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2019-2020年高中物理第三章磁场第3节几种常见的磁场教学案新人教版选修3
一、磁感线和三种电流的磁场┄┄┄┄┄┄┄┄
①1.磁感线1定义在磁场中画出的一些有方向的曲线,曲线上每一点的切线方向都跟这点的磁感应强度的方向一致2特点磁感线的疏密表示磁场的强弱磁感线越密的地方表示磁场越强3磁感线实验模拟用细铁屑可模拟磁感线的形状,如图所示是条形磁铁磁感线模拟图可发现在两极附近,磁场较强,磁感线较密2.三种电流的磁场用安培定则判断1通电直导线的磁场右手握住导线,让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致,弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向如图甲2通电环形电流的磁场让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上磁感线的方向如图乙3通电螺线管的磁场用右手握住螺线管,让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致,拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向,也就是说,拇指指向通电螺线管的N极如图丙[说明] 磁感线的特点1.为形象描述磁场而引入的假想曲线,实际并不存在2.磁感线的疏密表示磁场的强弱,密集的地方磁场强,稀疏的地方磁场弱3.磁感线的方向磁体外部从N极指向S极,磁体内部从S极指向N极4.磁感线闭合而不相交,不相切,也不中断5.磁感线上某点的切线方向表示该点的磁场方向
①[判一判]1.应用安培定则判断电流产生的磁场方向时,大拇指均是指电流方向×2.通电螺线管的磁场可以认为是很多环形电流的磁场的叠加√3.通电螺线管外部有磁场,内部没有磁场×4.磁感线的引入是为了形象描述磁场的强弱和方向,实际上,磁感线并不存在√
二、安培分子电流假说┄┄┄┄┄┄┄┄
②1.内容安培认为,在原子、分子等物质微粒的内部,存在着一种环形电流——分子电流分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体,它的两侧相当于两个磁极如图所示2.对磁现象的解释1磁化现象一根软铁棒未被磁化的时候,内部各分子电流的取向杂乱无章,它们的磁场互相抵消,对外不显磁性;当软铁棒受到外界磁场的作用时,各分子电流取向变得大致相同,两端对外界显示较强的磁作用,形成磁极,软铁棒就被磁化了2磁体失磁磁体受到高温或猛烈敲击时,即在激烈的热运动或机械运动影响下,分子电流取向又变得杂乱无章,磁体磁性消失[说明]安培分子电流假说揭示了磁现象的电本质磁铁的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的运动产生的
②[判一判]1.一切磁现象都起源于电流或运动电荷,一切磁作用都是电流或运动电荷之间通过磁场产生的√2.安培认为,磁体内部有许多环形电流,每个环形电流都相当于一个小磁体√3.一个物体是否对外显磁性,取决于物体内部分子电流的取向√
三、匀强磁场磁通量┄┄┄┄┄┄┄┄
③1.匀强磁场1定义强弱、方向处处相同的磁场2特点磁感线是间隔相同的平行直线3来源距离很近的两个异名磁极之间的磁场,除边缘部分外,可以认为是匀强磁场通电螺线管内部磁场也可以认为是匀强磁场2.磁通量1定义在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一个与磁场方向垂直的平面,面积为S,我们把B与S的乘积叫做穿过这一面积的磁通量2公式Φ=BS3单位韦伯,简称韦,符号为Wb1Wb=1T·m23.磁通密度由Φ=BS得B=,磁感应强度等于穿过单位面积的磁通量,所以也叫磁通密度[说明]1.磁通量的物理意义穿过某一平面的磁感线条数,且为穿过平面的磁感线的净条数2.公式Φ=BS1公式运用的条件
①匀强磁场
