高中物理选修3-1——磁场知识点总结

作者:佚名 教案来源:网络 点击数:    更新日期:2019-2-1  有奖投稿

高中物理选修3-1——磁场知识点总结

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高中物理选修3-1——磁场知识点总结

一、磁场及其磁感线

1、磁场

  (1)磁场是存在于磁极或电流周围空间里的一种特殊的物质,磁场和电场一样,都是“场形态物质”。

  (2)磁场的方向:物理学规定,在磁场中的任一点,小磁针北极受力的方向,亦即小磁针静止时北极所指的方向,就是那一点磁场的方向。

  (3)磁场的基本性质:磁场对处在它里面的磁极或电流有磁场力的作用。磁极和磁极之间、磁场和电流之间、电流和电流之间的相互作用都是通过磁场来传递的。

2、磁感线

  (1)磁感线:是形象地描述磁场而引入的有方向的曲线。在曲线上,每一点切线方向都在该点的磁场方向上,曲线的疏密反映磁场的强弱。

  (2)磁感线的特点:

  a.磁感线是闭合的曲线,磁体的磁感线在磁体外部由N极到S极,内部由S极到N极。

  b.任意两条磁感线不能相交。

3、几种常见磁场的磁感线的分布

  (1)条形磁铁和碲形磁铁的磁感线

  条形磁铁和蹄形磁铁是两种最常见的磁体,如图所示的是这两种磁体在平面内的磁感线形状,其实它们的磁感线分布在整个空间内,而且磁感线是闭合的,它们的内部都有磁感线分布。

 

  (2)通电直导线磁场的磁感线

  通电直导线磁场的磁感线的形状与分布如图所示,通电直导线磁场的磁感线是一组组以导线上各点为圆心的同心圆。

 

  需要指出的是,通电直导线产生的磁场是不均匀的,越靠近导线,磁场越强,磁感线越密。电流的方向与磁感线方向的关系可以用安培定则来判断,如图所示。用右手握住直导线,伸直的大拇指与电流方向一致,弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。

 

  (3)环形电流磁场的磁感线

  环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线,在环形的中心轴上,由对称性可知,磁感线是与环形导线的平面垂直的一条直线。如图甲所示,环形电流方向与磁感线方向的关系也可以用右手定则来判断,如图乙所示,让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致,伸直的大拇指所指的方向就是圆环轴线上磁感线的方向;如图丙所示,让右手握住部分环形导线,伸直的大拇指与电流方向一致,则四指所指的方向就是围绕环形导线的磁感线的方向。

 

  (4)通电螺线管的磁感线

  通电螺线管表现出来的磁性很像一根条形磁铁,一端相当于北极(N),另一端相当于南极(S),形成的磁感线在通电螺线管的外部从北极(N)出来进入南极(S),通电螺线管内部具有磁场,磁感线方向与管轴线平行,方向都是由S极指向N极,并与外部磁感线连接形成一些闭合曲线,其方向也可用安培定则判断,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,那么大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向,如图所示。

 

  (5)地磁场的磁感线

  地磁场的南北极与地理上的南北极刚好相反,所以磁感线从地理的南极出来进入地理的北极

二、磁感应强度

  (1)定义:在匀强磁场中,垂直于磁场方向放置的通电直导线,所受的安培力F跟电流强度I和导线长度L的乘积之比,叫做通电导线所在处的磁感应强度,即,磁感应强度B只是由磁场本身决定,与所放置的电流I和导线长度L均无关。

  (2)单位:特斯拉,简称特,符号是T,。

  (3)磁感应强度是描述磁场的力的性质的物理量。磁感应强度是矢量,其方向就是该点的磁场方向。

5、匀强磁场

  如果磁场的某一区域里,磁感应强度的大小和方向处处相同,这个区域的磁场叫做匀强磁场,距离很近的两个异名磁极之间的磁场,通电螺线管内部的磁场都可以看成是匀强磁场。匀强磁场的磁感线为相互平行,等间距的平行线。

