B分解，即Φ＝BS⊥＝B⊥S.(2)磁通量的變更量ΔΦ＝Φ2－Φ1，在詳細的計算中，肯定要留意Φ1及Φ2的正、負問題．關于磁通量，正確的說法有(C)A．磁通量不僅有大小而且有方向，是矢量B．在勻強磁場中，a線圈面積比b線圈面積大，則穿過a線圈的磁通量肯定比穿過b線圈的大C．磁通量大，磁感應強度不肯定大D．把某線圈放在磁場中的M、N兩點，若放在M處的磁通量比在N處的大，則M處的磁感應強度肯定比N處大解析：磁通量是標量，大小與B、S及放置角度均有關，只有C項說法正確．1．下列關于電場線和磁感線的說法中，正確的是(C)A．電場線與磁感線都是電場或磁場中實際存在的線B．磁場中兩條磁感線肯定不相交，但在困難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，同一摸索電荷所受的電場力越大；磁感線分布越密的地方，同一通電導線所受的磁場力也越大解析：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．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．電場線起始于正電荷或無窮遠，終止于無窮遠或負電荷，而磁感線在磁體外部由N極指向S極，在磁體內部由S極指向N極，組成閉合曲線，C對．電場線越密，表示該處電場越強，同一摸索電荷在此處受電場力越大；磁感線越密，表示該處磁場越強，但通電導線受到的磁場力大小還與通電導線方向和導線中的電流方向和大小有關，故電流受到的磁場力不肯定大，D錯．2．依據(jù)電磁理論，半徑為R、電流強度為I的環(huán)形電流中心處的磁感應強度大小B＝keq\f(I,R)，其中k為已知常量．現(xiàn)有一半徑為r，匝數(shù)為N的線圈，線圈未通電流時，加水平且平行于線圈平面、大小為Bc的勻強磁場，小磁針指向在線圈平面內(不考慮地磁場)，如圖所示，給線圈通上待測電流后，小磁針水平偏轉了α角，則(B)A．待測電流在圓心O處產(chǎn)生的磁感應強度B0＝BcsinαB．待測電流Ix的大小Ix＝eq\f(BcRtanα,kN)C．僅變更電流方向，小磁針轉向不會變更D．僅變更電流大小可以使小磁針垂直于線圈平面解析：所加磁場磁感應強度與待測電流在圓心O處產(chǎn)生的磁感應強度B0的關系如圖所示，有：B0＝Bctanα，A錯誤；由題意可知：B0＝keq\f(NIx,R)，解得：Ix＝eq\f(BcRtanα,kN)，B正確；僅變更電流方向，電流產(chǎn)生的磁場的磁感應強度方向變更，小磁針轉向發(fā)生變更，C錯誤；僅變更電流大小，電流產(chǎn)生的磁場的磁感應強度方向不變、大小變更，合場強不能與線圈平面垂直，小磁針也不能垂直于線圈平面，D錯誤．3．(多選)當導線中分別通以圖示方向的電流時，小磁針靜止時N極垂直紙面對里的是(AB)解析：對于A、B，已知通電直導線中電流的方向，依據(jù)右手螺旋定則，可知小磁針所處的位置磁場方向垂直紙面對里，所以小磁針靜止時N極垂直紙面對里，A、B正確；環(huán)形導線的電流方向如題圖所示，依據(jù)右手螺旋定則，可知小磁針所處的位置磁場方向垂直紙面對外，所以小磁針靜止時N極垂直紙面對外，C錯誤；依據(jù)右手螺旋定則，結合電流的方向，可知通電螺線管內部的磁場方向由右向左，則小磁針靜止時N極指向左，D錯誤．4．如圖是鐵棒甲與鐵棒乙內部各分子電流取向的示意圖，甲棒內部各分子電流取向是雜亂無章的，乙棒內部各分子電流取向大致相同，則下列說法中正確的是(C)A．兩棒均顯磁性B．兩棒均不顯磁性C．甲棒不顯磁性，乙棒顯磁性D．甲棒顯磁性，乙棒不顯磁性解析：甲棒中分子電流雜亂無章，分子電流的磁場相互抵消，對外不顯磁性；乙棒中分子電流取向大致一樣，分子電流的磁場相互疊加，對外顯示出較強的磁性，C正確