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5.6 洛伦兹力与现代科技
在现代物理学实验中，人们要用能量很高的带电粒子去轰击各种原子核，观察它们的变化情况，怎样才能在实验室产生大量高能量的带电粒子呢？这就要用一种新的实验设备——加速器．加速器的种类很多，回旋加速器就是
其中的一种，回旋加速器的原理是怎样的？
1．要点剖析
(1)主要构造：如右图所示．①带电粒子注入器；②加速电场(U)；③速度选择器(E、B1)；④偏转磁场(B2)；⑤照相底片．
(3)由上式可知，电荷量相同，如果质量有微小的差别，就会打在P处的不同位置处．如果在P处放上底片，就会出现一系列的谱线，不同的质量就对着一根确定的谱线，叫做质谱线，能完成这种工作的仪器就称为质谱仪．利用质谱仪对某种元素进行测量，可以准确地测出各种同位素的原子质量．
质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，现已成了一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．
2．思维拓展
(1)带电粒子在复合场中运动的解题方法
带电粒子在复合场中运动是指在电场、磁场和重力场并存的空间中运动．此类题型综合性强、难度大，求解时关键要注意从如下几方面去把握：
①正确地分析带电粒子的受力情况．判断带电粒子受重力作用能否忽略不计(一般带电物体、小球、微粒、液滴等所受重力均不能忽略)，电场力和洛伦兹力的大小和方向怎样．这些问题必须根据题意以及各场力的特征作出全面、正确的分析；
②正确地分析带电粒子运动情况．要确定：带电粒子做什么运动？是匀速还是变速？是直线还是曲线？有哪些运动过程？最典型的运动状态有平衡状态以及类平抛运动和匀速圆周运动等；
③善于从功和能的角度分析问题．洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，所以f不做功；重力和电场力做功与路径无关，做正功势能减少，做负功势能增大；
④准确从动量和电荷量切入问题．对于两个相互作用的带电粒子或系统，注意运用动量守恒和电荷量守恒的思想切入问题．对此类问题的切入方法不对，必然导致解题的错误；
⑤灵活地运用力学规律求解问题．在全面、正确的分析基础上，画好必要的受力图和运动轨迹图，再根据带电粒子的运动状态和过程，灵活地运用各种力学规律：如平衡条件、牛顿定律、动量守恒定律、功能关系等．
(2)关于磁流体发电机
①等离子体：即高温下电离的气体，含
有大量的带正电荷和负电荷的微粒，而从整
体来说呈中性．
通常状态下的空气呈电中性，对外不显
电性，但在高温下的气体(如雷雨放电、电弧焊、高压放电等条件下)被电离成正负离子，从而使原本呈电中性的空气成为包含正离子、负离子和空气分子的导电气体，处于这种状态的气体称为等离子体．自然界中的闪电通道、电弧焊的放电通道等都是等离子体．如上图所示中匀强磁场的磁感应强度为B.
②磁流体发电机的原理：如上图所示，垂直进入匀强磁场的等离子体，因只受洛伦兹力的作用而使粒子发生偏转．据左手定则可知：正粒子打在A板上；负粒子打在B板上，从而在AB之间形成电场，且电场越来越强，直到粒子所受的电场力与洛伦兹力相等为止．此时，发电机内部就形成了正交的电、磁场，其中的粒子就做匀速直线运动，即相当于速度选择器．
3．易误警示
(1)速度选择器两极板间距离极小，粒子稍有偏转，即打到极板上．
(2)速度选择器对正、负电荷均适用．
(3)速度选择器中的E、B1的方向具有确定的关系，仅改变其中一个方向，就不能对速度做出选择．
1．要点剖析
(1)主要构造
如右图所示：①粒子源；②两个D形金属盒；③匀强磁场；④高频电源；⑤粒子引出装置；⑥真空容器(图中未标出)．
(2)工作原理
如下图所示，从位于两D形盒的缝隙中央处的粒子源放射出的带电粒子，经两D形盒间的电场加速后，垂直磁场方向进入某一D形盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，经磁场偏转半个周期后又回到缝隙．此时缝隙间的电场方向恰好改变，带电粒子在缝隙中再一次被加速，以更大的速度进入另一D形盒做匀速圆周运动……这样，带电粒子不断地被加速，直至带电粒子在D形盒沿螺线轨道逐渐趋于盒的
边缘，达到预期的速率后，用特殊
装置把它们引出．
②多级加速
如下图所示是多级加速装置的原理图，由动能定理得，带电粒子经n级的电场加速后增加的动能为ΔEk＝q(U1＋U2＋U3＋…＋Un)．
③直线加速器的优缺点
多级加速器也经常叫做直线加速器．
优点：使带电粒子达到很大的速度．
缺点：多级加速器占用的空间范围太大，目前已经建成的直线加速器有的几公里长，甚至几十公里长，所以在有限的范围内制造多级加速器会受到很大的限制．
③能否无限制地回旋加速：由于相对论效应，当粒子速率接近光速时，粒子的质量将显著增加，从而粒子做圆周运动的周期将随粒子速率的增大而增大，如果加在D形盒两极的交变电场的周期不变的话，粒子由于每次“迟到”一点，就不能保证经过窄缝时总被加速．因此，同步条件被破坏，就不能再提高粒子的速率了．
④D形盒必须是金属盒，这是因为金属盒可以屏蔽外界电场对粒子运动的影响，这样才能保证粒子在盒内磁场中只受洛伦兹力而做匀速圆周运动．
质谱仪是用来测定带电粒子质量的一种装置，如下图所示，电容器两极板相距为d，两板间电压为U，极板间的匀强磁场的磁感应强度为B1，方向垂直纸面向外．一束电荷量相同质量不同的带正电荷的粒子沿电容器的中线平行于极板射入电容器，沿直线穿过电容器后进入另一磁感应强度为B2、方向垂直纸面向外的匀强磁场．结果分别打在感光片上的a、b两点，设a、b两点之间距离为Δx，粒子所带电荷量为q，且不计重力．求：
(1)粒子进入磁场B2时的速度v；
(2)打在a、b两点的粒子的质量之差Δm.
