物理选修3选修3-1第三章 磁场3 几种常见的磁场学案

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3　几种常见的磁场素养目标定位※※理解磁感线的概念，能较熟练地画出各种情况下的磁感线分布图※※掌握安培定则，能熟练地用安培定则对电流周围的磁场分布作出判断※了解安培分子电流假说的内容，并能用来解释铁棒被磁化和磁体退磁等现象※知道什么是匀强磁场；知道匀强磁场的磁感线是分布均匀的平行直线※※知道磁通量的定义，知道公式Φ＝BS的适用条件，会用这一公式进行简单计算,素养思维脉络知识点1　磁感线1．定义如果磁场中画出一些曲线，使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，这样的曲线就叫做磁感线。2．特点(1)磁感线是闭合曲线。(2)磁感线的疏密程度表示磁场__强弱__，磁场强的地方磁感__线密__，磁场弱的地方磁感__线疏__。知识点2　安培定则——用来确定通电导线周围磁场方向1．通电直导线周围磁场用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟__电流__的方向一致，那么，__弯曲的四指__所指的方向就是磁感线的环绕方向。(如图)2．环形电流产生的磁场让右手弯曲的四指和__环形电流__的方向一致，那么，伸直的大拇指所指的方向就是__环形导线中心轴线上__的磁感线的方向。(如图)3．通电螺线管产生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，大拇指所指的方向就是__螺线管内部磁感线__的方向。因通电螺线管产生的磁场类似于条形磁铁，所以大拇指所指的方向也可以说成通电螺线管磁场的__北极(N极)__。(如图)知识点3　安培分子电流假说1．安培分子电流假说的内容安培认为，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__，分子的两侧相当于两个磁极(见图)2．安培假说对有关磁现象的解释①磁化现象②磁体的退磁③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。知识点4　匀强磁场1．定义磁感应强度的__大小__、__方向__处处相同的磁场。2．磁感线特点匀强磁场的磁感线是一些__间隔相同的平行__直线。知识点5　磁通量1．定义匀强磁场磁感应强度B和与磁场方向__垂直__的平面面积S的乘积，即Φ＝__BS__。2．单位__韦伯__，简称韦，符号__Wb__,1__Wb__＝1 T·m2。3．引申B＝，因此磁感应强度B又叫__磁通密度__。4．矢标性磁通量是__标__量。 思考辨析『判一判』(1)用铁屑可以演示磁体周围磁感线的分布，所以磁感线是客观存在的。(　×　)(2)磁感线所指的方向就是磁场的磁感应强度方向。(　×　)(3)磁体的磁场和电流的磁场本质是一样的。(　√　)(4)磁感应强度的单位是T，也可以是Wb/m2。(　√　)(5)某平面与磁场平行时，通过它的磁通量为零。(　√　)(6)磁通量是矢量，其正、负表示磁通量的方向。(　×　)『选一选』下列关于小磁针在磁场中静止时的指向，正确的是(　C　)解析：    根据在磁体外部同名磁极相互排斥可知选项A错；应用安培定则可知环形电流中心线上的磁场方向由右向左，小磁针N极受到的磁场力向左，选项B错；根据安培定则可知通电螺线管内部磁场向右，内部小磁针N极受到的磁场力向右，选项C对；根据安培定则可知通电直导线右边磁场向里，小磁针N极应向里，选项D错。『想一想』磁场是一种特殊的物质，不能为人们所看见，英国科学家法拉第在对磁场的描述方面表现出很强的想象力，为了“看见”磁场，法拉第在纸板上均匀洒满细小的铁屑，在其下放置磁铁，然后轻敲纸板，磁化后的铁屑在磁力的作用下就清清楚楚地呈现出“磁感线”来。请思考：没有磁感线的地方，磁感应强度就为零吗？解析：不为零。磁感线是为了形象地描述磁场而假想的曲线。用磁感线描述磁场时，磁感线稀疏的地方磁感应强度小，磁感线密集的地方磁感应强度大，但是磁场中没画磁感线的地方磁感应强度不一定为零。探究一　对磁感线的认识与理解　S 1图甲表示条形磁铁的磁感线的分布情况，图乙表示通电螺线管的磁感线的分布情况，观察两幅图，请思考：从图中可以看出，通电螺线管的磁感线是闭合的，而条形磁铁的磁感线不闭合，这种判断对吗？提示：不管是磁铁的磁场，还是电流的磁场，磁感线都是闭合的。,G 1．