教科版 物理 3-1

第三章 磁场 教材分析

北京十中 宋东明 2012.10.11

教材概述1 、与初中物理相关：从定性了解到定量分析。2 、磁场是高中物理的核心内容之一。（带电粒子

在磁场中的运动——质谱仪、回旋加速器、磁流体发电机、高能加速器和对撞机等模型是高考中的热点问题。）

3 、了解磁场规律在科学技术、生产和生活中的应用，而且加深了学生对于世界的物质性和物质运动的多样性的认识。

1 、列举磁现象在生活、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。3 、会判断通电直导线和通电线圈周围磁场的方向。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。

课程标准内容：

5 、通过实验，认识洛仑兹力。会判断洛仑兹力的方向，会计算洛仑兹力的大小。

6 、了解电子束的磁偏转原理以及在科学技术中的应用。 7 、认识电磁现象的研究在社会发展中的作用。

课程标准内容：

2013 年会考要求1 、磁感线、地磁场、磁通量（ A ）2 、磁感应强度（ B ）3 、电流的磁场、安培定则（ B ）4 、分子电流假说（ A ）5 、磁场对电流的作用，安培力大小（ B ）6 、左手定则（ B ）7 、洛仑兹力（ B ）8 、磁电式电表（ A ）9 、带电粒子在匀强磁场中的运动（ C ）10 、质谱仪、回旋加速器（ B ）

• 2012 年高考要求53. 电流的磁场 Ⅰ54. 磁感线，地磁场 I

55. 磁性材料，分子电流假说Ⅰ56. 磁感应强度，磁场对通电导线的作用 ，安

培力，左手定则Ⅱ 57. 磁电式电表原理Ⅰ58. 磁场对运动电荷的作用，洛仑兹力，带电粒

子在匀强磁场中的运动Ⅱ59. 质谱仪 回旋加速器 Ⅰ

能够运用所学知识综合分析带电粒子在匀强磁场中的运动。

会考要求（ 1-1 ）1 、磁场、磁感线、地磁场、磁通量、磁性材料

（ A ）2 、磁感应强度（ B ）3 、电流的磁场、安培定则（ A ）4 、安培力大小和方向（ B ）5 、左手定则（ A ）6 、洛仑兹力（ A ）7 、电动机原理及应用（ A ）

教科版 人教版第三章 磁场1. 磁现象 磁场（磁感线、磁现象的电本质）2. 磁场对电流的作用（电流表原理、电动机）3. 磁感应强度 磁通量4. 磁场对运动电荷的作用——洛伦兹力5. 洛伦兹力的应用（质谱仪、回旋加速器、磁流体发电机、高能加速器和对撞机）

磁场基本概念、对电流和电荷的作用、应用。

第三章 磁场1. 磁现象和磁场2. 磁感应强度3. 几种常见的磁场（磁感线、磁现象的电本质）

4. 磁场对通电导线的作用力5. 磁场对运动电荷的作用力6. 带点粒子在匀强磁场中的运动

不同教材比较

重难点分析•重点 :•磁感应强度和磁通量概念•磁场对电流的作用——安培力•磁场对运动电荷的作用——洛伦兹力

•难点 :•磁感应强度和磁通量概念的建立•安培力和洛伦兹力的判断•安培力和洛伦兹力的应用

说明：在 2005 年高考说明中 （ 1 ）安培力的计算限于直导线跟 B 平行或垂直的两种情况。 （ 2 ）洛仑兹力的计算限于 V 跟 B 平行或垂直的两种情况。

知识结构磁现象的电本质：运动电荷产生磁场基本性质：对处于磁场中运动电荷（电流）有力的作用磁场的描述

磁感应强度 B=F/IL （ B L ）

方向 N 极受力方向

磁感线

条形磁铁蹄形磁铁匀强磁场直线电流环形电流通电螺线管

磁感线的分布

磁场方向的判断：安培定则

磁场的作用

对通电导线安培力大小： F=ILBsinθ方向：左手定则

对运动电荷洛仑兹力： f =qvBsinθ方向：左手定则带电粒子在匀强磁场中的匀圆运动

条件： V B 半径： r=mv/qB 周期： T=2πm/qB

磁通量 Φ ＝ BS （ B S ）

应用：

质谱仪等

课时建议（共 8 课时）1 磁现象 磁场 1 课时

2 磁感应强度 磁通量 1 课时

3 磁场对电流的作用——安培力 2 课时

4 磁场对运动电荷的作用——洛伦兹力 1 课时

5 洛伦兹力的应用 2 课时

复习与问题解决 1 课时

教学内容与建议：第一节 磁现象 磁场

教学内容：１、了解磁现象的广泛性和磁现象的电本质。

2 、知道磁场的基本特性是对处在它里面的磁极或电流有磁场力的作用． 3 、知道用磁感线描述磁场，掌握直线电流、环形电流和通电螺线管磁场的 空间分布情况。

4 、掌握安培定则，并能用安培定则熟练地判定电流以及电流产生的磁场方向。

• 本节是在初中所讲磁场知识的基础上展开的，教材所涉及的演示实验（磁极间的相互作用、奥斯特实验、磁场对电流的作用）都要再次演示，要求学生观察后能正确说出观察结果，得出这些相互作用都是通过磁场发生的的结论。通过实验进一步强化磁场是客观存在的物质。