根据带电粒子所处的状态确定粒子受力特点．如粒子在电容器中做直线运动，表明垂直于直线方向上合力为零；如带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，表明洛伦兹力充当向心力等．
1.如右图所示的装置中，设法使某种有机化合物的气态分子导入容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的离子．分子离子从狭缝S1，以很小的速度进入电压为U的加速电场区(初速不计)，加速后，再通过狭缝S2、S3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ.最后分子离子打在感光片上，形成垂直于纸面且平行
于狭缝S3的细线．若测得细线到狭缝S3
的距离为d，试导出分子离子的质量m
的表达式．
如右图所示，回旋加速器是获得高能带电粒子的一种实验装置，它的核心部分相当于一个圆形的金属扁盒沿着直径切成两个D形盒，两个D形盒之间有一条很窄的狭缝，带电粒子源放在盒子的中心附近，整个装置都处在真空室中，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于D形盒的两个圆形底面，高频加速电源的两个极，分别与两个D形盒相连，
因此两个D形盒的窄缝之间有一个方向不断改变的电场，这样从带电粒子源发出的带电粒子，在通过窄缝时被加速，在匀强磁场作用下做匀速圆周运动，再次通过窄缝时又被加速……最后从D形盒的出口处射出．
(1)如D形盒的半径为R，试分析带电粒子最后从出口处沿切线方向飞出时的动能多大？
(2)两个D形盒的高频加速电压的频率f多大？(设被加速的带电粒子质量为m，电荷量为q，重力不计)
加速粒子的最终动能及速度与加速电压无关．
2.有一回旋加速器，两个D形盒的半径为R，两D形盒之间的高频电压为U，偏转磁场的磁感应强度为B.如果一个α粒子(氦原子核)和一个质子，都从加速器的中心开始被加速，试求它们从D形盒飞出时的速度之比．
【答案】 2∶1
1．回旋加速器是使带电粒子 ，获得 的实验设备．
2．回旋加速器是利用带电粒子在磁场中做 时，它的 与粒子的速度无关做成的．
3．回旋加速器中使粒子加速的是 ．而 是使带电粒子做圆周运动的．虽然粒子转动半径增大，但周期不变，这样加速电场的 保持不变，使实验操作易于进行．
速度增大
高能粒子
匀速圆周
运动
回旋周期
电场
磁场
频率
4．测带电粒子 的仪器叫质谱仪，工作过程为：先使待测粒子经过 ，再经过 ，最后进入 进行偏转．
比荷
加速电场加速
速度选择器
磁场
1．(考查点：带电粒子在磁场中的运动)在匀强磁场中，一个带电粒子做匀速圆周运动，如果又顺利垂直进入另一磁感应强度是原来磁感应强度2倍的匀强磁场，则( )
A．粒子的速率加倍，周期减半
B．粒子的速率不变，轨道半径减半
C．粒子的速率减半，轨道半径变为原来的1/4
D．粒子速度不变，周期减半
【答案】 BD
【答案】 BD
3. (考查点：带电粒子在有界磁场中的运动特点)如右图所示，以ab为分界面的两个匀强磁场，方向均垂直纸面向里，其磁感应强度B1＝2B2.现有一质量为m、电荷量为＋q的粒子从O点沿图示方向以速度v开始运动，经过多长时间粒子重新回到O点．并画出粒子的运动轨迹．
4．(考查点：带电粒子在磁场中的运动轨迹)
在右图中，水平导线中有电流I通过，导线正下方的电子初速度的方向与电流I的方向相同，则电子将( )
A．沿路径a运动，轨迹是圆
B．沿路径a运动，轨迹半径越来越大
C．沿路径a运动，轨迹半径越来越小
D．沿路径b运动，轨迹半径越来越小
【答案】 B
5．(考查点：带电粒子在匀强磁场中的运动规律)质子(p)和α粒子以相同的速率在同一匀强磁场中做匀速圆周运动，轨道半径分别为Rp、Rα，周期分别为Tp、Tα.则下列选项正确的是( )
A．Rp∶Rα＝1∶2 Tp∶Tα＝1∶2
B．Rp∶Rα＝1∶1 Tp∶Tα＝1∶1
C．Rp∶Rα＝1∶1 Tp∶Tα＝1∶2
D．Rp∶Rα＝1∶2 Tp∶Tα＝1∶1
【答案】 A
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5．4 探究安培力
在日常生活中，像奥斯特实验、指南针、医疗与磁悬浮列车等磁的应用，都离不开“力”．像电荷在电场中会受到力一样，电流在磁场中也会受到力的作用．
安培在研究磁场与电流的相互作用方面做出了杰出的贡献，为了纪念他，人们把通电导线在磁场中受的力称为安培力，安培力的方向、大小有何规律呢？
1．基本定义
磁场对电流的作用力叫做安培力．
2．要点剖析
(1)安培力的大小：在匀强磁场中，长为L的导体，通入电流I.
①若磁场B和电流I垂直时
F＝BIL
②若磁场B和电流I平行时
F＝0
③若磁场B和电流I成θ角时
F＝BILsin θ
(2)安培力的方向
通电导线在磁场中所受安培力的方向可用左手定则判断．
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(或倾斜)穿入手心，伸开四指指向电流方向，大拇指所指的方向即为导线所受安培力的方向．
电流所受安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直，所以安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所确定的平面．
3．思维拓展
(1)通电导体在安培力作用下运动方向的判断技巧：
①电流元受力分析法
即把整段电流等分为很多段直线电流元，先用左手定则判断出每小段电流元受到的安培力方向，再判断整段电流所受安培力合力的方向，从而确定导体的运动方向．
②特殊位置分析法
把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置(如转过90°)后，再判断所受安培力方向，从而确定运动方向．
③等效分析法
环形电流可等效为小磁针，条形磁铁也可等效为环形电流，通电螺线管可等效成多个环形电流或条形磁铁．
④利用结论法
a．两电流相互平行时无转动趋势．同向电流相互吸引，反向电流相互排斥．
b．两电流不平行时，有转动到相互平行且电流方向相同的趋势．
(2)安培力大小的计算方法
①正交分解法
如上图所示，通电直导线L与磁场方向的夹角为θ，可将磁感应强度B正交分解成B⊥和B∥两个分量，所以导线产生的安培力为
F＝B⊥IL＝BILsin θ
②等效法
所谓等效法是指用有效长度计算安培力的大小．
如右图所示，弯曲导线的有效长度为L，等于两端点所连直线的长度；相应的电流方向，沿L由始端流向末端，因为任意形状的闭合线圈，其有效长度L＝0，所以通电后在匀强磁场中，受到的安培力的矢量和一定为零，故任意弯曲的通电导线所受安培力一定等于直导线AB所受的安培力，即
F＝BIL
②安培力做功与路径有关．所以，绕闭合回路一周，安培力可以做正功，也可以做负功，还可以做零功，而不像重力和电场力做功一定为零．
③安培力做功的实质：将电源的能量传递给通电导线，而磁场本身并不提供能量．
(4)磁感应强度与电场强度的比较
4.易误警示
(1)公式F＝BILsin θ的适用条件：
①公式适用导线处在匀强磁场中，或导线所在范围内B是一个恒量；
②公式中θ指磁场和电流方向的夹角；
③公式中各物理量的单位为：F(牛顿N)、B(特斯拉T)、I(安培A)、L(米m)．
(2)安培定则和左手定则的区分
安培定则是用来确定直线电流方向、环形电流方向(螺线管)与其产生的磁感线方向之间关系的法则．左手定则是用来表示磁场方向、电流方向(电荷运动方向)和磁场力方向之间关系的法则．
两定则都各自存在因果关系．安培定则的“原因”是指电流，“结果”是指电流产生的磁场．左手定则的“原因”是指通电导线(运动的带电粒子)处在磁场中，“结果”是指导线受到的安培力．
安培力的方向
提出问题 安培力的方向跟电流方向、磁场方向存在怎样的关系
制定计划与设计实验 见课本P111图5－23实验，细铜杆中电流的方向可由电源极性确定；磁场的方向可由磁铁的N、S确定；根据刚通电时细铜杆运动的方向可以推知安培力的方向，进而寻求安培力的方向跟电流方向、磁场方向存在的关系
进行实验与收集证据 1.改变电流的方向，观察发生的现象．[现象]导体向相反的方向运动2.调换磁铁两极的位置来改变磁场方向，观察发生的现象．[现象]导体又向相反的方向运动
分析与结论 1.安培力的方向和磁场方向、电流方向有关系
2.安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直，也就是说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面．如下图所示
3．通电直导线所受安培力的方向和磁场方向、电流方向之间的关系，可以用左手定则来判定
如下图所示电路中，电池均相同，当开关S分别置于a、b两处时，导致MM′与NN′之间的安培力的大小分别为fa、fb，可判断这两段导线( )
A．相互吸引，fa>fb B．相互排斥，fa>fb
C．相互吸引，fa【解析】 不管电流方向如何，MM′和NN′两段导线中的电流方向总是相反的，则两段导线始终产生排斥力．又安培力的大小和电流成正比，单刀双掷开关接b时的电压高，则电流大，两段导线间产生的安培力也大．
【答案】 D
解决此类问题通常是先用安培定则分析磁场，再用左手定则分析通电导线受力(注意有时应将电流分区、分段考虑)．
1.在赤道上空，有一条沿东西方向水平架设的导线，当导线中的自由电子自东向西沿导线做定向移动时，导线受到地磁场的作用力的方向为( )
A．向北 B．向南
C．向上 D．向下
【解析】 电流方向自西向东，赤道上空地磁场方向由南向北，则由左手定则得安培力方向向上，应选C.
