高二物理 磁场及其对电流的作用全章讲义课件.ppt

1 1磁场及其对电流的作用磁场及其对电流的作用讲义教学案讲义教学案2021/8/11 星期三1【问题问题1 1】磁体之间是通过什么发磁体之间是通过什么发生相互作用的呢？生相互作用的呢？一、磁场一、磁场1.1.磁场：磁场：磁体周围空间存在的一种磁体周围空间存在的一种特殊物质。特殊物质。磁体磁体磁体磁体磁场磁场相关知识：相关知识：【问题问题2 2】是否只有磁铁周围才存在是否只有磁铁周围才存在磁场磁场?电流的磁效应：电流的磁效应：电流能在周围空间产生磁场电流能在周围空间产生磁场.磁铁磁铁不是磁场的唯一来源不是磁场的唯一来源.【演示实验演示实验】磁体磁体电流电流磁场磁场电流电流电流电流磁场磁场2.2.磁场的性质磁场的性质:磁场对放入其中的磁体或通电导磁场对放入其中的磁体或通电导体会产生磁力作用。体会产生磁力作用。2021/8/11 星期三2地球的磁场地球的磁场【思考思考】悬吊着的磁针为什么悬吊着的磁针为什么会指示南北呢？会指示南北呢？1.1.地球的周围存在磁场，地球实际上地球的周围存在磁场，地球实际上就是一个巨大的磁体，它也有两个磁就是一个巨大的磁体，它也有两个磁极，地磁南极和地磁北极极，地磁南极和地磁北极相关知识：相关知识：2.2.地磁的北极在地理的南极附近，地地磁的北极在地理的南极附近，地磁的南极在地理的北极附近，二者并磁的南极在地理的北极附近，二者并不重合，把不重合，把地轴与磁轴之间的夹角叫地轴与磁轴之间的夹角叫做地磁偏角，简做地磁偏角，简称磁偏角称磁偏角.在在梦溪笔谈梦溪笔谈中指出：中指出：“方家以磁石磨针锋，则方家以磁石磨针锋，则能指南，然常偏东，不全能指南，然常偏东，不全南也南也”.这是世界上关于这是世界上关于地磁偏角的最早记载地磁偏角的最早记载.沈括（沈括（10311095）2021/8/11 星期三3二、磁感应强度二、磁感应强度相关知识：相关知识：【演示实验演示实验】观察小磁针观察小磁针N极的指向极的指向电场方向电场方向电场方向电场方向正试探电荷的受力方向正试探电荷的受力方向正试探电荷的受力方向正试探电荷的受力方向磁场方向磁场方向磁场方向磁场方向研究小磁针的受力方向研究小磁针的受力方向研究小磁针的受力方向研究小磁针的受力方向物理学中物理学中把小磁针静止时把小磁针静止时N极极所指的方向所指的方向规定为该点的规定为该点的磁感磁感应强度的方向应强度的方向,简称磁场的方向简称磁场的方向.四种表述方式四种表述方式(1)(1)小磁针静止时小磁针静止时N N极所指的方向极所指的方向，即，即N N极受力的方向极受力的方向(2)(2)小磁针静止时小磁针静止时S S极所指的反方极所指的反方向，即向，即S S极受力的反方向极受力的反方向(3)(3)磁场的方向就是磁感应强度磁场的方向就是磁感应强度B B的方向的方向(4)(4)磁感线的切线方向磁感线的切线方向放在磁场中的小磁针放在磁场中的小磁针2021/8/11 星期三4定义：在磁场中垂直于磁场方定义：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力向的通电导线，所受的磁场力F跟电流跟电流I和导线长度和导线长度L的乘积的乘积IL的的比值叫磁感应强度比值叫磁感应强度猜猜想想：通通电电导导线线受受到到的的磁磁场场力与哪些因素有关力与哪些因素有关?【实验探究实验探究】【逻辑推理逻辑推理】F LF LF LF LF IF IF IF IF F F F ILILILIL定义式：定义式：单位：在国际单位制中，磁感单位：在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，应强度的单位是特斯拉，简称特，符号是符号是T.1T=1N/(Am)T.1T=1N/(Am)矢量：磁感应强度是矢量矢量：磁感应强度是矢量,方方向与该点磁场方向相同运算向与该点磁场方向相同运算遵守平行四边形定则遵守平行四边形定则 物理意义：描述磁场强弱的物物理意义：描述磁场强弱的物理量理量 相关知识：相关知识：2021/8/11 星期三5对磁感应强度的理解对磁感应强度的理解 