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1、-高中选修磁场知识点总结(很详细)-第 9 页 第三章 磁场知识点一、磁场磁场和电场一样，是客观存在的一种物质。磁体周围空间存在磁场；电流周围空间也存在磁场。电流是大量运动电荷形成的，所以运动电荷周围空间也有磁场。静止电荷周围空间没有磁场与用检验电荷检验电场存在一样，可以用小磁针来检验磁场的存在。如图所示为证明通电导线周围有磁场存在奥斯特实验，以及磁场对电流有力的作用实验。 地磁场地球本身是一个磁体，附近存在的磁场叫地磁场，地磁的S极在地球北极附近，地磁的N极在地球的南极附近。地磁场与条形磁铁周围的磁场分布情况相似。但实际上地球的地理两极与地磁两极并不重合，磁针并非准确地指南或指北，其间有一个
2、交角，叫地磁偏角，简称磁偏角。二、磁场的方向规定：在磁场中的任意一点小磁针北极受力的方向就是那一点的磁场方向。确定磁场方向的方法是：将一不受外力的小磁针放入磁场中需测定的位置，当小磁针在该位置静止时，小磁针N极的指向即为该点的磁场方向。磁体磁场：可以利用同名磁极相斥，异名磁极相吸的方法来判定磁场方向。电流磁场：利用安培定则（也叫右手螺旋定则）判定磁场方向。 三、磁感线在磁场中画出有方向的曲线表示磁感线，在这些曲线上，每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同。磁感线特点a.磁感线的疏密反映磁场的强弱，磁感线越密的地方表示磁场越强，磁感线越疏的地方表示磁场越弱。b.磁感线上每一点的切线方向就是该点的
3、磁场方向。c.磁场中的任何一条磁感线都是闭合曲线，在磁体外部由N极到S极，在磁体内部由S极到N极。D.磁感线是不存在的，人们为了方便研究假想出来（电场线一样）以下各图分别为条形磁体、蹄形磁体、直线电流、环行电流的磁场 磁感线是为了形象地描述磁场而在磁场中假想出来的一组有方向的曲线，并不是客观存在于磁场中的真实曲线。磁感线与电场线类似，在空间不能相交，不能相切也不能中断。磁感线是闭合的曲线，而电场线不闭合四、几种常见磁场1通电直导线周围的磁场（1）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。（2）磁感线分布如图
4、所示： 说明：通电直导线周围的磁感线是以导线上各点为圆心的同心圆，实际上电流磁场应为空间图形。 直线电流的磁场无磁极。 磁场的强弱与距导线的距离有关，离导线越近磁场越强，离导线越远磁场越弱。 图中的“”号表示磁场方向垂直进入纸面，“”表示磁场方向垂直离开纸面。2环形电流的磁场（1）安培定则：让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致，伸直的拇指的方向就是环形导线轴线上磁感线的方向。（2）磁感线分布如图所示：说明：环形电流的磁场类似于条形磁铁的磁场，其两侧分别是N极和S极。由于磁感线均为闭合曲线，所以环内、外磁感线条数相等，故环内磁场强，环外磁场弱。环形电流的磁场在微观上可看成无数根很短的直线电流的磁
5、场的叠加。3通电螺线管的磁场（1）安培定则：用右手握住螺线管，让弯曲时四指的方向跟电流方向一致，大拇指所指的方向就是螺线管中心轴线上的磁感线方向。（2）磁感线分布：如图所示。说明：通电螺线管的磁场分布：外部与条形磁铁外部的磁场分布情况相同，两端分别为N极和S极。管内（边缘除外）是匀强磁场，磁场分布由S极指向N极。 环形电流宏观上其实就是只有一匝的通电螺线管，通电螺线管则是由许多匝环形电流串联而成的。因此，通电螺线管的磁场也就是这些环形电流磁场的叠加。 不管是磁体的磁场还是电流的磁场，其分布都是在立体空间的，要熟练掌握其立体图、纵截面图、横横面图的画法及转换。4匀强磁场 （1）定义：在磁场的某个
6、区域内，如果各点的磁感应强度大小和方向都相同，这个区域内的磁场叫做匀强磁场。（2）磁感线分布特点：间距相同的平行直线。（3）产生：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；相隔一定距离的两个平行放置的线圈通电时，其中间区域的磁场也是匀强磁场，如图所示：五、磁感应强度1、磁感应强度描述磁场强弱和方向的物理量，用符号“B”表示。（1）电流元定义：物理学中把很短一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积IL叫做电流元。理解：孤立的电流元是不存在的，因为要使导线中有电流，就必须把它连到电源上。（2）磁场对通电导线的作用力内容：通电导线与磁场方向垂直时，它受力的大小与I和L的乘积成正