【答案】 C
如右图所示，导体杆ab的质量为m，电阻为R，放置在与水平面夹角为θ的倾斜金属导轨上，导轨间距为d，电阻不计，系统处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B，电池内阻不计，问：若导线光滑，电源电动势E多大才能使导体杆静止在导轨上？
【解析】 本题考查闭合电路欧姆定律、共点力的平衡、安培力公式的应用．解题时可先根据受力情况求出安培力，并进一步求出电流，最后由闭合电路欧姆定律求出电源电动势．
由闭合电路欧姆定律得：E＝IR
导体杆受力情况如右图，则由共点力平衡条件可得
F安＝mgtan θ
F安＝BId
这是一道力、电、磁综合问题，解决这类问题的基本思路是：
1．若是立体图，则必须先将立体图转换为平面图．
2．对物体受力分析，要注意安培力方向的确定．
3．根据平衡条件或物体的运动状态列出方程．
4．如果用到其他规律，如闭合电路欧姆定律、牛顿第二定律、能量的转化与守恒等，也要列出相应的方程．
5．解方程求解并验证结果．
2．如右图所示，条形磁铁放在水平桌面上，在其正中央上方固定一根长直导线，导线与条形磁铁垂直．当导线中通以垂直纸面向里的电流时，用N表示磁铁对桌面的压力，用f表示桌面对磁铁的摩擦力，则导线通电后与通电前受力相比较是( )
A．N减小，f＝0 B．N减小，f≠0
C．N增大，f＝0 D．N增大，f≠0
【解析】 用牛顿第三定律分析．画出一条通电电流为I的导线所在处的磁铁的磁感线，电流I处的磁场方向水平向左，由左手定则知，电流I受安培力方向竖直向上．根据牛顿第三定律可知，电流对磁铁的反作用力方向竖直向下，所以磁铁对桌面压力增大，而桌面对磁铁无摩擦力作用，故正确答案为选项C.
【答案】 C
1．安培力
(1)定义：通电导线在磁场中受到的磁场力．
(2)安培力的方向
①方向：与电流、磁感应强度的方向都 ，即 于电流、磁感应强度所决定的平面．
②判断方法：左手定则：
伸开左手，使拇指与其余四个手指 ，并且都与手掌在同一平面内．让磁感线从 进入，并使四指指向 ，这时 所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．
垂直
垂直
垂直
掌心
电流的
方向
拇指
2．安培力的大小
(1)垂直于磁场B放置的通电导线，公式F＝ .
(2)当磁感应强度B的方向与导线方向成θ角时，公式：
F＝ .
ILB
ILBsinθ
1．(考查点：磁感应强度的单位)下列可用来表示磁感应强度的单位关系的是( )
A．1 T＝1 kg/m2 B．1 T＝1 kg/(A·s2)
C．1 T＝1 kg·m2/(A·s2) D．1 T＝1 N/(A·m)
【答案】 BD
2．(考查点：安培力方向的判断)关于磁场对通电直导线的作用力(安培力)，下列说法正确的是( )
A．通电直导线在磁场中一定受到安培力的作用
B．通电直导线在磁场中所受安培力的方向一定跟磁场的方向垂直
C．通电直导线在磁场中所受安培力的方向一定跟电流的方向垂直
D．通电直导线在磁场中所受安培力的方向垂直于由B和I所确定的平面
【解析】 当电流方向与磁场方向平行时，通电直导线不受安培力作用，故A错误；据左手定则，判定安培力方向总垂直于电流方向和磁场方向所确定的平面，故B、C、D均正确。
【答案】 BCD
3．(考查点：左手定则的应用)
一根长直导线穿过载有恒定电流的环形导线中心且垂直于环面，导线与环中的电流如图所示，则环的受力( )
A．沿环的半径向外 B．沿环的半径向里
C．水平向左 D．不受力
【解析】 电流I2产生的磁场方向与I1的环绕方向处处平行，所以I1不受磁场力．
【答案】 D
4. (考查点：安培力的大小与方向)一根有质量的金属棒MN，两端用细软导线连接后悬挂于a、b两点，如右图所示．棒的中部处于方向垂直纸面向里的匀强磁场中，棒中通有电流，方向从M流向N，此时悬线上有拉力．为了使拉力等于零，可( )
A．适当减小磁感应强度 B．使磁场反向
C．适当增大电流强度 D．使电流反向
【答案】 C
5．(考查点：磁感应强度的理解)下列关于磁感应强度大小的说法中正确的是( )
A．磁感应强度的大小等于通电导线受到的磁场力的大小F与电流I及导线长度L的乘积的比值
B．通电导线所受磁场力大的地方磁感应强度一定大
C．电流在磁场中的某点不受磁场力，则该点的磁感应强度一定为零
D．磁感应强度的大小跟放在磁场中的通电导线受力的大小无关
【解析】 定义磁感应强度时，导线与磁场方向垂直，A中无“垂直”，故A错误；磁感应强度大小与导线受力大小无关，故B错误；当导线与磁场平行时，导线受磁场力为零，因此，电流在磁场中某点不受磁场力，并不能说明此处磁感应强度为零，故C错误；磁感应强度是磁场本身的属性，它的大小决定于磁场本身，跟F、I、L无关，D正确．
【答案】 D
练考题、验能力、轻巧夺冠(共48张PPT)
我国是世界上最早发现磁现象的国家．早在战国末年就有磁铁的记载．我国古代的四大发明之一的指南针就是其中之一，指南针的发明为世界的航海业作出了巨大的贡献．在现代生活中，利用磁场的仪器或工具随处可见，如我们将要学习的电流表、质谱仪、回旋加速器等等．本章课程标准要求如下：
(1)列举磁现象在生活和生产中的应用．了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响．关注与磁相关的现代技术发展．
