1、 松门中学 2004 届物理高考总复习教案.- 57 -第九章 磁场一、基本概念1.磁场的产生磁极周围有磁场。电流周围有磁场（奥斯特） 。安培提出分子电流假说（又叫磁性起源假说） ，认为磁极的磁场和电流的磁场都是由电荷的运动产生的。 （不等于说所有磁场都是由运动电荷产生的。 ）变化的电场在周围空间产生磁场（麦克斯韦） 。2.磁场的基本性质磁 场 对 放 入 其 中 的 磁 极 和 电 流 有 磁 场 力 的 作 用 (对 磁 极 一 定 有 力 的 作 用 ； 对 电 流 只 是可 能 有 力 的 作 用 ， 当 电 流 和 磁 感 线 平 行 时 不 受 磁 场 力 作 用 )。 这 一 点
2、 应 该 跟 电 场 的 基 本性 质 相 比 较 。3.磁感应强度（条件是匀强磁场中，或 L 很小，并且 LB ） 。ILFB磁感应强度是矢量。单位是特斯拉，符号为 T，1T=1N/(Am)=1kg/(As 2)4.磁感线 用 来 形 象 地 描 述 磁 场 中 各 点 的 磁 场 方 向 和 强 弱 的 曲 线 。 磁 感 线 上 每 一 点 的 切 线 方向 就 是 该 点 的 磁 场 方 向 ， 也 就 是 在 该 点 小 磁 针 静 止 时 N 极 的 指 向 。 磁 感 线 的 疏 密 表 示 磁场 的 强 弱 。磁感线是封闭曲线（和静电场的电场线不同） 。要熟记常见的几种磁场的磁
3、感线：安培定则（右手螺旋定则）：对直导线，四指指磁感线方向；对环行电流，大地球磁场 通电直导线周围磁场 通电环行导线周围磁场松门中学 2004 届物理高考总复习教案.- 58 -拇指指中心轴线上的磁感线方向；对长直螺线管大拇指指螺线管内部的磁感线方向。5.磁通量如果在磁感应强度为 B 的匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，其面积为S，则定义 B 与 S 的乘积为穿过这个面的磁通量，用 表示。 是标量，但是有方向（进该面或出该面） 。单位为韦伯，符号为 Wb。1W b=1Tm2=1Vs=1kgm2/(As2)。可以认为磁通量就是穿过某个面的磁感线条数。在匀强磁场磁感线垂直于平面的情况下，B=
4、/S，所以磁感应强度又叫磁通密度。在匀强磁场中，当 B 与 S 的夹角为 时，有 =BSsin 。二、安培力 （磁场对电流的作用力）1.安培力方向的判定用左手定则。用“同性相斥，异性相吸” （只适用于磁铁之间或磁体位于螺线管外部时） 。用“同向电流相吸，反向电流相斥” （反映了磁现象的电本质） 。可以把条形磁铁等效为长直螺线管（不要把长直螺线管等效为条形磁铁） 。只要两导线不是互相垂直的，都可以用“同向电流相吸，反向电流相斥”判定相互作用的磁场力的方向；当两导线互相垂直时，用左手定则判定。例 1. 如图所示，可以自由移动的竖直导线中通有向下的电流，不计通电导线的重力，仅在磁场力作用下，导线将如
5、何移动？解：先画出导线所在处的磁感线，上下两部分导线所受安培力的方向相反，使导线从左向右看顺时针转动；同时又受到竖直向上的磁场的作用而向右移动（不要说成先转 90后平移） 。分析的关键是画出相关的磁感线。例 2. 条形磁铁放在粗糙水平面上，正中的正上方有一导线，通有图示方向的电流后，磁铁对水平面的压力将会(增大、减小还是不变？)。水平面对磁铁的摩擦力大小为。解：本题有多种分析方法。画出通电导线中电流的磁场中通过两极的那条磁感线（如图中粗虚线所示） ，可看出两极受的磁场力的合力竖直向上。磁铁对水平面的压力减小，但不受摩擦力。画出条形磁铁的磁感线中通过通电导线的那一条（如图中细虚线所示） ，可看出
