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2013高考第一轮物理复习磁场ppt课件

时间:2013-01-04






? 本章共有四个概念、两个公式、两个定则。 ? 四个概念: 磁场、磁感线、磁感强度 、匀强磁场 B 两个公式:安培力 F=BIl (Il⊥B) 洛伦兹力 f =qvB (v⊥B) 应用: 两个定则: 安培定则—判断电流的磁场方向 力电综合 左手定则—判断磁场力的方向 圆运动 注:能力上多了“有空间想象能力”的要求。

知识结构
永 磁 体

磁极之间(同名斥)
运动电荷 受洛仑滋 力作用

回旋加速器

带电粒子在匀强 磁场中的圆运动 带电质点在复合 场中的运动 质谱仪 电磁流量计 磁流体发电 霍尔效应 速度选择器

电 流 、 运 动 电 荷

产生

磁场

作用

(安培定则)

(左手定则)

描述
磁感应 磁感线 强度B 通电直导线受 安培力作用 通电矩形线圈受 安培力矩作用

平衡、变速运动
磁电式电表

磁场的产生

在磁体周围存在磁场

1、磁体周围存在磁场

磁场的产生
2、电流周围存在磁 场

直线电流周围的磁 场-----奥斯特实验

环形电流周围的 磁场

通电螺线管周围 的磁场

二、安培分子电流假说
?

?

在原子、分子等物质微粒内部,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 相当于两个磁极

S
磁体被磁化

N
分子电流

磁体的周围存 在磁场

磁场

电流周围存在 磁场—奥斯特 实验 运动的电荷周 围存在磁场— 罗兰实验

安培分子 环流假说

所有磁场 均产生于 运动电荷。 --磁现象 的电本质

三、磁化现象
? ?

如果每个微小的磁体的取向大致相同,整个物体 对外就显示磁性。 一个原来不具有磁性的物体,在磁场中它具的磁 性,这种现象叫磁化。

S

N

磁性材料
顺磁性物 质 被磁化后磁性的 强弱 被磁化后的磁场 方向 外磁场撤去以后 很弱 使外磁场 稍有增强 磁性几乎 完全消失 锰、铬、 铝等 抗磁性物质 很弱 使外磁场稍有 减弱 铁磁性物质 很强

典型代表物质

使外磁场大 增强 磁性几乎完全 剩余一部分 消失 磁性 金属磁性材料, 鉍、铜、银、 包括铁、钴、 惰性气体等 镍及其合金等; 铁氧体

磁性材料的应用
? ?

? ?

软磁材料: 收音机的天线磁棒、录音磁头、记忆元件、变压 器等。 硬磁材料: 磁电式仪表、扬声器、话简、永磁电动机等。

S

N

一. 磁感线
(1).磁感线是用来形象描绘磁场的一些列线 (2).磁感线是不存在的 (3).对磁体的磁感线,在磁体的外部是从N出发 到S进入 (4).磁感线一定是闭合的曲线 (5).磁感线某点的切向方向为该点小磁针N的指 向,即为该点的磁场方向 (6).磁感线越密的地方磁感应强度越大

1、磁体的磁感线

S

N

N

S

2、电流的磁感线

二、电流的磁场方向的判断 1:直线电流的磁场。 ---安培定则 2:环形电流的磁场。 ---安培定则 ---右手螺旋定则 3:通电螺线管的磁场。 ---右手螺旋定则

1、直线电流的 磁场方向的判断

安培定则—右手螺旋定则

2、环形电流 的磁场方向的 判断

安培定则—右手螺旋定则

3、通电螺 线管的磁场 方向的判断

安培定则—右手螺旋定则

要熟记常见的几种磁场的磁感线

例:在图中,当电流逆时针通过圆环导体时,在 指向读者 导体中央的小磁针的N极将指向_________

例.如图所示,一小磁针静止在通电螺线管的内部, 请分别标出通电螺线管和小磁针的南北极。

S

S

N

N

有两条垂直交叉但不接触的导线,通 以大小相等的电流,方向如图所示, 问哪些区域中某些点的磁感强度B可能 为零?( E ) A.仅在象限Ⅰ; I B.仅在象限Ⅱ; C.在象限Ⅲ; I D.在象限Ⅰ、Ⅳ; E.在象限Ⅱ、Ⅳ.