(2)了解磁场，知道磁感应强度和磁通量．会用磁感线描述磁场．本条目的第一点要求是了解磁场也是物质存在的形式之一，磁场对其中的磁体和电流有力的作用，知道磁感应强度与磁通量的物理意义和定义式．第二点要求是知道磁感线也是形象地描述磁场的虚拟曲线．了解地磁场的分布及其变化情况．
(3)会判断通电直导线和通电线圈周围磁场的方向．本条目要求学生应能较熟练地应用安培定则，判断电流的磁场方向，并能用图表示，让学生了解安培分子电流假说，从而解释一些磁现象．
(4)通过实验，认识安培力．会判断安培力的方向．会计算匀强磁场中安培力的大小．
(5)通过实验，认识洛伦兹力．会判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小．了解电子束的磁偏转原理及其在科学技术中的应用．
(6)认识电磁现象的研究在社会发展中的作用．
5．1 磁与人类文明
5.2 怎样描述磁场
我们学习了电场之后，知道了电场的产生、电场的物质性、电场的基本特性，并且用电场线形象地描述了电场．那么磁场是否仅由磁铁产生呢？磁场又有哪些基本特性？能否用磁感线形象地描述磁场？这些问题很自然地会引发人们的思考．
1.要点剖析
(1)磁性：物质具有吸引铁、钴、镍等物质的性质叫磁性．
(2)磁体：具有磁性的物体叫磁体．
(3)磁极：磁体的各部分磁性强弱不同，磁性最强的区域叫磁极．
任何磁体都有两个磁极，一个叫南极(又称S极)，另一个叫北极(又称N极)
(4)地磁场
指南针在静止时沿地球南北方向取向，这
表明地球是一个大磁体，如右图所示，地磁极
的N极(北极)位于地理南极附近，地磁极的S极
(南极)位于地理北极附近，但地磁两极与地理
两极并不重合．有趣的是，地磁极有围绕地理极做周期运动的现象，其周期大概为数万年，在最近的五百万年间，地磁极均匀分布在地理极的四周，其平均位置与现代地理极重合．研究还发现，从地球形成迄今的漫长年代，地磁极曾多次发生极性倒转的现象．
(5)磁化
使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫磁化；反过来，磁化后的物体失去磁性的过程叫退磁或去磁．
(6)磁性材料
①磁性材料可分为软磁性材料和硬磁性材料，磁化后容易去磁的为软磁性材料，不容易去磁的为硬磁性材料．
②软磁性材料可应用于需被反复磁化的场合，例如振片磁头、计算机记忆元件、电磁铁等．
硬磁性材料可应用于制作永久磁铁．
2．思维拓展
(1)指南针指南的一端是指南针的S极，指北的一端是指南针的N极．
(2)磁盘保存信息的过程是磁化过程，实际是磁盘的磁性材料被磁头中电流的磁场(第3节学习)磁化的过程；从磁盘中“读”出信息的过程，实际是磁盘中的磁场使磁头中的线圈发生电磁感应产生感生电流的过程，有关电磁感应我们在初中已初步学习过，在物理选修3－2中，我们还要更深入地学习．
1．基本定义
在磁场中画一些有方向的曲线，这些曲线上每一点的切线方向跟该点的磁场方向相同，这样的曲线叫做磁感线．
2．要点剖析
(1)磁感线上任一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同，如右图所示．
(2)任何两条磁感线都不相交，不中断，不相切．
(3)磁感线都是闭合曲线(外部从N极出发到S极，内部从S极到N极)．
(4)磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线越密的地方磁场越强，越疏的地方磁场越弱．
3．思维拓展
几种典型的磁感线的分布
甲 乙
(1)条形磁铁的磁感线：如图甲所示，在磁铁外部是两端(磁极)最密，中间稀疏；在磁铁内部中间最密．
(2)蹄形磁铁的磁感线：如图乙所示，在磁铁外部是两端(磁极)最密，中间稀疏；在磁铁内部中间最密．
4．易误警示
磁感线与电场线的比较
比较项目 磁感线 电场线
相
似
点 意义 用来形象地描述磁场方向和相对强弱而假想的线 用来形象描述电场方向和相对强弱而假想的线
方向 线上一点切线方向为磁场方向，也是磁针N极受力方向 线上一点切线方向为电场方向，也是正电荷受电场力的方向
疏密 表示磁场强弱 表示电场强弱
特点 在空间不相交 除电荷处外，在空间不相交
不同点 是闭合曲线 始于正电荷或无穷远处，止于负电荷或无穷远处，不闭合
1．基本定义
(1)匀强磁场：磁感线的间距相等，相互平行且指向相同的磁场叫做匀强磁场．
(2)磁通量：在磁场中有一个平面，若穿过该平面的磁感线有Φ条，我们就称穿过这个平面的磁通量为Φ.
(3)磁感应强度：垂直穿过某单位面积的磁通量叫做磁感应强度．
3．要点剖析
(1)匀强磁场的特点：
①匀强磁场的磁感线是一些间隔相同的平行直线．
②长的通电螺线管内部的磁场、两个靠得很近的异名磁极间的磁场都是匀强磁场．
(2)磁通量的计算
①公式：Φ＝BS.
此式的适用条件是：a.匀强磁场；
b.磁感线与平面垂直．如右图所示．
②在匀强磁场B中，若磁感线与平面不垂直，公式Φ＝BS中的S应为平面在垂直于磁感线方向上的投影面积．
如下图所示，在水平方向的匀强磁场中，平面abcd与垂直于磁感线方向的平面的夹角为θ，则穿过面积abcd的磁通量应为：
Φ＝B·Scos θ.
Scos θ即为面积S在垂直于磁感线方向的投影，我们称之为“有效面积”．
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，则磁通量等于穿过平面的磁感线的净条数(磁通量的代数和)，即Φ＝Φ1－Φ2.