教材在讲述磁感线时，是在复习的基础上直接说出的。也可以在复习电场线的基础上让学生自己说出，使学生体会到场线在研究场时的重要作用及场线的共同点，（让学生自己得出用磁感线如何描述磁场）。铁屑实验是为了说明磁感线虽然不存在，但也不是随便画出的，它确实能形象描述磁场，加深我们对磁场的理解。强调磁感线是闭合曲线，注意于电场线的区别。

磁现象

• 从古至今介绍人类对磁现象的认识过程。

磁场• 通过回顾初中所学知识，认识磁场的形象描

述方法——磁感线。• 可以将磁场和电场进行类比，找到它们相同

和不同之处，进一步理解磁场。• 做好演示实验——给学生感官上的刺激。• 让学生观察三维动画演示的磁感线分布情况

——帮助学生建立三维空间磁感线的分布情况。

教材介绍五个物体（条形磁铁、蹄形磁铁、直线电流、环形电流、通电螺线管）的磁场形状，用实物模型可使学生对磁场的分布有更完整地认识。

可以让学生当堂画出，也可以留做作业；必须使每个学生都会画，为后面的学习奠定基础。可通过画通电直导线磁场的剖面图复习“•”、“ ×” 的含义。

磁现象的电本质

讲授时向学生介绍，安培提出分子电流假说时，人们还不知道物质的微观结构，安培是在电与磁是统一的思想指导下提出的假说，假说揭示了磁铁磁性的起源。电与磁的统一是物理学中一个非常重要的思想，这个思想引导奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应现象，最后引导麦克斯为建立了统一的电磁场理论。

• 第三节磁感应强度 磁通量• 教学内容：• 1 、理解磁感应强度和磁通量的定义及其物理意义。

• 2 、能够用磁感应强度和磁通量的定义式进行计算。

• 3 、知道磁感线和磁感应强度的关系• 4 、知道磁感线和磁通量的关系• 5 、知道匀强磁场的特点

磁感应强度1 、用实验定性分析安培力来引课。2 、安排实验探究？：书上 85页。

IF － F0

3 、用比值定义法定义磁感应强度 B ＝ F/IL（通电导线与磁场方向垂直）

电场强度 磁感应强度

q

F

I

F检验电荷q 受电场力 F

F q

检验电流元 IL 受磁场力 F

F IL

q

FE

q

FE

IL

FB

IL

FB

定义：在磁场中垂直磁场方向的通电直导线，受到的磁场力 F 于电流 I 和导线长度 L 乘积的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度。

定义式：定义式： 单位：特斯拉 (T)

4 、磁感应强度是矢量：方向就是磁场方向磁感应强度 B 的叠加遵循平行四边形定则。5 、观察磁场中不同点的磁感应强度。

6 、磁感应强度单位（观察 3 － 3 － 1表）

7 、知道匀强磁场特点

磁通量1 、从 B ＝ φ/s （ φ为通过 s 的磁感线条数， s为垂直于磁场的横截面）得到磁通量 φ ＝ Bs

2 、介绍磁通量的国际单位：韦伯（ wb ）3 、如果 s不是垂直于磁场的横截面，则

φ ＝ BScosθ

注：磁通量是电磁感应中的重要概念。它是标量，但要考虑穿过方向。

发展空间——地磁场

• 第三节 磁场对电流的作用——安培力• 教学内容：• 1 、掌握安培力大小的计算公式。• 2 、能够用安培力公式进行计算。• 3 、熟练应用左手定则判定安培力的方向。• 4 、知道磁电式电流表和电动机的工作原理。

安培力1 、由磁感应强度的定义式 B ＝ F/IL 得出 F ＝ ILB （通电导线与磁场方向垂直）2 、电流在磁场中受到的力是安培力——介绍安

培的贡献。3 、如果通电导线与磁场方向不垂直方法：分解磁感应强度 B——F ＝ ILB⊥

（注：不能分解电流）

• 4 、方向——左手定则

5 、观察实验 : 电流之间的相互作用。

6 、介绍立体图转化成平面图的画法。

应用 1—— 磁电式电流表原理

• 1 、介绍结构 磁极和软铁芯间的磁场课本 88页 ---- 发展空间

2 、分析线圈在磁场中的受力

3 、原理——力矩平衡

应用 2—— 电动机• 原理——线圈通电后，由于受到安培力的作用在磁场中旋转

应用 3—— 电流天平课本 106页 -----习题 11

应用 4—— 电磁炮课本 106页 -----习题 12

（ 2005 年北京理综） 25. 下图是导轨式电磁炮实验装置示意图。两根平行长直金属导轨沿水平方向固定，其间安放金属滑块（即实验用弹丸）。滑块可沿导轨无摩擦滑行，且始终与导轨保持良好接触。电源提供的强大电流从一根导轨流入，经过滑块，再从另一导轨流回电源。滑块被导轨中的电流形成的磁场推动而发射。

