高二物理选修磁场讲义
磁场课件(高中物理)
安培环路定理揭示了磁场与电流之间的内在联系 ，可用于求解复杂电流分布产生的磁场。
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带电粒子在复合场中的运动分析
当带电粒子同时处于电场和磁场中时，其运动情 况变得复杂，需综合考虑电场力、洛伦兹力等因 素进行分析。
高考命题趋势预测和备考建议
命题趋势预测
结合实际问题考查磁场的基本概念和性质。
磁场课件(高中物理)
contents
目录
• 磁场基本概念与性质 • 洛伦兹力与安培定律 • 带电粒子在匀强磁场中运动规律 • 电磁感应现象及其规律 • 交流电产生、描述和应用 • 总结回顾与拓展延伸
01
磁场基本概念与性质
磁场定义及来源
磁场定义
存在于磁体周围的特殊物质，对 放入其中的磁体产生磁力作用。
规定小磁针静止时N极所指的方向为 该点的磁场方向。
磁场强度
用磁感应强度B表示，单位特斯拉(T) ，描述磁场强弱和方向的物理量。
常见磁场类型及特点
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匀强磁场
磁场强弱和方向处处相同的磁 场，如长直导线周围的磁场。
点电荷的磁场
由静止点电荷产生的磁场，呈 放射状分布。
电流元周围的磁场
由电流元（即短直线电流）产 生的磁场，可用毕奥-萨伐尔
典型例题解析
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例题一：一质量为m、 电荷量为q的带正电粒子 以速度v从O点沿垂直于 磁场方向射入磁感强度 为B的匀强磁场中，已知 它运动过程中受到的阻 力大小恒为f，若测得它 离开磁场时的动能为刚 射入时的4/5倍．求
(1) 粒子在磁场中运动的 半径r；
(2) 阻力f对粒子做的功 ；
高中物理选修二 新课改 讲义 01 C磁场对通电导线的作用力 提升版
磁场对通电导线的作用力知识点：磁场对通电导线的作用力一、安培力的方向1．安培力：通电导线在磁场中受的力．2．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；让磁感线从掌心垂直进入，并使四指指向电流的方向，这时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．安培力方向与磁场方向、电流方向的关系：F⊥B，F⊥I，即F垂直于B与I所决定的平面．二、安培力的大小1．垂直于磁场B的方向放置的长为l的通电导线，当通过的电流为I时，所受安培力为F ＝IlB.2．当磁感应强度B的方向与电流方向成θ角时，公式F＝IlB sin_θ.三、磁电式电流表1．原理：安培力与电流的关系．通电线圈在磁场中受到安培力而偏转，线圈偏转的角度越大，被测电流就越大．根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向．2．构造：磁体、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴．3．特点：极靴与铁质圆柱间的磁场沿半径方向，线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，且线圈左右两边所在处的磁感应强度大小相等．4．优点：灵敏度高，可以测出很弱的电流．缺点：线圈的导线很细，允许通过的电流很弱．技巧点拨一、安培力的方向1．安培力方向的特点安培力的方向既垂直于电流方向，也垂直于磁场方向，即垂直于电流I和磁场B所决定的平面．(1)当电流方向跟磁场方向垂直时，安培力的方向、磁场方向和电流方向两两相互垂直．应用左手定则判断时，磁感线从掌心垂直进入，拇指、其余四指和磁感线三者两两垂直．(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方向，也垂直于磁场方向．应用左手定则判断时，磁感线斜着穿入掌心．2．判断安培力方向的步骤(1)明确研究对象；(2)用安培定则或根据磁体的磁场特征，画出研究对象所在位置的磁场方向；(3)由左手定则判断安培力方向．3．应用实例应用左手定则和安培定则可以判定平行通电直导线间的作用力：同向电流相互吸引，反向电流相互排斥．二、安培力的大小1．公式F＝IlB sin θ中B对放入的通电导线来说是外加磁场的磁感应强度，不必考虑导线自身产生的磁场对外加磁场的影响．2．公式F＝IlB sin θ中θ是B和I方向的夹角(1)当θ＝90°时，即B⊥I，sin θ＝1，公式变为F＝IlB.(2)当θ＝0°时，即B∥I，F＝0.3．公式F＝IlB sin θ中l指的是导线在磁场中的“有效长度”，弯曲导线的有效长度l，等于连接两端点直线的长度(如下图所示)；相应的电流沿导线由始端流向末端．推论：对任意形状的闭合平面线圈，当线圈平面与磁场方向垂直时，线圈的有效长度l＝0，故通电后线圈在匀强磁场中所受安培力的矢量和一定为零，如下图所示．例题精练1．（2020秋•鼓楼区校级期中）如图所示，用粗细均匀的同种材料做成的半径为L的圆形金属线框，圆心为O，自由放置在绝缘水平面上（俯视图），处于以MN为界线的竖直方向匀强磁场中，界线左、右两侧的磁场方向相反（图中已标出），磁感应强度大小分别为B、2B。
高中物理选修3-1磁场讲义
