高中物理選修3-1——磁場知識點(diǎn)總結(jié)

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高中物理選修 3-1——磁場知識點(diǎn)總結(jié)一、磁場及其磁感線1、磁場（1）磁場是存在于磁極或電流周圍空間里的一種特殊的物質(zhì)，磁場和電場一樣，都是“場形態(tài)物質(zhì)”。（2）磁場的方向：物理學(xué)規(guī)定，在磁場中的任一點(diǎn)，小磁針北極受力的方向，亦即小磁針靜止時(shí)北極所指的方向，就是那一點(diǎn)磁場的方向。（3）磁場的基本性質(zhì)：磁場對處在它里面的磁極或電流有磁場力的作用。磁極和磁極之間、磁場和電流之間、電流和電流之間的相互作用都是通過磁場來傳遞的。2、磁感線（1）磁感線：是形象地描述磁場而引入的有方向的曲線。在曲線上，每一點(diǎn)切線方向都在該點(diǎn)的磁場方向上，曲線的疏密反映磁場的強(qiáng)弱。（2）磁感線的特點(diǎn)：a.磁感線是閉合的曲線，磁體的磁感線在磁體外部由 N 極到 S 極，內(nèi)部由 S 極到 N 極。b.任意兩條磁感線不能相交。3、幾種常見磁場的磁感線的分布（1）條形磁鐵和碲形磁鐵的磁感線條形磁鐵和蹄形磁鐵是兩種最常見的磁體，如圖所示的是這兩種磁體在平面內(nèi)的磁感線形狀，其實(shí)它們的磁感線分布在整個(gè)空間內(nèi)，而且磁感線是閉合的，它們的內(nèi)部都有磁感線分布。（2）通電直導(dǎo)線磁場的磁感線通電直導(dǎo)線磁場的磁感線的形狀與分布如圖所示，通電直導(dǎo)線磁場的磁感線是一組組以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓。需要指出的是，通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場是不均勻的，越靠近導(dǎo)線，磁場越強(qiáng)，磁感線越密。電流的方向與磁感線方向的關(guān)系可以用安培定則來判斷，如圖所示。用右手握住直導(dǎo)線，伸直的大拇指與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。（3）環(huán)形電流磁場的磁感線環(huán)形電流磁場的磁感線是一些圍繞環(huán)形導(dǎo)線的閉合曲線，在環(huán)形的中心軸上，由對稱性可知，磁感線是與環(huán)形導(dǎo)線的平面垂直的一條直線。如圖甲所示，環(huán)形電流方向與磁感線方向的關(guān)系也可以用右手定則來判斷，如圖乙所示，讓右手彎曲的四指和環(huán)形電流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是圓環(huán)軸線上磁感線的方向；如圖丙所示，讓右手握住部分環(huán)形導(dǎo)線，伸直的大拇指與電流方向一致，則四指所指的方向就是圍繞環(huán)形導(dǎo)線的磁感線的方向。（4）通電螺線管的磁感線通電螺線管表現(xiàn)出來的磁性很像一根條形磁鐵，一端相當(dāng)于北極（N），另一端相當(dāng)于南極（S），形成的磁感線在通電螺線管的外部從北極（N）出來進(jìn)入南極（S），通電螺線管內(nèi)部具有磁場，磁感線方向與管軸線平行，方向都是由 S 極指向N 極，并與外部磁感線連接形成一些閉合曲線，其方向也可用安培定則判斷，用右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致，那么大拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向，如圖所示。（5）地磁場的磁感線地磁場的南北極與地理上的南北極剛好相反，所以磁感線從地理的南極出來進(jìn)入地理的北極二、磁感應(yīng)強(qiáng)度（1）定義：在勻強(qiáng)磁場中，垂直于磁場方向放置的通電直導(dǎo)線，所受的安培力 F 跟電流強(qiáng)度 I 和導(dǎo)線長度 L 的乘積之比，叫做通電導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 只是由磁場本身決定，與所放置的電流 I 和導(dǎo)線長度 L 均無關(guān)。（2）單位：特斯拉，簡稱特，符號是 T，。（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場的力的性質(zhì)的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，其方向就是該點(diǎn)的磁場方向。5、勻強(qiáng)磁場如果磁場的某一區(qū)域里，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向處處相同，這個(gè)區(qū)域的磁場叫做勻強(qiáng)磁場，距離很近的兩個(gè)異名磁極之間的磁場，通電螺線管內(nèi)部的磁場都可以看成是勻強(qiáng)磁場。勻強(qiáng)磁場的磁感線為相互平行，等間距的平行線。6、安培力的大小和方向（1）定義：磁場對通電導(dǎo)線的作用力叫安培力。（2）大小：當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向垂直放置時(shí)，安培力最大，為 F=BIL。當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向平行放置時(shí)，安培力最小，為零。當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向成其他任意角放置時(shí)，安培力介于最大值和最小值之間。