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第2章 打开电磁联系的大门
第2章 打开电磁联系的大门
新知初探,自学导引
梳理知识·夯实基础
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要点突破·思维启动
突破疑难·讲练提升
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典题示例·讲练互动
以例说法·触类旁通(共28张PPT)
C
D安培力与磁感应强度 改写通信史的发明——电报和电话
1．知道影响安培力大小和方向的因素．知道左手定则和安培力大小的计算公式．能用左手定则判断安培力的方向，能计算在匀强磁场中，当通电导线与磁场方向垂直时安培力的大小． 2．知道磁感应强度的定义和磁感应强度方向的定义，会用磁感应强度来描述磁场． 3．理解磁通量及其定义，确认在磁感应强度为B的匀强磁场中，穿过与磁场方向垂直、面积为S的平面的磁通量Φ与B、S的关系． 4．了解电报、电话的发明和利用对人类社会生活的巨大影响．
一、安培力与磁感应强度
1．什么叫安培力
磁场对电流的作用力通常叫做安培力．两根直导线之间的相互作用，也是通过电流发生的，即：
2．安培力的方向
判断安培力的方向，可用左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁感线垂直穿过手心，并使四指指向电流的方向，那么大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．
3．安培力的大小
安培力的大小跟磁场强弱、电流大小和导线长度有关．当导线垂直磁场方向放置时，磁场越强，电流越大，在磁场中的导线越长，安培力越大．
4．磁感应强度
(1)磁场不仅有方向，而且有强弱，描述磁场强弱和方向的物理量叫做磁感应强度．
(2)定义式：B＝．
(3)单位：特斯拉，简称特，符号是T．1 T＝1 N/A·m．
(4)在磁场中可以利用磁感线来形象地描述各点的磁场方向．所谓磁感线，是在磁场中画出的一些有方向的假想曲线，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．磁场有强弱之分，越靠近磁极的地方磁感线越密．
(5)磁感应强度的方向就是磁场的方向，也就是某处小磁针N极的受力方向．
地磁场的N极在北极附近吗？
提示：不，在南极附近．
5．匀强磁场：在磁场中的某一区域，如果磁感应强度的大小和方向处处相同，这个区域的磁场叫做匀强磁场．
6．磁通量
(1)定义：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，我们把磁感应强度B与面积S的乘积叫做穿过这个面的磁通量，简称磁通．
(2)公式：Φ＝BS，注意：此公式只适用于B与S垂直的情况．
(3)单位：韦伯，简称韦，国际符号是Wb，1 Wb＝1 T·m2．
二、改写通信史的发明——电报和电话
1．莫尔斯的电报发明之旅
在1753年，英国的摩尔逊利用静电感应原理，设计了静电电报机．19世纪以来，利用电流磁效应，英国的戴维研制了电磁式电报机，库克和惠斯通研制了五针式电报机．后来，莫尔斯利用电磁铁设计了世界上第一台电报机．莫尔斯的电报机由发报机和收报机组成．
2．贝尔的联想
(1)由留声机产生的联想
贝尔研究了留声机的结构原理后，形成了电话机的最初构思．
(2)由人耳产生的联想
为了便于簧片振动发声，贝尔想到了人的耳朵，设计出一张小而薄的膜片去推动簧片．
(3)由吉他产生的联想
由吉他得到启发：应该在送话器和受话器上加个共鸣装置——助音箱．
一、磁感应强度
1．正确理解磁感应强度
(1)磁感应强度由磁场本身决定，跟在该位置放入的导体长度l，电流I的大小及受到磁场的作用力均无关，与放不放通电导体也无关．
(2)不能根据公式B＝就说B与F成正比，与Il成反比．
(3)由公式B＝计算B时，通电直导线必须垂直于磁场放入．如果小段通电导线平行放入磁场，其所受安培力F为零，但不能说该处磁感应强度B为零．
(4)磁感应强度的方向不是通电导线所受磁场作用力的方向，而是与受到作用力的方向垂直．
2．磁感应强度与电场强度
名称项目 磁感应强度B 电场强度E
物理意义 描述磁场力的性质 描述电场力的性质
定义式 B＝(I⊥B) E＝
