（山東省專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 磁場(chǎng) 第3節(jié) 幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)講義（含解析）新人教版選修3-1.doc
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第3節(jié)幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng) 1.磁感線是假想的線，磁感線可以定性地描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向。 2．電流的磁場(chǎng)方向可由右手螺旋定則(或安培定則)判定。 3．安培提出了分子電流假說(shuō)，能夠解釋磁化、退磁等一些磁現(xiàn)象。 4．磁通量的大小為：Φ＝BS，磁感應(yīng)強(qiáng)度也可叫做磁通密度。 一、磁感線 1．定義：用來(lái)形象描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的假想曲線。 2．特點(diǎn) (1)磁感線的疏密程度表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。磁場(chǎng)強(qiáng)的地方，磁感線較密；磁場(chǎng)弱的地方，磁感線較疏。 (2)磁感線某點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。 二、幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng) 電流的磁場(chǎng)方向可以用安培定則(右手螺旋定則)判斷。 1．直線電流的磁場(chǎng) 右手握住導(dǎo)線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線環(huán)繞的方向。 2．環(huán)形電流的磁場(chǎng) 讓右手彎曲的四指與環(huán)形電流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是環(huán)形導(dǎo)線軸線上磁感線的方向。 3．通電螺線管的磁場(chǎng) 右手握住螺線管，讓彎曲的四指跟電流的方向一致，拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)的方向或者說(shuō)拇指所指的方向是它的北極的方向。 三、安培分子電流假說(shuō) 1．分子電流假說(shuō)：安培認(rèn)為，在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流，即分子電流。分子電流使每個(gè)物質(zhì)微粒都成為小磁體，它的兩側(cè)相當(dāng)于兩個(gè)磁極。 2．分子電流假說(shuō)意義：能夠解釋磁化以及退磁現(xiàn)象，解釋磁現(xiàn)象的電本質(zhì)。 3．磁鐵的磁場(chǎng)和電流的磁場(chǎng)一樣，都是由電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。 四、勻強(qiáng)磁場(chǎng)和磁通量 1．勻強(qiáng)磁場(chǎng) (1)定義：強(qiáng)弱、方向處處相同的磁場(chǎng)。 (2)磁感線特點(diǎn)：疏密均勻的平行直線。 2．磁通量 (1)定義：勻強(qiáng)磁場(chǎng)中磁感應(yīng)強(qiáng)度和與磁場(chǎng)方向垂直的平面面積S的乘積。即Φ＝BS。 (2)拓展：磁場(chǎng)與平面不垂直時(shí)，這個(gè)面在垂直于磁場(chǎng)方向的投影面積S′與磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積表示磁通量。 (3)單位：國(guó)際單位制是韋伯，簡(jiǎn)稱韋，符號(hào)是Wb，1 Wb＝1_Tm2。 (4)引申：B＝，表示磁感應(yīng)強(qiáng)度等于穿過(guò)單位面積的磁通量，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度又叫磁通密度。 