1、2、3、磁场磁感线磁场磁现象与人类有着密切的联系．例如生活中离不开的、电视、发电机、电动机，现代科学研究中离不开的电流表、质谱仪、计算机、回旋加速器等，都跟磁现象有关．这是因为电现象和磁现象有着密不可分的联系，凡是用到电的地方，几乎都有磁相伴随．磁悬浮与磁悬浮列车把两个磁铁的磁极靠近时，它们之间会产生相互作用的磁力：同名磁极互相推斥，异名磁极互相吸引．磁极之间相互作用的磁力是通过磁场发生的．磁铁在周围的空间里产生磁场，磁场对处在它里面的磁极有磁场力的作用．磁铁并不是磁场的唯一来源．1820年丹麦物理学家奥斯特（1777－1851）做过下面的实验：把一条导线平行地放在磁针的上方，给导线通电，磁针就发生偏转．这说明不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场．电流能够产生磁场，那么电流在磁场中又会怎样呢？把一段直导线放在磁铁的磁场里，当导线中有电流通过时，可以看到导线因受力而发生运动．可见，磁场不仅对磁极产生力的作用，对电流也产生力的作用．电流能够产生磁场，而磁场对电流又有力的作用，那么电流和电流之间自然应该通过磁场发生作用．实验看到,两条平行直导线，当通以相同方向的电流时，它们相互吸引，当通以相反方向的电流时，它们相互排斥．这时每个电流都处在另一个电流的磁场里，因而受到磁场力的作用．也就是说，电流和电流之间，就像磁极和磁极之间一样，也会通过磁场发生相互作用．综上所述，我们认识到，磁体或电流在其周围空间里产生磁场，而磁场对处在它里面的磁极或电流有磁场力的作用．这样，我们对磁极和磁极之间、磁极和电流之间、电流和电流之间的相互作用获得了统一认识，所有这些相互作用都是通过磁场来传递的．磁场的方向磁感线把小磁针放在磁体或电流的磁场中，小磁针因受磁场力的作用，它的两极静止时不一定指向南北方向，而指向另外某一个方向．在磁场中的不同点，小磁针静止时指的方向一般并不相同．这个事实说明，磁场是有方向性的．物理学规定，在磁场中的任一点，小磁针北极受力的方向，亦即小磁针静止时北极所指的方向，就是那一点的磁场方向．在磁场中人们可以利用磁感线来形象地描写各点的磁场方向．所谓磁感线，是在磁场中画出的一些有方向的曲线，在这些曲线上，每一点的切线方向都在该点的磁场方向上．实验中常用铁屑在磁场中被磁化的性质，来显示磁感线的形状．在磁场中放一块玻璃板，在玻璃板上均匀地撒一层细铁屑，细铁屑在磁场里被磁化成“小磁针”．轻敲玻璃板使铁屑能在磁场作用下转动，铁屑静止时有规则地排列起来，就显示出磁感线的形状．电流的磁效应图中表示条形磁铁和蹄形磁铁的磁感线分布情况．磁铁外部的磁感线是从磁铁的北极出来，进入磁铁的南极．图甲表示直线电流磁场的磁感线分布情况．直线电流磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在跟导线垂直的平面上．实验表明，改变电流的方向，各点的磁场方向都变成相反的方向，即磁感线的方向随着改变．直线电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系可以用安培定则（也叫右手螺旋定则）来判定：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(图乙)．图甲表示环形电流磁场的磁感线分布情况．环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线．在环形导线的中心轴线上，磁感线和环形导线的平面垂直．环形电流的方向跟中心轴线上的磁感线方向之间的关系，也可以用安培定则来判定：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向(图乙)．图中表示通电螺线管磁场的磁感线分布情况．螺线管通电以后表现出来的磁性，很像是一根条形磁铁，一端相当于北极，另一端相当于南极．改变电流的方向，它的南北极就对调．通电螺线管外部的磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，也是从北极出来，进入南极．通电螺线管部具有磁场，部的磁感线跟螺线管的轴线平行，方向由南极指向北极，并和外部的磁感线连接，形成一些环绕电流的闭合曲线．通电螺线管的电流方向跟它的磁感线方向之间的关系，也可用安培定则来判定：用右手握住螺线管．让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致．大拇指所指的方向就是螺线管部磁感线的方向．也就是说，大拇指指向通电螺线管的北极．与天然磁铁相比，电流磁场的强弱和有无容易调节和控制，因而在实际中有很多重要的应用．电磁起重机、、电动机、发电机，以及在自动控制中得到普遍应用的电磁继电器等．都离不开电流的磁场．在磁场中也可以用磁感线的疏密程度大致表示磁感应强度的大小．在同一个磁场的磁感线分布图上，磁感线越密的地方，表示那里的磁感应强度越大．这样，从磁感线的分布就可以形象地表示出磁场的强弱和方向．如果磁场的某一区域里，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．匀强磁场是最简单但又很重要的磁场，在电磁仪器和科学实验中有重要的应用．距离很近的两个异名磁极之间的磁场，通电螺线管部的磁场，除边缘部分外，都可认为是匀强磁场．4 安培力磁感应强度磁场不仅有方向性，而且有强弱的不同．我们怎样来表示磁场的强弱呢？与电场强度类似，研究磁场的强弱，我们要从分析电流在磁场中的受力情况着手，找出表示磁场强弱的物理量．磁场对电流的作用力通常称为安培力．这是为了纪念法国物理学家安培（1775－1836），他研究磁场对电流的作用力有杰出的贡献．安培力的大小磁感应强度实验表明：把一段通电直导线放在磁场里，当导线方向与磁场方向垂直时，电流所受的安培力最大；当导线方向与磁场方向一致时，电流所受的安培力最小，等于零；当导线方向与磁场方向斜交时，所受安培力介于最大值和最小值之间．通电导线长度一定时，电流越大，导线所受安培力就越大；电流一定时，通电导线越长，安培力也越大．精确的实验表明，通电导线在磁场受到的安培力的大小，既与导线的长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，即与I和L的乘积IL成正比，用公式表示为F＝BIL，上两式中的比值B有什么物理意义呢？