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知识组1 磁现象和磁场 一. 磁现象和电流的磁效应 1．磁现象 (1) 磁性和磁体 物体具有吸引铁、钴、镍等物质的性质叫磁性。具有磁性的物体叫磁体。 (2) 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)。 (3) 磁极间的相互作用 同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。 (4) 磁化和去退磁 使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫做磁化；反过来，磁化后的物体失去磁性的过程叫做退磁或去磁。 (5) 磁性材料 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成，如铁、钴、镍等．它一般分为两类，即软磁性材料和硬磁性材料。其中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。 【说明】物体磁化后的磁极与使该物体产生磁性的磁体的相邻磁极互为异名磁极。 2. 电流的磁效应 (1) 奥斯特实验
① 1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，沿南北方向放置的导线通电后，其下方与导线平行的小磁针会发生偏转。 ② 奥斯特实验的意义：发现了电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系。 【注意】在做“奥斯特实验时”，为减弱地磁场的影响，通电导线应南北放置，且放在小磁针的正下方或正上方(不应将小磁针放在通电导线的延长线上)。因为小磁针静止时指向南北方向，若将导线东西放置，小磁针可能不偏转。 ③ 电流的磁效应：通电导线周围有磁场，即电流的周围有磁场，电流的磁场使放在导线周围的磁针发生偏转，磁场的方向跟电流的方向有关，这种现象叫做电流的磁效应。 (2) 磁铁对通电导线的作用 如图所示，磁铁对通电导体棒产生力的作用，使导体棒运动。
(3) 电流和电流间的相互作用 ① 如图所示，相互平行而且距离较近的两条导线，当导线中分别通以方向相同或方向相反的电流时，观察到发生的现象是：通同向电流的两根导线会靠近，通异向电流的两根导线会远离。
② 结论：同向电流相互吸引，异向电流相互排斥。 二. 磁场和地磁场 1．磁场 (1) 磁场的定义 磁体或电流周围空间存在的一种特殊物质，磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间、通电导体与通电导体之间的相互作用，是通过磁场发生的。 【说明】磁场与电场一样，都是场物质，都是真实存在的。磁场是传递磁作用的一种物质。 (2) 磁场的基本性质 磁场对放入其中的磁体、通电导体或运动电荷有力的作用。 (3) 磁场的产生 ①永磁体周围存在磁场；②通电导体周围存在磁场——电流的磁效应；③运动电荷的周围存在磁场。 2. 地磁场 (1) 地磁场 地球是一个巨大的磁体，周围空间存在的磁场叫地磁场。地球磁极的北极在地理的南极附近，地球磁极的南极在地理的北极附近。 【说明】不但地球具有磁场，宇宙中的其他天体也有磁场。 (2) 地磁场的特点
如图所示，地球周围的磁场与条形磁铁周围的磁场分布的情况相似。两极磁性最强，中间磁性最弱。在地磁场北极、南极附近，磁场方向是竖直的，而在赤道附近磁场方向是水平的。 (3) 磁偏角 地球的地理两极与地磁两极并不完全重合，磁针并非准确地指南或指北，其间有一个夹角，叫地磁偏角，简称磁偏角。 【说明】①地球上不同点的磁偏角数值不同。②由于地球磁极的缓慢移动，磁偏角也在缓慢变化。③地磁轴和地球自转轴的夹角约为11度。 知识组2 磁感应强度和几种常见磁场 一. 磁感应强度 1．磁感应强度的方向 (1) 磁感应强度 描述磁场强弱和方向的物理量，用符号B表示。 (2) 磁感应强度的方向 小磁针静止时N极所指的方向为该点的磁感应强度的方向，简称磁场方向。无论小磁针是否处于静止状态，其N极受力方向是确定的，因此磁场的方向也可说成小磁针在磁场中N极的受力方向。 2．磁感应强度的大小
二. 磁感线（重点） 1．定义 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相同，这样的曲线称为磁感线。 2．常见磁场的磁感线分布
3．磁感线的特点 (1) 磁感线在磁体的外部是从北极(N极)出来，进入南极(S极)，在磁体的内部则是由南极回到北极，形成一条闭合的曲线。 (2) 磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。磁感线密集的地方磁场强，稀疏的地方磁场弱。 (3) 磁感线上每一点的切线方向为该点的磁场方向。 (4) 磁感线是为了形象地研究磁场而在磁场中假想出来的一组有方向的曲线，并不是客观存在于磁场中的真实曲线。 (5) 磁感线在空间不相交，不相切，也不中断。 (6) 没有磁感线的地方，并不表示就没有磁场存在，通过磁场中的任一点总能而且只能画出一条磁感线。 三. 几种常见的磁场 1．直线电流的磁场(重点) (1) 安培定则
右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向，也叫右手螺旋定则。 (2) 分布特点 ① 直线电流的磁场分布的立体图和截面图如图所示。 ② 通电直导线周围的磁感线是以导线上各点为圆心的同心圆，实际上电流磁场为空间图形。 ③ 直线电流的磁场无磁极。 ④ 磁场的强弱与距导线的距离有关，离导线越近，磁场越强；离导线越远，磁场越弱。
