磁场第3节几种常见的磁场学案 A4.docx
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磁场第3节几种常见的磁场学案A4
磁场第三节学案
一、磁感线
1.定义:
用来形象地描述磁场的方向和强弱的假想的有方向的曲线.
2.特点:
(1)磁感线是人们为形象描述磁场而引入的假想曲线,实际并不存在。
(2)磁感线上每一点的切线方向为该点的磁场方向.
(3)磁感线的疏密表示磁场的强弱,曲线疏的地方磁场弱,曲线密的地方磁场强.
(4)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.(填“N”或“S”)
(5)磁感线闭合而不相交,不相切,也不中断.
二、磁感线与电场线的比较:
比较项目
磁感线
静电场的电场线
相同点
方向
线上各点的切线方向就是该点的磁场方向
线上各点的切线方向就是该点的电场方向
疏密
表示磁场强弱
表示电场强弱
特点
在空间不相交、不相切、不中断
除电荷处外,在空间不相交、不相切、不中断
不同点
闭合曲线
始于正电荷或无穷远处,止于负电荷或无穷远处,不闭合的曲线
三、常见磁场的磁感线
1.磁体周围的磁场:
条形磁铁
蹄形磁铁
同名磁极间
异名磁极间
特
点
(1)关于条形磁铁对称
(2)内部近似匀强磁场
(3)中垂线上各点磁感线方向与磁铁平行
(1)关于磁铁中轴线对称方向相反
(2)中轴线上各点磁感线方向均垂直于中轴线
(1)关于两磁极的连线及连线的中垂线对称
(2)连线上的方向指向中点,中点最弱
(3)连线的中垂线上磁场方向向外
(1)关于两磁极的连线及连线的中垂线对称
(2)中垂线上各点磁感线方向相同
(3)在连线上中点的磁场最弱
2.直线电流的磁场
安培定则:
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.这个规律也叫右手螺旋定则.
安培定则
立体图
横截面图
纵截面图
以导线上任意点为圆心的多组同心圆,越向外越稀疏,磁场越弱
3.环形电流的磁场:
环形电流的磁场可用另一种形式的安培定则表示:
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.
安培定则
立体图
横截面图
纵截面图
内部磁场比环外强,磁感线越向外越稀疏
4.通电螺线管的磁场:
通电螺线管是由许多匝环形电流串联而成的.所以环形电流的安培定则也可以用来判定通电螺线管的磁场,这时拇指所指的方向就是螺线管内部磁场的方向.
安培定则
立体图
横截面图
纵截面图
内部为匀强磁场且比外部强,方向由S极指向N极,外部类似条形磁铁,由N极指向S极
【例题1】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。
【小结】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。
【练习1】有a、b、c、d四个小磁针,分别放置在通电螺线管的附近和内部,如图所示。
其中小磁针的指向正确的是( )
A.a B.bC.cD.d
【练习2】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
四、安培分子电流假说
1.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。
(3)分子电流假说提出的物理意义:
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。
五、匀强磁场磁通量
1.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=BS。
(3)单位:
韦伯,简称韦,符号为Wb,1Wb=1T·m2。
(4)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。
(5)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。
(6)公式:
Φ=BS
(1)公式运用的条件①匀强磁场。
②磁感线与平面垂直。
(7)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)。
(8)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。
3.磁通量的变化
(1)磁通量的正、负:
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-Φ2。
(3)磁通量的变化量ΔΦ=Φ2-Φ1
①当B不变,有效面积S变化时,ΔΦ=B·ΔS。
②当B变化,S不变时,ΔΦ=ΔB·S。
③B和S同时变化,则ΔΦ=Φ2-Φ1。
但此时ΔΦ≠ΔB·ΔS。
【例题2】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________。
【练习3】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
【练习4】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.ΔΦ1>ΔΦ2B.ΔΦ1=ΔΦ2C.ΔΦ1<ΔΦ2D.不能判断
【练习题组】
1.下列说法正确的是。
(1)磁感线是闭合的曲线,没有起始终了的位置
(2)磁感线可以用细铁屑来显示,因而是真实存在的
(3)通电直导线周围磁场的磁感线是闭合的圆环(4)通电螺线管周围的磁场类似于条形磁体周围的磁场
(5)将一平面置于匀强磁场中的任何位置,穿过该平面的磁通量总相等
(6)除永久性磁铁外,一切磁场都是由运动电荷产生的
(7)一般的物体不显磁性是因为物体内的分子电流取向杂乱无章