在不同的蹄形磁铁的磁场中做上述实验，将会发现：在同一磁场中，不管电流I、导线长度L怎样改变，比值B总是确定的．但是在不同的磁场中，比值B一般是不同的．可见，B是由磁场本身决定的．在电流I、导线长度L相同的情况下，电流所受的安培力F越大，比值B越大，表示磁场越强．因而我们可以用比值B表示磁场的强弱，叫做磁感应强度．在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的安培力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫做磁感应强度．在上述实验中，导线所在处蹄形磁铁两极间的磁场强弱是处处相同的．但是，像电场一样，磁场中不同位置处的磁场强弱一般是不同的．两个条形磁铁的磁极离得较远时，磁力很小，让它们逐渐靠近，你会感到磁力在增大．这说明，离磁极远近不同位置处，磁场的强弱是不同的．在这种磁场中，我们仍然可以用上述方法研究磁场，只是此时要用一段特别短的通电导线来研究磁场的强弱．当通电导线的长度很短时，用上述方法定义出的磁感应强度就是导线所在处的磁感应强度．磁感应强度B的单位是由F．I和L的单位决定的．在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，国际符号是T，地面附近地磁场的磁感应强度大约是0.3×10-4T～0.7×10-4T，永磁铁的磁极附近的磁感应强度大约是10-3T～1T，在电机和变压器的铁芯中，磁感应强度可达0.8T～1.4T．磁场还具有方向性，我们把磁场中某一点的磁场方向定义为该点磁感应强度的方向，这样磁感应强度这一矢量就可以全面地反映出磁场的强弱和方向了．引入了磁感应强度的概念，由公式F＝BIL知道，在匀强磁场中，在通电直导线与磁场方向垂直的情况下．电流所受的安培力F等于磁感应强度B、电流I和导线长度L三者的乘积．在非匀强磁场中，公式F＝BIL适用于很短的一段通电导线，这是因为导线很短时，它所在处各点的磁感应强度的变化很小，可近似认为磁场是匀强磁场．安培力的方向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．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：伸开左手．使大拇指跟其余四个手指垂直．并且都跟手掌在一个平面，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的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．*通电导线方向与磁场方向不垂直时的安培力如果通电导线方向不跟磁场方向垂直，如何计算电流受到的安培力呢？当通电导线方向与磁场方向有一个夹角θ时，我们可以把磁感应强度B分解为两个分量：一个是跟通电导线方向平行的分量B1＝Bcosθ，另一个是跟通电导线方向垂直的分量B2＝Bsinθ．B1与通电导线方向平行，对电流没有作用力，电流受到的力是由B2决定的，即F＝ILB2．将B2=Bsinθ代入上式，得到F＝ILBsinθ．这就是通电导线方向与磁场方向成某一角度时安培力的公式．公式F＝BIL是上式θ＝90°时的特殊情况．这时安培力的方向又如何判定呢？我们仍旧可以用左手定则来判定安培力的方向，只是这时磁感线是倾斜进入手心的．磁通量在电磁学里常常要讨论穿过某一个面的磁场，为此需要引入一个新的物理量棗磁通量．设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁场的磁感应强度为B，平面的面积为S，我们定义磁感应强度B与面积S的乘积，叫作穿过这个面的磁通量，简称磁通．如果用Ф表示磁通量，则有Ф=BS．磁通量的意义可以用磁感线形象地加以说明．我们知道在同一磁场的图示中，磁感线越密的地方，也就是穿过单位面积的磁感线条数越多的地方，磁感应强度B越大．因此，B越大，S越大，穿过这个面的磁感线条数就越多，磁通量就越大．如果平面跟磁场方向不垂直，我们可以作出它在垂直于磁场方向上的投影平面．从图中可以看出，穿过斜面和投影面的磁感线条数相等，即磁通量相等．因此，同一个平面，当它跟磁场方向垂直时，穿过它的磁感线条数最多，磁通量最大．当它跟磁场方向平行时，没有磁感线穿过它，即穿过的磁通量为零．在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，简称韦，符号是Wb．1Wb＝1T·1m2．积的磁通量，因此常把磁感应强度叫做磁通密度，并且用Wb/m2作单位．电流表的工作原理电流表是测定电流强弱和方向的电学仪器．实验时经常使用的电流表是磁电式仪表．这种电流表的构造是在一个很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，铝框上绕有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针．线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈．蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐向分布的，不管通电线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行．当电流通过线圈的时候，线圈上跟铁柱轴线平行的两边都受到安培力，这两个力产生的力矩使线圈发生转动．线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，产生一个阻碍线圈转动的力矩，其大小随线圈转动角度的增大而增大．当这种阻碍线圈转动的力矩增大到同安培力产生的使线圈发生转动的力矩相平衡时，线圈停止转动．