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。磁感线在某点的切线方向表示磁场的方向。(3)磁感线的方向在磁体外部从N极指向S极，磁体内部从S极指向N极。即磁感线是闭合的曲线，它不相交，不相切，也不中断。2．磁感线与电场线的比较两种线比较内容　磁感线电场线不同点闭合曲线不闭合，起始于正电荷或无限远，终止于负电荷或无限远相似点引入目的为形象描述场而引入的假想线，实际不存在疏密场的强弱切线方向场的方向是否相交不能相交(电场中无电荷空间不相交)特别提醒：(1)在没画磁感线的地方，并不表示没有磁场存在。(2)若多个磁体或电流的磁场在空间某区域叠加，磁感线描述的是叠加后的磁场的磁感线分布情况，不能认为该区域有多条磁感线相交。D 典例1　(多选)关于磁场和磁感线的描述，下列说法中正确的是(　AB　)A．磁极与磁极之间、磁极与电流之间都可以通过磁场发生相互作用B．磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向，其上每一点的切线方向都和小磁针放在该点静止时北极所指的方向一致C．磁感线总是从磁铁的N极出发，到S极终止D．磁感线可以用细铁屑来显示，因而是真实存在的解题指导：用磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向，它是一种理想化模型，并不是真实存在的。由于磁体的N极和S极是密不可分的，所以磁感线总是闭合的曲线。解析：磁场是一种特殊物质，磁极、电流间发生的作用都是通过磁场发生的，选项A正确；磁感线是为了形象地描述磁场而假想的线，不是真实存在的，选项D错误；磁感线的切线方向表示磁场的方向，磁感线的疏密表示磁场的强弱，选项B正确；磁感线是闭合曲线，在磁体外部由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极，选项C错误。〔对点训练1〕　(多选)(2019·江苏省启东中学高二上学期期中)关于电场和磁场，下列说法正确的是(　AD　)A．我们虽然不能用手触摸到电场的存在，却可以用试探电荷去探测它的存在和强弱B．电场线和磁感线是可以形象描述电、磁场强弱和方向的客观存在的曲线C．磁感线和电场线一样都是闭合的曲线D．电流之间的相互作用是通过磁场发生的，磁场和电场一样，都是客观存在的物质解析：我们虽然不能用手触摸到电场的存在，却可以用试探电荷去探测它的存在和强弱。故A正确；电场线和磁感线都是虚拟的，现实并不存在。故B错误；磁感线是闭合的曲线，电场线从正电荷出发，到负电荷终止，不是闭合曲线。故C错误；磁体之间的相互作用是通过磁场发生的，磁场和电场一样，都是客观存在的物质。故D正确。探究二　几种常见的磁场磁感线的分布特点　S 2在用安培定则判断通电直导线和通电螺线管的磁感线方向时，大拇指和四指的指向所代表的含义相同吗？提示：不相同。 在判定通电直导线磁感线的方向时，大拇指指向电流的方向，四指指向磁感线的方向。在判定通电螺线管磁感线的方向时，四指指向电流的环绕方向，大拇指指向螺线管内部磁感线的方向。,G 1．常见永磁体的磁场(如图)2．三种常见的电流的磁场安培定则立体图横截面图纵截面图直线电流以导线上任意点为圆心的多组同心圆，越向外越稀疏，磁场越弱环形电流内部磁场比环外强，外部磁感线越向外越稀疏通电螺线管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极特别提醒：(1)应用安培定则判定直线电流时，四指所指的是导线之外磁场的方向；判定环形电流和通电螺线管时拇指的指向是线圈轴线上磁场的方向。(2)环形电流相当于小磁针，通电螺线管相当于条形磁铁，其外部的磁感线是由N极指向S极；内部是由S极指向N极。D 典例2　(多选)如图所示，螺线管、蹄形铁芯、环形导线三者相距甚远，当开关闭合后小磁针N极(黑色的一端)的指向正确的是(　BCD　)A．小磁针a的N极指向正确B．小磁针b的N极指向正确C．小磁针c的N极指向正确D．小磁针d的N极指向正确解题指导：导线的电流方向为顺时针，根据小磁针静止时N极的指向即为磁场的方向判定。解析：由右手螺旋定则可知，通电螺线管左端为N极，右端为S极，螺线管的内部磁场由右指向左，外部由左到右，则有a磁针方向错误，b磁针方向正确，故A错误，B正确；而对于U形螺线管左端相当于S极，右端相当于N极，故c磁针的方向正确；对于环形导线，左端相当于S极，右端相当于N极，因此d磁针方向正确，故D正确，故选BCD。〔对点训练2〕　在下图中，分别给出了导线中的电流方向或磁场中某处小磁针N极的指向或磁感线方向。