第二冊(必修加選修)第十五章第1-3節(jié)磁場、磁感線;安培力、磁感應強度;電流表工作原理

1、年 級高二學 科物理版 本人教版內(nèi)容標題第十五章 磁場 第一、二、三節(jié)編稿老師馬慧【本講教育信息】一. 教學內(nèi)容：第十五章 磁場第一節(jié) 磁場 磁感線 第二節(jié) 安培力 磁感應強度 第三節(jié) 電流表原理二. 知識要點：1. 磁場 演示：在玻璃板上放兩輛小車，小車上各放置一條形磁鐵，通過演示實驗1觀察到，磁體同名磁極相斥，異名磁極相吸，且不需要接觸就可以發(fā)生力的作用，顯然這一力是場力，但磁不帶電，不存在電場，它就是另一種場一一磁場。磁體周圍存在著磁場，常見的條形磁鐵、蹄形磁鐵周圍都存在著磁場除磁體周圍有磁場外，丹麥物理學家奧斯特首先發(fā)現(xiàn)電流周圍也存在著磁場。觀察演示實驗得出，當通入電流時，小磁針轉(zhuǎn)動，

2、說明電流周圍也有磁場。磁極與磁極之間、電流與磁極之間、電流與電流之間通過演示實驗看出都會發(fā)生相互作用，這種作用都是通過磁場這種特殊物質(zhì)發(fā)生作用的。 圖1（1）磁場的性質(zhì) 在磁鐵周圍的不同位置放置一些小磁針，發(fā)現(xiàn)小磁針靜止時，指向各不相同，如圖2所示，這表明磁場中不同位置力的作用方向不同，因此磁場具有方向性。圖2與電場對比，在電場中，我們利用檢驗電荷的受力情況來反映電場的方向性，規(guī)定正電荷受的電場力方向為電場方向。在磁場中，我們利用小磁針來規(guī)定磁場的方向，規(guī)定在磁場中的任意一點小磁針北極受力的方向亦即小磁針靜止時北極所指的方向，就是那一點的磁場方向。圖3 （2）磁感線 為了形象地反映電場的方向性

3、，我們引進了電場線的概念。同理，在研究磁場時，我們引進磁感線來反映磁場的方向性，磁感線是一些有方向的曲線，在這些曲線上，每一點的切線方向都跟該點的磁場方向相同（即為小磁針的北極指向），利用磁感線，我們就可以比較直觀描述磁場的方向性。不同的磁場，磁感線的空間分布是不一樣的，常見的磁場的磁感線空間分布情況如下： 條形磁鐵的磁場取一塊玻璃板，在其上面撒上碎鐵屑，下面放條形磁鐵，輕輕敲擊玻璃板，碎鐵屑等效于無數(shù)個小磁針，形象地顯現(xiàn)出磁場的方向，即為磁感線的平面分布情況，所以條形磁鐵的磁感線分布如圖4。圖4 蹄形磁鐵的磁場：（圖5）圖5 直線電流的磁場：（圖6）圖6 環(huán)形電流的磁場：（圖7）圖7 通電螺

4、線管的磁場：（圖8）圖8（3）磁感線的特點 磁感線是不存在不相交的閉合曲線。 磁感線某點的切線方向表示該點的磁場方向。 磁感線的疏密表示磁場的強弱。2. 安培定則（1）直線電流：用右手握住導線，讓大拇指所指的方向跟電流的方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。如圖9所示。圖9（2）環(huán)形電流：讓右手彎曲的四指和環(huán)形電流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是環(huán)形導線中心軸線上磁感線的方向。如圖10所示。圖10（3）通電螺線管：用右手握住通電螺線管，讓彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致，大拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向。如圖8所示。3. 磁場對電流的作用（1）用條形磁鐵可以在

5、一定的距離內(nèi)吸起較小質(zhì)量的鐵塊，巨大的電磁鐵卻能吸起成噸的鋼塊，表明磁場有強有弱，如何表示磁場的強弱呢？我們利用磁場對電流的作用力安培力來研究磁場的強弱。（2）決定安培力大小的因素有哪些？ 與電流的大小有關(guān)。保持導線在磁鐵中所處的位置及與磁場方向不變這兩個條件下，通過移動滑動變阻器觸頭改變導線中電流的大小。 請學生觀察實驗現(xiàn)象。導線擺動的角度大小隨電流的改變而改變，電流大，擺角大；電流小，擺角小。實驗結(jié)論：垂直于磁場方向的通電直導線，受到磁場的作用力的大小跟導線中電流的大小有關(guān)，電流大，作用力大；電流小，作用力也小。 與通電導線在磁場中的長度有關(guān)。保持導線在磁鐵中所處的位置及方向不變，電流大小