②磁感线与平面垂直2在匀强磁场B中,若磁感线与平面不垂直,公式Φ=BS中的S应为平面在垂直于磁感线方向上的投影面积Φ=BScosθ式中Scosθ即为面积S在垂直于磁感线方向的投影,我们称之为“有效面积”如图所示
③[选一选]关于磁通量,下列说法中正确的是 A.磁通量不仅有大小而且有方向,所以是矢量B.磁通量越大,磁感应强度越大C.穿过某一面积的磁通量为零,则该处磁感应强度不一定为零D.磁通量就是磁感应强度解析选C 磁通量Φ=BS是标量,它的方向是人为规定的,正、负只是表明从不同的面穿入,磁通量大不一定磁感应强度大若某一平面与磁场方向平行,磁通量为零,但磁感应强度不为零[典型例题]例
1.磁场中某区域的磁感线如图所示,则 A.a、b两处的磁感应强度的大小不等,BaBbB.a、b两处的磁感应强度的大小不等,BaBbC.a、b两处磁场方向一定相同D.a处没有磁感线,所以磁感应强度为零[解析] 由题图可知b处的磁感线较密,a处的磁感线较疏,所以BaBb,故A错,B对磁场中某点的磁场方向与磁感线在该点的切线方向相同,由图判断,a、b两点磁场方向不同,故C错磁感线是用来描述磁场的,不可能在存在磁场的区域内全部画磁感线,那样将会与不画磁感线产生相同的效果,故D错故选B[答案] B[点评] 从两方面深化理解电场线和磁场线1.从电场、磁场的概念理解两种场线的相同点矢量性——线的切线方向;强弱——线的疏密;方向的唯一性——空间场线不相交2.从电场、磁场的本质理解两种场线的区别静电场——正、负电荷分离——电场线有始、终不闭合;磁场——N、S极不分离——磁感线闭合[即时巩固]1.[多选]下列关于磁感线和电场线的描述中正确的是 A.磁感线和电场线分别是用来形象地描述磁场和电场的强弱和方向的一些假想曲线B.磁感线是闭合的曲线,电场线则是不闭合的,它从正电荷或无限远出发,终止于无限远或负电荷C.磁感线或电场线上每一点的切线方向跟该点的磁场方向或电场方向相同D.仅受电场力作用下的点电荷其运动轨迹一定与电场线重合解析选ABC 磁感线和电场线都是用来描述场的强弱和方向的假想线,磁感线是闭合曲线,电场线是起始于正电荷或无穷远、终止于无穷远或负电荷的非闭合曲线,磁感线或电场线上每一点的切线方向跟该点场的方向相同,A、B、C正确;仅受电场力作用下的点电荷其运动轨迹由电场力方向和初速度方向共同决定,故不一定与电场线重合,D错误
1.磁体周围的磁感线形状
2.三种常见的电流的磁感线形状[典型例题]例
2.电路没接通时三个小磁针方向如图所示,试确定电路接通后三个磁针的转向及最后的指向[解析] 接通电路后,螺线管的磁场为内部从左指向右,外部从右指向左,故小磁针1逆时针转动,小磁针3顺时针转动,小磁针2基本不动[答案] 小磁针1逆时针转动,N极水平向左;小磁针3顺时针转动,N极水平向右;小磁针2基本不动,N极竖直向上[点评] 小磁针在磁场中受力的判断方法1.当小磁针处于磁体产生的磁场中时,可根据同名磁极相斥、异名磁极相吸来判断小磁针的受力方向2.当小磁针处于直线电流的磁场中时,应根据小磁针N极所指方向与通过该点的磁感线的切线方向相同,来判断小磁针的受力方向[即时巩固]2.如图所示,放在通电螺线管内部中间处的小磁针,静止时N极指向右,试判定电源的正、负极解析小磁针N极的指向即为该处的磁场方向,所以螺线管内部磁感线由a→b根据安培定则可判断出电流由电源的c端流出,d端流入,故c端为正极,d端为负极答案c端为正极,d端为负极
1.磁通量的正、负1磁通量是标量,但有正、负,当磁感线从某一面上穿入时,磁通量为正值,则磁感线从此面穿出时即为负值2若同时有磁感线沿相反方向穿过同一平面,且正向磁通量大小为Φ1,反向磁通量大小为Φ2,则穿过该平面的磁通量Φ=Φ1-Φ22.磁通量的变化量ΔΦ=Φ2-Φ11当B不变,有效面积S变化时,ΔΦ=B·ΔS2当B变化,S不变时,ΔΦ=ΔB·S3B和S同时变化,则ΔΦ=Φ2-Φ1但此时ΔΦ≠ΔB·ΔS[注意]1.穿过某一面积的磁通量是由穿过该面的磁感线条数的多少决定,与环形导线线圈匝数无关2.当平面转过180°时,磁通量的变化量ΔΦ==2BS,而不是ΔΦ=0[典型例题]例