2.关于磁场和磁感线的描述,下列哪些是正确的( )
A.磁感线从磁体的N极出发到磁体的S极终止
B.自由转动的小磁针放在通电螺线管内部,其N极指向螺线管的N极
C.磁感线的方向就是磁场方向D.两条磁感线的空隙处不存在磁场
3.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,Ba>BbB.a、b两处的磁感应强度的大小不等,Ba<Bb
C.同一通电导线放在a处受力一定比放在b处受力小D.a处没有磁感线,所以磁感应强度为零
4.(多选)下列关于电场线和磁感线的说法中,正确的是( )
A.电场线和磁感线都是电场或磁场中实际存在的线
B.磁场中两条磁感线一定不相交,但在复杂电场中的电场线是可以相交的
C.电场线是一条不闭合曲线,而磁感线是一条闭合曲线
D.电场线越密的地方,电场越强,磁感线越密的地方,磁场也越强
5.如图所示,圆环上带有大量的负电荷,当圆环沿顺时针方向转动时,a、b、c三枚小磁针都要发生转动,以下说法正确的是( )
A.a、b、c的N极都向纸里转
B.b的N极向纸外转,而a、c的N极向纸里转
C.b、c的N极都向纸里转,而a的N极向纸外转
D.b的N极向纸里转,而a、c的N极向纸外转
6.如图2所示,若一束电子沿y轴正方向定向运动,则在z轴上某点A的磁场方向应为( )
A.沿x轴正方向B.沿z轴正方向C.沿x轴负方向D.沿z轴负方向
7.为了解释地球的磁性,19世纪安培假设:
地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流I引起的。
在下列四个图中,正确表示安培假设中环形电流方向的是( )
8.如图所示,两个同心放置的平面金属圆环,条形磁铁穿过圆心且与两环平面垂直,则通过两圆环的磁通量Φa、Φb间的关系是( )
A.Φa>Φb B.Φa<Φb
C.Φa=ΦbD.不能确定
9.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
10.如图336所示,a、b是直线电流的磁场,c、d是环形电流的磁场,e、f是通电螺线管的磁场,试在各图中补画出电流方向或磁感线方向。
11.如图8所示,当开关S接通后,说明电流周围磁场中的小磁针的偏转情况。
12.如图所示,有一通电长直导线MN,通入向右的电流I,另有一闭合线圈P位于导线正下方,并竖直向上运动,则在线圈P到达MN上方的过程中,穿过P的磁通量是如何变化的?
磁场第三节学案答案
【例题1】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。
【练习1】
【练习2】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。
四、安培分子电流假说
1.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。
(3)分子电流假说提出的物理意义:
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。
五、匀强磁场磁通量
1.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=BS。
(3)单位:
韦伯,简称韦,符号为Wb,1Wb=1T·m2。
(4)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。
(5)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。
(6)公式:
Φ=BS
(1)公式运用的条件①匀强磁场。
②磁感线与平面垂直。
(7)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)。
(8)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。
3.磁通量的变化
(1)磁通量的正、负:
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-Φ2。
(3)磁通量的变化量ΔΦ=Φ2-Φ1
①当B不变,有效面积S变化时,ΔΦ=B·ΔS。
②当B变化,S不变时,ΔΦ=ΔB·S。
③B和S同时变化,则ΔΦ=Φ2-Φ1。
但此时ΔΦ≠ΔB·ΔS。
【例题2】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=BS
(2)线框转过30°时,Φ2=BScos30°=
BS
(3)线框转过90°时,S∥B,故Φ3=BScos90°=0
(4)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
【练习3】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。
【练习4】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.ΔΦ1>ΔΦ2B.ΔΦ1=ΔΦ2
C.ΔΦ1<ΔΦ2D.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ΔΦ1<ΔΦ2,C正确,A、B、D错误。
【练习题组】
1.下列说法正确的是。
(1)磁感线是闭合的曲线,没有起始终了的位置
(2)磁感线可以用细铁屑来显示,因而是真实存在的
(3)通电直导线周围磁场的磁感线是闭合的圆环
(4)通电螺线管周围的磁场类似于条形磁体周围的磁场
(5)将一平面置于匀强磁场中的任何位置,穿过该平面的磁通量总相等
(6)除永久性磁铁外,一切磁场都是由运动电荷产生的
(7)一般的物体不显磁性是因为物体内的分子电流取向杂乱无章
2.关于磁场和磁感线的描述,下列哪些是正确的( )
A.磁感线从磁体的N极出发到磁体的S极终止