6、也不變，改變通電電流部分的長度。學生觀察實驗現(xiàn)象。導線擺動的角度大小隨通電導線長度而改變，導線長、擺角大；導線短，擺角小。 實驗結(jié)論：垂直于磁場方向的通電直導線，受到的磁場的作用力的大小跟通電導線在磁場中的長度有關(guān)，導線長、作用力大；導線短，作用力小。 與導線在磁場中的放置方向有關(guān)。保持電流的大小及通電導線的長度不變，改變導線與磁場方向的夾角，當夾角為0°時，導線不動，即電流與磁場方向平行時不受安培力作用；當夾角增大到90°的過程中，導線擺角不斷增大，即電流與磁場方向垂直時，所受安培力最大；不平行也不垂直時，安培力大小介于0和最大值之間。4. 磁感應強度B總結(jié)歸納以上實驗現(xiàn)

7、象，用L表示通電導線長度，I表示電流，保持電流和磁場方向垂直，通電導線所受的安培力大小或 用表示這一比值，的物理意義為：通電導線垂直置于磁場同一位置，值保持不變；若改變通電導線的位置值隨之改變。表明值的大小是由磁場本身的位置決定為。對于電流和長度相同的導線，放置在B值大的位置受的安培力F也大，表明磁場強放在B值小的位置受的安培力F也小，表明磁場弱。因而我們可以用比值來表示磁場的強弱把它叫做磁感應強度。 定義：磁感應強度 單位：特斯拉，符號為T 常見的地磁場磁感應強度大約是，永磁鐵磁極附近的磁感應強度大約是10。用磁感線也可直觀地反映磁場的強弱和方向，磁感線越密處，磁感應強度大、磁場強。若磁感應

8、強度大小和方向處處相同，稱為勻強磁場。根據(jù)勻強磁場的特點，請同學們畫出勻強磁場的磁感線的空間分布。在非勻強磁場中，用量度磁感應強度時，導線長L應很短，電流近似處在勻強磁場中。安培力的大小和方向： 根據(jù)磁感應強度的定義式，可得通電導線垂直磁場方向放置時所受的安培力大小為：安培力的方向如何呢？通過前面的演示實驗現(xiàn)象可知，通電導線在磁場中受到的安培力方向跟導線中的電流方向、磁場方向都有關(guān)系。人們通過大量的實驗研究，總結(jié)出通電導線受安培力方向和電流方向、磁場方向存在著一個規(guī)律一一左手定則。 左手定則：伸開左手，使大拇指跟其余四個手指垂直，并且跟手掌在同一個平面內(nèi)，把手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，

9、并使伸開的四指指向電流方向，那么，拇指所指的方向，就是通電導線在磁場中的受力方向。應該注意的是：若電流方向和磁場方向垂直，則磁場力的方向、電流方向、磁場方向三者互相垂直；若電流方向和磁場方向不垂直，則磁場力的方向仍垂直于電流方向，也同時垂直于磁場方向。5. 在用左手定則判定通電導線受安培力方向時關(guān)鍵是弄清通電導線所在位置的磁場方向，抓住安培力F垂直于電流I和磁感應強度B所確定的平面來準確判定安培力的方向。6. 判斷安培力作用下物體的運動方向一般有以下幾種方法： 電流元法：即把整段電流等效為多段直線電流元。運用左手定則判斷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方向，最后確定運動

10、方向； 特殊值法：把電流或磁鐵轉(zhuǎn)到個便于分析的特殊位置后再判斷所受安培力方向，從而確定運動方向； 等效法：環(huán)形電流和通電螺線管都可以等效成條形磁鐵，條形磁鐵也可等效成環(huán)形電流或通電螺線管；通電螺線管也可以等效成很多匝的環(huán)形電流來分析； 利用結(jié)論法：兩電流相互平行時無轉(zhuǎn)動趨勢，同向電流相互吸引，反向電流相互排斥。兩電流不平行時，有轉(zhuǎn)動到相互平行且方向相同的趨勢。7. 安培力和其他用力一樣，可有沖量，也可做功，注意在解題過程中綜合分析問題，理清思路，形成方法從而提高能力。8. N匝通電矩形線圈在勻強磁場中所受的磁力矩如圖11所示，當線圈平面與磁感線夾角為時，磁場力相對軸OO的力矩為MNIBScos