1．自主思考——判一判 (1)磁感線是閉合的曲線，沒(méi)有起始終了的位置。(√) (2)磁感線可以用細(xì)鐵屑來(lái)顯示，因而是真實(shí)存在的。() (3)通電直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的磁感線是閉合的圓環(huán)。(√) (4)通電螺線管周圍的磁場(chǎng)類似于條形磁體周圍的磁場(chǎng)。(√) (5)將一平面置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的任何位置，穿過(guò)該平面的磁通量總相等。 () (6)除永久性磁鐵外，一切磁場(chǎng)都是由運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的。 () (7)一般的物體不顯磁性是因?yàn)槲矬w內(nèi)的分子電流取向雜亂無(wú)章。(√) 2．合作探究——議一議 (1)有同學(xué)認(rèn)為磁感線總是從磁體北極指向南極，你認(rèn)為對(duì)嗎？ 提示：不對(duì)，在磁體外部磁感線從磁體北極指向南極，而在磁體內(nèi)部，磁感線是從南極指向北極。 (2)若通過(guò)某面積的磁通量等于零，則該處一定無(wú)磁場(chǎng)，你認(rèn)為對(duì)嗎？ 提示：不對(duì)。磁通量除與磁感應(yīng)強(qiáng)度、面積有關(guān)外，還與環(huán)面和磁場(chǎng)夾角有關(guān)，當(dāng)環(huán)面與磁場(chǎng)平行時(shí)，磁通量為零，但存在磁場(chǎng)。 (3)通電的螺線管相當(dāng)于一個(gè)條形磁鐵，一端是N極，另一端是S極，把一個(gè)小磁針?lè)湃肼菥€管內(nèi)部，小磁針的N極指向螺線管的哪端？ 提示：指向N極。小磁針N極的指向是N極受到磁場(chǎng)力的方向，N極受力的方向是該位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，在螺線管內(nèi)部，磁感應(yīng)強(qiáng)度方向由S極指向N極。所以小磁針的N極指向螺線管的N極。 對(duì)磁感線的理解 磁感線與電場(chǎng)線的比較 磁感線 電場(chǎng)線 相似點(diǎn) 引入目的 為形象描述場(chǎng)而引入的假想線，實(shí)際不存在 疏密 場(chǎng)的強(qiáng)弱 切線方向 場(chǎng)的方向 是否相交 不能相交(電場(chǎng)中無(wú)電荷空間不相交) 不同點(diǎn) 不中斷的閉合曲線 不閉合，起始于正電荷或無(wú)限遠(yuǎn)，終止于無(wú)限遠(yuǎn)或負(fù)電荷 1．對(duì)磁感線的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法正確的是( ) A．磁感線總是從磁體的北極出發(fā)，終止于磁體的南極 B．磁感線上某點(diǎn)的切線方向與放在該點(diǎn)小磁針南極的受力方向相同 C．磁感線的疏密可以反映磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)弱 D．磁感線是磁場(chǎng)中客觀存在的線 解析：選C 磁感線在磁體的外部是從N到S，在磁體內(nèi)部是從S到N，形成閉合曲線，A錯(cuò)誤；磁感線上某點(diǎn)的切線方向與放在該點(diǎn)小磁針北極的受力方向相同，B錯(cuò)誤；磁感線是人假象出來(lái)的，現(xiàn)實(shí)中不存在，磁感線越密，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，磁感線越疏，磁感應(yīng)強(qiáng)度越小，C正確D錯(cuò)誤。 2.磁場(chǎng)中某區(qū)域的磁感線如圖所示，則( ) A．a(chǎn)、b兩處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不等，Ba＞Bb B．a(chǎn)、b兩處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不等，Ba＜Bb C．同一通電導(dǎo)線放在a處受力一定比放在b處受力小 D．