磁场对电流的作用力跟电流成正比，因而线圈中的电流越大，安培力产生的力矩也越大，线圈和指针偏转的角度也就越大．因此，根据指针偏转角度的大小．可以知道被测电流的强弱．当线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变．所以，根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向．磁电式仪表的优点是灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是绕制线圈的导线很细，允许通过的电流很弱（几十微安到几毫安），如果通过的电流超过允许值，很容易把它烧坏．这一点我们在使用时一定要特别注意．5 磁场对运动电荷的作用磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的．由此自然会想到：这个力可能是作用在运动电荷上的，而作用在通电导线上的安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现．从阴极发射出来的电子束，在阴极和阳极间的高电压作用下，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示出电子束运动的径迹．实验表明，在没有外磁场时，电子束是沿直线前进的．如果把射线管放在蹄形磁铁的两极间，荧光屏上显示的电子束运动的径迹就发生了弯曲．这表明，运动电荷确实受到了磁场的作用力，这个力通常叫做洛仑兹力．荷兰物理学家洛仑兹（1853－1928）首先提出了运动电荷产生磁场和磁场对运动电荷有作用力的观点，为纪念他，人们称这种力为洛仑兹力．洛仑兹力的方向洛仑兹力的方向也可用左手定则来判定：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，且处于同一平面，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，四指指向正电荷运动的方向，那么，拇指所指的方向就是正电荷所受洛仑兹力的方向．运动的负电荷在磁场中所受的洛仑兹力，方向跟正电荷相反．洛仑兹力的大小现在来确定洛仑兹力的大小．有一段长度为L的通电导线，横截面积为S，单位体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q，定向移动的平均速率为v,导线中的电流为I＝nqvS．这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的磁场中所受的安培力F安＝ILB＝（nqvS）LB．安培力F安可以看作是作用在每个运动电荷上的洛仑兹力F的合力．这段导线中含有的运动电荷数为nLS,F=qvB．上式中各量的单位分别为N、C、m/s、T．*v与B不垂直时的洛仑兹力如果导线不是垂直地放入磁场，这时安培力的公式是F安=ILBsinθ．重复上面的推导过程可得F=qvBsinθ．公式F=qvB是F=qvBsinθ在θ＝90°时的特殊情况．这时的洛仑兹力的方向仍用左手定则来判定，只是此时磁感线是斜着穿入手心的．运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用，运动方向会发生偏转．这一点对地球上的生命来说有十分重要的意义．从太阳或其他星体上，时刻都有大量的高能粒子流放出，称为宇宙射线．这些高能离子流，如果都到达地球，将对地球上的生物带来危害．庆幸的是，地球周围存在地磁场，地磁场改变宇宙射线中带电粒子的运动方向，对宇宙射线起了一定的阻挡作用．6 带电粒子在磁场中的动动运动轨迹垂直射入匀强磁场中的带电粒子，在洛仑兹力F＝qvB的作用下，将会偏离原来的运动方向．那么，粒子的运动径迹是怎样的呢？我们来做下面的实验．实验所用的仪器是一种特制的电子射线管，由电子枪发出的电子射线可以使管的低压水银蒸气（或氢气）发出辉光，显示出电子的径迹．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），电子的径迹就弯曲成圆形．垂直射入匀强磁场的带电粒子，它的初速度和所受洛仑兹力的方向都在跟磁场方向垂直的平面，没有任何作用使粒子离开这个平面，所以粒子只能在这个平面运动．洛仑兹力总是跟粒子的运动方向垂直，不对粒子做功，它只改变粒子运动的方向，而不改变粒子的速率，所以粒子运动的速率v是恒定的．这时洛仑兹力F＝qvB的大小不变，即带电粒子受到一个大小不变、方向总与粒子运动方向垂直的力，因此带电粒子做匀速圆周运动，其向心力就是洛仑兹力．轨道半径和周期一带电粒子的质量为m，电荷量为q，速率为v，它在磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r有多大呢？提供的，所以上式告诉我们，在匀强磁场中做匀速圆周运动的带电粒子，它的轨道半径跟粒子的运动速率成正比．运动的速率越大，轨道的半径也越大．这个式子告诉我们，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率无关．电场可以对带电粒子施加影响，磁场也可以对运动的带电粒子施加影响，当然，电场和磁场共同存在时对带电粒子也会施加影响．这一知识在现代科学技术中有着广泛的应用．【例题】一质量为m，电荷量为q的粒子，从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场．然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，最后打到照相底片D上（图16－28）．求：①粒子进入磁场时的速率；②粒子在磁场中运动的轨道半径．