物理第2章打开电磁联系的大门22安培力与磁感应强度23改写通信史的发明电报和电话教师用书沪科版选修11Word格式.docx

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2．知道影响安培力大小的因素．

3．知道磁感应强度的定义及方向，会用磁感应强度描述磁场．（难点）

4．知道磁感线的疏密与磁感应强度的关系，知道什么是匀强磁场．（重点）

5．理解磁通量及其定义，掌握公式Φ＝BS.

6．了解电报和电话的发明历程及意义.

一、什么叫安培力

1．电流间的作用：

两根直导线之间的相互作用，是通过磁场发生的，即

2．安培力：

磁场对电流的作用力通常叫做安培力．

二、安培力的方向

1．方向特点：

安培力的方向既跟磁场垂直，又跟电流方向垂直，它们三者之间的关系用左手定则判断．

2．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．

三、安培力的大小

实验表明：

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．

四、磁感应强度

1．磁感应强度

（1）定义：

描述磁场强弱和方向的物理量叫做磁感应强度，用B表示．

（2）大小：

用垂直磁场放置的一小段通电导线所受的安培力来定义磁感应强度．

（3）定义式：

B＝

.

（4）单位：

特斯拉（T），1T＝1N/A·

m.

（5）方向：

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．

2．磁感线与磁感应强度

（1）磁感线较密的地方，表示磁感应强度大；

磁感线较疏的地方．表示磁感应强度小．

（2）磁感线各处的切线方向就是该处磁感应强度的方向．

3．匀强磁场

匀强磁场．磁感应强度的大小和方向处处相同的磁场叫匀强磁场，匀强磁场的磁感线可以用等间距分布的平行直线表示．

五、磁通量

1．定义：

在匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直的面．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，用符号Φ表示．

2．表达式：

Φ＝BS.

3．单位：

韦伯简称韦，符号Wb,1Wb＝1T·

m2.

4．意义：

表示穿过磁场中某个平面（或曲面）磁感线的多少．

在利用磁场的各种设备中，匀强磁场占据着关键位置，你知道哪些磁场可近似看作匀强磁场吗？

提示：

在通电螺线管内部或者两块靠近的异名磁极之间的磁场，其磁感线近似为平行线，可近似看作匀强磁场．

六、改写通信史的发明

1．电流磁效应的应用：

制成电磁铁，它不仅在电磁起重机和自动控制的电磁继电器中得到应用，并且在电报机和电话中也起着很大的作用．

2．电报发明之旅

（1）1753年，英国的摩尔逊设计了静电电报机.19世纪后，英国戴维等人研制了电磁式电报机．英国的库克和惠斯通制成了五针式电报机．

（2）美国的莫尔斯发明了莫尔斯电码，实现了瞬时通讯．

3．电话的诞生

（1）1875年6月2日，第一部电话机在美国波士顿诞生，它的发明人是贝尔．

（2）爱迪生发明了炭精话筒，彻底改进了电话的传声功能.

一、安培力的大小的理解

1．安培力的大小除了与磁感应强度B通电导线的长度l，电流I三个因素有关以外，还与导线的放置方向有关．

2．当导线与磁感应强度垂直时安培力最大，平行时不受安培力．

3．当导线与磁感应强度垂直时我们定义B＝

，此公式变形后可得F＝BIL，计算安培力的表达式．

【特别提醒】　磁感应强度虽然是通过通电导线在磁场中受力定义的，但磁场的强弱方向与通电导线无关.无论在磁场中是否放入通电导线或放入通电导线长短，电流大小，磁感应强度均不受影响.