a(chǎn)處沒(méi)有磁感線，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度為零 解析：選B 由圖中可知b處的磁感線較密，a處的磁感線較疏，所以Ba＜Bb，故A錯(cuò)，B對(duì)；導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的大小與導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的放置方向有關(guān)，而不是僅僅取決于B與LI的大小，故C錯(cuò)；磁感線是用來(lái)描述磁場(chǎng)的，而又不可能在存在磁場(chǎng)的區(qū)域內(nèi)全部畫(huà)磁感線，那樣將會(huì)與不畫(huà)磁感線產(chǎn)生相同的效果，故D錯(cuò)。 3．[多選]下列關(guān)于電場(chǎng)線和磁感線的說(shuō)法中，正確的是( ) A．電場(chǎng)線和磁感線都是電場(chǎng)或磁場(chǎng)中實(shí)際存在的線 B．磁場(chǎng)中兩條磁感線一定不相交，但在復(fù)雜電場(chǎng)中的電場(chǎng)線是可以相交的 C．電場(chǎng)線是一條不閉合曲線，而磁感線是一條閉合曲線 D．電場(chǎng)線越密的地方，電場(chǎng)越強(qiáng)，磁感線越密的地方，磁場(chǎng)也越強(qiáng) 解析：選CD 電場(chǎng)線與磁感線分別是為了形象描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)而引入的假想線，實(shí)際不存在，A錯(cuò)誤。兩種場(chǎng)線的切線方向均表示相應(yīng)的場(chǎng)方向，兩種場(chǎng)線都不會(huì)相交，B錯(cuò)誤。電場(chǎng)線起始于正電荷或無(wú)限遠(yuǎn)、終止于負(fù)電荷或無(wú)限遠(yuǎn)，而磁感線在磁體外部由N極指向S極，在磁體內(nèi)部由S極指向N極，組成閉合曲線，C正確。電場(chǎng)線越密，表示該處電場(chǎng)越強(qiáng)；磁感線越密，表示該處磁場(chǎng)越強(qiáng)，D正確。 常見(jiàn)磁場(chǎng)的分布規(guī)律 1．常見(jiàn)永磁體的磁場(chǎng) 2．常見(jiàn)電流的磁場(chǎng) 安培定則 立體圖 橫截面圖 縱截面圖 直線電流 以導(dǎo)線上任意點(diǎn)為圓心垂直于導(dǎo)線的多組同心圓，越向外越稀疏，磁場(chǎng)越弱 環(huán)形電流 內(nèi)部磁場(chǎng)比環(huán)外強(qiáng)，磁感線越向外越稀疏 通電螺線管 內(nèi)部為勻強(qiáng)磁場(chǎng)且比外部強(qiáng)，方向由S極指向N極，外部類似條形磁鐵，由N極指向S極 [典例] 如圖所示，a、b、c三枚小磁針?lè)謩e在通電螺線管的正上方、管內(nèi)和右側(cè)，當(dāng)這些小磁針靜止時(shí)，小磁針N極的指向是( ) A．a(chǎn)、b、c均向左 B．a(chǎn)、b、c均向右 C．a(chǎn)向左，b向右，c向右 D．a(chǎn)向右，b向左，c向右 [解析] 小磁針靜止時(shí)N極的指向與該點(diǎn)磁感線方向相同，如果a、b、c三處磁感線方向確定，那么三枚小磁針靜止時(shí)N極的指向也就確定。所以，只要畫(huà)出通電螺線管的磁感線如圖所示，即可知a磁針的N極在左邊，b磁針的N極在右邊，c磁針的N極在右邊。 [答案] C 小磁針在磁場(chǎng)中受力的判斷方法 (1)當(dāng)小磁針處于磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，或環(huán)形電流、通電螺線管外部時(shí)，可根據(jù)同名磁極相斥，異名磁極相吸來(lái)判斷小磁針的受力方向。 (2)當(dāng)小磁針處于直線電流的磁場(chǎng)中，或處于環(huán)形電流、通電螺線管內(nèi)部時(shí)，應(yīng)該根據(jù)小磁針N極所指方向與通過(guò)該點(diǎn)的磁感線的切線方向相同來(lái)判斷小磁針的受力方向。 1．如圖所示為磁場(chǎng)、磁場(chǎng)作用力演示儀中的赫姆霍茲線圈，當(dāng)在線圈中心處掛上一個(gè)小磁針，且與線圈在同一平面內(nèi)，則當(dāng)赫姆霍茲線圈中通以如圖所示方向的電流時(shí)( ) A．