7、比。公式：。说明：B为固定值，与导线的长度和电流的大小都无关。不同的磁场中，B的值是不同的 B应为与电流垂直的值，即式子成立条件为：B与I垂直。（3）磁感应强度的大小定义：在磁场中垂直于磁场方向的通电直导线，受到的安培力的作用F，跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值，叫做通电直导线所在处的磁场的磁感应强度。公式：B=F / IL。（2）磁感应强度的单位在国际单位制中，B的单位是特斯拉（T），由B的定义式可知：1特（T）= （4）磁感应强度的方向磁感应强度是矢量，不仅有大小，而且有方向，其方向即为该处磁场方向。小磁针静止时N极所指的方向规定为该点的磁感应强度的方向，简称为磁场的方向。2、磁通量（
8、1）磁通量的定义：穿过某一面积的磁感线的条数，叫做穿过这个面积的磁通量，用符号表示。 （2）磁通量与磁感应强度的关系按前面的规定，穿过垂直磁场方向单位面积的磁感线条数，等于磁感应强度B，所以在匀强磁场中，垂直于磁场方向的面积S上的磁通量=BS。若平面S不跟磁场方向垂直，则应把S平面投影到垂直磁场方向上。 当平面S与磁场方向平行时，=0。 公式：=BS。公式运用的条件： a匀强磁场；b磁感线与平面垂直。在匀强磁场B中，若磁感线与平面不垂直，公式=BS中的S应为平面在垂直于磁感线方向上的投影面积。此时，式中即为面积S在垂直于磁感线方向的投影，我们称为“有效面积”。 （3）磁通量的单位 在国际单位中
9、，磁通量的单位是韦伯（Wb），简称韦。磁通量是标量，只有大小没有方向。 (4) 磁通密度磁感线越密的地方，穿过垂直单位面积的磁感线条数越多，反之越少，因此穿过单位面积的磁通量磁通密度，它反映了磁感应强度的大小，在数值上等于磁感应强度的大小，B =/S。六、磁场对电流的作用(一)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。 2安培假说对有关磁现象的解释（1）磁化现象：一根软铁棒，在未被磁化时，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；当软磁棒受到外界磁场的作用时，
10、各分子电流取向变得大致相同时，两端显示较强的磁性作用，形成磁极，软铁棒就被磁化了。（2）磁体的消磁：磁体的高温或猛烈敲击，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。磁现象的本质：磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由运动的电荷产生的。分子电流假说揭示了电和磁的本质联系，指出了磁性的起源：一切磁现象都是由运动的电荷产生的。（二）安培力：通电导线在磁场中受到的力称为安培力。1安培力的方向左手定则（1）左手定则 伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在同一平面内，把手放入磁场，让磁感线穿过手心，让伸开的四指指向电流方向，那么大拇指所指方向即为安培力方向。（2
11、）安培力F、磁感应强度B、电流I三者的方向关系：，即安培力垂直于电流和磁感线所在的平面，但B与I不一定垂直。判断通电导线在磁场中所受安培力时，注意一定要用左手，并注意各方向间的关系。若已知B、I方向，则方向确定；但若已知B（或I）和方向，则I（或B）方向不确定。2.安培力大小的公式表述（1）当B与I垂直时，F=BIL （2）当B与I成角时，是B与I的夹角。推导过程：如图所示，将B分解为垂直电流的和沿电流方向的，B对I的作用可用B1、B2对电流的作用等效替代，。3电流间的作用规律同向电流相互吸引，异向电流相互排斥。4几点说明（1）通电导线与磁场方向垂直时，F=BIL最大；平行时最小，F=0。（2
12、）B对放入的通电导线来说是外磁场的磁感应强度。（3）导线L所处的磁场应为匀强磁场；在非匀强磁场中，公式仅适用于很短的通电导线（我们可以把这样的直线电流称为直线电流元）。（4）式中的L为导线垂直磁场方向的有效长度。如图所示，半径为r的半圆形导线与磁场B垂直放置，当导线中通以电流I时，导线的等效长度为2 r，故安培力F=2BIr。七、洛伦兹力运动电荷在磁场中所受的力叫做洛伦兹力。1洛伦兹力与安培力的关系（1）安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观解释。电流是带电粒子定向运动形成的，通电导线在磁场中受到磁场力（安培力）的作用，提示了带电粒子的定向运动的电荷数。（2）大小关系：，式中的N是