解析质谱仪在上图中，如果容器A中含有电荷量相同而质量有微小差别的粒子，根据例题中的结果可知，它们进入磁场后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r，如果再已知带电粒子的电荷量q，就可以算出它的质量．这种仪器叫做质谱仪．上图就是质谱仪的原理示意图．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量．图中所示的是锗的质谱线，在谱线上标出的数字是锗同位素的质量数．质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪首先得到了氖20和氖22的质谱线，证实了同位素的存在．后来经过多次改进，质谱仪已经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．回旋加速器在现代物理学中，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．怎样才能在实验室大量产生高能量的带电粒子呢？这就要用一种新的实验设备回旋加速器．我们已经学过，利用电场可以使带电粒子加速．早期制成的加速器，就是用高压电源的电势差来加速带电粒子的．这种加速器受到实际所能达到的电势差的限制，粒子获得的能量并不太高，只能达到几十万到几兆电子伏．为了提高粒子的能量，可以设想让粒子经过多次电场来加速，这倒是一个很合乎道理的想法．但是想实现这一设想，需要建一个很长很长的实验装置，其中包含多级提供加速电场的装置．能不能在较小的空间围让粒子受到多次电场的加速呢？1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地应用带电粒子在磁场中的运动特点解决了这一问题．回旋加速器的工作原理如图所示．放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率v0垂直进入匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动．经过半个周期，当它沿着半圆弧A0A1到达A1时，在A1A1′处造成一个向上的电场，使这个带电粒子在A1A1′处受到一次电场的加速，速率由v0增加到v1．然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动．我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了的圆周运动．又经过半个周期，当它沿着半圆弧A1′A2′到达A2′时，在A2′A2处造成一个向下的电场，使粒子又一次受到电场的加速，速率增加到v2．如此继续下去，每当粒子运动到A1A1′、A3A3′等处时都使它受到向上电场的加速，每当粒子运动到A2′A2、A4′A4等处时都使它受到向下电场的加速，粒子将沿着图示的螺线A0A1A1′A2′A2……回旋下去，速率将一步一步地增大．带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T＝2πm/qB跟运动速率和轨道半径无关，对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的．因此，尽管粒子的速率和半径一次比一次增大．运动周期T却始终不变，这样，如果在直线AA、A′A′处造成一个交变电场，使它也以相同的周期T往复变化，那就可以保证粒子每经过直线AA和A′A′时都正好赶上适合的电场方向而被加速．回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒,这两个D形盒就像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两半．两个D形盒之间留一个窄缝，在中心附近放有粒子源．D形盒装在真空容器中，整个装置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于D形盒的底面．把两个D形盒分别接在高频电源的两极上，如果高频电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同，带电粒子就可以不断地被加速了．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．回旋加速器的出现，使人类在获得具有较高能量的粒子方面前进了一步．为此，1939年劳伦斯荣获了诺贝尔物理学奖．但是，在30年代末期发现，用这种经典的回旋加速器加速质子，最高能量仅能达到20MeV，要想进一步提高质子的能量就很困难了．这是因为．在粒子的能量很高的时候，它的运动速度接近于光速，按照狭义相对论（以后会介绍），这时粒子的质量将随着速率的增加而显著地增大，粒子在磁场中回旋一周所需的时间要发生变化．交变电场的频率不再跟粒子运动的频率一致，这就破坏了加速器的工作条件，进一步提高粒子的速率就不可能了．如果从这一点考。
高中物理 磁现象 磁场课件 教科版选修
PART 04
磁场的产生与变化
磁场的产生
磁场是由磁体或电流产生的空间场，其 特性表现为对处于其中的磁体或电流产
生力的作用。
磁场的产生与磁体的磁化和电流的流动 有关，磁体通过磁化产生磁场，电流通
过流动产生磁场。
磁场的性质可以通过磁感线来描述，磁 感线表示磁场的方向和强弱，磁感线的
密集程度表示磁场强度。
PART 03
磁场对运动电荷的作用力
洛伦兹力
洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力，其大小与电荷的运动速度和磁感 应强度的大小有关。
洛伦兹力的方向与电荷运动方向和磁场方向都垂直，遵循左手定则。
洛伦兹力在磁场中的存在不会改变电荷的运动速度的大小，但会改变其 运动方向。
洛伦兹力方向的判断