③磁通量的变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1，其数值等于初、末态穿过某个平面磁通量的差值．
(3)磁感应强度是矢量，其方向就是该点磁感线的方向，也就是放在该点小磁针N极所受磁力的方向．
4．思维拓展
(1)磁感应强度的大小与磁感线
为了从磁感线不但可以了解磁感应强度的方向，还可以了解磁感应强度的大小，我们规定穿过与磁场方向垂直的平面的单位面积磁感线的条数跟磁感应强度成正比．这样，在磁感应强度大的地方，磁感线密，磁感应强度小的地方，磁感线疏．磁感线的疏密反映了磁感应强度的大小．
(2)磁感应强度与匀强磁场：磁感应强度的大小和方向处处相同的磁场区域为匀强磁场．
(2)磁通量的“正、负”号
磁通量是通过闭合线圈的磁感线的条数，它是标量．但是磁通量也有“正、负”，磁通量的正、负号并不表示磁通量的方向，它的符号仅表示磁感线的穿过方向．一般来说，如果磁感线从线圈的正面穿过，线圈的磁通量就为“＋”；而磁感线从线圈的反面穿过，线圈的磁通量就为“－”．
关于磁场和磁感线的描述，下列叙述正确的是( )
A．磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向，其每一点的切线方向表示的就是该点的磁场方向
B．磁极间的相互作用是通过磁场而发生的
C．磁感线总是从磁体的N极指向S极
D．磁感线就是磁场中碎铁屑磁化后排列成的曲线
【解析】 本题考查对磁场和磁感线的概念的理解．磁感线是为了形象地描述磁场而引入的曲线．磁感线上各点的切线方向，就是该点的磁场方向．磁感线的疏密程度，表示磁场的强弱．磁场中的任何一条磁感线都是闭合曲线．故A项正确，C项错误；磁场的基本特性是对处于磁场中的磁极或电流有力的作用．故B项正确；利用被磁化的铁屑来显示磁感线的分布情况，使得磁场变得具体形象，但是，决不能认为磁感线是由铁屑排列而成的．故D项错误．
【答案】 AB
磁场是本章的一个基础概念，很重要．能否正确理解磁场直接影响到本章知识的学习．这个概念又很抽象，因为磁场看不见，摸不到．磁感线的引入是研究磁场的一种很方便、形象且行之有效的方法，但磁感线又是实际不存在的、假想的曲线，因此对磁感线也要正确理解．
1.下列关于磁场和磁感线的说法不正确的是( )
A．电流磁场中的磁感线都是闭合曲线
B．永久磁铁的磁感线从N极出发到S极终止
C．磁感线是假想的曲线，它可以用来形象的表示磁场的强弱和方向
D．空间任意两条磁感线不相交
【解析】 电流的磁场与永久磁铁的磁感线一样，其磁感线均为闭合的曲线．磁感线是一种理想模型，可形象地表示磁场的方向和强弱，故A、C两项对，B项错；而磁场中每点的磁场方向是惟一的，若磁感线相交，则交点处有两个磁场方向，这是不可能的，故任意两条磁感线不相交，D项正确．
【答案】 B
如图所示，框架面积为S，框架平面与磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直，则穿过平面的磁通量为________．若使框架绕OO′转过60°角，则穿过框架平面的磁通量为________；若从初始位置转过90°角，则穿过框架平面的磁通量为________；若从初始位置转过180°角，则穿过框架平面的磁通量的变化是________．
1.对磁通量的问题求解注意以下三方面：①看清磁感线的方向与平面的关系；②分清磁感线的穿过方向；③注意是什么因素变化引起的磁通量的变化．
2．磁通量的变化一般有下列三种情况：①磁感应强度B不变，投影面积S变化，则ΔΦ＝Φt－Φ0＝B·ΔS；②磁感应强度B变化，磁感线穿过的有效面积S不变，则穿过回路中的磁通量的变化是：ΔΦ＝Φt－Φ0＝ΔB·S；③磁感应强度B和回路面积S同时发生变化的情况，则ΔΦ＝Φt－Φ0.
2.如右图所示，矩形线圈的面积为S，置于磁感应强度为B、方向水平向右的匀强磁场中，开始时线圈平面与磁感线垂直．求线圈在下列情况下的磁通量的变化量．
(1)转过90°；
(2)转过180°.
【解析】 本题考查磁通量及其变化量．
(1)线圈的初始位置与磁感线垂直，穿过线圈的磁通量Φ始＝BS；转过90°时，线圈平面与磁感线平行，穿过线圈的磁通量Φ终＝0；在转过90°的过程中，穿过线圈的磁通量的变化量为：ΔΦ＝Φ终－Φ始＝－BS
负号表示磁通量减少，即转过90°的过程中穿过线圈的磁通量减少了BS.
(2)设线圈位于初始位置时，线圈平面法线的方向与磁场方向相同，穿过线圈的磁通量为正，则Φ始＝BS；转过180°时，线圈平面法线的方向与磁感线方向相反，即θ＝180°，穿过线圈的磁通量Φ终＝BScos 180°＝－BS；在转过180°的过程中，穿过线圈的磁通量的变化量为ΔΦ＝Φ终－Φ始＝－BS－BS＝－2BS.
即穿过线圈的正向磁通量减少了2BS.实际上，在转过180°的过程中，穿过线圈的磁通量是由正向BS减小到零，再由零增大到负向BS.
【答案】 (1)减少BS (2)减少2BS
1．磁极间的相互作用规律是：同名磁极相互排斥，异名磁极相互 ．
2．磁极间的相互作用是通过 而发生的．
3．使磁性材料带上磁性的过程叫 ，具有磁性的磁性材料在一定条件下会失去磁性，这个过程叫 ．
4．一个面积为S的平面垂直一个匀强磁场放置，则穿过这个面的磁感线的条数叫做穿过这个面的 ，公式： .
吸引
磁场
磁化
退磁
磁通量
Φ＝B·S
5．磁场的强弱和方向用 来描述，它是 ，它的方向规定为该点 的方向，它的定义式为B＝ .
磁感应强度
矢量
磁感线
1．(考查点：地磁场)下列说法正确的是( )
A．磁体上磁性最强的部分叫磁极，任何磁体都有两个磁极
B．磁体与磁体之间的相互作用是通过磁场而发生的
C．地球的周围存在着磁场，但地磁的两极与地理的两极并不重合，其间有一个夹角这就是磁偏角，磁偏角的数值在地球上不同地点是相同的
D．在地球表面各点磁场强弱相同
【解析】 地磁场类似于条形磁铁的磁场，所以在地球表面赤道上的磁场最弱，选D不正确；在地球上不同位置，磁偏角的数值是不同的，因此C不正确．
【答案】 AB
2．(考查点：磁现象、地磁场)________和________都叫做永磁体，它们都能吸引铁质物质，我们把这种性质叫做________，磁体的各部分磁性强弱不同，磁性最强的区域叫做________．将能够自由转动的磁体，例如悬吊着的磁针，放在地磁场中，静止时指南的磁极叫________极，又叫________(填“N”或“S”)极，指北的磁极叫做________极，又叫________(填“N”或“S”)极．
【答案】 天然磁石 人造磁铁 磁性 磁极 南 S 北 N
3．(考查点：磁场的方向)关于磁场的方向，下列说法中正确的是( )
A．磁场的方向就是该点磁感应强度的方向
B．与放在该点的小磁针北极受到的磁场力方向相同
C．与放在该点的小磁针静止时北极所指的方向相同
D．与放在该点的极短的通电导线所受力的方向相同
【解析】 磁场的方向是磁场中静止的小磁针N极所指的方向，不是导线在磁场中受力的方向，故A、B、C正确，D错误．
【答案】 ABC
4．(考查点：磁感线的描述)关于磁感线的描述，下列说法正确的是( )
A．磁感线从磁体的N极出发，终止于磁体的S极
B．磁感线可以用来表示磁场的强弱和方向
C．磁场中某处的磁感线较密，表示该处的磁场较强
D．磁感线是闭合曲线
【解析】 磁感线可以表示磁场的强弱和方向，是闭合曲线，其中其疏密表示磁场的强弱．
【答案】 BCD
5．(考查点：磁通量的理解)关于磁通量，下列说法中正确的是( )
A．磁通量不仅有大小而且有方向，所以是矢量
B．磁通量越大，磁感应强度越大
C．穿过某一面积的磁通量为零，该处磁感应强度不一定为零
D．磁通量就是磁感应强度
【解析】 磁通量尽管是正负之分，但却是标量，A错误；磁通量等于平面垂直于磁场时磁感应强度与面积的乘积，则同一线圈在同一磁场的同一位置，因放置方向不同，磁通量不同，当面与磁场方向平行时，磁通量为零，故C正确，B、D错误．
【答案】 C
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5．5 探究洛伦兹力
电视机显像管中的电子只是细细的一束，为什么能使整个屏幕发光？从宇宙深处射来的带电粒子，为什么不能直射地球？为什么只在地球两极形成绚丽多彩的极光？……解开这些问题的钥匙就是本节要学习的磁场对运动电荷的作用规律．
震撼人心的极光
1．经典表述
运动电荷受到的磁场的作用力．
2．公式形式
f＝qvB
其意义为：当电荷在垂直磁场方向上运动时，磁场对运动电荷的洛伦兹力f等于电荷量q、速率v、磁感应强度B三者的乘积．
公式中q、v、B、f的单位分别为库仑(C)、米/秒(m/s)、特斯拉(T)、牛顿(N)．
3．探究源头
洛仑兹力公式的推导：设导体L垂直于磁场放置，单位长度上自由电荷数为n，自由电荷的电荷量为q，定向移动的平均速率为v，设长度为L的导线中的自由电荷在t秒内全部通过截面A，如右图所示，则通过的电荷量为Q，Q＝nqL＝nq·vt
4．适用条件
(1)若电荷运动方向和磁场平行时，显然f＝0，即不受洛伦兹力．
(2)若电荷运动方向和磁场垂直时，f＝Bqv.