13、导体中的定向运动的电荷数。2洛伦兹力的方向左手定则伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。负电荷受力的方向与正电荷受力的方向相反。3洛伦兹力的大小洛伦兹力的大小用公式来计算，其中为电荷速度方向与磁感应强度方向的夹角。（1）当运动电荷运动方向与磁感应强度方向垂直时：F=qvB；（2）当运动电荷运动方向与磁感应强度方向平行时：F=0；（3）当电荷在磁场中静止时：F=04洛伦兹力公式F=qvB的另一种推导设导体内单位长度上自由电荷数为n，自由电荷的电荷量为q，定向移
14、动的速度为v，设长度为L的导线中的自由电荷在t时间内全部通过截面A，如图所示，设通过的电荷量为Q，有Q=nqL=nqvt。又因为，故。安培力可以看作是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力的合力，这段导线中含有的运动电荷数目为nL，所以洛伦兹力 。：左手定则判定， 6应用洛伦兹力公式应注意的问题（1）公式F=qvB仅适用于vB的情况，式中的v是电荷相对于磁场的运动速度。（2）当电荷的运动方向与磁场方向相同或相反，即v与B平行时，由实验可知，F=0。当电荷运动方向与磁场方向夹角为时，电荷所受洛伦兹力的计算公式为：F=Bqvsin。（3）当v=0时，F=0。即磁场对静止的电荷无作用力，磁场只对运动电荷有作
15、用力。这与电场对其中的静止电荷或运动电荷总有电场力作用是不同的。7洛伦兹力与安培力、电场力有何区别和联系（1）洛伦兹力与安培力的关系洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现；尽管安培力是自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力的宏观表现，但也不能认为安培力就简单地等于所有定向移动电荷所受洛伦兹力的和，一般只有当导体静止时才能这样认为；洛伦兹力恒不做功，但安培力却可以做功。可见安培力与洛伦兹力既有紧密相关、不可分割的联系，也有显著的区别。（2）洛伦兹力与电场力的比较这两种力是带电粒子在两种不同的场中受到的力，反映了磁场和电场都有力的性质，但这
16、两种力的区别也是十分明显的。 洛伦兹力电场力作用对象仅在运动电荷的速度方向与B不平行时，运动电荷才受到洛伦兹力带电粒子只要处在电场中，一定受到电场力大小、方向F=qvBsin，方向与B垂直，与v垂直，用左手定则判断F=qE，F的方向与E同向或反向特点洛伦兹力永不做功电场力可做正（或负）功八、霍尔效应当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。 产生的电场对电子施加的电场力与洛伦兹力方向相反，当达到平衡时，导体板上下形成稳定的电势差。九、电视机显像
17、管的工作原理1构造电视机显像管由电子枪、偏转线圈和荧光屏三部分组成，如图所示。 2原理阴极发射电子，经过偏转线圈（偏转线圈产生的磁场和电子运动方向垂直）电子受洛伦兹力发生偏转，偏转后的电子打在荧光屏上，使荧光屏发光。3扫描在电视机显像管的偏转区有两对线圈，叫做偏转线圈，偏转线圈中通入大小、方向按一定规律变化的电流，分别在竖直方向和水平方向产生偏转磁场，其方向、强弱都在不断地变化，因此电子束打在荧光屏上的光点就像下图那样不断移动，这种电视技术叫做扫描。4工作过程电视机显像管发射电子，在加速电场中被加速后进入偏转磁场。在偏转磁场的作用下，电子束在荧光屏上扫描。电子束从最上一行到最下一行扫描一遍，叫
18、做一场，电视机中每秒要进行50场扫描，加上人的“视觉暂留”，所以我们感到整个荧光屏都在发光。十、带电粒子在匀强磁场中的运动1运动轨迹带电粒子（不计重力）以一定的速度v进入磁感应强度为B的匀强磁场中：（1）当vB时，带电粒子将做匀速直线运动；（2）当vB时，带电粒子将做匀速圆周运动；（3）当v与B的夹角为（0，90，180）时，带电粒子将做等螺距的螺旋线运动。2轨道半径和周期（vB时）如图所示，带电粒子以速度v垂直磁场方向入射，在磁场中做匀速圆周运动，设带电粒子的质量为m，所带的电荷量为q。（1）轨道半径：由于洛伦兹力提供向心力，则有，得到轨道半径。（2）周期：由轨道半径与周期之间的关系可得周期