B.自由转动的小磁针放在通电螺线管内部,其N极指向螺线管的N极
C.磁感线的方向就是磁场方向
D.两条磁感线的空隙处不存在磁场
解析:
选B 磁感线与电场线不同,它是一条闭合曲线,在磁体的外部由N极到S极,而在磁体的内部则由S极到N极,故选项A是不正确的。
螺线管内部的磁感线和条形磁铁相似,是由S极到N极的,即磁场方向也是从S极指向N极,所以放置其中的小磁针N极必然是指向磁场方向,即螺线管的北极,故选项B正确。
只有磁感线是直线时,磁感线的方向才与磁场方向一致,如果磁感线是曲线,那么某点的磁场方向是用该点的切线方向来表示的,所以选项C不正确。
磁感线是为了研究问题方便而假想的曲线,磁场中磁感线有无数条,故提出两条磁感线之间是否有空隙,是否存在磁场等类似的问题是毫无意义的,故选项D不正确。
3.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,Ba>Bb
B.a、b两处的磁感应强度的大小不等,Ba<Bb
C.同一通电导线放在a处受力一定比放在b处受力小
D.a处没有磁感线,所以磁感应强度为零
解析:
选B 由图中可知b处的磁感线较密,a处的磁感线较疏,所以Ba<Bb,故A错,B对;导线在磁场中受力的大小与导线在磁场中的放置方向有关,而不是仅仅取决于B与LI的大小,故C错;磁感线是用来描述磁场的,而又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。
4.(多选)下列关于电场线和磁感线的说法中,正确的是( )
A.电场线和磁感线都是电场或磁场中实际存在的线
B.磁场中两条磁感线一定不相交,但在复杂电场中的电场线是可以相交的
C.电场线是一条不闭合曲线,而磁感线是一条闭合曲线
D.电场线越密的地方,电场越强,磁感线越密的地方,磁场也越强
解析:
选CD 电场线与磁感线分别是为了形象描述电场、磁场而引入的假想线,实际不存在,A错误。
两种场线的切线方向均表示相应的场方向,两种场线都不会相交,B错误。
电场线起始于正电荷或无限远、终止于负电荷或无限远,而磁感线在磁体外部由N极指向S极,在磁体内部由S极指向N极,组成闭合曲线,C正确。
电场线越密,表示该处电场越强;磁感线越密,表示该处磁场越强,D正确。
5.如图所示,圆环上带有大量的负电荷,当圆环沿顺时针方向转动时,a、b、c三枚小磁针都要发生转动,以下说法正确的是( )
A.a、b、c的N极都向纸里转
B.b的N极向纸外转,而a、c的N极向纸里转
C.b、c的N极都向纸里转,而a的N极向纸外转
D.b的N极向纸里转,而a、c的N极向纸外转
解析:
选B 带负电圆环顺时针转动,形成逆时针方向等效电流,根据安培定则,判断出环内外磁场方向,可知小磁针转动方向。
6.如图2所示,若一束电子沿y轴正方向定向运动,则在z轴上某点A的磁场方向应为( )
A.沿x轴正方向
B.沿z轴正方向
C.沿x轴负方向
D.沿z轴负方向
解析:
选A 首先由电流方向的规定可知,电子沿y轴正方向定向运动,则电流沿y轴负方向,由安培定则可知A处的磁场方向沿x轴正方向,所以选项A正确。
7.为了解释地球的磁性,19世纪安培假设:
地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流I引起的。
在下列四个图中,正确表示安培假设中环形电流方向的是( )
解析:
选B 地磁场的N极在地理的南极附近,地磁场的S极在地理的北极附近,在地球的内部,地磁场的方向由地理的北极附近指向地理南极附近,由安培定则得环形电流的方向由东向西,故B正确。
8.如图所示,两个同心放置的平面金属圆环,条形磁铁穿过圆心且与两环平面垂直,则通过两圆环的磁通量Φa、Φb间的关系是( )
A.Φa>Φb B.Φa<Φb
C.Φa=ΦbD.不能确定
解析:
选A 通过圆环的磁通量为穿过圆环的磁感线的条数,首先明确条形磁铁的磁感线分布情况,另外要注意磁感线是闭合的曲线。
条形磁铁的磁感线在磁体的内部是从S极到N极,在磁体的外部是从N极到S极,内部有多少根磁感线,外部的整个空间就有多少根磁感线同内部磁感线构成闭合曲线。
对两个圆环,磁体内部的磁感线全部穿过圆环,外部的磁感线穿过多少,磁通量就抵消多少,所以面积越大,磁通量反而越小。
9.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。
10.如图336所示,a、b是直线电流的磁场,c、d是环形电流的磁场,e、f是通电螺线管的磁场,试在各图中补画出电流方向或磁感线方向。
解析:
根据安培定则,可以确定a中电流方向垂直纸面向里,b中电流方向从下向上,c中电流方向沿逆时针,d中磁感线方向向下,e中磁感线方向向左,f中磁感线方向向右。
答案:
如图所示
11.如图8所示,当开关S接通后,说明电流周围磁场中的小磁针的偏转情况。
图8
解析:
甲图线框内电流磁感线向内,线框外电流磁感线向外,线框内小磁针N极向纸内偏转,线框外小磁针N极向纸外偏转;乙图通电螺线管下端为N极,两个小磁针顺时针偏转;丙图通电螺线管类似蹄形磁铁,左侧为N极、右侧为S极,左边的小磁针顺时针偏转,右边的小磁针逆时针偏转。
答案:
见解析
12.如图所示,有一通电长直导线MN,通入向右的电流I,另有一闭合线圈P位于导线正下方,并竖直向上运动,则在线圈P到达MN上方的过程中,穿过P的磁通量是如何变化的?
解析:
根据直线电流磁场特点,靠近导线处磁场强,远离导线处磁场弱,把线圈P从MN下方运动到上方的过程中的几个特殊位置画出,如图所示(为画清楚,把线圈错开了)。
分析磁通量变化时可以通过穿过线圈的磁感线的条数(注意应是净条数)的变化来分析。
Ⅰ→Ⅱ 磁通量增加
Ⅱ→Ⅲ 磁通量减小(Ⅲ位置时Φ=0)
Ⅲ→Ⅳ 磁通量增加
Ⅳ→Ⅴ 磁通量减小
所以整个过程磁通量的变化经历了:
增加→减小→增加→减小
答案:
增加→减小→增加→减小