二、关于B＝

的理解

磁感应强度与电场强度的比较

电场强度（E）

磁感应强度（B）

定义

式

E＝

物理

意义

描述电场的强弱和方向

描述磁场的强弱和方向

定义的依据

1.电场对电荷q有作用力F

2．对电场中的任一点F∝q，

＝恒量

3．对于不同点一般来说恒量的值不同

1.磁场对通电导线Il有作用力F

2．磁场力F的大小与磁场强弱和放置情况有关，只考虑电流方向垂直磁场方向的情况F∝Il，

方向

电场线的方向与正（负）电荷受力方向相同（反）

磁场方向与电流受力方向一定垂直

大小

E在数值上等于电场对单位电荷作用力的大小

B在数值上等于垂直于磁场方向长1m，电流为1A的导线所受磁场力的大小

单位

1N/C＝1V/m

1T＝1N/A·

m

【深化探究】　如果通电导线在磁场中不受力，是否说明此处磁感应强度为0？

如果导线中电流方向与磁场方向平行，则导线不受力，并不能说明此处无磁场，也就是此处磁感应强度并不为0.

三、对磁通量的理解

1．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222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·

cosθ.

图222

图中的S′为面积为S的平面在垂直于磁感线方向上的投影面积．θ为平面与该平面沿垂直磁场方向的投影面之间的夹角．

磁通量是标量，只有大小，没有方向，但有正负．其正负仅表示磁感线的贯穿方向，一般来说，如果规定磁感线从线圈的正面穿过时，磁通量为正，那么磁感线从线圈反面穿过时磁通量就为负．磁感线从不同方向穿过同一面积时，磁通量是它们的代数和，即相互抵消后剩余的磁感线条数．

【特别提醒】　1.公式Φ＝BS中的B应是匀强磁场的磁感应强度，S是与磁场方向垂直的面积，因此可以理解为Φ＝BS⊥.

2.磁通量为标量，算“纯收入”.

一、对安培力的认识

　下列说法正确的是（　　）

A．如果通电导线在某处不受安培力，则该处一定不存在磁场

B．即使通电导线在某处不受安培力作用，该处也可能存在磁场

C．通电导线在磁场中受安培力大的位置磁场一定强

D．磁场越强的位置，通电导线受到的安培力越大

【导析】　由于通电导线在磁场中所受安培力的大小除与磁感应强度、电流大小有关外，还与放置情况有关，由此可加以分析判断．

【解析】　当通电导线平行磁场放置时，不受安培力的作用，故B正确，A错误．安培力的大小与通电导线的长度、电流的大小、磁场的强弱，以及电流与磁场间的方向有关系，如果平行磁场放置，磁场再强也不受安培力，故C、D均错误．故选B.

影响安培力的因素

处理安培力大小，磁感应强度大小的有关问题时，要切记安培力的大小不仅与磁感应强度大小，导线中电流大小，导线长度有关，还与导线在磁场中放置的位置有关．

1．（多选）图中223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（　　）

图223

【解析】　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.

【答案】　D

二、安培力作用下物体的运动问题

　电磁炮是利用磁场对电流的作用力，把电能转变成机械能，使炮弹发射出去的．如图224所示，把两根长为s，互相平行的铜制轨道放在磁场中，轨道之间放有质量为m的炮弹，炮弹架在长为l、质量为M的金属杆上，当有大的电流I1通过轨道和炮弹时，炮弹与金属架在磁场力的作用下，获得速度v1时刻的加速度为a，当有大的电流I2通过轨道和炮弹时，炮弹最终以最大速度v2脱离金属架并离开轨道，设炮弹运动过程中受到的阻力与速度的平方成正比，求垂直于轨道平面的磁感应强度多大？