使用左手定则来判断洛伦兹力的方向：将左手伸直，掌心向外，拇指与其他四个 手指垂直，然后将左手放入磁场中，让磁感线穿过掌心，四指指向正电荷的运动 方向，则拇指指向即为洛伦兹力的方向。
磁感应强度
磁感应强度是描述磁场强弱和方 向的物理量，用符号B表示。
B的大小等于垂直于磁场方向放 置的单位面积上所受到的磁场力
，即B=F/IL。
B的方向与该点磁场方向相同， 大小与F、IL无关，由磁场本身决
定。
PART 02
磁场对通电导线的作用力
安培力
安培力是磁场对通电导线的作用力，其大小与电流、磁场强度以及导线在磁场中的 有效长度成正比，方向垂直于磁场方向和导线所在的平面。
02
磁场疗法是一种利用磁场作用于人体，以达到治疗疾病的方法。磁场可以影响 人体内的微电流分布，调节神经传导和血液循环，缓解疼痛和炎症等症状。
03
磁场成像是一种利用磁场变化检测人体内部结构和功能的方法。通过磁场成像 技术，可以无创地检测人体内部器官和组织的形态和功能，为医学诊断和治疗 提供重要依据。
高中物理选修课件第三章磁现象和磁场
磁流体动力学是研究磁场与导电流体相互作用的一门学科，涉及电磁场 理论、流体力学和热力学等多个领域，在等离子体物理、天体物理和核 聚变等领域具有重要的应用价值。
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应用举例
超导磁体、超导电缆、超导电机等。
04
电磁感应原理及应用
法拉第电磁感应定律
法拉第电磁感应定律内容
电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
法拉第电磁感应定律的应用
动生电动势和感生电动势的产生原因不同，但本质相同，都是由于磁通量的变化而产生的，而 且它们产生的感应电动势都符合法拉第电磁感应定律E=nΔΦ/Δt。
安培力
通电导线在磁场中受到的力，方向用 左手定则判断。安培力的大小与导线 长度、电流强度和磁场强度有关。
洛伦兹力
运动电荷在磁场中受到的力，方向用 左手定则判断。洛伦兹力的大小与电 荷量、电荷运动速度和磁场强度有关 。
霍尔效应
当电流垂直于外磁场通过半导体时， 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。
03 磁极
磁体上磁性最强的部分叫做磁极，任何磁体都有 两个磁极，分别叫做南极（S极）和北极（N极） 。
磁极与磁场方向
01 磁场方向
在磁场中某一点，小磁针静止时北极所指的方向 就是该点的磁场方向。
02 磁感线
在磁场中画一些有方向的曲线，曲线上每一点的 切线方向都跟该点的磁场方向一致，这样的曲线 叫做磁感线。
光纤通信应用
广泛应用于电话、电视、计算机网络等领域。随着技术的发 展，光纤通信已成为现代通信网的主要传输手段之一，对于 推动信息化社会建设具有重要意义。
06
高二物理选修课件磁现象和磁场
生物体内磁性物质研究
生物磁性物质种类
生物体内存在多种磁性物质，如铁磁性物质、亚铁磁性物质等， 这些物质在生物体内发挥着重要的生理功能。
生物磁性物质的生物功能
生物体内的磁性物质参与多种生物过程，如导航、生物矿化、磁感 应等，对生物的生存和繁衍具有重要意义。
数据处理
根据实验原理和测量数据，可以 计算出地磁场的磁感应强度。具 体计算过程包括计算安培力、求 解磁感应强度等步骤。
结果分析和误差来源
结果分析
将实验数据与理论值进行比较，分析实验结果的准确性和可靠性。如果实验数据 与理论值相符，则说明实验结果是正确的。
误差来源
实验误差可能来源于多个方面，如测量误差、仪器误差、环境干扰等。为了减小 误差，可以采用多次测量取平均值、改进实验装置等方法。
磁体周围存在着一种特殊物质，能使磁针偏转， 我们把它叫做磁场。
03 磁极
磁体上磁性最强的部分叫磁极。
磁体与磁场
01 磁体
具有磁性的物体叫磁体。
02 磁场
磁体周围空间存在着一个对放入其中的磁体产生 磁力作用的特殊物质叫做磁场。
03 磁场方向
在磁场中的某一点，小磁针静止时北极所指的方 向就是该点的磁场方向。
电磁铁
通过电流在导线周围产生磁场，使铁 芯磁化，从而具有磁性。电磁铁广泛 应用于各种电器和机械设备中。
电磁感应
当磁场发生变化时，会在导体中产生 感应电流。这是电动机和发电机的工 作原理基础。
电动机原理
利用磁场对电流的作用力，使电动机 转动。电动机是现代工业中最重要的 动力设备之一。
磁记录技术（硬盘、磁带等）
高中物理选修导学课件第章磁场
当一个线圈中的电流发生变化时，在线圈自身中产生感应电动势的现象。自感现象的产生 条件为线圈中的电流发生变化。
互感和自感现象的区别
互感现象是两个线圈之间的相互作用，而自感现象是线圈自身的电磁感应现象。两者产生 的机理不同，但都是由于电磁感应现象而产生的。
交流电产生、传输和变化规
06
律
正弦交流电产生条件
03 动生和感生电动势的区别
动生电动势是由于导体运动而产生的，感生电动 势是由于磁场变化而产生的。两者产生的机理不 同，但都是由于电磁感应现象而产生的。
互感和自感现象分析
互感现象
两个相互靠近的线圈，当一个线圈中的电流发生变化时，在另一个线圈中产生感应电动势 的现象。互感现象的产生条件为两个线圈相互靠近且其中一个线圈中的电流发生变化。
要点一
线圈在匀强磁场中匀速转动
当线圈平面与磁感线平行时，线圈中的感应电动势最大， 产生的感应电流也最大；当线圈平面与磁感线垂直时，感 应电动势和感应电流均为零。
要点二
线圈转动的角速度与磁场强度、 线圈匝数及线圈面积有关
磁场越强、线圈匝数越多、线圈面积越大，则线圈转动的 角速度越快，产生的正弦交流电频率也越高。
描述交流电物理量介绍
瞬时值
最大值
有效值
周期和频率
描述交流电在某一时刻的状 态，用e、i、u等表示。
交流电在一个周期内所能达 到的最大值，用Em、Im、
Um等表示。
根据电流的热效应来定义的 ，它等于相同时间内直流电 所产生的热量与交流电所产 生的热量相等时的直流电的 大小。用E、I、U等表示。