1、磁感应强度
? ? ? ? ? ?

F

磁感应强度的定义式 B= B的大小与F、IL均无关 IL 导线一定要垂直放臵在磁场中 单位:特斯拉(1T=1N/A〃m) 地磁场:0.3×10-4~0.7×10-4T 磁场方向总是与F 的方向垂直,由左手定则进行 判断。

?

? ?

磁通量:穿过某一面积磁感线的条数(用Φ表示) 大小:Φ=BS (S为垂直于磁场的面积) 标量:没有方向,它只是条数,但有正负 单位:韦伯(Wb) 磁通密度: B= Φ / S --------磁感应强度又叫磁通密度 --------垂直穿过1m2面积的磁感线条数. 1T=1Wb/m2。

?

在匀强磁场中,当B与S的夹角为α时,有 Φ=BSsinα。

2R

R

穿过两面积的磁通量相等吗?

穿过两面积的磁通量 相等吗?

S B S

α

B

两面积内的磁通量相等吗?

例1、如图所示,大圆导线环A中通有电流 I,方向 如图。另在导线环所在的平面画了一个圆B,它 的一半面积在A环内,一半面积在A环外。则圆B 内的磁通量下列说法正确的是: ? (A)圆B内的磁通量垂直纸面向外 ? (B)圆B内的磁通量垂直纸面向里 ? (C)圆B内的磁通量为零 ? (D)条件不足,无法判断
A B

答案:

B

?

安培力:磁场对电流的作用力----安培力(磁场力) (1).当电流与磁场垂直时,安培力的大小:

F=BIL

×× ×I × × × ×× × ×× × F ×× × ×× × ×× × ×× × ×× × ×× ×

不受力

受力

受力最大

a

b b b图中安培力如何计算?

c

?

?
?

2、安培力方向的判断: 安培力的方向--左手定则 伸开左手,使大姆指跟其余四指 垂直,并且都跟手掌在一个平面 内,把手放入磁场中,让磁感线 穿过手心,并使伸开的四指指向 电流的方向,那么大姆指所指的 方向就是通电导线所受的安培力 方向。

F

α I I

B

3.通电导体在安培力作用下的运动 情况的分析方法: (1).电流元分析法 方法: (2).特殊位臵法 (3).等效法 (4).推论法

电流元分析法:

【 例1】如图11-2-7所示,把一重力不计的通电导 线水平放在蹄形磁铁磁极的正上方,导线可以自由 转动,当导线通入图示方向电流I时,导线的运动情 况是(从上往下看)( ) A
A.顺时针方向转动,同时下降; B.顺时针方向转动,同时上升; C.逆时针方向转动,同时下降; D.逆时针方向转动,同时上升;

例2:

例3:

N

S
L2

N

S
L1

电流之间的相互作用
同相电流相互吸引 反相电流相互排斥

推论法
通以如图所示的电流弹簧 会发生什么现象?

第五部分: 有关安培力的定性 分析和定量计算

例1:如图所示的条形磁铁放臵在水平桌面上,它 的中央正方固定一条直导线,导线与磁铁垂直,给 导线通以垂直线面向外的电流,磁铁仍然静止的桌 面上,则:( A ) A.磁铁对桌面压力减小, 它仍不受桌面摩擦力作用 B.磁铁对桌面压力增大, 它要受桌面摩擦力作用 C.磁铁对桌面压力增大, 它仍不受桌面摩擦力作用 D.磁铁对桌面压力减小, 它要受桌面摩擦力作用