11、。 當0時，磁力矩最大，為MNIBS； 當90°時，磁力矩為零； 只要轉(zhuǎn)軸與磁感線垂直，不論轉(zhuǎn)軸與線圈相對位置如何，不論線圈的形狀如何，通電線圈所受磁力矩的最大值均為MNIBS。圖119. 磁電式電流表的結(jié)構(gòu)和工作原理：磁電式電流表主要由磁場和線圈兩部分組成（結(jié)構(gòu)如圖12）。由于蹄形磁鐵和鐵心間的磁場是輻向均勻分布的，因此不管通電線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感線平行。因此，磁力矩與線圈中電流成正比（與線圈位置無關(guān)）；當通電線圈轉(zhuǎn)動時，螺旋彈簧將被扭動，產(chǎn)生一個阻礙線圈轉(zhuǎn)動的阻力矩，其大小與線圈轉(zhuǎn)過的角度成正比，當磁力矩與螺旋彈簧中的阻力矩相等時，線圈停止轉(zhuǎn)動，此時指針偏轉(zhuǎn)的角度與

12、電流成正比，故電流表的刻度是均勻的。圖1210. 磁電式電流表的優(yōu)點：靈敏度高，常作檢流計使用缺點：量程較小（允許通過的電流較?。?。因而只能用來測量很小的電流?！镜湫屠}】例1 如圖1所示，可以自由轉(zhuǎn)動的小磁針靜止不動時，靠近螺線管的是小磁針的那個磁極，若將小磁針放到該通電螺線管內(nèi)部，小磁針指向與圖示位置時的指向相同還是相反？解析：由安培定則可知，通電螺線管的磁場左端為S極，磁感線在S極附近應該指向S極。小磁針北極指向與磁感線方向相同，靠近螺線管的是北極。在內(nèi)部磁感線方向與外部連續(xù)，小磁針指向與外部相同。圖1例2 四條導線在同一個平面內(nèi)，通入相同大小的電流，電流方向如圖2所示。試判斷圖中的4個

13、區(qū)域中1、2、3、4個點磁場磁感應強度的大小。（各個點到電流的距離相等。）解析：每個電流多產(chǎn)生磁場，周圍空間的磁場是所有電流磁場的疊加。磁場疊加遵循矢量疊加原則，即平行四邊形定則。答案：1、3兩點兩個電流產(chǎn)生的磁場同向，和是一個的兩倍。2、4兩點磁場方向相反，和為零。圖2例3 如圖3兩個同樣的導線環(huán)同軸平行懸掛，相隔一小段距離，當同時給兩導線環(huán)通以同向電流時，兩導線環(huán)將（ ）A. 吸引    B. 排斥  C. 保持靜止   D. 邊吸引邊轉(zhuǎn)動解析：兩個線圈內(nèi)的電流產(chǎn)生的磁場方向相同，互相吸引。也可以由一個電流受另一個的磁場力判斷得相

14、同的結(jié)論。圖3例4 如圖4所示，長L、質(zhì)量為m的金屬桿ab，被兩根豎直的金屬絲靜止吊起，金屬桿ab處在方向垂直紙面向里的勻強磁場中。當金屬桿中通有方向ab的電流I時，每根金屬絲的拉力大小為T。當金屬桿通有方向ba的電流I時，每根金屬絲的拉力大小為2T。求磁場的磁感應強度B的大小。解析：導體ab受重力、磁場力彈簧的的拉力而平衡。當ab中的電流方向由a到b時，磁場力向上。 2T+BIL=mg 當ab中的電流由b到a時，磁場力向下。 4T=BIL+mg 解方程組得圖4例5 如圖5所示，把一重力不計可自由運動的通電直導線AB水平放在蹄形磁鐵磁極的正上方，當通以圖示方向的電流時，導線的運動情況是（從上往

15、下看）（ ）圖5A. 順時針方向轉(zhuǎn)動，同時下降 B. 順時針方向轉(zhuǎn)動，同時上升C. 逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時下降 D. 逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時上升解析：兩個磁極對電流的安培力方向不同，把電流分為兩部分，左半部分受力方向向外，右半部分受力向里。從上往下看，通電導線將沿著逆時針方向轉(zhuǎn)動。當導線轉(zhuǎn)到垂直于紙面的方向時，電流受力向下，導線將向下運動。所以C選項正確。 例6 如圖6所示。水平桌面上放置的U形金屬導軌，串接有電源?，F(xiàn)將兩根質(zhì)量相等的裸導線L1和L2放在導軌邊緣上。方向與導軌垂直，導軌所在的平面有一個方向向上的勻強磁場。當合上開關(guān)后，兩根導線便向右運動，并先后脫離導軌右端掉到水平地面上，測得它們落