请画出对应的磁感线(标上方向)或电流方向。答案：用安培定则来判断，分别如下图所示。探究三　对磁通量的理解　S 3如图所示的磁场中与磁场垂直放置两个面积相同的闭合线圈S1(左)、S2(右)，如何判断穿过线圈S1、S2的磁通量大小呢？提示：根据Φ＝BS判断，由图可知B1>B2，故Φ1>Φ2。,G 1．磁通量的计算(1)公式：Φ＝BS。适用条件：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。如果磁场B不与我们研究的对象垂直，例如图中的S，则有S⊥＝Scos θΦ＝BScos θ式中Scos θ即为面积S在垂直于磁感线方向上的投影，我们称为“有效面积。”2．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，穿出时即为负值。(2)若磁感线沿相反方向穿过同一平面，且正向磁通量为Φ1，反向磁通量为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。(3)B和S同时变化，则ΔΦ＝Φ2－Φ1，但ΔΦ≠ΔB·ΔS。4．磁通密度由Φ＝BS得B＝，叫做磁通密度。单位：Wb/m2，关系：1 T＝1 Wb/m2＝1 N/(A·m)。　　特别提醒：(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，与匝数无关。(2)当平面转过180°时，磁通量的变化量的大小ΔΦ＝|Φ2－Φ1|＝2BS，而不是ΔΦ＝0。D 典例3　如图所示，通有恒定电流的导线MN与闭合金属框共面，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分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则(　C　)A．ΔΦ1>ΔΦ2　 B．ΔΦ1＝ΔΦ2C．ΔΦ1<ΔΦ2 D．不能判断解题指导：(1)磁通量是标量，但有正负，其正、负不代表方向，仅代表磁感线的穿入或穿出。(2)磁通量的变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1，在具体的计算中，一定要注意Φ1及Φ2的正负问题。解析：通电导线MN周围的磁场并非匀强磁场，靠近MN处的磁场强些，磁感线密一些，远离MN处的磁感线疏一些，当线框在Ⅰ位置时，穿过平面的磁通量为ΦⅠ，当线框平移到Ⅱ位置时，磁通量为ΦⅡ，则磁通量的变化量为ΔΦ1＝|ΔΦⅡ－ΔΦⅠ|＝ΦⅠ－ΦⅡ。当线框翻转到Ⅱ位置时，磁感线相当于从“反面”穿过平面，则磁通量为－ΦⅡ，则磁通量的变化量是ΔΦ2＝|－ΦⅡ－ΦⅠ|＝ΦⅠ＋ΦⅡ，所以ΔΦ1<ΔΦ2。〔对点训练3〕　(原创题)在70周年国庆盛典上第一次亮相的“轰－6N”为国产新型远程战略轰炸机，可进行空中受油，能够实现远程奔袭、大区域远航，防区外打击，全面提升人民空军战略打击能力。该机两翼面积分别为16.5 m2，设北京上空地磁场的竖直分量为0.42×10－4 T，试回答下列问题：(1)穿过该机两翼的磁通量为多少？(2)若该机花样表演翻转180°飞行，此过程中两机翼磁通量变化量为多少？答案：(1)1.26×10－3 Wb　(2)2.52×10－3 Wb解析：(1)据磁通量公式Φ＝BS得Φ＝0.42×10－4×2×16.5 Wb＝1.386×10－3 Wb。(2)磁通量的变化量ΔΦ＝2Φ＝2.772×10－3 Wb。安培定则的应用技巧(1)分清“因”和“果”：在判定直线电流的磁场的方向时，拇指指“原因”——电流方向；四指指“结果”——磁感线绕向。在判定环形电流的磁场方向时，四指指“原因”——电流绕向；拇指指“结果”——环内沿中心轴线的磁感线方向，即指N极。(2)优先采用整体法：一个任意形状的电流(如三角形、矩形等)的磁场，从整体效果上可等效为环形电流的磁场，再根据安培定则确定磁场的方向，即磁感线的方向。(3)若研究磁体与环形电流、通电螺线管的相互作用力，可根据安培定则将环形电流或通电螺线管等效成小磁针或条形磁铁，如图所示，然后根据磁极之间的相互作用规律进行分析。案例　接通电源后，小磁针A按下图所示方向运动，则电源的__左__(填“左”或“右”)侧为电源正极，小磁针B的N极指向__垂直纸面向外__方向。解析：小磁针A的N极向右运动，故说明螺线管左侧为S极，右侧为N极，电流从左侧流入，则电源的左侧为电源的正极；将整个线路等效为一个环形电流，其电流方向沿逆时针，由安培定则判断出下方小磁针B处的磁场方向向外，小磁针B的N极指向为垂直纸面向外。