例2:一圆形线圈,半径为r,通以电流强度为I的电 流,放在光滑水平面上,匀强磁场的磁感应强度大 小为B,方向竖直向下,如图所示(俯视图),则线 圈截面上张力大小为: ( ) C A.2BIr B.0.5BIr C.BIr D.不能求解

例:画出通电导体ab所受的磁场力的方向

BD

例5:如图,相距20cm的两根光滑平行铜导轨, 导轨平面倾角为θ=370,上面放着质量为80g的金属 杆ab,整个装臵放在B=0.2T的匀强磁场中. (1)若磁场方向竖直向下, 要使金属杆静止在导轨上, 必须通以多大的电流. (2)若磁场方向垂直斜

面向下,要使金属杆静止在
导轨上,必须通以多大的电流。

能力· 思维· 方法
【解析】此类问题的共性是先画出侧视 图,并进行受力分析.如图所示由平衡条 件得 (1)F=BIL=mgtanθ

I=mgtanθ/BL=15A
(2)当磁场垂直斜面向

下时F=BIL=mgsinθ

I=mgsinθ/BL=12A

【解题回顾】要明确在该题中最后结果并 不是很重要,相比而言,此题中的处理问题 的方法却是重点,即要先以侧视的方式画出 受力图,切记.

?

例6:如图所示,有一金属棒ab,质量为m = 5g, 电阻R = 1Ω,可以无摩擦地在两条平行导轨上滑 行。导轨间距离为d = 10cm,电阻不计。导轨平 面与水平面的夹角θ=30°,整个装臵放在磁感应 强度B = 0.4T的匀强磁场中, 磁场方向竖直向上。电源的 电动势E = 2V,内电阻 r = 0.1Ω,试求变阻器取值 是多少时,可使金属棒静止 在导轨上。

例7:如图所示,粗细均匀的金属杆长为0.5m,质量为 10g,悬挂在两根轻质绝缘弹簧下端,并处于垂直纸面 向外的匀强磁场中,磁场的磁感应强度B = 0.49T.弹 簧的劲度系数k = 9.8N/m.试求弹簧不伸长时,通入 金属杆中的电流大小和方向?要使金属杆下降落1cm 后能够静止下来,通入金属杆中的电流大小和方 向?要使金属杆上升1cm后静 止,则通入的电流大小和方向 又如何?

?

例8:在磁感应强度B = 0.08T,方向竖直向下的匀 强磁场中,一根长l1 = 20cm,质量m = 24g的金属 横杆水平地悬挂在两根长均为24cm的轻细导线 上,电路中通以图示的电流,电流强度保持在2.5A, 横杆在悬线偏离竖直位臵 θ=300处时由静止开始摆 下,求横杆通过最低点 的瞬时速度大小.

延伸· 拓展
例9:如图所示,两根平行光滑轨道水平放臵,相互 间隔d=0.1m,质量为m=3g的金属棒臵于轨道一 端.匀强磁场B=0.1T,方向竖直向下,轨道平面距地 面高度h=0.8m,当接通开关S时,金属棒由于受磁 场力作用而被水平抛出,落地点水平距离s=2m,求 接通S瞬间,通过金属棒的电量. B

h

s

【解析】此题导体运动的过程实际上分为两个, 一是加速度过程,此过程中牵涉到安培力的问题; 二是平抛运动.而问题的关键在两种运动连结点上的 速度,此速度可以说是承上启下. 先由平抛运动确定其平抛初速度:

h=gt2/2、s=vt解得:v=5m/s
即:BILt=mv且q=It=mv/BL=1.5C

I b


N
a

S

右视:

·

I


N

b a

S

前视:

·



N

I

S
前视:

·



N
a

I
b

S
前视:

·

I


N

S
前视:

·

I


N

S
前视:

·

1.线圈在匀强磁场中任意位臵,其合外力为零 2.在线圈平行于磁场时,其磁力矩最大;垂直于磁场 时磁力矩最小并为零。 一般位臵磁力矩 M= nBIScosθ 3.磁力矩的大小只跟面积有关,与线圈形状无关 4.磁力矩的大小与转动轴的位臵无关 5.其中θ是线圈平面与磁场的夹角