对应名称对应名称比较项目比较项目磁感应强度磁感应强度B电场强度电场强度E物理意义物理意义描述磁场的力的性质的物理量描述磁场的力的性质的物理量描述电场的力的性质的物理量描述电场的力的性质的物理量定义式定义式B ，通电导线与，通电导线与B垂直垂直E大小决定大小决定由磁场决定，与检验电流无关由磁场决定，与检验电流无关由电场决定，与检验电荷无关由电场决定，与检验电荷无关方向方向矢量磁感线切线方向，小磁针矢量磁感线切线方向，小磁针N极受力方向极受力方向矢量电场线切线方向，放入该矢量电场线切线方向，放入该点的正电荷受力方向点的正电荷受力方向场的叠加场的叠加合磁感应强度等于各磁场的磁合磁感应强度等于各磁场的磁感应强度的矢量和感应强度的矢量和合场强等于各个电场的场强的合场强等于各个电场的场强的矢量和矢量和2021/8/11 星期三6三、磁感线三、磁感线1 1、定义：、定义：在磁场中画出的一些在磁场中画出的一些曲线，使曲线上每一点的曲线，使曲线上每一点的切线方切线方向向都跟这点的都跟这点的磁感应强度方向一磁感应强度方向一致致,这样的曲线就叫做磁感线。这样的曲线就叫做磁感线。【问题问题】如何如何形象地描述形象地描述磁磁场中各点的磁场方向场中各点的磁场方向?【实验实验】模拟磁感线模拟磁感线2 2、特点、特点1)1)磁感线是为形象描述磁场而引磁感线是为形象描述磁场而引入的假想曲线，实际并不存在。入的假想曲线，实际并不存在。2)2)磁感线的疏密表示磁场强弱。磁感线的疏密表示磁场强弱。3)3)磁感线上每一点的切线方向即磁感线上每一点的切线方向即为该点的磁场的方向。为该点的磁场的方向。4)4)磁感线闭合而不相交磁感线闭合而不相交,不相切不相切,也不中断。也不中断。2021/8/11 星期三7电流电流安培定则图示安培定则图示立体图立体图横截面图横截面图纵截面图纵截面图直线直线电流电流环形环形电流电流通电通电螺线螺线管管常见电流的磁场常见电流的磁场2021/8/11 星期三8安培分子安培分子环环流假流假说说1.分子分子电电流假流假说说任任何何物物质质的的分分子子中中都都存存在在环环形形电电流流分分子子电电流流，分子分子电电流使每个分子都成流使每个分子都成为为一个微小的磁体一个微小的磁体2.安培分子安培分子环环流假流假说对说对一些磁一些磁现现象的解象的解释释未被磁化的铁棒磁化后的铁棒3.磁磁现现象的象的电电本本质质 磁磁铁铁的磁的磁场场和和电电流的磁流的磁场场一一样样，都是由，都是由电电荷的运荷的运动产动产生的。生的。2021/8/11 星期三9课堂练习课堂练习 安培定则的应用安培定则的应用20112011课标课标全国卷全国卷 为了解释地球的磁性，为了解释地球的磁性，1919世纪安培假设：地球的磁场世纪安培假设：地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流是由绕过地心的轴的环形电流I I引起的在下列四个图中，正引起的在下列四个图中，正确表示安培假设中环形电流方确表示安培假设中环形电流方向的是向的是()()【解析解析】试题分析：地球内部磁场方试题分析：地球内部磁场方向由北向南，由安培定则可判定电流向由北向南，由安培定则可判定电流方向本题为信息迁移题，关键是抽方向本题为信息迁移题，关键是抽象出模型想象赤道为环形电流则象出模型想象赤道为环形电流则从上往下看，由安培定则可知电流方从上往下看，由安培定则可知电流方向为顺时针方向，即自东向西向为顺时针方向，即自东向西答案：答案：B2021/8/11 星期三102021/8/11 星期三11四、通电导线在磁场中受到的力四、通电导线在磁场中受到的力1.1.安培力的方向安培力的方向2021/8/11 星期三12(1)(1)当电流与磁场方向垂直时当电流与磁场方向垂直时:F=ILB (B(BL)L)2.2.安培力的大小安培力的大小2021/8/11 星期三13(2)(2)当电流与磁场方向夹当电流与磁场方向夹角时角时:F=ILBsin(为为为为B B与与与与L L的夹角的夹角的夹角的夹角)2021/8/11 星期三14课堂练习课堂练习如如图图所示，所示，导线导线abcabc为为垂直折垂直折线线，其中其中电电流流为为I I，ababbcbcL L.