师:今天我们一起来学习高二物理粤教版第六章第二节磁感应强度。通过本节课的学习,我们将实现以下目标:一、通过类比和分析,寻找反映磁场本质属性的物理量。二、知道磁感应强度的定义,进一步体会比值定义法的重要性。三、知道磁感应强度的方向、大小、定义式和单位。四、知道磁通量的定义,知道其定义式和单位。五、了解匀强磁场,知道形成匀强磁场的原因。六、了解磁感应强度的另一种表述,知道磁感应强度与磁通量的关系。

  首先,我们来谈谈磁感应强度的方向。看下面的情景,在不受影响的情况下,小磁针在地磁场的作用下,北极指向北方,南极指向南方。如果我们把小磁针放到条形磁铁旁边,注意,此时条形磁铁的磁场远远大于地磁场,下面的分析可以忽略地磁场。由于磁场对放入其中的磁极有力的作用,小磁针的北极和南极受力方向相反,如果两极受力方向不共线,小磁针将发生偏转,直到转成共线的样子。如图所示,我们可以拿更多的小磁针做这个实验,在每一个位置小磁针都有一个平衡时的指向。我们还可以用铁屑代替小磁针做实验观察,因为铁屑在磁场中磁化也变成了小磁针。观察到铁屑呈一定规律分布,想必同学们想到了上节课学习的磁感线,我们等会来谈谈磁感线与磁感应强度方向的关系。现在,我们需要给磁感应强度的方向下个明确的定义,物理学规定:在磁场中的任意点,小磁针北极受力的方向,即小磁针静止时北极所指的方向,就是该点磁感应强度的方向,简称磁场的方向。

  现在,我们回顾上节课内容,注意前后联系。上节课我们说到,所谓磁感线,是磁场中画出的一些有方向的曲线,这些曲线上每一点的切线方向都与该点的磁场方向一致。刚才我们已经对磁场方向,也就是磁感应强度的方向下了明确的定义:小磁针北极受力的方向,即小磁针静止时北极所指的方向,也就是说,磁感线的切线方向,就是该处小磁针北极的受力方向。我们再来体会一下。如右图所示,在空间中加上一磁场,小磁针的南北极便会受力,北极受力方向与磁场方向一致,南极受力方向与磁场方向相反。最后小磁针会转到与磁感线相切的方向。

  下面,我们要熟悉直线电流与环形电流的磁感线分布,从而可以了解到空间中各点的磁感应强度的方向。关于直线电流和环形电流的磁场,可以根据上节课讲的安培定则判定。如图所示,直线电流的磁场分布,其磁感线是一些同心圆;环形电流的磁场分布则类似于条形磁铁。图乙中环形内的磁场是垂直纸面向外的,注意,环形外的磁场这里没有画出来,但是是垂直于纸面向内的。

  说完了磁感应强度的方向,再来谈谈磁感应强度的大小。磁场的强弱人体是不能直接感知的,而磁场对放入其中的磁极和电流有力的作用。同学们想一想,用小磁针试探磁场的强弱可以吗?答案是不行,小磁针有两个磁极,受力方向相反,想测出其中一个磁极的力并不容易。要感知磁场的强弱,可以用一小段电流,即电流元来试探。设想将一段电流元放入磁场,注意电流元足够小,在其附近的区域的磁场可以视为处处相同。如图所示,图中蓝色箭头表示电流元,箭头方向为电流方向,红色箭头代表其所受到的磁场力。事实证明,电流元放置的角度不同,其受力方向和大小都会不同。可以发现,当电流元长度和电流强度一定时,电流方向与磁场方向垂直时,电流元受力是最大的,而电流方向与磁场方向平行时,电流元所受的磁场力为零。

  大家现在看到的动画是基于理论的编程,符合实验事实。任何物理定律的得出要基于实验,受场地限制,这里不便做实验,有条件的同学可以去实验室探究。更精确的实验表明,当通电导线与磁场方向垂直时,它在同一磁场中受到的磁场力 (F) 的大小与电流 (I) 和导线长度 (L) 的乘积 (IL) 成正比,即 (F) 正比于 (I×L) 。如果写成等式,就是 (F = IL×) 一个比例系数。请同学们思考这个比例系数由什么决定,反映了什么,同学们可以点击暂停,先思考一下。用不同的电流元做实验,受到磁场力不同,但是这个比例系数却是相同的,这个比例系数反映了磁场本身的性质。在静磁场中,这个比例系数只与空间位置有关,而与电流元没有关系。