小磁針N極向里轉(zhuǎn) B．小磁針N極向外轉(zhuǎn) C．小磁針在紙面內(nèi)向左擺動(dòng) D．小磁針在紙面內(nèi)向右擺動(dòng) 解析：選A 由于線圈中電流沿順時(shí)針?lè)较?，根?jù)安培定則可以確定，線圈內(nèi)部軸線上磁感線方向垂直于紙面向里。而小磁針N極受力方向和磁感線方向相同，故小磁針N極向里轉(zhuǎn)。 2．如圖所示，a、b是直線電流的磁場(chǎng)，c、d是環(huán)形電流的磁場(chǎng)，e、f是通電螺線管的磁場(chǎng)，試在各圖中補(bǔ)畫(huà)出電流方向或磁感線方向。 解析：根據(jù)安培定則，可以確定a中電流方向垂直紙面向里，b中電流方向從下向上，c中電流方向沿逆時(shí)針，d中磁感線方向向下，e中磁感線方向向左，f中磁感線方向向右。 答案：如圖所示 對(duì)磁通量的理解與計(jì)算 1．磁通量的計(jì)算 (1)公式：Φ＝BS。 適用條件：①勻強(qiáng)磁場(chǎng)；②磁場(chǎng)與平面垂直。 (2)若磁場(chǎng)與平面不垂直，應(yīng)為平面在垂直于磁感線方向上的投影面積，Φ＝BScos θ。式中Scos θ即為平面S在垂直于磁場(chǎng)方向上的投影面積，也稱為“有效面積”(如圖所示)。 2．磁通量的正、負(fù) (1)磁通量是標(biāo)量，但有正、負(fù)，當(dāng)以磁感線從某一面上穿入時(shí)，磁通量為正值，則磁感線從此面穿出時(shí)即為負(fù)值。 (2)若同時(shí)有磁感線沿相反方向穿過(guò)同一平面，且正向磁通量大小為Φ1，反向磁通量大小為Φ2，則穿過(guò)該平面的合磁通量Φ＝Φ1－Φ2。 3．磁通量的變化量 (1)當(dāng)B不變，有效面積S變化時(shí)，ΔΦ＝BΔS。 (2)當(dāng)B變化，S不變時(shí)，ΔΦ＝ΔBS。 (3)B和S同時(shí)變化，則ΔΦ＝Φ2－Φ1。但此時(shí)ΔΦ≠ΔBΔS。 [典例] 如圖所示，有一個(gè)垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.8 T，磁場(chǎng)有明顯的圓形邊界，圓心為O，半徑為10 cm，現(xiàn)在在紙面內(nèi)先后放上圓線圈A、B和C(圖中未畫(huà)出)，圓心均在O處，A線圈的半徑為1 cm，共10匝；B線圈的半徑為2 cm，只有1匝；C線圈的半徑為0.5 cm，只有1匝。 (1)在磁感應(yīng)強(qiáng)度B減為0.4 T的過(guò)程中，A和B線圈中的磁通量改變了多少？ (2)在磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)過(guò)30角的過(guò)程中，C線圈中的磁通量改變了多少？ [解析] (1)對(duì)A線圈，有Φ1＝B1πrA2，Φ2＝B2πrA2 故A線圈的磁通量的改變量為 ΦA(chǔ)＝|Φ2－Φ1|＝(0.8－0.4)3.1410－4 Wb＝1.25610－4 Wb B線圈的磁通量的改變量為 ΦB＝(0.8－0.4)3.14(210－2)2 Wb＝5.02410－4 Wb。 (2)對(duì)C線圈，Φ1＝BπrC2；磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)過(guò)30角，線圈在垂直于磁場(chǎng)方向的投影面積為πrC2cos 30，則Φ2＝BπrC2cos 30，故磁通量的改變量為ΔΦC＝BπrC2(1－cos 30)＝0.83.14(510－3)2(1－0.866)Wb＝8.410－6 Wb。 [答案] (1)1.25610－4 Wb 5.02410－4 Wb (2)8.410－6 Wb 磁通量大小的分析與判斷 1．定量計(jì)算 通過(guò)公式Φ＝BS來(lái)定量計(jì)算，計(jì)算磁通量時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題： (1)明確磁場(chǎng)是否為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，知道磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。 (2)平面的面積S應(yīng)為磁感線通過(guò)的有效面積。當(dāng)平面S與磁場(chǎng)方向不垂直時(shí)，應(yīng)明確所研究的平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角，準(zhǔn)確找出垂直面積。 (3)線圈的磁通量及其變化與線圈匝數(shù)無(wú)關(guān)，即磁通量的大小不受線圈匝數(shù)的影響。 2．定性判斷 磁通量是指穿過(guò)線圈面積的磁感線的“凈條數(shù)”，當(dāng)有不同方向的磁場(chǎng)同時(shí)穿過(guò)同一面積時(shí)，此時(shí)的磁通量為各磁場(chǎng)穿過(guò)該面磁通量的代數(shù)和?！ ? 1．如圖所示的磁場(chǎng)中垂直磁場(chǎng)放置兩個(gè)面積相同的閉合線圈S1(左)、S2(右)，由圖可知穿過(guò)線圈S1、S2的磁通量大小關(guān)系正確的是( ) A．穿過(guò)線圈S1的磁通量比較大 B．穿過(guò)線圈S2的磁通量比較大 C．穿過(guò)線圈S1、S2的磁通量一樣大 D．不能比較 解析：選A 穿過(guò)線圈S1的磁感線條數(shù)多，故穿過(guò)線圈S1的磁通量比較大。 2.如圖所示，兩個(gè)同心放置的平面金屬圓環(huán)，條形磁鐵穿過(guò)圓心且與兩環(huán)平面垂直，則通過(guò)兩圓環(huán)的磁通量Φa、Φb間的關(guān)系是( ) A．Φa＞Φb B．Φa＜Φb C．Φa＝Φb D．不能確定 解析：選A 通過(guò)圓環(huán)的磁通量為穿過(guò)圓環(huán)的磁感線的條數(shù)，首先明確條形磁鐵的磁感線分布情況，另外要注意磁感線是閉合的曲線。條形磁鐵的磁感線在磁體的內(nèi)部是從S極到N極，在磁體的外部是從N極到S極，內(nèi)部有多少根磁感線，外部的整個(gè)空間就有多少根磁感線同內(nèi)部磁感線構(gòu)成閉合曲線。對(duì)兩個(gè)圓環(huán)，磁體內(nèi)部的磁感線全部穿過(guò)圓環(huán)，外部的磁感線穿過(guò)多少，磁通量就抵消多少，所以面積越大，磁通量反而越小。 3．如圖所示，一個(gè)閉合線圈放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線圈的軸線與磁場(chǎng)方向成30角，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，用下述哪個(gè)方法可使穿過(guò)線圈的磁通量增加一倍( ) A．把線圈匝數(shù)增加一倍 B．把線圈面積增加一倍 C．把線圈的半徑增加一倍 D．轉(zhuǎn)動(dòng)線圈使得軸線與磁場(chǎng)方向平行 解析：選B 把線圈的匝數(shù)增加一倍，穿過(guò)線圈的磁感線的條數(shù)不變，磁通量不變，故A錯(cuò)誤；根據(jù)Φ＝BSsin θ，把線圈面積增加一倍，可使穿過(guò)線圈的磁通量增加一倍，故B正確；把線圈的半徑增加一倍，線圈的面積S＝πR2變?yōu)樵瓉?lái)的4倍，磁通量為原來(lái)的4倍，故C錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)動(dòng)線圈使得軸線與磁場(chǎng)方向平行，相當(dāng)于線圈轉(zhuǎn)過(guò)30，與磁場(chǎng)垂直，有效面積由Ssin 60變?yōu)镾，磁通量沒(méi)有增加一倍，故D錯(cuò)誤。 磁場(chǎng)的疊加 [典例] [多選]三條在同一平面(紙面)內(nèi)的長(zhǎng)直絕緣導(dǎo)線組成一等邊三角形，在導(dǎo)線中通過(guò)的電流均為I，方向如圖所示。a、b和c三點(diǎn)分別位于三角形的三個(gè)頂角的平分線上，且到相應(yīng)頂點(diǎn)的距離相等。將a、b和c處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小分別記為B1、B2和B3，下列說(shuō)法正確的是( ) A．B1＝B2下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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