方向 小磁针N极受力方向 放入该点正电荷受力方向
场的叠加 合磁感应强度等于各磁场的磁感应强度的矢量和 合场强等于各电场的场强的矢量和
单位 1 T＝1 1 N/C＝1 V/m
(1)电场强度的方向与电荷的受力方向在同一直线上，而磁感应强度的方向与电流的受力方向是互相垂直的．
(2)磁感应强度B＝和电场强度E＝都是描述场的力的性质的物理量，其大小都是由场的性质决定，两个公式都是比值定义物理量的体现．
二、安培力的方向及计算
1．安培力方向的判定
(1)安培力的方向总是既与磁场方向垂直，又与电流方向垂直，也就是说安培力的方向总是垂直于磁场和电流所决定的平面，在判断时要首先确定磁场与电流所确定的平面，从而判断出安培力的方向在哪一条直线上，然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向．
(2)当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直于电流与磁场所决定的平面，所以仍可用左手定则来判断安培力的方向，只是磁感线不再垂直穿过手心．
(3)左手定则反映磁场方向、电流方向、安培力方向三者的关系．
只要已知其中任意两个方向，就可以判断第三者的方向，无论电流方向是与磁场方向垂直，还是成锐角、钝角，安培力的方向总是具有这样一个特点：同时垂直于电流方向和磁场方向．
安培定则反映的是电流方向与它产生的磁场方向之间的关系，而左手定则反映的是电流方向、磁场方向和安培力方向三者之间的关系，注意区分．
2．安培力大小的计算
(1)B、I、l两两垂直时，F＝BIl
(2)若B与I(l)夹角为θ时，F＝BIlsin θ
在计算安培力时，若放入磁场中的导线是弯曲导线，则求解安培力时应用其长度的有效值，即两端点所连直线的长度．如图所示．
三、磁通量的认识
1．磁通量正、负的认识
磁通量有正、负之分，其正、负是这样规定的：任何一个面都有正、反两面，若规定磁感线从正面穿入为正磁通量，则磁感线从反面穿入时磁通量为负值．若磁感线沿相反方向穿过同一平面，且正向磁感线条数为Φ1，反向磁感线条数为Φ2，则磁通量等于穿过该平面的磁感线的净条数(磁通量的代数和)，即Φ＝Φ1－Φ2．
2．磁通量的计算
磁通量指穿过某一面积的磁感线条数，在匀强磁场中，穿过与磁场方向垂直、面积为S的平面的磁通量Φ＝BS，若
磁感线与平面不垂直时，如图所示，我们采用投影的方法，将平面向垂直于磁场的方向上投影，就可得到磁通量的一般的计算公式Φ＝BS′＝BS·cos θ．
图中的S′为面积是S的平面α在垂直于磁感线方向上的投影面积．θ为平面α与该平面沿垂直磁场方向的投影面之间的夹角．
题型1 对磁感应强度的理解
下列说法中正确的是( )
A．磁场中某一点的磁感应强度可以这样测定：一小段通电导线放在该点时所受到的磁场力F与该导线的长度l、通过的电流I乘积的比值，即B＝
B．通电导线在某点不受磁场力的作用，则该点的磁感应强度一定为零
C．磁感应强度B＝只是定义式，它的大小取决于场源以及导线在磁场中的位置，与F、I、l以及通电导线在磁场中的方向无关
D．通电导线所受磁场力的方向就是磁场的方向
[思路点拨] 磁感应强度B＝是反映磁场的力的性质的物理量，是采用比值的方法来定义的，该公式是定义式而不是决定式，磁场中各处的B值是唯一确定的，与放入该点的检验电流的大小、方向等无关，实验表明：磁场力方向是与磁场方向垂直的，在这一点上磁场与电场是不一样的．
[解析] 根据磁感应强度的定义，通电导线应为“在磁场中垂直于磁场方向的通电导线”，只有在这个方向，导线所受磁场力才最大，本题A选项未注明导线放置的方向，所以是错误的．通电导线放置方向与电流平行时，也不受磁场力作用，所以B选项也是错误的．在磁场场源稳定的情况下，磁场内各点的磁感应强度(含大小和方向)都是唯一确定的，与放入该点的检验电流导线无关，选项C正确．根据左手定则，磁场力方向与磁感应强度方向垂直，选项D错误．
[答案] C
1．在测定磁场中某点的磁场时，得到下图中的几个关系图像，正确的是( )
解析：选AD．解此题的关键是抓住磁感应强度是由磁场决定的量，与F、I无关．
题型2 安培力的大小和方向
在赤道上，地磁场可以看成沿南北方向并且与地面平行的匀强磁场，磁感应强度是5×10－5 T．如果赤道上有一条沿东西方向的直导线，长20 m，载有从东向西的电流30 A，地磁场对这根导线的作用力有多大？方向如何？