  下面,我们可以给磁感应强度的大小下个定义:通电导线与磁场垂直时,通电导线受磁场的作用力 (F) 与电流 (I) 和导线长度 (L) 的乘积 (IL) 之比叫做磁感应强度的大小,用字母 (B) 表示。单位特斯拉,1特斯拉等于1牛 /(安·米)。当垂直放置时,电流元 (IL) 一定时,所以 (F) 越大, (B) 越大。显然,这个量可以很好地描述磁场的强弱。

  好了,到现在为止,我们完整定义了磁感应强度矢量的大小和方向。大小, (B = F÷IL) ;方向与该处小磁针北极受磁场力的方向一致。看看同学们理解得怎样,来讨论与交流。在某次讨论活动中,甲、乙两名同学对表达式 (B = F÷IL) 提出了自己的观点。甲认为通电直导线在磁场中受到的力越大,说明导线处磁场越强。而乙同学认为如果我们将通电直导线撤去,则 (F = 0) ,说明此时导线所在位置的磁场的磁感应强度为0。他们的认识有误吗?请说明理由,同学们可以点击暂停,先想一想。

  生:甲乙的认识都有问题,甲没有注意电流在磁场中的受力与放置角度有关,应该控制直导线与磁感应强度垂直,电流元 (IL) 一定时,这时受磁场力越大,说明该处磁场越强。磁感应强度由场源和相对场源的位置决定,试不试探场都在那里。乙认为磁感应强度依赖于试探电流元,这是错误的。

  师:来做一道例题。在磁场中放置一条直导线,导线的方向与磁场方向垂直,先后在导线中通入不同的电流,导线所受的力也不一样。图中的图像表现的是导线受力的大小 (F) 与通过导线的电流 (I) 的关系, (A)、(B) 各代表一组 (F - I) 的数据。在甲、乙、丙三幅图中正确的是哪一幅?说明道理。

  生:根据磁感应强度的定义,得 (F = ILB) ,在 (LB) 一定时, (F) 与 (I) 成正比。乙图正确。

  师:请同学们思考,如果要做出 (B - I) 图像,可以点击暂停,先想一想。

  生: (B) 由场源和相对场源的位置决定,与电流没有关系,该处的磁场就在那里,测不测都在那里。当然有个前提是,采用的电流元足够小,不影响场源的磁性。

  师:例题2,先后在磁场中 (A)、(B) 两点引入长度相等的短直导线,与磁场方向垂直,如图所示,图中 (A)、(B) 图线分别表示磁场中 (A)、(B) 两点处导线所受的力 (F) 与通过导线的电流 (I) 的关系,下列说法中正确的是:A. (A)、(B) 两点磁感应强度相等;B. (A) 点的磁感应强度大于 (B) 点的磁感应强度;C. (A) 点的磁感应强度小于 (B) 点的磁感应强度;D. 无法比较磁感应强度的大小。

  生:选B。导线受到磁场力 (F = ILB) 。对于题图中所给出的 (F - I) 图像,直线的斜率 (k = LB) ,由题图可知, (A) 的斜率比 (B) 的大,又因为 (A)、(B) 两点导线的长度 (L) 相同,故 (A) 点的磁感应强度大于 (B) 点的磁感应强度,故选B。

  师:下面我们补充一个重要内容,磁感应强度的叠加原理。在讲这个内容前,我们先回顾一下电场强度的叠加原理。在学习静电场时,我们先学习了一个最基本的电场,点电荷的电场大小 (E = kQ÷r2) ,方向,如图所示,正电荷向外,负电荷向内。叠加原理告诉我们,如果场源是多个点电荷,则电场中某点的电场等于各个点电荷单独在该点产生电场强度的矢量和。如图中画出的两个点电荷电场的电场线,该电场线反映的是叠加之后的总的电场。搞清楚最基本的电场,结合叠加原理,原则上可以分析任何电场,因为任何复杂的电场都可以拆分为许多点电荷电场的叠加。

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《物理 选择性必修3 第6章 第二节 磁感应强度 逐字稿-6,241字 第5版》.docx
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