（3）方向：安培力的方向可以用左手定則來判斷。安培力方向垂直磁場方向，垂直電流方向，即垂直于電流方向和磁場方向決定的平面。三、磁場對通電導(dǎo)線的作用1、磁感線是閉合曲線磁感線與電場線不同，在磁體外部是從 N 極指向 S 有，磁體內(nèi)部則從 S 極指向 N 極，從而形成閉合曲線。2、安培定則用安培定則判斷通電線圈（或螺線管）的磁感線時(shí)，拇指指向?yàn)榫€圈（或螺線管）內(nèi)部的磁感線方向，其外部與此方向相反。3、磁感應(yīng)強(qiáng)度（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場的物理量，由磁場自身決定，與是否放入檢驗(yàn)電流無關(guān)。（2）磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，其方向就是該點(diǎn)磁場方向。當(dāng)磁場疊加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量合成。4、安培力（1）安培力的大小不僅與 B、I、L 的大小有關(guān)，還與電流方向與磁場方向間的夾角有關(guān)。當(dāng)通電直導(dǎo)線與磁場方向垂直時(shí)，通電導(dǎo)線所受安培力最大，這時(shí)安培力 F=BIL。當(dāng)兩者平行最小為零，對于電流方向與磁場方向成任意角的情況，可以把磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 分解為垂直電流方向和平行電流方向兩種情況處理。（2）F=BIL 只適用于勻強(qiáng)磁場，對非勻強(qiáng)磁場中，當(dāng) L 足夠短時(shí)，可以認(rèn)為導(dǎo)線所在處的磁場是勻強(qiáng)磁場。（3）安培力的方向要用左手定則判斷，垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度方向，這跟電場力與電場強(qiáng)度方向之間的關(guān)系是不同的。5、安培分子電流假說導(dǎo)體中的電流是由大量的自由電子的定向移動(dòng)而形成的，而電流的周國又有磁場，所以電流的磁場應(yīng)該是由于電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。安培提出在磁鐵中分子、原于存在著一種環(huán)形電流——分子電流，分子電流使每個(gè)物質(zhì)微粒都成為微小的磁體．磁鐵的分子電流的取向大致相同時(shí)，對外顯磁性；磁鐵的分子電流取向雜亂無章時(shí)，對外不顯磁性。根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)理論，微粒原子由原子核和核外電子組成，原子核帶正電，核外電子帶負(fù)電，電子在庫侖力的作用下，繞核高速旋轉(zhuǎn)，形成分子電流。假說的意義在于其揭示了電與磁之間的聯(lián)系。6、安培力的應(yīng)用——磁電式儀表（1）根據(jù)通電導(dǎo)線在磁場中會(huì)受到安培力的作用這一原理制成的儀表，稱為磁電式儀表。（2）磁電式儀表的結(jié)構(gòu)（3）磁電式儀表原理由于磁場對電流的作用力方向與電流方向有關(guān)，因此，如果改變通過電流表的電流方向，磁場對電流的作用力方向也會(huì)隨著改變，指針和線圈的偏轉(zhuǎn)方向也就隨著改變，據(jù)此便可判斷出被測電流的方向。磁場對電流的作用力跟電流成正比，線圈中的電流越大，受到的作用力也越大，指針和線圈的偏轉(zhuǎn)角度也越大．因此，指針偏轉(zhuǎn)角度的大小反映了被測電流的大?。灰ㄟ^實(shí)驗(yàn)把兩者一一對應(yīng)的關(guān)系記錄下來，并標(biāo)示在刻度盤上，這樣在使用中，就可以在刻度盤上直接讀出被測電流的大小。四、磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力1、洛倫茲力是磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用，它是安培力的微觀本質(zhì)。安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。2、洛倫茲力的大小（1）當(dāng)電荷速度方向垂直于磁場的方向時(shí)，磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力，等于電荷量、速率、磁感應(yīng)強(qiáng)度三者的乘積，即F=qvB.（2）當(dāng)電荷速度方向平行磁場方向時(shí)，洛倫茲力 F=0。（3）當(dāng)電荷速度方向與磁場方向成 θ 角時(shí)，可以把速度分解為平行磁場方向和垂直磁場方向來處理，此時(shí)受洛倫茲力F=qvBsinθ。3、洛倫茲力的方向安培力的方向可以用左手定則來判斷，洛倫茲力的方向也可用左手定則來判斷：伸開左手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場，讓磁感線穿過手心，對于正電荷，四指指向電荷的運(yùn)動(dòng)方向，對于負(fù)電荷，四指的指向與電荷的運(yùn)動(dòng)方向相反，大拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向。由此可見洛倫茲力方向總是垂直速度方向和磁場方向，即垂直速度方向和磁場方向決定的平面。4、洛倫茲力的特點(diǎn)因?yàn)槁鍌惼澚κ冀K與電荷的運(yùn)動(dòng)方向垂直，所以洛倫茲力對運(yùn)動(dòng)電荷不做功。