16、地位置與導軌右端的水平距離分別為s1和s2，求合上開關(guān)后：（1）安培力對導線L1和L2所做功之比W1 : W2；（2）通過導線L1和L2的電量之比q1 : q2。圖6解析：S閉合時，有電流經(jīng)過裸導線，在安培力作用下加速運動，速度達到v。離開導軌做平拋運動，水平位移為s。s與v成正比。（1）由動能定理知安培力作功等于導線動能增加，。（2）由動量定理得，F(xiàn)BIL，mvBLItBLq，例7 通電矩形導線框abcd與無限長通電直導線MN在同一平面內(nèi)，電流方向如圖7所示，ab邊與MN平行。關(guān)于MN的磁場對線框的作用，下列敘述中正確的是（ ）圖7A. 線框有兩條邊所受的安培力方向相同。 B. 線框有兩條邊

17、所受的安培力大小相同。 C. 線框所受安培力的合力朝左。 D. cd邊所受安培力對ab邊力矩不為零。解：bc邊與ad邊對應處的磁感應強度相同，電流相等，故bc邊與ad邊所受安培力大小相同；由左手定則可知bc與ad邊所受安培力方向相反，同理，ab邊與cd邊所受安培力方向也相反，但因ab所在處磁感應強度大，故有Fab>Fcd，其合力朝左；因cd邊所受安培力方向水平向右通過軸ab，故力矩為零。正確答案為（B）、（C）。 說明：本題是一道高考題，考查了安培定則、左手定則、安培力、力矩等問題，以及通電直導線磁場強弱的分布等，容納了較多的知識點例8 一磁電式電流表的矩形線圈匝數(shù)N100匝，邊長Ll2

18、.5cm，L22.4cm。指針每轉(zhuǎn)動l°，螺旋狀彈簧產(chǎn)生的阻力矩K1.5×108N·m，指針的最大偏角為80°，均勻輻向分布的磁場的磁感應強度B1T。求該電流表的滿偏電流。解：指針最大偏轉(zhuǎn)角時，彈簧的阻力矩為80×1.5×1081.2×106電流的力矩為NBIS1.2×106說明：此題屬于選學內(nèi)容。【模擬試題】（答題時間：45分鐘）1. 在下面如圖所示的各圖中畫出導線中通電電流方向或通電導線周圍磁感線的方向。其中（a）、（b）為平面圖，（c）、（d）為立體圖。2. 在條形或蹄形鐵芯上繞有線圈，根據(jù)如圖所示小磁針指向

19、在圖中畫出線圈的繞線方向。3. 有一束電子流沿x軸正方向高速運動，如圖所示，電子流在Z軸上的P點處所產(chǎn)生的磁場方向是沿（   ）A. y軸正方向  B. y軸負方向 C. Z軸正方向  D. Z軸負方向4. 正在通電的條形電磁鐵的鐵心突然斷成兩截，則兩截鐵心將（   ）A. 互相吸引   B. 互相排斥 C. 不發(fā)生相互作用   D. 無法判斷5. 如圖，一束帶電粒子沿著水平方向平行地飛過磁針上方時，磁針的S極向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn)，這一束帶電粒子可能是（   ）A. 向右飛行的正離子&

20、#160;       B. 向左飛行的正離子C. 向右飛行的負離子        D. 向左飛行的負離子6. 畫出圖中各磁場對通電導線的安培力的方向7. 如圖所示，兩根平行放置的長直導線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，當加入一與導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)椋?） A. B. C. D. 8. 如圖所示，勻強磁場中有一通以方向如圖的穩(wěn)定電流的矩形線abcd，可繞其中心軸 轉(zhuǎn)動，則在轉(zhuǎn)動過程中（   ）A. ab和cd兩邊始終無磁場力作用B. ab和cd兩邊所受磁場力大小和方向在轉(zhuǎn)動過程中不斷變化C. 線圈在磁場力作用下轉(zhuǎn)動過程中合力始終不為零D. ab、cd兩邊受到和磁場力的大小和方向在轉(zhuǎn)動過程中始終保持不變9. 如圖，當左邊的線圈通以逆時針電流I時，天平恰好平衡，此時天平右邊的砝碼為m，若改為順時針方向的電流且大小不變，則需在天平右邊增加m的砝碼，通電線圈受到磁場力大小為（ ）A. mg/2 B. （m+m）g C. mg D.（m+