导线导线所所在的平面与匀在的平面与匀强强磁磁场场垂直，匀垂直，匀强强磁磁场场的磁感的磁感应应强强度度为为B B.求求导线导线abcabc所受安培力的大小和方向所受安培力的大小和方向【解析解析】(1)(1)弯曲通弯曲通电导线电导线的有效的有效长长度度L L等于等于连连接曲接曲线线两端点直两端点直线线的的长长度，相度，相应应的的电电流沿流沿L L的始端流向末端的始端流向末端.(2)(2)任意闭合通电导线的有效长度为任意闭合通电导线的有效长度为零，所受安培力为零零，所受安培力为零题题后反思后反思2021/8/11 星期三152 2磁场对运动电荷的作用磁场对运动电荷的作用讲义教学案讲义教学案2021/8/11 星期三16引言引言 电电视视机机显显像像管管中中的的电电子子只只是是细细细细的的一一束束，为为什什么么能能使使整整个个屏屏幕幕发发光光？从从宇宇宙宙深深处处射射来来的的带带电电粒粒子子，为为什什么么不不能能直直接接射射地地球球？为为什什么么只只在在地地球球两两极形成极形成绚丽绚丽多彩的极光多彩的极光解解开开这这些些问问题题的的钥钥匙匙就就是是本本节节学学习习的磁的磁场对场对运运动电动电荷的作用荷的作用规规律。律。2021/8/11 星期三17探究一、探究一、既然磁场对电流有力的作用既然磁场对电流有力的作用,而而电流是由电荷的定向移动形成的电流是由电荷的定向移动形成的.那么磁那么磁场是否对运动电荷也有作用力呢场是否对运动电荷也有作用力呢?1、运、运动电动电荷在磁荷在磁场场中受到的力称中受到的力称为为洛洛伦兹伦兹力。力。条件：条件：且且 和和 不共线不共线相关知识相关知识探究二、探究二、我们曾经用左手定则判定安培我们曾经用左手定则判定安培力的方向，能不能用类似的方法判定运力的方向，能不能用类似的方法判定运动电荷（电子束）的受力方向呢？动电荷（电子束）的受力方向呢？左手定则：左手定则：伸开左手伸开左手,使拇指与其使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内在同一平面内;让磁感线从掌心进让磁感线从掌心进入入,并并使四指指向正电荷运动的方使四指指向正电荷运动的方向向,这时拇指所指的方向就是运动这时拇指所指的方向就是运动正电荷所受洛伦兹力的方向正电荷所受洛伦兹力的方向。2、洛、洛伦兹伦兹力的方向力的方向说明：说明：安培力和洛伦兹力在本质安培力和洛伦兹力在本质上属同一种力；安培力是洛伦兹上属同一种力；安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观本质。力的微观本质。2021/8/11 星期三18教材延伸教材延伸1.在用左手定在用左手定则则判断运判断运动电动电荷在磁荷在磁场场中所受洛中所受洛伦兹伦兹力的方向力的方向时时，对对于正于正电电荷，四指指向荷，四指指向电电荷的运荷的运动动方向方向；但；但对对于于负电负电荷，荷，四指四指应应指向指向电电荷运荷运动动的反方向的反方向.2.洛洛伦兹伦兹力方向力方向总总是与是与电电荷运荷运动动方向和磁方向和磁场场方向垂直，即洛方向垂直，即洛伦兹伦兹力的方向力的方向总总是垂直于是垂直于电电荷运荷运动动方向和磁方向和磁场场方向所决定的平面，方向所决定的平面，F、B、v三者的方向关系是三者的方向关系是FB，F v，但，但B与与v不一定垂直不一定垂直.3.由于洛由于洛伦兹伦兹力始力始终终与速与速 度方向垂直，故度方向垂直，故洛洛伦兹伦兹力永不做功力永不做功.2021/8/11 星期三19探究三、探究三、洛伦兹力的大小洛伦兹力的大小 推推导导：设设设设有一段有一段长为长为L，横截，横截面面积为积为S的直的直导线导线，单单位体位体积积内的自内的自由由电电荷数荷数为为n，每个自由，每个自由电电荷的荷的电电荷荷量量为为q，自由，自由电电荷定向移荷定向移动动的速率的速率为为v这段通电导线垂直磁场方向放入这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为磁感应强度为B的匀强磁场中，求：的匀强磁场中，求：(1)通通电导线电导线中的中的电电流流 (2)通通电导线电导线所受的安培力所受的安培力 (3)这这段段导线导线内的自由内的自由电电荷数荷数 (4)每个每个电电荷所受的洛荷所受的洛伦兹伦兹力力 电电荷量荷量为为q的粒子以速度的粒子以速度v运运动时动时,如果如果速度方向与磁感速度方向与磁感应应强强度方向度方向垂直垂直,那么粒子那么粒子所受的洛所受的洛伦兹伦兹力力为为 如果速度方向与磁感应强度方向的夹如果速度方向与磁感应强度方向的夹角为角为,粒子受到的洛伦兹力又如何呢粒子受到的洛伦兹力又如何呢?3、洛、洛伦兹伦兹力的大小力的大小+F安安2021/8/11 星期三20应用：应用：电视显像管的工作原理电视显像管的工作原理1、构造、构造:电电子子枪枪(阴极阴极)、偏、偏转线转线圈、圈、荧荧光屏等光屏等2、原理：、原理：应应用用电电子束磁偏子束磁偏转转的原理的原理 电子束在荧光屏上扫描一电子束在荧光屏上扫描一行之后，迅速返回（虚线），行之后，迅速返回（虚线），再做下一次扫描，直到荧光再做下一次扫描，直到荧光屏的下端。屏的下端。2021/8/11 星期三21速度选择器2021/8/11 星期三22 如图所示，平行金属板如图所示，平行金属板A A、B B之间有一个很强的磁场，将之间有一个很强的磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）喷入磁场，粒子）喷入磁场，A A、B B两板间便产生电势差，从而对外供两板间便产生电势差，从而对外供电，这就是电，这就是磁流体发电机磁流体发电机。应用应用:磁流体发电机磁流体发电机2021/8/11 星期三232021/8/11 星期三24带电粒子在匀强磁场中做圆周运动理论分析理论分析复位复位F探究四、探究四、用洛伦兹力演示仪观察用洛伦兹力演示仪观察运动电子在磁场中的偏转。运动电子在磁场中的偏转。1.1.不加磁场时观察电子束的径迹不加磁场时观察电子束的径迹。2.2.给励磁线圈通电给励磁线圈通电,在玻璃泡中产在玻璃泡中产生沿两线圈中心连线方向、由纸生沿两线圈中心连线方向、由纸内指向读者的磁场内指向读者的磁场,观察电子束的观察电子束的径迹径迹.小结：小结：沿着与磁场垂直沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动匀速圆周运动。2021/8/11 星期三25探究五、探究五、带电粒子在匀强磁场带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径，中做匀速圆周运动的圆半径，与粒子的速度、磁场的磁感应与粒子的速度、磁场的磁感应强度有什么关系？强度有什么关系？1.1.保持磁感应强度不变，改保持磁感应强度不变，改变出射电子的速度，观察电变出射电子的速度，观察电子束径迹的变化。子束径迹的变化。2.2.保持出射电子速度不变保持出射电子速度不变,改改变磁感应强度变磁感应强度,观察电子束径观察电子束径迹的变化迹的变化.2021/8/11 星期三26质谱仪质谱仪原理2021/8/11 星期三27回旋加速器回旋加速器回旋加速器的原理回旋加速器的原理2021/8/11 星期三282021/8/11 星期三29在在在在一一一一个个个个很很很很小小小小的的的的矩矩矩矩形形形形半半半半导导导导体体体体（例例例例如如如如砷砷砷砷化化化化铟铟铟铟）薄薄薄薄片片片片上上上上，制制制制作作作作4 4 4 4个个个个电电电电极极极极，就就就就成成成成了了了了一一一一个霍尔元件。个霍尔元件。个霍尔元件。个霍尔元件。霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件推导推导:载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差面出现电势差.当达到稳定状态时当达到稳定状态时,洛仑兹洛仑兹力与电场力平衡力与电场力平衡.电流的微观表达式电流的微观表达式 霍耳效应霍耳效应2021/8/11 星期三30