【说明】图中“×”号表示磁场方向垂直纸面向里，“·”号表示磁场方向垂直纸面向外。 2．环形电流的磁场(重点) (1) 安培定则 让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上磁感线的方向，如图所示。
(2) 分布特点 ① 环形电流的磁场分布的立体图和截面图如图所示。
② 环形电流的磁场类似于条形磁铁的磁场，其两侧可等效为N极和S极。 ③ 由于磁感线为闭合曲线，所以环内、外磁感线条数相等，故环内磁场强，环外磁场弱。 ④ 环形电流的磁场在微观上可看成无数根很短的直线电流的磁场的叠加。 3．通电螺线管的磁场(重点) (1) 安培定则
用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流方向一致，大拇指所指的方向就是螺线管中心轴线上的磁感线的方向(大拇指指向螺线管北极)，如图所示。 (2) 分布特点 ① 通电螺线管的磁场分布的立体图和截面图如图所示。
② 内部近似为匀强磁场且比外部强，方向由S极指向N极，外部类似条形磁铁，由N极指向S极。 ③ 环形电流宏观上其实就是只有一匝的通电螺线管，通电螺线管则是由许多匝环形电流串联而成的。因此，通电螺线管的磁场也就是这些环形电流磁场的叠加。 【注意】不管是磁体的磁场还是电流的磁场，其分布都是在立体空间中的，要熟练掌握其立体图及纵、横截面图的画法以及转换。 4．安培分子电流假说 (1) 安培分子电流假说的内容
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，它的两侧相当于两个磁极，如图所示。 (2) 安培分子电流假说对一些磁现象的解释 ① 磁化现象： 一根铁棒未被磁化时，内部各分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外不显磁性，如图1所示。当铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁化，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁极，如图2所示。
② 磁体的消磁：磁体受到高温或猛烈撞击时，即在剧烈的热运动或震动的影响下，分子电流取向又变得杂乱无章，磁体的磁性消失。 (3) 磁现象的本质 磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由运动的电荷产生的。 四. 匀强磁场 1．定义 在磁场的某个区域内，如果各点的磁感应强度的大小和方向都相同，这个区域内的磁场叫做匀强磁场。 2．磁感线的特点 间距相同的平行直线。 3．存在位置 距离很近的两个平行的异名磁极之间(边沿除外)、通电螺线管内部(边沿除外)的磁场都是匀强磁场。 五. 磁通量 1．定义
如图所示，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，面积为S，我们把B与S的乘积叫做穿过这个面积的磁通量，简称磁通。用字母Φ表示。 2．计算（重点） (1) 公式：Φ＝BS. (2) 适用条件：①匀强磁场；②磁感线与平面垂直。
(3) 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，即Φ＝BS⊥。如图所示，在竖直方向的匀强磁场中，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＝BScos θ，Scos θ即为面积S在垂直于磁感线方向的投影。 (4) 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，净磁通量)，即Φ＝Φ1－Φ2。 (5) 磁感线是闭合曲线(不同于静电场的电场线)，所以穿过任意闭合曲面的磁通量一定为零，即Φ＝0。例如一个球面，磁感线只要穿入球面，就一定穿出球面，穿过球面的磁感线的净条数为零，即磁通量为零。 【点透】磁通量是针对某个面来说的，与给定的线圈的匝数多少无关，即在有关磁通量的计算时，只要n匝线圈的面积相同，放置情况也相同，则穿过n匝线圈与单匝线圈的磁通量相同，不需要考虑线圈匝数n。 3．单位 4．磁通密度 5．磁通量的正负 磁通量是标量，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时磁通量为正值，则磁感线从反面穿入时磁通量为负值。 【说明】磁通量的正负既不表示大小，也不表示方向，仅是为了计算方便而引入的。 6．磁通量发生变化几种情形
知识组3 安培力和洛伦兹力 一. 安培力 1．安培力及其方向 (1) 安培力 ① 通电导线在磁场中受的力称为安培力。 ② 安培力是性质力，其作用点可等效在导体的几何中心。 (2) 安培力方向的判定——左手定则
① 左手定则：如图所示，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。 ② 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。因此，在判断时，首先确定磁场和电流所确定的平面，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。 ③ 当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直电流和磁场所决定的平面，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。 【说明】 (1) 在磁场中无论怎样形成的电流，只要属于电流在磁场中受安培力的问题，左手定则同样适用。 (2) 左手定则判定的是磁场对电流作用力的方向，而不一定是载流导体运动的方向，载流导体是否运动，要根据它所处的具体情况而定。