[思路点拨] 在匀强磁场中，当导线与磁场方向垂直放置时，安培力的大小用F＝BIl计算．
[解析] 磁场沿南北方向，导线沿东西方向，即B⊥l，所以F＝BIl＝5×10－5×30×20 N＝3×10－2 N，由左手定则可判定导线所受安培力的方向竖直向下．
[答案] 3×10－2 N 竖直向下
应用F＝BIl计算安培力大小时要注意两点．
(1)通电导线一定要与磁场垂直放置．
(2)通电导线长度l一定是“有效长度”．
2．如图所示，一根长为L、质量为m的导线AB，用软导线悬挂在方向水平的磁感应强度为B的匀强磁场中．现要使悬线张力为零，则AB导线中电流方向应该怎样？电流是多大？
解析：使悬线张力为零，安培力F与重力是一对平衡力．安培力竖直向上，由左手定则可判定电流由A向B．由mg＝BIL得I＝mg/(BL)．
答案：见解析
题型3 对磁通量的理解
匀强磁场中有一个与磁场垂直放置的矩形线圈面积为S，磁场的磁感应强度为B，在它轴线中心从图所示位置转过180°的过程中，求该线圈磁通量的变化．
[思路点拨] 磁通量是标量，但有正、负之分，在磁场中的某一个面，磁感线从正面穿过为正，那么从反面穿过就是负，正、负号纳入代数运算．
[解析] 起始状态的磁通量Φ1＝BS．末态的磁通量大小Φ2＝BS，但初态是从正面穿入，末态则从反面穿出．若初态Φ1为负，则Φ2为正．所以ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝BS－(－BS)＝2BS，而不是零．
[答案] 2BS
正确认识磁通量和磁通量的变化量，应注意以下两点：第一，磁通量是针对一个面而说的，要弄明白是正面还是反面，穿入还是穿出；第二，磁通量大小的计算是算“纯收入”，即数值无正负之分．
3．如图所示，矩形线框平面与匀强磁场方向垂直，穿过的磁通量为Φ．若线框面积变为原来的，则磁通量变为( )
A．Φ B．Φ
C．2Φ D．4Φ
答案：B
[随堂检测]
1．如图所示，用一块蹄形磁铁靠近发光的白炽灯，灯丝会持续颤抖，产生上述现象的原因主要是灯丝受到了( )
A．重力
B．电场力
C．恒定的安培力
D．变化的安培力
解析：选D．白炽灯灯丝中通有电流，在外加磁场中受到变化的安培力作用而颤抖．
2．关于磁感应强度，下列说法中正确的是( )
A．由B＝可知，B与F成正比，与Il成反比
B．由B＝可知，一小段通电导线在某处不受磁场力，则说明该处一定无磁场
C．通电导线在磁场中受力越大，说明磁场越强
D．磁感应强度的方向就是静止的小磁针北极指向
解析：选D．磁场中某点的磁感应强度B是客观存在的，与是否放通电导线及通电导线受力的大小无关，所以选项A、C均错．当电流方向与磁场方向平行时，磁场对电流无作用力，但磁场却存在，所以选项B错．磁感应强度的方向就是小磁针静止时N极的指向，而不是通电导线的受力方向．
3．磁感线是用来形象地描述磁场的曲线，下图分别描述的是条形磁铁、蹄形磁铁、通电直导线、环形电流的磁感线分布，其中正确的是( )
解析：选ABD．磁体的磁场磁感线的方向是：在磁体外部从N极指向S极，在磁体内部从S极指向N极，故A、B图均对．电流的磁场磁感线的分布可用安培定则判断，C错，D对．
4．下列说法中，正确的是( )
A．磁通量是描述磁场强弱的物理量
B．电场线与磁感线都是不封闭曲线
C．在匀强磁场中，a线圈面积比b线圈大，则穿过a线圈的磁通量一定比穿过b线圈的大
D．磁感应强度是描述磁场强弱的物理量
解析：选D．磁通量Φ＝BS·cos θ，磁场强的地方，磁感应强度B一定大，但Φ不一定大．面积S大，Φ也不一定大．磁感线是封闭曲线，故A、B、C均不正确．
5．图中磁感应强度B，电流I和安培力F之间的方向关系错误的是( )
解析：选D．由左手定则不难判定A、B、C均正确，D选项中导线所受安培力方向应向左．故答案为D．
[课时作业][学生用书P74(单独成册)]
一、选择题
1．关于对通电直导线所受安培力F、磁感应强度B和电流I三者方向之间的关系，下列说法正确的是( )
A．F、B、I三者必定均保持垂直
B．F必定垂直于B、I，但B不一定垂直于I
C．B必定垂直于F、I，但F不一定垂直于I
D．I必定垂直于F、B，但F不一定垂直于B
解析：选B．由左手定则知力F垂直平面BI，但B和I不一定垂直，故选项B正确．
2．关于磁感应强度的方向，下列说法中正确的是( )