(3)若电荷运动方向和磁场成θ角时，其洛伦兹力
f＝B⊥qv＝Bsin θ·qv，即
f＝Bqvsin θ
5．应用技巧
(1)洛伦兹力和安培力的关系
通电导线在磁场中所受到的安培力实际上是在导线中定向运动的电荷所受到的洛伦兹力的宏观表现．
(2)洛伦兹力方向的判定：左手定则
伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直且处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，那么大拇指所指的方向就是运动电荷所受的洛伦兹力方向．
1.对于正电荷：四指指向电流方向即指向正电荷的运动方向．
2．对于负电荷：四指指向电流方向即指向负电荷运动的反方向．
(3)洛伦兹力的方向与电荷的运动方向垂直，又与磁场方向垂直，所以洛伦兹力的方向总垂直于运动电荷的速度方向和磁场方向所确定的平面．
(4)由于洛伦兹力f总与电荷运动方向v垂直，所以洛伦兹力对电荷不做功．
(5)洛伦兹力与电场力的区别
①带电粒子在磁场中可能受到洛伦兹力的作用，其条件是带电粒子的运动方向和磁场方向不平行，而带电粒子在电场中一定受到电场力的作用．
②洛伦兹力的方向垂直于磁场方向和带电粒子的运动方向，可用左手定则判定，而电场力的方向由电场方向和电荷的正负决定且一定平行于电场．
③洛伦兹力的大小与磁感应强度、粒子的电荷量及粒子的速度成正比，同时还与粒子速度方向和磁场方向之间的夹角有关，而电场力与电场强度及带电粒子的电荷量成正比．
④洛伦兹力的作用只是改变运动粒子的速度方向而不改变粒子的速度大小，因为洛伦兹力的方向永远和速度方向垂直，故洛伦兹力对运动粒子不做功，而带电粒子在匀强电场中若只受电场力作用，粒子就不可能做匀速直线运动，电场力既可能改变粒子的运动方向，又可能改变其速度大小，因此电场力对运动粒子做功．
1．要点剖析
带电粒子在磁场中的运动往往比较复杂，我们只考虑其中几种特殊情况：
不考虑粒子本身的重力(一般如：电子、质子、α粒子、离子等不考虑它们的重力)；磁场为匀强磁场．
(1)初速度v0与磁场平行
此时洛伦兹力f＝0，粒子将沿初速度方向做匀速直线运动．
(1)圆心的确定
因为洛伦兹力F指向圆心，根据F⊥v，画出粒子运动轨迹中任意两点(一般是射入和射出磁场两点)的F的方向，沿两个洛伦兹力F画其延长线，两延长线的交点即为圆心，或利用圆心位置必定在圆中一根弦的中垂线上，作出圆心位置．
(2)半径的确定和计算
利用平面几何关系，求出该圆的可能半径(或圆心角)．并注意以下两个重要的几何特点：
①粒子速度的偏向角(φ)等于回旋角(α)，并等于AB弦与切线的夹角(弦切角θ)的2倍(如右图所示)，即φ＝α＝2θ＝ωt.
②相对的弦切角(θ)相等，与相邻的弦切角(θ′)互补，即θ＋θ′＝180°.
3．易误警示
洛伦兹力多解问题
(1)带电粒子电性不确定形成多解
受洛伦兹力作用的带电粒子，可能带正电荷，也可能带负电荷，在相同的初速度下，正负粒子在磁场中运动轨迹不同，导致形成双解．
(2)磁场方向不确定形成多解
有些题目只告诉了磁感应强度大小，而未具体指出磁感应强度方向．此时必须要考虑磁感应强度方向不确定而形成的双解．
(3)临界状态不唯一形成多解
带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时，由于粒子运动轨迹是圆弧状，因此，它可能穿过磁场从另一界面射出，也可能从入射界面这边反向飞出，于是形成多解．
(4)运动的重复性形成多解
带电粒子在部分是电场，部分是磁场空间运动时，往往运动具有往复性，因而形成多解．
1．洛伦兹力的方向
提出问题 磁场对运动电荷的作用力的方向和什么因素有关
猜想与
假设 从阴极发射出来电子，在阴阳两极间的高压作用下，使电子加速，形成电子束，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示电子束的运动轨迹
进行实验与收集证据 1.在没有外磁场时，电子束沿直线运动2.将蹄形磁铁靠近阴极射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲3.改变磁场的方向，电子束运动轨迹发生了弯曲的方向也发生了改变
分析
与结论 磁场对运动电荷有作用，可以用左手定则判断洛伦兹力的方向．如果运动的是负电荷，则四指指向负电荷运动的反方向，那么拇指所指的方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向
2.带电粒子在匀强磁场中的运动
提出问题 带电粒子垂直进入匀强磁场，运动的轨迹如何
制定计划与设计实验 通过洛伦兹力演示仪(如下图)，可观察带电粒子垂直进入匀强磁场时的运动情况
进行实验与收集证据 1.不加磁场时，电子束的径迹2.加垂直纸面向外的磁场时，电子束的径迹3.保持出射电子的速度不变，增大或减小磁感应强度，电子束的径迹4.保持磁感应强度不变，增大或减小出射电子的速度，电子束的径迹实验现象：在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场(这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的)，电子的径迹变弯曲成圆形．磁场越强，径迹的半径越小；电子的出射速度越大，径迹的半径越大
分析与结论 当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用，洛伦兹力只能改变速度的方向，不能改变速度的大小．因此，洛伦兹力对粒子不做功，不能改变粒子的能量．洛伦兹力对带电粒子的作用正好起到了向心力的作用．所以，当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.