3.如图所示,线框面积为S,线框平面与磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直,则穿过线框平面的磁通量为________若使线框绕OO′轴转过30°角,则穿过线框平面的磁通量为________;若从初始位置转过90°角,则穿过线框平面的磁通量为________;若从初始位置转过180°角,则穿过线框平面的磁通量的变化量是________[解析] 1初始位置时,S⊥B,故Φ1=BS2线框转过30°时,Φ2=BScos30°=BS3线框转过90°时,S∥B,故Φ3=BScos90°=04从初始位置转过180°的过程中规定初始位置时穿过方向为正,则Φ1=BS,Φ4=-BS,故ΔΦ=|Φ4-Φ1|=2BS[答案] BS BS 0 2BS[即时巩固]3.[多选]如图所示,框架面积为S,框架平面与磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直,则穿过平面的磁通量的情况是 A.如图所示位置时等于BSB.若使框架绕OO′转过60°角,磁通量为BSC.若从初始位置转过90°角,磁通量为零D.若从初始位置转过180°角,磁通量的变化量为2BS解析选ABCD 在题图所示的位置时,磁感线与框架平面垂直,Φ=BS当框架绕OO′轴转过60°时可以将图改画成侧视图如图所示Φ=BS⊥=BS·cos60°=BS转过90°时,框架平行于磁感线,Φ=0框架转过180°时,磁感线仍然垂直穿过框架,只不过穿过方向改变了,因而Φ1=BS,Φ2=-BS,ΔΦ=|Φ2-Φ1|=2BS综上所述,A、B、C、D都正确1.[多选]关于磁感线的性质和概念,下面说法正确的是 A.磁感线上各点的切线方向就是各点的磁感应强度的方向B.磁场中任意两条磁感线均不相交C.铁屑在磁场中的分布曲线就是磁感线D.磁感线总是从磁体的N极指向S极解析选AB 磁感应强度的方向就是磁场的方向,磁感线的切线方向就是磁场方向,A正确;若两条磁感线相交就说明在两线相交处有两个切线方向,即有两个磁感应强度方向,这是不可能的,磁感应强度的方向只有一个,因此两条磁感线不能相交,B正确;磁感线是为形象描述磁场的磁感应强度分布而画出的一簇簇曲线,不是真实存在的,而铁屑的分布曲线只能证明用磁感线描述磁场的方法是正确的,铁屑本身不是磁感线,C错误;在通电螺线管内部和条形磁铁内部的磁感线应是从S极指向N极,D错误2.[多选]一束离子沿水平方向飞行,平行地飞过小磁针上方,如图所示,发现图中小磁针的N极向纸外转,这个离子可能是 A.向右飞行的正离子束B.向左飞行的正离子束C.向右飞行的负离子束D.向左飞行的负离子束解析选BC 由题意可知,小磁针N极向纸外转,则小磁针所在处的磁场方向垂直纸面向外,由安培定则可判定产生磁场的电流方向为水平向左,如果离子带正电,则离子向左运动,如果离子带负电,则离子应向右运动,B、C正确3.如图所示,通有恒定电流的导线MN与闭合金属框abcd共面,第一次将金属框由Ⅰ平移到Ⅱ,第二次将金属框绕cd边翻转到Ⅱ,设先后两次通过金属框的磁通量变化大小分别为ΔΦ1和ΔΦ2,则 A.ΔΦ1ΔΦ2B.ΔΦ1=ΔΦ2C.ΔΦ1ΔΦ2D.不能判断解析选C 通电导线MN周围靠近MN处的磁场强些,远离MN处的磁场弱些,设线圈在Ⅰ位置的磁通量为ΦⅠ,平移至Ⅱ位置的磁通量为ΦⅡ,则磁通量的变化大小为ΔΦ1=ΦⅡ-ΦⅠ;当线圈翻转到Ⅱ位置时,则磁感线从反面穿过平面,则磁通量为-ΦⅡ,则磁通量的变化量是ΔΦ2=ΦⅠ+ΦⅡ,所以ΔΦ1ΔΦ2,C正确,A、B、D错误4.如图所示,半径为R的圆形线圈共有n匝,其中心位置处半径为r的虚线范围内有匀强磁场,磁场方向垂直线圈平面若磁感应强度为B,则穿过线圈的磁通量为 A.πBR2B.πBr2C.nπBR2D.nπBr2解析选B 磁通量与线圈匝数无关;且磁感线穿过的面积为πr2,而并非πR2,故B项对5.在同一平面有四根彼此绝缘的通电直导线,如图所示四根导线中电流I4=I3I2I1,要使O点磁场增强,则应切断哪一根导线中的电流 A.I1B.I2C.I3D.I4解析选D 由安培定则判知,只有电流I4在O点的磁场方向与其余三段相反,依据磁场的矢量叠加,知选D。