交流电完成一次周期性变化 所需的时间称为周期，用T表 示；单位时间内完成周期性 变化的次数称为频率，用f表
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磁场第一节我们周围的磁现象知识点回顾：1、地磁场（1）地球磁体的北（N）极位于地理南极附近，地球磁体的南（S）极位于地理北极附近。
（2）地球磁体的磁场分布与条形磁铁的磁场相似。
（3）地磁两极与地理两极并不完全重合，存在偏差。
2、磁性材料（1）按去磁的难易程度划分可分为硬磁性材料和软磁性材料。
（2）按材料所含化学成分划分可分为和。
（3）硬磁性材料剩磁明显，常用来制造等。
（4）软磁性材料剩磁不明显，常用来制造等。
知识点1：磁现象一切与磁有关的现象都可称为磁现象。
磁在我们的生活、生产和科技中有着广泛的应用，归纳大致分为：（1）利用磁体对铁、钴、镍等磁性物质的吸引力；（2）利用磁体对通电线圈的作用力；（3）利用磁化现象记录信息。
知识点2：地磁场（重点）地球由于本身具有磁性而在其周围形成的磁场叫地磁场。
关于地磁场的起源，目前还没有令人满意的答案。
一种观点认为，地磁场是由于地核中熔融金属的运动产生的，而且熔融金属运动方向的变化会引起地磁场方向的变化。
科学研究发现，从地球形成迄今的漫长年代里，地磁极曾多次发生极性倒转的现象。
地磁场具有这样的特点：（1）地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近；（2）地磁场与条形磁铁产生的磁场相似，但地磁场磁性很弱；（3）地磁场对宇宙射线的作用，保护生命（极光、宇宙射线的伤害）；地磁场对生物活动的影响（迁徙动物的走南闯北如信鸽，但候鸟南飞确是受气候的影响的，不是磁场）拓展：地磁两极与地理两极并不重合，存在地磁偏角。
这种现象最早是由我国北宋的学者沈括在《梦溪笔谈》中提出的，比西方早400多年。
并不是所有的天体都有和地球一样的磁性，如火星就没有磁性知识点3：磁性材料磁性材料一般指铁磁性物质。
按去磁的难易程度，磁性材料可分为硬磁性材料和软磁性材料。
硬磁性材料具有很强的剩磁，不易去磁，一般用于制造永磁体，如扬声器、计算机硬盘、信用卡、饭卡等；软磁性材料没有明显的剩磁，退磁快，常用于制造电磁铁、电动机、发电机、磁头等。
易忽略点：怎样区分磁性材料如何判断给定的物体是采用硬磁性材料还是软磁性材料是学习中容易出错的地方。
解决此类问题关键有两点：1、明确所给物体的功能和原理；2、熟悉这两种磁性材料的特点。
练习：1、下列有关磁的应用中利用磁化现象记录信息的是（）A、门吸B、磁带C、磁石治病D、磁悬浮2、为了判断一根钢棒有无磁性，采取了下列几种办法，你认为哪种办法可以认定钢棒没有磁性（）A、将钢棒的一端接近磁针的北极，两者相互吸引，再将钢棒的另一端接近磁针的南极，两者相互排斥。
B、将钢棒的一端接近磁针的北极，两者相互排斥，将钢棒的另一端接近磁针的北极时，两者相互吸引。
C、将钢棒的一端接近磁针的北极时，两者相互吸引，将钢棒的另一端接近磁针的南极时，两者相互吸引。
D、将钢棒的一端接近磁针的北极时，两者相互吸引，将钢棒的另一端接近磁针的北极时，两者相互吸引。
第二节认识磁场知识点1：磁场（重点）实物和场是物质存在的两种不同形式，磁场和电场一样，都是客观存在的一种特殊物质。
一、磁场客观存在于磁体、电流周围，磁体和电流通过磁场传递相互作用。
二、磁场的基本性质：对放入其中的磁体或电流产生力的作用。
磁极和磁极之间、磁场和电流之间、电流和电流之间的相互作用都是通过磁场来传递的三、磁场有强弱和方向，可以用磁感线形象地描述磁场的强弱和方向，也可以用小磁针受力方向来描述磁场的方向。
物理学规定，磁场的方向即小磁针N极受力的方向，亦即小磁针静止时N极指向。
四、磁场是媒介物：磁极间、电流间、磁极与电流间的相互作用是通过磁场发生的。
知识点2：磁感线（重点）在磁场中每一点，磁场都有确定的大小和方向，物理学中用磁感线形象地描述磁场。
所谓磁感线就是为了使人们更形象更直观地描述磁场，而引入的一系列有方向的曲线：（1）磁感线的定义在磁场中画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟这点的磁感应强度的方向一致，这样的曲线叫做磁感线。
（2）特点：A、磁感线是闭合曲线，磁铁外部的磁感线是从北极出来，回到磁铁的南极，内部是从南极到北极.B、每条磁感线都是闭合曲线，任意两条磁感线不相交。
C、磁感线上每一点的切线方向都表示该点的磁场方向。
D、磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小注意：磁感线是为了形象地描述磁场而引入的数学工具，最早是由英国物理学家法拉第提出的，并不真实存在，实验时常用被磁化的铁屑来显示磁感线的分布，但绝不能认为磁感线是由细铁屑组成的。
磁感线是闭合的，磁场中未画磁感线的空间，磁场照样存在，磁感线不相交。
知识点3：安培定则（重点）法国物理学家安培通过实验总结出了用于判断电流的磁场分布的法则——安培定则，又称为右手螺旋定则。
可用于判断直线电流、环形电流和通电螺线管的磁感线分布。
直线电流的方向和磁感线方向之间的关系可用安培定则（也叫右手螺旋定则）来判定：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.几种常见磁场的磁感线的分布（1）条形磁铁和碲形磁铁的磁感线条形磁铁和蹄形磁铁是两种最常见的磁体，如图所示的是这两种磁体在平面内的磁感线形状，其实它们的磁感线分布在整个空间内，而且磁感线是闭合的，它们的内部都有磁感线分布。
（2）通电直导线磁场的磁感线通电直导线磁场的磁感线的形状与分布如图所示，通电直导线磁场的磁感线是一组组以导线上各点为圆心的同心圆。