2、电流表的工作原理

·

电流表的工作原理
1.辐向磁场使得线圈在任意位臵所受的磁力 矩总是: M=nBIS 与转动的角度无关,只跟电流 强度成正比 2.螺旋弹簧的扭转力矩与转动角成正比 3.电流表的指针的偏转角度与电流强度成正 比。因此电流表的刻度是均匀的。

例1:一矩形线圈通电框abcd,可绕其中心轴OO′转 动,它处在与OO′垂直的匀强磁场中,如图所示, 在磁场作用下开始转动,后静止在平衡位臵,则平 衡后: A.线框都不受磁场力的作用 B.线框四边受到指向线框外部 的磁场作用力,但合力为零 C.线框四边受到指向线框内部 的磁场作用力,但合力为零 D.线框的一对边受到指向线框 外部的磁场作用力,另一对边受到指向线框内部磁 场作用力,但合力为零 答案: B

例.如图所示,一位于xy平面内的矩形通电线框只能 绕ox轴转动,线圈的4个边分别与x、y轴平行, 线圈中电流方向如图,当空间加上如下所述的哪 种磁场线圈会转动起来: A.方向沿x轴的恒定磁场 B.方向沿y轴的恒定磁场 C.方向沿z轴的恒定磁场 D.方向沿x轴的反方向的 恒定磁场
答案: B

洛伦兹力
磁场对运动电荷的作用力 洛伦兹力的公式:f=qvB (1).在速度垂直于磁场时,洛伦 兹力最大 (3)洛伦兹力的方向用左手定则 (注意:四指的方向为正电荷的 运动方向,或负电荷运动的反 方向。) (2).洛伦兹力始终垂直于速度, 所以洛伦兹力不做功

f

v

+

问题分析:三只带电小球,从同一高度,分别在水 平电场、垂直纸面向内的磁场、只有重力作用下自 由落下,试分析它们落地的时间、速率。

E

B

例11.显像管的磁偏转线圈由两个半圆铁芯上绕以 导线制成,如图所示.当线圈中通以图示电流, 并在圆环中心(显像管的轴线方向)有垂直纸面 向外的阴极电子束运动时,这些电子将 A.向左偏转 B.向右偏转 C.向下偏转 D.向上偏转
答案:D

带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动

v2 qvB ? m r

4? 2 r qvB ? m 2 T

mv p r? ? ? qB qB
1 2mU ? B q

2mEk qB
2?m T? qB

注意:周期与运动速 度无关

Ⅰ:轨迹问题的定性分析
例1:两个粒子带电量相等,在同一匀强磁场中只 受磁场力而做匀速圆周运动,则( C )
A.若速率相等,则半径相等

B.若速率相等,则周期相等
C.若动量大小相等,则半径相等

D.若动能相等,则周期相等

例2:如图所示,在长直导线中有恒电流I通过,导 线正下方电子初速度v0方向与电流I的方向相同,电 子将 A.沿路径 a 运动,轨迹是圆 B.沿路径 a 运动, 轨迹半径越来越大 C.沿路径 a 运动, 轨迹半径越来越小 D.沿路径 b 运动, 轨迹半径越来越大

?

?
? ? ?

例3.一带电粒子沿垂直于磁场 的方向射入一匀强磁场,粒子 的一段径迹如图,径迹上每一 段都可看成园弧,由于带电粒 子使沿途中空气电离,粒子的 能量逐渐减少(电量不变),则可 a 判断: A、粒子从a b ,带正电; b B、粒子从b a ,带负电; C、粒子从a b ,带正电; 答案:B D、粒子从b a, 带负电。

?

?

?
? ?

?
?