图224

【导析】　“炮弹运动过程中受到的阻力与速度的平方成正比”→可以求得阻力与速度的关系，“炮弹最终以最大速度v2脱离金属架”→“炮弹最后做匀速直线运动，受力平衡”．

列式：

阻力f＝kv2，加速运动时BI1lkv

＝（M＋m）a，最大速度时BI2l＝kv

【解析】　设阻力f＝kv2，炮弹与金属架在安培力和阻力合力作用下加速，根据牛顿第二定律，获得v1速度时，

BI1lkv

＝（M＋m）a①

当炮弹速度最大时，有BI2l＝kv

②

解①②得垂直轨道的磁感应强度为B＝

【答案】　

安培力大小的分析

处理此类问题时的思路和力学问题完全相同，只是在受力分析中增加了安培力的分析．

2．一金属棒长L＝0.5m，质量m＝0.01kg，用细线悬在B＝0.4T的匀强磁场中，如图225所示，欲使悬线的张力为零，试问金属导体棒中电流的大小与方向？

（g取10m/s2）.【导学号：

22940016】

图225

【解析】　欲使悬线的张力为零，则必须使金属导体棒所受的安培力的方向竖直向上，且大小等于棒的重力，根据左手定则可以判定，棒中的电流方向为a→b.

由BIL＝mg

得I＝

＝

A＝0.5A

【答案】　0.5A　方向为a→b

如图226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°

若从初始位置转过180°

角，则穿过框架平面的磁通量的变化量大小为________．

图226

【导析】　

（1）磁通量的大小等于磁感应强度B与线圈在垂直于磁场方向上投影面积的乘积．

（2）计算磁通量变化时要注意磁通量的正、负．

【解析】　在题图所示位置时，磁感线与框架平面垂直，Φ1＝BS.当框架绕OO′轴转过60°

时，如图所示，Φ2＝BS⊥＝BScos60°

BS.转过90°

时，框架由与磁感线垂直变为平行，Φ3＝0.框架转过180°

时，磁感线仍然垂直穿过框架，只不过穿过的方向变了，因而Φ1＝BS，Φ4＝－BS，ΔΦ＝|Φ4－Φ1|＝2BS.

【答案】　BS　

BS　0　2BS

1投影法与分解法是计算磁通量的两种重要方法，实际计算时可任选一种；

2穿过线圈的磁通量与线圈匝数无关；

3要特别注意θ角的含义，不能死套公式，以免出错；

4由ΔΦ＝Φt－Φ0计算时，要注意Φt和Φ0的正负.

3．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】　磁通量Φ＝BS·

cosθ，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．

1．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＝

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】　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．

2．下列说法正确的是（　　）

A．莫尔斯发明了五针式电报机

B．贝尔发明的电话采用炭精话筒，传出的声音清晰、有力，而且通话距离达到数百公里

C．放置在磁场中1m长的通电导线，通过1A的电流，受到的磁场力为1N，则该处的磁感应强度就是1T

D．磁场中某处的磁感应强度B的方向跟电流在该处受到磁场力F的方向垂直

【解析】　英国的库克和惠斯通制成的五针式电报机，贝尔发明的电话传播距离声音质量不好，爱迪生进行了改进，采用了炭精话筒，声音清晰且传播距离达数百公里，故A、B错误．B与I垂直时才有B＝

，故C错误，只有D正确．

3．（多选）磁感线是用来形象地描述磁场的曲线，下图227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（　　）

图227

【解析】　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．

【答案】　ABD

4．（多选）下列关于磁感线的描述正确的是（　　）

A．沿磁感线方向磁场越来越强

B．磁感线是自由小磁针在磁场力作用下运动的轨迹

C．磁感线不是磁场中实际存在的线

D．磁感线的疏密反映磁场的强弱

【解析】　磁感线是为了形象描述磁场所引入的假想线，实际上并不存在．磁感线的疏密表示磁场的强弱．

【答案】　CD

5．面积为2.0×

10－2m2的矩形线圈放在磁感应强度为5.0×

10－4T的匀强磁场中，当线圈平面与磁场方向垂直时，求穿过线圈的磁通量．

【解析】　由磁通量的定义知：

Φ＝BS＝5.0×

10－4×

2.0×

10－2Wb＝1.0×

10－5Wb.