6、导线受到的安培力竖直向下，因此条形磁铁受的反作用力竖直向上。把条形磁铁等效为通电螺线管，上方的电流是向里的，与通电导线中的电流是同向电流，所以互相吸引。例 3. 如图在条形磁铁 N 极附近悬挂一个线圈，当线圈中通有逆时针方向的电流时，线圈将向哪个方向偏转？解：用“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”最简单：条形磁铁的等效螺线管的电流在正面是向下的，与线圈中的电流方向相反，互相排斥，而左边的线圈匝数多所以线圈向右偏转。 （本题如果用“同名磁极相斥，异名磁极相吸”将出现判断错误，因为那只适用于线圈位于磁铁外部的情况。 ）例 4. 电视机显象管的偏转线圈示意图如右，即时电流方向如图所示。该时刻由里向
7、外射出的电子流将向哪个方向偏转？SNIN SF FF /FS Ni松门中学 2004 届物理高考总复习教案.- 59 -解：画出偏转线圈内侧的电流，是左半线圈靠电子流的一侧为向里，右半线圈靠电子流的一侧为向外。电子流的等效电流方向是向里的，根据“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥” ，可判定电子流向左偏转。 （本题用其它方法判断也行，但不如这个方法简洁） 。2.安培力大小的计算F=BLIsin （ 为 B、L 间的夹角）高中只要求会计算 =0（不受安培力）和 =90两种情况。例 5. 如图所示，光滑导轨与水平面成 角，导轨宽 L。匀强磁场磁感应强度为 B。金属杆长也为 L ，质量为 m，水平放
8、在导轨上。当回路总电流为 I1 时，金属杆正好能静止。求：B 至少多大？这时 B 的方向如何？若保持 B 的大小不变而将 B 的方向改为竖直向上，应把回路总电流 I2 调到多大才能使金属杆保持静止？解：画出金属杆的截面图。由三角形定则可知，只有当安培力方向沿导轨平面向上时安培力才最小，B 也最小。根据左手定则，这时 B 应垂直于导轨平面向上，大小满足：BI 1L=mgsin ， B=mgsin /I1L。当 B 的方向改为竖直向上时，这时安培力的方向变为水平向右，沿导轨方向合力为零，得 BI2Lcos =mgsin ，I 2=I1/cos 。 （在解这类题时必须画出截面图，只有在截面图上才能正
9、确表示各力的准确方向，从而弄清各矢量方向间的关系） 。例 6. 如图所示，质量为 m 的铜棒搭在 U 形导线框右端，棒长和框宽均为 L，磁感应强度为 B 的匀强磁场方向竖直向下。电键闭合后，在磁场力作用下铜棒被平抛出去，下落 h 后落在水平面上，水平位移为 s。求闭合电键后通过铜棒的电荷量 Q。解：闭合电键后的极短时间内，铜棒受安培力向右的冲量 F t=mv0而被平抛出去，其中 F=BIL，而瞬时电流和时间的乘积等于电荷量 Q=I t，由平抛规律可算铜棒离开导线框时的初速度 ，最终可得 。hgstv20hgBLms2三、洛伦兹力1.洛伦兹力运动电荷在磁场中受到的磁场力叫洛伦兹力，它是安培力的微
10、观表现。计算公式的推导：如图所示，整个导线受到的磁场力（安培力）为 F 安 =BIL；其中 I=nesv；设导线中共有N 个自由电子 N=nsL；每个电子受的磁场力为 F，则 F安 =NF。由以上四式可得 F=qvB。条件是 v 与 B 垂直。当 v 与 B 成 角时，F=qvB sin 。2.洛伦兹力方向的判定在用左手定则时，四指必须指电流方向（不是速度方向） ，即正电荷定向移动的方向；对负电荷，四指应指负电荷定向移动方向的反方向。例 7. 磁流体发电机原理图如右。等离子体高速从左向右喷射，两极板间有如图方向的匀强磁场。该发电机哪个极板为正极？BBh sB R + IBF 安F松门中学 20