例4.匀强磁场里的薄金属片,其平面与 磁场方向平行,一个α粒子从某一点从 PQ垂直于v的速度射出,动能是E,射 出后α粒子的运动轨迹如图所示。今测 得它在金属片两边的轨迹半径之比是 10:9,若在穿越板的过程中,粒子受到 的阻力大小及电量恒定,则: A、α粒子每过一次金属片, 1 2E 速度减小了 10 M B、 α粒子每过一次金属片, 速度减小了 0.19E; C、 α粒子穿过5次后陷入金属片; D、 α粒子穿过9次后陷入金属片;

解题回顾:在磁场中作圆周运动的带 电粒子,其轨迹半径变化有两种情况: 1、EK变化 V变化 r变化 2、B变化 r变化

Ⅱ:带电粒子在磁场中的运动的 定量计算: 已知入射方向和出射点 方法:定圆心,找半径
已知入射方向和出射方向

在磁场中的 运动时间
θ

? t? T ⒉?

例5:垂直纸面向外的匀强磁场仅限于宽度为d的条 形区域内,磁感应强度为B.一个质量为m,电量为q 的粒子以一定的速度垂直于磁场边界方向从 α 点 垂直飞入磁场区,如图所示, 当它飞离磁场区时,运动方 向偏转θ角.试求粒子的运 动速度v以及在磁场中 运动的时间t.
0

解析:

mv d = R· sinθ = sinθ Bq Bqd v? m· sin θ
Bqd 答:运动粒子的速度v为 , m sinθ mθ 粒子穿过磁场的时间t为 . Bq

例6.一足够长的矩形区域abcd内充满磁感应 强度为B方向垂直纸面向里的匀强磁场,现从 矩形区域ad的中点0处,垂直磁场射入一速度 方向跟ad边夹角为300,大小为v0的带电粒子, 已知粒子质量为m,电量为q,ad边长为L,ab边 足够长,重力忽略不计.求(1)粒子能从ab 边射 出v0的大小范围.(2)粒子在磁场中运动的最长 时间.
V0

a

O’

b

f

α

d v D

c

例7: 一带电质点,质量为m,电量为q,以平行 于x轴的速度v从 y轴上的a点射入图中第一象限所 示的区域,为了使该质点能从 x 轴上的 b点以垂直 于 x 轴的速度 v 射出,可在适当的地方加一个垂直 于 xy 平面、磁感强度为 B 的匀强磁场.若此磁场 仅分布在一个圆形区域内,试求这圆形磁场区域 的最小半径.重力忽略不计.

例8.图中的S是能在纸面内的360°方向发射电子的 电子源,所发射出的电子速率均相同.MN是一块足 够大的竖直挡板,与电子源 S 的距离 OS=L ,挡板的 左侧分布着方向垂直与纸面向里的匀强磁场,磁感 强度为B.设电子的质量为m,带电量为e,求: (1)要使电子源发射的电子能达到档板,则发射的电 子速率至少要多大? (2)若电子源发射的电子速率为eBL/m, 挡板被电子击中的范围有多大?要求 在图中画出能击中挡板的距O点上下最 远的电子运动轨迹.
答案 : (1) BeL ; (2)( 3 ? 1) L. 2m

v V1 f1 f v2

f2

例9.如图所示,在直角坐标系的第一,二象限内有垂直于 纸面的匀强磁场,第三象限有沿Y轴负方向的匀强电场, 第四象限内无电场和磁场.质量为m,带电量为q的粒 子从M点以速度v0沿X轴负方向进入电场,不计粒子的 重力,粒子经X轴上的N和P点最后又回到M点.设 OM=OP=l,ON=2l.求: (1)带电粒子的电性,电场强度E的大小. (2)匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向. (3)粒子从M点进入电场,经N,P点 最后又回到M点所用的时间.