【答案】　1.0×

10－5Wb

学业达标测评（六）

（建议用时：

45分钟）

1．如图228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（　　）

图228

A．重力

B．电场力

C．恒定的安培力

D．变化的安培力

【解析】　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．各地地磁场磁感应强度（水平分量）Bx有所不同，可以在相关手册上查到．下表给出我国几个城市的Bx值．

地名

北京

广州

上海

武汉

Bx/10－4T

0.289

0.375

0.333

0.343

现将同一根通电直导线分别在以上四地竖直放置，则使导线受磁场力最大的是（　　）

A．北京B．广州

C．上海D．武汉

【解析】　由安培力公式F＝BIL可知同一根通电直导线竖直放置时，地磁场磁感应强度水平分量Bx越大，导线所受安培力越大，故导线在广州所受磁场力最大，B正确．

3．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】　由左手定则可知力F垂直平面BI，但B和I不一定垂直，故选项B正确．

4．如图229所示，虚线框内有匀强磁场，1和2为垂直磁场方向放置的两个圆环，分别用Φ1和Φ2表示穿过两环的磁通量，则有（　　）

图229

A．Φ1>

Φ2

B．Φ1＝Φ2

C．Φ1<

D．无法判断

【解析】　磁通量定义式中的S应理解为处于磁场中的有效面积，由于环1和环2处在磁场中的面积相同，所以穿过这两个圆环的磁通量是相等的，即Φ1＝Φ2，故B选项正确．

5．（多选）在一根长为0.2m的直导线中通入2A的电流，将导线放在磁感应强度为0.5T的匀强磁场中，则导线受到的安培力的大小可能是

（　　）【导学号：

22940017】

A．0.4NB．0.2N

C．0.1ND．0

【解析】　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×

0.2N＝0.2N；

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≤0.2N，故B，C，D均正确．

【答案】　BCD

6．一根容易形变的弹性导线，两端固定，导线中通有电流，方向如图2210中箭头所示．当没有磁场时，导线呈直线状态；

当分别加上方向竖直向上、水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时，描述线状态的四个图示中正确的是（　　）

图2210

【解析】　根据左手定则可得只有D正确．

7．如图2211所示，质量为m的通电细杆ab置于倾角为θ的导轨上，导轨宽为d，杆ab与导轨间的摩擦因数为μ，有电流时，ab恰好在导轨上静止，下图是它的四个侧视图，标出四种可能的匀强磁场方向，其中杆ab与导轨之间的摩擦力可能为零的图是（　　）

图2211

【解析】　因杆ab静止在导轨上，所受合力为零，若杆ab的支持力和磁场对ab的安培力的合力可能为零，则ab杆与导轨之间的摩擦力就可能为零，对A、B、C、D四个图中杆ab进行受力分析知，选项A、B图中杆ab与导轨之间的摩擦力可能为零．

【答案】　AB

8．如图2212所示，矩形线框abcd放置在水平面内，磁场方向与水平方向成α角，已知sinα＝

，回路面积为S，磁感应强度为B，则通过线框的磁通量为________．

图2212

【解析】　由于Φ＝BS中S为垂直于磁场方向的面积，因此Φ＝BSsinα＝

BS.

BS

9．如图2213所示，在同一水平面的两导轨相互平行，处在竖直向上的磁场中，一根质量为3.6kg、有效长度为2m的金属棒放在导轨上，当金属棒中的电流为5A时，金属棒做匀速运动；

当金属棒中的电流增大到8A时，金属棒能获得2m/s2的加速度．则磁场的磁感应强度为多少？

图2213

【解析】　对金属棒进行受力分析，利用牛顿第二定律可得：

当金属棒中的电流为5A时，BI1L－F阻＝0

当金属棒中的电流为8A时，BI2L－F阻＝ma

由以上两式得B＝

T＝1.2T.

【答案】　1.2T

磁悬浮列车

磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类．

常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁悬浮列车transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右．列车速度可达每小时400～500千米，适合于城市间的长距离快速运输．

超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表．它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500千米以上．