在线测试
高考解析
课外拓展
 



  
磁场、磁感线、安培力、磁感应现象

 

一、一周知识概述

  本周我们学习了磁场、磁感线和安培力、磁感应强度两节内容,磁场、磁感线这一节是以后学习磁场这一章的基础,正确理解磁场的物质性及其基本性质、掌握常见的几种磁场的磁感线分布情况,能用安培定则熟练地判定电流磁场方向,对以后分析磁学问题至关重要。磁感应强度是为描述磁场而引入的一个物理量。它是由磁场本身唯一决定的矢量,与其他因素无关。安培力是磁场基本性质的体现,要注意其大小的计算和方向的判断(即左手定则),学习这两节内容时可以和前面学的电场、电场线、电场力、电场强度进行对比,找出它们的异同,将有助于我们的理解。

二、重难点知识归纳与讲解

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如图所示。

4、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、重难点知识剖析

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、例题分析

例1、质量为m,长度为L的金属棒ab通过两根细导线水平悬挂在绝缘架下,整个装置放在竖直方向的匀强磁场中,当金属棒中通入从a至b的电流I后,棒偏离竖直位置α角后又重新平衡,如图所示,求匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向。

答案:,竖直向上

解析:

  由图可知,棒受到水平向右的安培力,根据安培定则得磁感应强度方向竖直向上,由棒平衡得安培力FA=mgtanθ=BIL,∴ B=.

例2、在倾角为θ的斜面上,放置一段通有电流强度为I,长度为L,质量为m的导体棒a(通电电流方向垂直纸面向里),如图所示。棒与斜面间摩擦因数μ<tanθ,(1)欲使导体棒静止在斜面上,所加匀强磁场磁感应强度B的最小值是多少?(2)如果要求导体棒a静止在斜面上且对斜面无压力,则所加匀强磁场磁感应强度又如何?

答案:(1)垂直斜面向上;(2),竖直向上

解析:

  (1)对a受力分析可知为保证a静止,所加安培力的最小值应沿斜面向上,大小为:

  方向垂直斜面向上。

  (2)当a对斜面无压力时,斜面与a间摩擦力f=0,对a受力分析可知,a只受重力与安培力两个力,为保证a静止,则FA=mg,方向竖直向上,所以应加水平向左的匀强磁场,.

例3、如图所示,距地面高为h处水平放置的光滑导轨上一端放一导体棒,导轨与电源相连,置于竖直向下的匀强磁场中,已知导轨宽为L,磁感应强度为B,导体棒的质量为m。若开关S闭合后,导体棒离开导轨做平抛运动,水平射程为s,则通过导体棒的电量多大?

解析:

  开关闭合后,就有电流通过导体棒ab,导体棒在磁场中就会受到向右的安培力作用做加速运动,然后离开导轨以某一初速度做平抛运动。根据导体棒下落的高度和水平射程,可以求出导体棒做平抛的初速度大小。根据动量定理可知,导体棒所获得的初动量是安培力的冲量作用的结果。

  导体棒离开导轨后做平抛运动,由平抛运动的知识可得:

  导体棒在导轨上运动时,所受的合外力就是安培力,由动量定理可得BIL·△t=mv.

  ∴.

- 返回 -