11、04 届物理高考总复习教案.- 60 -两板间最大电压为多少？解：由左手定则，正、负离子受的洛伦兹力分别向上、向下。所以上极板为正。正、负极板间会产生电场。当刚进入的正负离子受的洛伦兹力与电场力等值反向时，达到最大电压：U=Bdv。当外电路断开时，这也就是电动势 E。当外电路接通时，极板上的电荷量减小，板间场强减小，洛伦兹力将大于电场力，进入的正负离子又将发生偏转。这时电动势仍是 E=Bdv，但路端电压将小于 Bdv。在定性分析时特别需要注意的是：正负离子速度方向相同时，在同一磁场中受洛伦兹力方向相反。外电路接通时，电路中有电流，洛伦兹力大于电场力，两板间电压将小于Bdv，但电动势不变（和所有
12、电源一样，电动势是电源本身的性质。 ）注意在带电粒子偏转聚集在极板上以后新产生的电场的分析。在外电路断开时最终将达到平衡态。例 8. 半导体靠自由电子（带负电）和空穴（相当于带正电）导电，分为 p 型和 n 型两种。p 型半导体中空穴为多数载流子；n 型半导体中自由电子为多数载流子。用以下实验可以判定一块半导体材料是 p 型还是 n 型：将材料放在匀强磁场中，通以图示方向的电流I，用电压表比较上下两个表面的电势高低，若上极板电势高，就是 p 型半导体；若下极板电势高，就是 n 型半导体。试分析原因。解：分别判定空穴和自由电子所受的洛伦兹力的方向，由于四指指电流方向，都向右，所以洛伦兹力方向都向
13、上，它们都将向上偏转。p 型半导体中空穴多，上极板的电势高；n 型半导体中自由电子多，上极板电势低。注意：当电流方向相同时，正、负离子在同一个磁场中的所受的洛伦兹力方向相同，所以偏转方向相同。3.洛伦兹力大小的计算带电粒子在匀强磁场中仅受洛伦兹力而做匀速圆周运动时，洛伦兹力充当向心力，由此可以推导出该圆周运动的半径公式和周期公式： BqmTvr2,例 9. 如图直线 MN 上方有磁感应强度为 B 的匀强磁场。正、负电子同时从同一点 O 以与 MN 成 30角的同样速度 v 射入磁场（电子质量为 m，电荷为 e） ，它们从磁场中射出时相距多远？射出的时间差是多少？解：正负电子的半径和周期是相同的
14、。只是偏转方向相反。先确定圆心，画出半径，由对称性知：射入、射出点和圆心恰好组成正三角形。所以两个射出点相距 2r，由图还看出经历时间相差 2T/3。答案为射出点相距 ，时间Bemvs2差为 。关键是找圆心、找半径和用对称。Bqmt34例 10. 一 个 质 量 为 m 电 荷 量 为 q 的 带 电 粒 子 从 x 轴 上 的 P(a， 0)点 以速 度 v， 沿 与 x 正 方 向 成 60的 方 向 射 入 第 一 象 限 内 的 匀 强 磁 场 中 ，IM NBOvyxoBvvaO/松门中学 2004 届物理高考总复习教案.- 61 -并 恰 好 垂 直 于 y 轴 射 出 第 一 象
15、 限 。 求 匀 强 磁 场 的 磁 感 应 强 度 B 和 射 出 点 的 坐 标 。解：由射入、射出点的半径可找到圆心 O/，并得出半径为 ；射aqmvvar23,32得出点坐标为（0， ） 。a34.带电粒子在匀强磁场中的偏转穿过矩形磁场区。一定要先画好辅助线（半径、速度及延长线）。偏转角由 sin =L/R 求出。侧移由 R2=L2-(R-y)2 解出。经历时间由得出。Bqmt注意，这里射出速度的反向延长线与初速度延长线的交点不再是宽度线段的中点，这点与带电粒子在匀强电场中的偏转结论不同！穿过圆形磁场区。画好辅助线（半径、速度、轨迹圆的圆心、连心线） 。偏角可由 求出。经历时间由 得出