A．磁场中某点的磁感应强度的方向就是该点的磁场方向
B．磁场中某点的磁感应强度的方向就是通过该点的磁感线的切线方向
C．磁场中某点磁感应强度的方向就是小磁针在该点静止时北极的指向
D．磁场中某点磁感应强度的方向就是小磁针在该点受磁场力的方向
解析：选ABC．根据磁感应强度的方向特点，可判定选项A、B、C正确．选项D错误，应为小磁针N极受力的方向．
3．关于对磁通量的描述，下列说法正确的是( )
A．位于磁场中的一个平面垂直磁场方向时，穿过该平面的磁通量最大
B．穿过平面的磁通量最大时，该处的磁感应强度一定最大
C．如果穿过某平面的磁通量为零，则该处的磁感应强度一定为零
D．将一平面置于匀强磁场中的任何位置，穿过该平面的磁通量总是相等
解析：选A．由磁通量Φ＝BS·cos θ可知磁通量不但与B、S有关，还与平面与该平面沿垂直磁场方向的投影面之间的夹角有关．Φ＝0，B不一定为零，Φ最大，B也不一定大．故选项A正确．
4．在一根长为0．2 m的直导线中通入2 A的电流，将导线放在磁感应强度为0．5 T的匀强磁场中，则导线受到的安培力的大小可能是( )
A．0．4 N B．0．2 N
C．0．1 N D．0
解析：选BCD．当导线与磁场方向垂直时，有效长度l最大，安培力最大，Fmax＝BIl＝0．5×2×0．2 N＝0．2 N．当导线与磁场方向平行时，有效长度l＝0，此时安培力最小，Fmin＝0，所以安培力大小的范围是0≤F≤0．2 N，故B、C、D均正确．
5．
如图所示，A、B是通电导线左右两侧的点，这两点磁感应强度的方向( )
A．均垂直于纸面向里
B．均垂直于纸面向外
C．A点垂直于纸面向里，B点垂直于纸面向外
D．A点垂直于纸面向外，B点垂直于纸面向里
答案：D
6．一段通电导线，放在同一匀强磁场中的四个不同位置，如图所示，则( )
A．乙情况下导线不受安培力
B．乙、丙两种情况下导线都不受安培力
C．丙情况下导线受的安培力大于甲情况下导线受的安培力
D．甲、丁情况下，导线所受安培力大小相等
解析：选A．图示四种情况中，乙图中电流方向与磁场方向平行，故乙中导线所受安培力为零；甲、丙中导线都垂直磁场放置，故甲、丙中导线所受安培力最大，且大小一样；丁中导线与磁场成一夹角，其所受安培力小于甲、丙中导线所受安培力．
7．如图所示是“探究影响通电导线受力的因素”实验的部分装置，下列操作中能增大导体棒上摆幅度的是( )
A．移去一块蹄形磁铁
B．减小导体棒中的电流
C．导体棒接入端由②③改为①④
D．导体棒接入端由①④改为②③
解析：选C．由安培力计算公式F＝BIl知，增大磁场、增大电流及导线长度l可使导体棒所受安培力增大，从而使导体棒上摆幅度增大．
8．如图所示，质量为m的通电细杆ab置于倾角为θ的两平行导轨上，导轨宽度为d，杆ab和导轨之间的动摩擦因数为μ，有电流时，ab恰好在导轨上静止，图中的四个侧视图标出了四种磁场的方向，其中杆ab和导轨之间的摩擦力可能为零的是( )
解析：选AB．A中导电细杆受到竖直向上的安培力，细杆所受的摩擦力可能为零．B中导电细杆受到水平向右的安培力，摩擦力可能为零．C中导电细杆受到竖直向下的安培力，摩擦力不可能为零．D中导电细杆受到水平向左的安培力，摩擦力不可能为零，故A、B正确．
二、非选择题
9．通电直导线A与圆形通电导线环B固定放置在同一水平面上，当通有如图所示的电流时，通电直导线A受到水平
向________的安培力作用．当A、B中电流大小保持不变，但同时改变方向时，通电直导线A所受到的安培力方向水平向________．
解析：由左手定则可以判断，通如题图所示电流时，导线A处在B产生的磁场中，且方向垂直纸面向里，故受力向右．都反向时，同理可以分析受力仍然向右．
答案：右 右
10．某地的地磁场磁感应强度B的水平分量Bx＝0．72×10－4 T，竖直分量By＝0．54×10－4 T．求：
(1)地磁场B的大小及方向；
(2)在水平面内有面积为2．0 m2的某平面S，穿过S的磁通量多大？
解析：(1)B＝eq \r(B＋B)＝0．90×10－4 T，假设地磁场与水平方向的夹角为α，tan α＝＝＝，所以α＝37°
地磁场方向与水平方向成37°角．
(2)根据公式Φ＝ByS＝0．54×10－4×2．0 Wb
＝1．08×10－4 Wb．
答案：见解析
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