6、安培力的大小和方向

  (1)定义:磁场对通电导线的作用力叫安培力。

  (2)大小:当通电导线与磁场方向垂直放置时,安培力最大,为F=BIL。当通电导线与磁场方向平行放置时,安培力最小,为零。当通电导线与磁场方向成其他任意角放置时,安培力介于最大值和最小值之间。

  (3)方向:安培力的方向可以用左手定则来判断。安培力方向垂直磁场方向,垂直电流方向,即垂直于电流方向和磁场方向决定的平面。

三、磁场对通电导线的作用

1、磁感线是闭合曲线

  磁感线与电场线不同,在磁体外部是从N极指向S有,磁体内部则从S极指向N极,从而形成闭合曲线。

2、安培定则

  用安培定则判断通电线圈(或螺线管)的磁感线时,拇指指向为线圈(或螺线管)内部的磁感线方向,其外部与此方向相反。

3、磁感应强度

  (1)磁感应强度是描述磁场的物理量,由磁场自身决定,与是否放入检验电流无关。

  (2)磁感应强度是矢量,其方向就是该点磁场方向。当磁场叠加时,磁感应强度矢量合成。

4、安培力

  (1)安培力的大小不仅与B、I、L的大小有关,还与电流方向与磁场方向间的夹角有关。

 

  当通电直导线与磁场方向垂直时,通电导线所受安培力最大,这时安培力F=BIL。

  当两者平行最小为零,对于电流方向与磁场方向成任意角的情况,可以把磁感应强度B分解为垂直电流方向和平行电流方向两种情况处理。

  (2)F=BIL只适用于匀强磁场,对非匀强磁场中,当L足够短时,可以认为导线所在处的磁场是匀强磁场。

  (3)安培力的方向要用左手定则判断,垂直磁感应强度方向,这跟电场力与电场强度方向之间的关系是不同的。

5、安培分子电流假说

  导体中的电流是由大量的自由电子的定向移动而形成的,而电流的周国又有磁场,所以电流的磁场应该是由于电荷的运动产生的。安培提出在磁铁中分子、原于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.磁铁的分子电流的取向大致相同时,对外显磁性;磁铁的分子电流取向杂乱无章时,对外不显磁性。根据物质的微观结构理论,微粒原子由原子核和核外电子组成,原子核带正电,核外电子带负电,电子在库仑力的作用下,绕核高速旋转,形成分子电流。假说的意义在于其揭示了电与磁之间的联系。

6、安培力的应用——磁电式仪表

  (1)根据通电导线在磁场中会受到安培力的作用这一原理制成的仪表,称为磁电式仪表。

  (2)磁电式仪表的结构

  (3)磁电式仪表原理

  由于磁场对电流的作用力方向与电流方向有关,因此,如果改变通过电流表的电流方向,磁场对电流的作用力方向也会随着改变,指针和线圈的偏转方向也就随着改变,据此便可判断出被测电流的方向。

  磁场对电流的作用力跟电流成正比,线圈中的电流越大,受到的作用力也越大,指针和线圈的偏转角度也越大.因此,指针偏转角度的大小反映了被测电流的大小.只要通过实验把两者一一对应的关系记录下来,并标示在刻度盘上,这样在使用中,就可以在刻度盘上直接读出被测电流的大小。

 

四、磁场对运动电荷的作用力

1、洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用,它是安培力的微观本质。安培力是洛伦兹力的宏观表现。

2、洛伦兹力的大小

  (1)当电荷速度方向垂直于磁场的方向时,磁场对运动电荷的作用力,等于电荷量、速率、磁感应强度三者的乘积,即F=qvB.