它只改變運(yùn)動(dòng)電荷速度的方向，而不改變速度的大小。5、洛倫茲力與電場力的比較（1）與帶電粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系帶電粒子在電場中所受到的電場力的大小和方向，與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。但洛倫茲力的大小和方向，則與帶電粒子本身運(yùn)動(dòng)的速度緊密相關(guān)。（2）決定大小的有關(guān)因素電荷在電場中所受到的電場力 F=qE，與兩個(gè)因素有關(guān)：本身電量的多少和電場的強(qiáng)弱。運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中所受的磁場力，與四個(gè)因素有關(guān)；本身電量的多少、運(yùn)動(dòng)速度 v 的大小、速度v 的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 方向間的關(guān)系、磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B。（3）方向的區(qū)別電荷所受電場力的方向，一定與電場方向在同一條直線上（正電荷同向，負(fù)電荷反向），但洛倫茲力的方向則與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直。6、解決在洛倫茲力等多力作用下電荷運(yùn)動(dòng)問題的注意問題：（1）正確分析受力情況是解決電荷運(yùn)動(dòng)問題的關(guān)鍵。要在詳細(xì)分析問題給出的物理過程的基礎(chǔ)上，認(rèn)清洛倫茲力是怎么變化的。伴隨著洛倫茲力的變化，物體的受力情況又發(fā)生了什么樣的變化。（2）受力變化演變，出現(xiàn)了什么新運(yùn)動(dòng)情況，電荷從什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過渡到什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。（3）尋找關(guān)鍵狀態(tài)各物理量之間的數(shù)量關(guān)系，選擇合適的物理規(guī)律去求解，這些常常就是解題的關(guān)鍵之所在。7、帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心、半徑及運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定：（1）圓心的確定．因?yàn)槁鍌惼澚χ赶驁A心，根據(jù) F 洛⊥v，畫出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡中任意兩點(diǎn)（一般是射入和射出磁場的兩點(diǎn)）的 F 洛的方向，其延長線的交點(diǎn)即為圓心．（2）半徑的確定和計(jì)算．半徑的計(jì)算一般是利用幾何知識，常用解三角形的方法．（3）在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定．利用圓心角與弦切角的關(guān)系，或者是四邊形內(nèi)角和等于 360°計(jì)算出圓心角 θ 的大小，由公式可求出運(yùn)動(dòng)時(shí)間．五、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律1、帶電粒子的速度方向若與磁場方向平行，帶電粒子不受洛倫茲力作用，將以入射速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。2、帶電粒子若垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場且只受洛倫茲力的作用，帶電粒子一定做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道平面一定與磁場垂直。由洛倫茲力提供向心力，得軌道半徑：。由軌道半徑與周期的關(guān)系得：?？梢?，周期與入射速度和運(yùn)動(dòng)半徑無關(guān)。荷質(zhì)比相同的帶電粒子，當(dāng)它們以不同的速度在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，無論速度相差多大，由于其運(yùn)動(dòng)半徑，與速度成正比，所以它們運(yùn)動(dòng)的周期都相同。3、質(zhì)譜儀利用不同質(zhì)量而帶同樣電量的帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不同，可以制成測定帶電粒子質(zhì)量的儀器——質(zhì)譜儀。如圖所示，粒子帶電量為 q，質(zhì)量為 m，經(jīng)加速電壓 U 加速后進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中，在加速電場中，由動(dòng)能定量得：，在勻強(qiáng)磁場中軌道半徑：，所以粒子質(zhì)量。4、回旋加速器的工作原理粒子源位于兩 D 形盒的縫隙中央處，從粒子源放射出的帶電粒子經(jīng)兩 D 形盒間的電場加速后，垂直磁場方向進(jìn)入某一 D形盒內(nèi)，在洛侖茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，若帶電粒子的電荷量為 q，質(zhì)量為 m，進(jìn)入 D 形盒時(shí)速度為 v，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B。