19、。说明：由公式知，在匀强磁场中，做匀速圆周运动的带电粒子，其轨道半径跟运动速率成正比。要注重对轨道半径的组合理解和变式理解，例如（P是带电粒子的动量，为比荷的倒数）由公式知，在匀强磁场中，做匀速圆周运动的带电粒子，周期跟轨道半径和运动速率均无关，而与比荷成反比。十一、质谱仪1质谱仪的作用及工作过程质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。其结构如甲图所示，容器A中含有电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子。经过S1和S2之间的电场加速，它们进入磁场将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫做质谱线，每一条
20、谱线对应于一定的质量。从谱线的位置可以知道圆周的半径，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算出它的质量，这种仪器叫做质谱仪。2比荷的计算如图乙所示，设飘入加速电场的带电粒子带电荷量为+q、质量为m，两板间电压为U、粒子出电场后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场。在加速电场中，由动能定理得。粒子出电场时，速度。在匀强磁场中轨道半径。所以粒子质量。若粒子电荷量q也未知，通过质谱仪可以求出该粒子的比荷（电荷量与质量之比）。十二、回旋加速器1直线加速器（多级加速器）如图所示，电荷量为q的粒子经过n级加速后，根据动能定理获得的动能可以达到Ek=q(U1+U2+U3+Un)。这种多级加速器通常叫做直线加速器，
21、目前已经建成的直线加速器有几千米甚至几十千米长。各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从P2飞向P3、从P4飞向P5时不会减速。2回旋加速器利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件两个D形盒和其间的窄缝内完成，如图所示。（1）磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关（），带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速。（2）电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带
22、电粒子经过该区域时被加速。（3）交变电压：为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。（带电粒子在电场中运动的时间忽略不计）（4）带电粒子的最终能量当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由牛顿第二定律，得，若D形盒的半径为R，则r=R，带电粒子的最终动能。说明：由上式可以看出，要使粒子射出的动能Ekm增大，就要使磁场的磁感应强度B以及D形盒的半径R增大，而与加速电压U的大小无关（U0）。 十三、磁流体发电机 A、B板面积S，间距d，离子气体电阻率，速度为V，磁感应强度为B，离子气体通过A、B板间时，离子气体受洛伦兹力
23、发生偏转，A、B上汇聚的电荷越来越多，电势差越来越大，当离子受力平衡时：如图是磁流体发电机的示意图，在间距为d的平行金属板A、C间，存在磁感应强度为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场，两金属板通过导线与滑动变阻器相连，变阻器接入电路的电阻为R，等离子体连续以速度v平行于两金属板垂直射入磁场，理想电流表A的度数为I，则（）A发电机的电动势E=IRB发电机的内电阻为r= Bdv/I -RC发电机的效率= IR/Bv D变阻器触头P向上滑动时，单位时间内到达金属板A、C的等离子体数目增多十四、电磁流量计图11-2-12是电磁流量计的示意图.在非磁性材料做成的圆管道外加一匀强磁场区域，当管中的导电液体流过此磁场区域时，在洛伦兹力作用下偏转，a,b间出现电势差，当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，电势差U稳定了，管的直径为d，感应强度为B，就可以知道管中液体的流量Q 单位时间内流过液体的体积（m3/s）.已知管的直径为D，磁感应强度为B