  (2)当电荷速度方向平行磁场方向时,洛伦兹力F=0。

  (3)当电荷速度方向与磁场方向成θ角时,可以把速度分解为平行磁场方向和垂直磁场方向来处理,此时受洛伦兹力F=qvBsinθ。

3、洛伦兹力的方向

  安培力的方向可以用左手定则来判断,洛伦兹力的方向也可用左手定则来判断:伸开左手,使大拇指跟其余四个手指垂直,且处于同一平面内,把手放入磁场,让磁感线穿过手心,对于正电荷,四指指向电荷的运动方向,对于负电荷,四指的指向与电荷的运动方向相反,大拇指所指的方向就是洛伦兹力的方向。由此可见洛伦兹力方向总是垂直速度方向和磁场方向,即垂直速度方向和磁场方向决定的平面。

4、洛伦兹力的特点

  因为洛伦兹力始终与电荷的运动方向垂直,所以洛伦兹力对运动电荷不做功。它只改变运动电荷速度的方向,而不改变速度的大小。

5、洛伦兹力与电场力的比较

(1)与带电粒子运动状态的关系

  带电粒子在电场中所受到的电场力的大小和方向,与其运动状态无关。但洛伦兹力的大小和方向,则与带电粒子本身运动的速度紧密相关。

(2)决定大小的有关因素

  电荷在电场中所受到的电场力F=qE,与两个因素有关:本身电量的多少和电场的强弱。运动电荷在磁场中所受的磁场力,与四个因素有关;本身电量的多少、运动速度v的大小、速度v的方向与磁感应强度B方向间的关系、磁场的磁感应强度B。

(3)方向的区别

  电荷所受电场力的方向,一定与电场方向在同一条直线上(正电荷同向,负电荷反向),但洛伦兹力的方向则与磁感应强度的方向垂直。

6、解决在洛伦兹力等多力作用下电荷运动问题的注意问题:

  (1)正确分析受力情况是解决电荷运动问题的关键。要在详细分析问题给出的物理过程的基础上,认清洛伦兹力是怎么变化的。伴随着洛伦兹力的变化,物体的受力情况又发生了什么样的变化。

  (2)受力变化演变,出现了什么新运动情况,电荷从什么运动状态过渡到什么运动状态。

  (3)寻找关键状态各物理量之间的数量关系,选择合适的物理规律去求解,这些常常就是解题的关键之所在。

7、带电粒子做匀速圆周运动的圆心、半径及运动时间的确定:

(1)圆心的确定.因为洛伦兹力指向圆心,根据F洛⊥v,画出粒子运动轨迹中任意两点(一般是射入和射出磁场的两点)的F洛的方向,其延长线的交点即为圆心.

(2)半径的确定和计算.半径的计算一般是利用几何知识,常用解三角形的方法.

(3)在磁场中运动时间的确定.利用圆心角与弦切角的关系,或者是四边形内角和等于360°计算出圆心角θ的大小,由公式可求出运动时间.

五、带电粒子在匀强磁场中的运动规律

1、带电粒子的速度方向若与磁场方向平行,带电粒子不受洛伦兹力作用,将以入射速度做匀速直线运动。

2、带电粒子若垂直进入匀强磁场且只受洛伦兹力的作用,带电粒子一定做匀速圆周运动,其轨道平面一定与磁场垂直。

  由洛伦兹力提供向心力,得轨道半径:。

  由轨道半径与周期的关系得:。

  可见,周期与入射速度和运动半径无关。荷质比相同的带电粒子,当它们以不同的速度在磁场中做匀速圆周运动时,无论速度相差多大,由于其运动半径,与速度成正比,所以它们运动的周期都相同。

3、质谱仪

  利用不同质量而带同样电量的带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径不同,可以制成测定带电粒子质量的仪器——质谱仪。

  如图所示,粒子带电量为q,质量为m,经加速电压U加速后进入匀强磁场中,在加速电场中,由动能定量得:,在匀强磁场中轨道半径:,所以粒子质量。


4、回旋加速器的工作原理

  粒子源位于两D形盒的缝隙中央处,从粒子源放射出的带电粒子经两D形盒间的电场加速后,垂直磁场方向进入某一D形盒内,在洛仑兹力的作用下做匀速圆周运动,若带电粒子的电荷量为q,质量为m,进入D形盒时速度为v,匀强磁场的磁感应强度为B。

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