例如两端固定的载流导体，即使受到安培力的作用，它也不能运动。 2．安培定则与左手定则的区别 (1) 在适用对象上 安培定则研究电流(直线电流、环形电流、通电螺线管)产生磁场时，电流与其产生的磁场二者方向的关系；左手定则研究通电导线(或运动电荷)在磁场中受力时，F、I、B三者方向的关系。 (2) 在电流与磁场的关系上 安培定则中的“磁场”与“电流”密不可分，同时存在、同时消失，“磁场”是由电流的磁效应产生的；左手定则中的“磁场”与“电流”可以单独存在，“磁场”是外加的磁场，不是通电导线产生的。 (3) 在因果关系上 安培定则中的“电流”是“因”，磁场为“果”，正是有了电流(直流电流、环形电流、螺线管电流)才出现了由该电流产生的磁场；左手定则中的“磁场”和“电流”都是“因”，磁场对通电导线的作用力是“果”，有因才有果，而此时的两个“因”对产生安培力来说缺一不可。 (4) 判断电流方向选取定则的原则 当已知磁感线的方向，要判断产生该磁场的电流方向时，选用安培定则；当已知导线所受安培力的方向时，用左手定则判断电流的方向。 3．安培定则的大小（重点）
4．匀强磁场对通电线圈的作用 磁场对通电线圈有安培力矩的作用。磁场(磁感应强度为B)对通电线圈(电流为I，线圈面积为S)的安培力矩大小MB的取值范围为0～IBS.当磁场方向与线圈平行时，安培力矩MB取得最大值IBS；垂直时MB＝0. 要判断安培力矩的方向，首先要用左手定则先判断线圈各边所受的安培力的方向。 磁场对通电线圈的安培力矩作用具备如下特征：与线圈形状无关；与转动轴位置无关。 5．磁电式电流表 (1) 用途 判断电流的大小和方向。 (2) 磁电式电流表的构造主要包括：蹄形磁铁、圆柱形铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针和刻度盘。 (3) 原理
二. 洛伦兹力 1．洛伦兹力的大小和方向 (1) 洛伦兹力 磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力。 (2) 洛伦兹力的方向 ① 判定方法——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，让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。 ② 方向特点：F⊥B，F⊥v，即F垂直于B和v决定的平面。 (3) 洛伦兹力的大小 计算公式：F＝qvBsin θ，其中q为粒子所带电荷量，v为粒子的运动速度，B为磁场的磁感应强度大小，θ为粒子速度方向与磁感应强度方向的夹角。 ① 若带电粒子运动方向与磁感应强度方向垂直，则F＝qvB. ② 若带电粒子运动方向与磁感应强度方向平行，则F＝0. ③ 若带电粒子静止在磁场中，则F＝0. 三. 带电粒子在磁场中的运动及应用 1．带电粒子在匀强磁场中的运动
2．电视机显像管
3．速度选择器(重点) (1) 用途 利用相互垂直的电场、磁场选出一定速度的带电粒子的装置。 (2) 基本构造 如图所示，两平行金属板间加电压产生匀强电场E，匀强磁场方向与匀强电场方向垂直。 (3) 原理
(4) 特点： ① 速度选择器只选择粒子的速度(大小、方向)而不选择质量和电荷量，如图所示，若从右侧入射则不能穿过场区。
② 速度选择器B、E、v三个物理量的大小、方向互相约束，以保证粒子受到的电场力和洛伦兹力等大、反向，只改变磁场B的方向，粒子将发生偏转。 4．质谱仪(重点) (1) 用途 用来分析各种元素的同位素并测量其质量及含量百分比的仪器。 (2) 构造 如图所示，主要由以下几部分组成：
①带电粒子注入器；②加速电场(U)；③速度选择器(B1、E)；④偏转磁场(B2)；⑤照相底片。 (3) 原理
5．回旋加速器(重点) (1) 组成
包括两个D形盒、大型电磁铁、高频振荡交变电压，D形盒间可形成电压U。 (2) 原理 利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子。 ① 磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期与速率和半径无关，使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间(半个周期)后，平行于电场方向进入电场中加速。 【说明】回旋加速器所加的匀强磁场应垂直于D形盒面。 ② 电场的作用：回旋加速器两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计，因为两个D形盒之间的缝隙很小，加速效果取决于加速电压，与缝隙宽度无关。 ③ 交流电压：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使之能量不断提高，要在狭缝处加一个周期与带电粒子运动周期相同的交流电压。 (3) 带电粒子获得的最大动能
6．带电粒子在磁场中运动的科技应用 (1) 霍尔效应 ① 定义：
如图所示，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这个现象称为霍尔效应。 ② 原理：导体中定向移动的电荷，在磁场中受到洛伦兹力而发生偏转，使导体上、下面异种电荷堆积，从而出现电势差。 ③ 相关概念：霍尔效应中产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。霍尔电压与电流、磁感应强度、长方体导体的厚度都有关系。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。霍尔元件是一种重要的磁传感器。 (2) 电磁流量计
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