带电荷量为＋q的粒子在匀强磁场中运动，下面说法中正确的是( )
A．只要速度大小不变，所受洛伦兹力就不变
B．如果把＋q改为－q，且速度反向大小不变，则洛伦兹力的大小、方向均不变
C．洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直，磁场方向一定与电荷运动方向垂直
D．粒子(只受到洛伦兹力作用)运动的动能、速度均不变
【解析】 洛伦兹力的大小不但与粒子速度大小有关，而且与粒子速度的方向有关，如当粒子速度与磁场垂直时f＝qvB，当粒子速度与磁场平行时f＝0，再者由于洛伦兹力的方向永远与粒子的速度方向垂直，因而速度方向不同时，洛伦兹力的方向也不同，A选项错．
＋q改为－q且速度反向时，由左手定则可知洛伦兹力方向不变，再由f＝qvB知大小不变，故B选项正确．
电荷进入磁场时的速度方向可以与磁场方向成任意夹角，C选项错．
洛伦兹力总与速度方向垂直，因此洛伦兹力不做功，粒子动能不变，但洛伦兹力可改变粒子的运动方向，使速度的方向不断改变，所以D选项错．
【答案】 B
注意公式f＝qvB的适用条件：v⊥B.
1.如下图所示，两个相同的半圆形光滑绝缘轨道分别竖直放置在匀强电场E和匀强磁场B中，轨道两端在同一高度上，两个相同的带正电小球a、b同时从轨道左端最高点由静止释放，在运动中都能通过各自轨道的最低点M、N，则( )
A．两小球每次到达轨道最低点时的速度都有vN>vM
B．两小球每次经过轨道最低点时对轨道的压力都有FN>FM
C．小球b第一次到达N点的时刻与小球a第一次到达M点的时刻相同
D．小球b能到达轨道的最右端，小球a不能到达轨道的最右端
【答案】 AD
据报道，我国最近实施的“双星”计划发射的卫星中有一种磁强计，用于完成测定地磁场的磁感应强度等研究项目．磁强计的原理如下图所示，电路中有一段金属导体，它的横截面积是宽为a、高为b的长方形，使磁场沿z轴正方向穿过导体，导体中通有沿y轴正方向、大小为I的电流．已知金属导体单位体积的自由电子数为n，电子电荷量为e.金属导电过程中，自由电子做定向移动可视为匀速运动．
(1)金属导体前后两个侧面(x＝a为前侧面，x＝0为后侧面)哪个电势较高？
(2)在实现上述稳定状态之后，如果再进一步测出该金属导体前后两个侧面间的电势差为U，若通过导体内的磁场可以认为是匀强的，则由此求出磁感应强度B的大小为多少？
一是注意应用左手定则判定的是电子受到洛伦兹力沿x轴正向，所以前侧面聚集电子，带负电．而后侧面带正电，电势较高．二是在稳定状态下，电子在正交的电磁场中做匀速直线运动，f＝F电，结合I＝neSv求解．
2. 医生做某些特殊手术时，利用电
磁血流计来监测通过动脉的血流速度．
电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁
极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的．使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如上图所示．由于血液中的正负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差．在达到平衡时，血管内部的电场可看做是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零．
在某次监测中，两触点间的距离为3.0 mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160 μV，磁感应强度的大小为0.040 T．则血流速度的近似值和电极a、b的正负为( )
A．1.3 m/s，a正、b负 B．2.7 m/s，a正、b负
C．1.3 m/s，a负、b正 D．2.7 m/s，a负、b正
【答案】 A
【解析】 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，应根据已知条件首先确定圆心的位置，画出运动轨迹，所求距离应和半径R相联系．所求时间应和粒子转动的圆心角θ、周期T相联系．
(1)过O点和P点做速度方向的垂线，两线交点C即为电子在磁场中做匀速圆周运动的圆心，则可知
带电粒子在洛仑兹力的作用下做圆周运动的半径求解，通常是解题的突破点，要善于利用几何关系求解半径．
1．磁场对运动电荷的作用力叫做 ，大小为 (注意：电荷的速度方向与磁场方向应垂直)，f的方向可用 定则来判定．当电荷的速度方向与磁场方向平行时，洛伦兹力等于 .
洛伦兹力
f＝qvB
左手
0
匀速圆周运动
1．(考查点：洛伦兹力的方向)
如右图所示是一只阴极射线管，左侧不断有电子射出．若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线的径迹往下偏，则( )
A．导线中的电流由A流向B
B．导线中的电流由B流向A
C．若要使电子管的径迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现
D．电子束的径迹与AB中的电流方向无关
【解析】 因为AB中通有电流，所以会在阴极射线管中产生磁场．电子是因为受到洛伦兹力的作用而发生偏转．由左手定则可知，阴极射线管中的磁场方向垂直于纸面向里，又根据安培定则可知，AB中的电流方向应是由B流向A，B正确，A错误；当AB中的电流方向由A流向B，则AB上方的磁场方向变为垂直于纸面向外，电子所受洛伦兹力变为向上，电子束的径迹会变为向上偏转，C正确，D错误．
【答案】 B
2．(考查点：洛伦兹力的大小)一个长螺线管中通有交变电流．把一个带电粒子沿管轴线射入管中，不计重力，粒子将在管中( )
A．做圆周运动 B．沿轴线来回运动
C．做匀加速直线运动 D．做匀速直线运动
【解析】 通有交变电流的螺线管内部磁场方向始终与轴线平行，带电粒子沿着磁感线运动时不受洛伦兹力，所以应一直保持原运动状态匀速直线运动不变．
【答案】 D
3．(考查点：洛伦兹力的特点)关于带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动，下列说法正确的是( )
A．带电粒子沿电场线方向射入，静电力对带电粒子做正功，粒子动能一定增加
B．带电粒子垂直于电场线方向射入，静电力对带电粒子不做功，粒子动能不变
C．带电粒子沿磁感线方向射入，洛伦兹力对带电粒子做正功，粒子动能一定增加
D．不管带电粒子怎样射入磁场，洛伦兹力对带电粒子都不做功，粒子动能不变
【解析】 带电粒子沿电场线方向射入．若为正电荷，静电力对带电粒子做正功，粒子动能增加，若为负电荷，静电力对带电粒子做负功，粒子动能减小，A错误；带电粒子垂直电场线方向射入，粒子做类平抛运动，静电力一定做正功，粒子动能增加，B错误；由于洛伦兹力的方向始终与粒子的速度方向垂直，故洛伦兹力永远不做功，C项错误，D项正确．
【答案】 D
4．(考查点：与洛伦兹力相关的综合问题)一个电子穿过某一空间而未发生偏转，则( )
A．此空间一定不存在磁场
B．此空间一定不存在电场
C．此空间可能只有匀强磁场，方向与电子速度垂直