16、。Rr2tanBqmt注意：由对称性，射出线的反向延长线必过磁场圆的圆心。四、带电粒子在混合场中的运动1.速度选择器正交的匀强磁场和匀强电场组成速度选择器。带电粒子必须以唯一确定的速度（包括大小、方向）才能匀速（或者说沿直线）通过速度选择器。否则将发生偏转。这个速度的大小可以由洛伦兹力和电场力的平衡得出：qvB=Eq， 。在本图中，速度方向必须BEv向右。这个结论与离子带何种电荷、电荷多少都无关。若速度小于这一速度，电场力将大于洛伦兹力，带电粒子向电场力方向偏转，电场力做正功，动能将增大，洛伦兹力也将增大，粒子的轨迹既不是抛物线，也不是圆，而是一条复杂曲线；若大于这一速度，将向洛伦兹力方向偏转
17、，电场力将做负功，动能将减小，洛伦兹力也将减小，轨迹是一条复杂曲线。例 11. 某带电粒子从图中速度选择器左端由中点 O 以速度 v0 向右射去，从右端中心 a 下方的 b 点以速度 v1 射出；若增大磁感应强度 B，该粒子将打到 a 点上方的 c 点，且有 ac=ab，则该粒子带_电；第二次射出时的速度为_。解：B 增大后向上偏，说明洛伦兹力向上，所以为带正电。由于洛伦兹力总不做功，所以两次都是只有电场力做功，第一次为正功，第二次为负功，但功的绝对值相同。 21022021,1vmvvm例 12. 如图所示，一个带电粒子两次以同样的垂直于场线的初速度 v0 分别穿越匀强电场区和匀强磁场区，
18、场区的宽度均为 L 偏转角度均为 ，求 EBBv LROy vr vR vO/Ov0 abco vLBEv0松门中学 2004 届物理高考总复习教案.- 62 -解：分别利用带电粒子的偏角公式。在电场中偏转：，在磁场中偏转： ，由以上两式可得 。可以证明：当偏转20tanmvEqL0sinmvLBqcos0vBE角相同时，侧移必然不同（电场中侧移较大） ；当侧移相同时，偏转角必然不同（磁场中偏转角较大） 。2.带电微粒在重力、电场力、磁场力共同作用下的运动带电微粒在三个场共同作用下做匀速圆周运动。必然是电场力和重力平衡，而洛伦兹力充当向心力。例 13. 一个带电微粒在图示的正交匀强电场和匀强磁
19、场中在竖直面内做匀速圆周运动。则该带电微粒必然带_，旋转方向为_。若已知圆半径为 r，电场强度为 E 磁感应强度为 B，则线速度为 _。解：因为必须有电场力与重力平衡，所以必为负电；由左手定则得逆时针转动；再由 rgvBqmrg得和与力学紧密结合的综合题，要认真分析受力情况和运动情况（包括速度和加速度） 。必要时加以讨论。例 14. 质量为 m 带电量为 q 的小球套在竖直放置的绝缘杆上，球与杆间的动摩擦因数为 。匀强电场和匀强磁场的方向如图所示，电场强度为 E，磁感应强度为 B。小球由静止释放后沿杆下滑。设杆足够长，电场和磁场也足够大， 求运动过程中小球的最大加速度和最大速度。解：不妨假设设小球带正电（带负电时电场力和洛伦兹力都将反向，结论相同） 。刚释放时小球受重力、电场力、弹力、摩擦力作用，向下加速；开始运动后又受到洛伦兹力作用，弹力、摩擦力开始减小；当洛伦兹力等于电场力时加速度最大为 g。随着 v 的增大，洛伦兹力大于电场力，弹力方向变为向右，且不断增大，摩擦力随着增大，加速度减小，当摩擦力和重力大小相等时，小球速度达到最大 。BEqmv若将磁场的方向反向，而其他因素都不变，则开始运动后洛伦兹力向右，弹力、摩擦力不断增大，加速度减小。所以开始的加速度最大为 ；摩擦力等于重力mEqga时速度最大，为 。BEqgvEqmgNv afvmqvB Eq N fmgE B