需要指出的是，通电直导线产生的磁场是不均匀的，越靠近导线，磁场越强，磁感线越密。
电流的方向与磁感线方向的关系可以用安培定则来判断，如图所示。
用右手握住直导线，伸直的大拇指与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。
（3）环形电流磁场的磁感线环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线，在环形的中心轴上，由对称性可知，磁感线是与环形导线的平面垂直的一条直线。
如图甲所示，环形电流方向与磁感线方向的关系也可以用右手定则来判断，如图乙所示，让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是圆环轴线上磁感线的方向；如图丙所示，让右手握住部分环形导线，伸直的大拇指与电流方向一致，则四指所指的方向就是围绕环形导线的磁感线的方向。
（4）通电螺线管的磁感线通电螺线管表现出来的磁性很像一根条形磁铁，一端相当于北极（N），另一端相当于南极（S），形成的磁感线在通电螺线管的外部从北极（N）出来进入南极（S），通电螺线管内部具有磁场，磁感线方向与管轴线平行，方向都是由S极指向N极，并与外部磁感线连接形成一些闭合曲线，其方向也可用安培定则判断，用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，那么大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，如图所示。
（5）地磁场的磁感线地磁场的南北极与地理上的南北极刚好相反，所以磁感线从地理的南极出来进入地理的北极如图所示。
知识点4：分子电流假说1.内容：法国物理学家安培受到通电螺线管外磁场与条形磁铁的磁场相似的启发，提出了着名的分子电流假说：任何物质的分子中都存在环形电流——分子电流，分子电流使每个物质分子都成为一个微小的磁体，如图。
2.解释：安培的分子电流假说对有关磁现象的解释：（1）磁化现象：一软铁棒，在未被磁化时，内部各分子电流的取向杂乱无章，它们的磁场相互抵消，对外不显磁性。
当软铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流取向变得大致相同，两端显示较强的磁作用，形成磁极，软铁棒就被磁化了。
（2） 消磁：磁体在高温或猛烈敲击下，即在激烈的热运动或机械运动影响下，分子电流取向变得杂乱无章了，磁体磁性消失。
拓展：（1）假说是一种常用的科学研究方法，在安培的时代，人们不知道物质内部为什么会有分子电流，20世纪后，随着电子的发现，人们认识到，原子内部带电粒子的不停运动即对应安培所说的分子电流，分子电流假说已经成为真理，揭示了磁现象的电本质。
（2）需要指出的是并非所有的磁场都是由电荷的运动产生的根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场可以产生磁场。
（3）磁现象的电本质：磁铁和电流的磁场本质上都是运动电荷产生的．易错点：磁体内部小磁针指向在判断小磁针处于磁体内部N 极指向问题时，有些同学往往套用初中的结论“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”而做出错误判断，错误原因是不了解结论的适用条件。
对于小磁针处于磁体内部时，我们应该运用高中教材中的物理学规定：“小磁针在磁场中静止时，N 极所指的方向就是磁场的方向，也就是磁感线的方向。
”所以，学习物理知识，切忌不加分析，盲目套用公式或结论。
易忽略点：磁场的方向磁场的方向可用磁感线的切线方向来表示，也可用小磁针的N 极指向来表示。
在用小磁针描述时，容易忽略的是：小磁针的哪一极以及小磁针的状态（静止时）。
易混点：磁场和电场磁场和电场虽然都是物质的一种特殊形态，都具有物质性，但并不是完全相同的物质，其不同点有：（1） 起源不同。
电场存在于电荷周围，磁场存在于磁体、电流和运动电荷的周围。
（2） 场线不同。
电场线不闭合，起始于正电荷终止于负电荷；磁感线闭合，外部从N极到S 极，内部从S 极到N 极。
（3） （静）电场是保守力场，电场力做功与路径无关，只与初末位置的电势差有关。
磁场是涡旋场，不能引入相应的“势能”概念来研究磁场的性质。
练习：2、如图11-1-1所示，a 、b 、c 三枚小磁针分别放在通电螺线管的正上方、管内和右侧。
当这些小磁针静止时，小磁针N 极的指向是（ ）Ａ．a 、b 、c 均向左Ｂ．a 、b 、c 均向右Ｃ．a 向左，b 向右，c 向右 Ｄ．a 向右，b 向左，c 向右变式训练1：如图11-1-2所示，带负电的金属环绕轴'OO 以角速度 匀速旋转，在环左侧轴线上的小磁针最后平衡的位置是（ ）Ａ．N 极竖直向上Ｂ．N 极竖直向下Ｃ．N 极沿轴线向左 Ｄ．N 极沿轴线向右4、根据安培假说的思想，认为磁场是由于运动电荷产生的，这种思想对地磁场也应是适用的，而目前在地球上并未发现相对地球定向移动的电荷，那么由此推断，地球应该（ ）A 、负电荷B 、带正电C 、不带电D 、无法确定5、一个电子沿纸面做快速的顺时针方向的圆周运动，则这个电子的运动将（ ）A 、不产生磁场图11-1-2B、产生只在圆周内侧存在的磁场C、产生相当于环形电流产生的磁场，在圆心处的磁场方向垂直纸面向里D、产生相当于环形电流产生的磁场，在圆心处的磁场方向垂直纸面向外判断下图中导线A所受磁场力的方向.答案：知识点1：安培力(重点)磁场对电流的作用力称为安培力，安培力是按性质命名的力，在对物体（通电导线）进行受力分析时，应该加以考虑。
（1） 安培力方向的判定方向——左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿过手心，使伸开的四指指向电流方向，那么大拇指所指的方向为安培力的方向。