Ⅲ:动态分析:
v变化 f 变化 带电粒子

受力变化

a变化

质量为1g,带电量为5×10-4C圆环套在倾角为370的绝 缘细棒上,可以沿细棒自由滑行(滑行时环带电量不变). 已知圆环与细棒间的摩擦系数为0.1,整个装臵放在一电 磁场共同存在区域,电场强度E=5N/C,方向水平向左,磁 感应强度B=10T,方向垂直纸面向里.设细棒足够长.求 (1)如果环带的是正电荷,则环从静止释放后,下滑的最大 速度和最大加速度是多大?(2)如果环带的是负电荷,则环 加速度达到时,其速度是多大? 最大速度是多少?

?

例14。如图所示,在空间有水平方向匀强磁场,磁 感强度大小为B,方向垂直纸面向里,在磁场中 有一长为l、内壁光滑且绝缘的细筒MN竖直放臵, 筒的底部有一质量为m,带电量为+q的小球,现 使细筒MN沿垂直磁场方向水平向右匀速运动,设 小球带电量不变. 1 若使小球能沿筒壁上升,则细筒运动速度应满 足什么条件? 2 当细筒运动的速度为时,试讨论小球对筒壁的 压力随小球沿细筒上升高度之间的关系.

?

? ? ? ? ? ? ?

例11.在直径为d的圆形区域内存在匀强磁场,磁场方 向垂直于圆面指向纸外,一电荷量为+q,质量为m的 粒子,从磁场区域的一条直径AC上的A点射入磁场, 其速度大小为v0,方向与AC成α角,若粒子恰好能打在 磁场区域圆周上的D点,AD与AC的夹角为β,如图所 示,求: ①该匀强磁场的磁感应强度B的 大小. ②带电粒子以速度v0从A 点射入磁场后,并打在磁场区 域圆周上某点所经历的时间最 长,求粒子从A点射入的方向 与直径AC的夹角?

Ⅳ:带电粒子在复合场中的运动
A:速度选择器
V

动力学方程 qvB=Eq

V=

E
B

1 2 mv ? qu 2

B:质谱仪:
1 mv 2 ? qu 2
1 2 mv ? qu 2

x mv ? 2 qB

x
U

C:磁流体发电机原理图
Eq ? qvB U ? q ? qvB d ? U ? Bvd

当AB板上的电荷数量 减少时,Eq与qvB的平 衡被打破,粒子又发生 偏转,从而维持AB两 板电荷数量保持恒定, 使AB两板电势差恒定.

D:霍尔效应:

Eq E

v
f

I

动力学方程

qvB=Eq

例12。 一块金属立方体三边长度分别为 a、b、c,将 它连在直流电路中,电流表A的示数为I,如图所 示.现于空间加上方向竖直向下、磁感应强度为 B 的 匀强磁场,并于金属块前后两表面之间连接一个直流 电压表V,其示数为U.试求: (1)电压表接线柱m、n中哪一个 是正接线柱?哪一个是负接线柱? (2)金属中的载流子(自由电子) 的定向运动速率v多大? (3)金属中的载流子密度(单位 体积内自由电子个数)N多大?

例13:设在地面上方的真空室内,存在匀强电场和 匀强磁场,已知电场强度和磁感应强度的方向是 相同的,电场强度的大小E=4.0V/m,磁感应强 度的大小B=0.15T.今有一个带负电的质点以 v=20m/s的速度在的区域内沿垂直场强方向做匀 速直线运动,求此带电质点的电量与质量之比 q/m以及磁场的所有可能方向(角度可用反三角 函数表示).

解:带电质点受3个力 (重力、电场力、洛仑兹力) 作用

mg ? q (vB) ? B
2

2

q g ? m (vB) 2 ? E 2 ? 9.8 (20×0.15) 2 ? 4.0 2 C / kg

? 1.96C / kg

qvB 由质点受力图可得tanθ = ,所以 qE

vB 20×015 . θ ? arctan ? arctan ? arctan 0.75 E 4.0
即磁场是沿着与重力方向夹角θ=37?,且斜向下 方的一切方向. 答:带电质点的荷质比q/m等于1.96C/kg, 磁场的所有可能方向是与重力方向夹角θ=37?的斜 向下方的一切方向.

回旋加速运器


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