D．此空间可能有相互正交的匀强磁场和匀强电场
【解析】 运动电子在磁场中受洛伦兹力，F洛＝qvBsin θ为零时，有B为零或者θ为0°或180°的可能，故A、C错误；电子在电场中所受的静电力和运动方向在同一直线上时，电子运动方向不发生偏转，B错误；当电子所受静电力和洛伦兹力平衡时也不发生偏转，故D正确．
【答案】 D
练考题、验能力、轻巧夺冠(共31张PPT)
5.3 探究电流周围的磁场
如下图所示，当导线中没有通过电流时，磁针沿南北取向，但当导线中通过电流时，磁针就会发生偏转，当电流反向时，磁针也将反向偏转！这是为什么呢？通电直导线周围的磁场分布有何特点？
1．基本定义
用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向．如图所示．
2．要点剖析
(1)环形电流的磁场：如下图所示．由甲图过渡到乙图．
四指绕向为电流方向，则拇指方向即为环形电流中心轴线上磁感线方向．
(2)通电螺线管的磁场，如下图所示．右手握住螺线管，四指环绕电流方向，拇指方向即为螺线管内磁感线的方向．
3．思维拓展
(1)直线电流的磁场强弱与距离导线的距离有关，离导线越近，磁场越强，离导线越远，磁场越弱．
(2)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，磁场方向由S极指向N极．
(3)通电螺线磁场几种常用的磁感线不同的画法，如下图所示．
(4)奥斯特实验(电流磁效应的发现)
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，导线通电后，其下方的与导线平行的小磁针发生偏转，如图所示．
4．易误警示
本节学习的安培定则易与以后要学习的左手定则、右手定则混淆，理解各定则适用于哪类物理现象，是避免错误的关键．安培定则适用于电流产生磁场的问题，只要属于该类问题，不管是由电流方向确定磁场方向，还是由磁场方向确定电流方向，均应利用安培定则．
1．经典表述
安培分子电流假说内容
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，如图所示．
2．应用技巧
(1)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，当软铁棒受到外界磁场的作用，各分子电流取向变得大致相同时，两端显示较强的磁作用，形成磁极，软铁棒就被磁化了．
②磁体的消磁：磁体在高温或猛烈敲击，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．
安培提出分子电流假说时，人们还不知道物质的微观结构：电子绕原子核高速旋转，所以称为假说，但现在我们知道分子电流假说是真理．
分子电流假说揭示了电和磁的本质联系．
(2)磁现象的本质
安培的分子电流假说揭示了磁性的起源，它使我们认识到磁体的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的定向运动产生的．
例如：假设地球的磁场是由于地球带某种电荷而又绕地轴自转产生的，你认为地球带什么电荷？
【解析】 由于地理北极在地磁南极附近，故地球内部磁场方向是由北向南，而地球自转方向是自西向东，据安培定则知地球应带负电荷．
在如下图所示各图中，分别给出了导线中的电流方向或磁场中某处小磁针N极的指向或磁感线方向．请画出对应的磁感线(标上方向)或电流方向．
【解析】 用安培定则来判断，分别如下图中各图所示．
【答案】 见解析
通过本例既要掌握几种通电导体周围的磁场分布情况，又要熟练掌握安培定则．
1．如右图所示，一根通电直导线放在磁感应强度B＝1 T的匀强磁场中，在以导线为圆心，半径为r的圆周上有a、b、c、d四个点，若a点的实际磁感应强度为0，则下 列说法中正确的是( )
A．直导线中电流方向是垂直纸面向里
B．c点的实际磁感应强度也为0
C．d点实际磁感应强度为2 T，方向斜向下，与B夹角为45°
D．以上均不正确
【答案】 A
用安培提出的分子电流假说可以解释下列哪些现象( )
A．永久磁铁的磁场
B．直线电流的磁场
C．环形电流的磁场
D．软铁棒被磁化的现象
【解析】 分子电流假说是安培为解释磁体的磁现象而提出的，所以选项A、D是正确的．而通电导线周围的磁场是由其内部自由电荷定向移动而产生的宏观电流产生的．分子电流和宏观电流虽然都是运动电荷引起的，但产生的原因是不同的．
【答案】 AD
磁体的磁场和电流的磁场一样，都可归结为运动电荷(电流)之间通过磁场而发生作用．磁体的磁场起源于内部的分子电流．电流周围的磁场起源于运动电荷的定向移动．
2.一根软铁棒被磁化是因为( )
A．软铁棒中产生了分子电流
B．软铁棒中分子电流取向杂乱无章
C．软铁棒中分子电流消失
D．软铁棒中分子电流取向变得大致相同
【解析】 软铁棒中分子电流是一直存在的，并不因为外界的影响而产生或消失，故A、C错．根据磁化过程实质知D正确．
【答案】 D
1．通电导线的周围存在磁场是由丹麦物理学家 发现的．如右图所示，当导线中通有图示的电流时，小磁针N极将向 转动．
奥斯特
里
2．安培定则是用来判断 方向与 之间的关系．具体做法是：用右手握住通电直导线，让伸直的大拇指的指向跟 的方向一致，则弯曲的四指所指的方向表示 的环绕方向．而在判断环形电流的磁感线与电流方向的关系时，右手弯曲的四指和 方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上的 方向．
3．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—— ，使每个微粒成为微小的 ，分子电流的两侧相当于两个 ．
4．电流的磁场和磁体周围的磁场，都是 产生的，这就是磁现象的电本质．
电流
磁场方向
电流
磁感线
电流
磁感线
分子电流
磁体
磁极
电荷运动
1．(考查点：直线电流的安培定则)如右图所示，一束带电粒子沿着水平方向平行地飞过磁针上方时，磁针的S极向纸面内偏转，则这束带电粒子可能是( )
A．向右飞行的正离子束
B．向左飞行的正离子束
C．向右飞行的负离子束
D．向左飞行的负离子束
【解析】 小磁针N极的指向即是磁针所在处的磁场方向，题中磁针S极向纸内偏转，说明离子束下方的磁场方向是垂直纸面向外．由安培定则判定出由离子束的定向运动所形成的电流方向由右向左，故若为正离子，则应是自右向左运动，若为负离子，则应是自左向右运动．
【答案】 BC
A．垂直环形电路所在平面，且指向“纸内”
B．垂直环形电路所在平面，且指向“纸外”
C．在环形电路所在平面，且指向A点
D．没有磁场
2．(考查点：磁感应强度的叠加)如右图所示，电流从A点分两路通过环形电路汇合于B点，已知两种电流大小相等，则在环形电路的中心处的磁场为( )
【解析】 根据安培定则可以判断：上半圆环中电流产生的磁场在环中心处磁感应强度方向垂直纸面向里，下半圆环中电流产生的磁场在环中心处产生的磁感应强度方向垂直纸面向外，由对称性特征可知垂直纸面向里和向外的磁场叠加后相抵消，因此在环形电路的中心处没有磁场．
【答案】 D
练考题、验能力、轻巧夺冠