（ 2006 年北京理综） 24.  磁流体推进船的动力来源于电流与磁场间的相互作用。

• 第四节 磁场对运动电荷的作用——洛伦兹力• 教学内容：• 1 、掌握洛伦兹力大小的计算公式。• 2 、理解洛伦兹力是安培力的微观表现，并能通

过安培力推导出洛伦兹力。• 3 、熟练应用左手定则判定洛伦兹力的方向。• 4 、知道带电粒子在匀强磁场中垂直于磁场运动

的特点。

洛伦兹力• 1 、观察实验：带电粒子在磁场中的偏转

结论：运动电荷在磁场中受到的磁场力——洛伦兹力

2 、理论推导——找到洛伦兹力与安培力的联系

• 由 I ＝ nevs F ＝ nesvBl F ＝ nesvBl

一个电子受到的磁场力 F 洛＝ evB

• 对于电荷量为 q 的运动电荷 F 洛＝ qvB （ v⊥B ）

• 若 v 与 B不垂直 F 洛＝ qvBsinθ

3 、洛伦兹力的方向——左手定则

注：各种视图之间的转化

①洛伦兹力的大小 f = q v Bsin 与电荷的运动状态有关。 v = 0 f = 0

v B f = 0v B f 最大

③由于洛仑兹力的方向总是垂直于运动电荷的速度方向，所以洛仑兹力对运动电荷不做功。

说明：

②无论电荷的运动方向与磁场方向是否垂直，所受洛仑兹力的方向总是既垂直于磁场方向又垂直于电荷的运动方向，或者说总是垂直于磁场方向与电荷的运动方向所决定的平面。

带点粒子在磁场中的运动• 1 、首先提出问题：带电粒子垂直进入磁场，

在洛仑兹力 f 的作用下，将会做曲线运动。讲授时可让学生用力学知识猜测：运动轨迹是什么样的？是抛物线还是圆周？

• 2 、分析带电粒子在磁场中做圆周运动的条件。

洛伦兹力对运动的带电粒子不做功，只改变其运动的方向。

(1) 演示(2) 洛伦兹力的作用效果

B× × × ×

× × × ×

× × × ×

× × × ×

× × ×

× × ×

× × ×

× × ×

× × ×

× × ×

× × ×

× × ×

× × × ×

× × × ×

× × × ×

× × × ×

由于 f v ，且 f=C ， f 充当向心力，使粒子做垂直于磁场方向的圆运动。

由于 f v ，且 f=C ， f 充当向心力，使粒子做垂直于磁场方向的圆运动。

f

v+q

vf v

f

2. 带电粒子在匀强磁场中的圆周运动

• 3 、带电粒子做圆周运动的轨道半径和周期公式： r=mv/qB 、 T=2πm/qB可指导学生自己推导。

• 第五节 洛伦兹力的应用• 教学内容：• 1 、知道利用磁场控制带点粒子的偏转。• 2 、理解质谱仪的工作原理。• 3 、理解回旋加速器的工作原理。• 4 、了解磁流体发电机以及高能加速器和对撞

机。

利用磁场控制带点粒子的运动

比较：电场和磁场对带点粒子偏转的作用。结论：电场在改变带电粒子运动方向的同时改变速度的大小。

磁场只改变带点粒子的运动方向，不改变速度的大小。

注：介绍用作图法找轨道半径的方法

应用 1——显像管中的电子束在磁场中的偏转

应用 2—— 质谱仪质谱仪是电场知

识与磁场知识的综合应用。通过对 r =√2mU/qB2 的分析可知，在 U 、 B 一定的条件下，圆周的半径 r 只与比荷 q/m 有关。充分利用教材上的图示把质谱仪的原理讲清讲透。

速度选择器：

（ 2011 北京理综 23 ）（ 18 分）利用电场和磁场，可以将比荷不同的离子分开，这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用。

　如图所示的矩形区域 ABCD （ AC边足够长）中存在垂直于纸面的匀强磁场， A处有一狭缝。离子源产生的离子，经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于 GA边且垂于磁场的方向射入磁场，运动到 GA边，被相应的收集器收集，整个装置内部为真空。

应用 3—— 回旋加速器

有的学生不理解为什么说加速器把粒子加速到高能量而不说加速到高速度．可指出原因在于粒子速度接近光速时，速度稍有增加，能量就增大很多，即速度变化不明显，而能量变化明显．

１简单阐述加速器在现代物理学中的作用．２让学生回忆电场对带电粒子加速的知识．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．但这种加速器受到实际所能达到的电势差的限制．３引导学生设想出多级电场加速装置．４评价这一设想，引出回旋加速器．

应用 4——霍尔效应

2010 北京理综 23. （ 18 分）利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图 1 ，将一金属或半导体薄片垂直置于磁场 B 中，在薄片的两个侧面 a 、 b 间通以电流 I时，另外两侧 c 、f 间产生电势差，这一现象称为霍尔效应。其原因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累，于是 c 、 f 间建立起电场 EH ，同时产生霍尔电势差 UH 。当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时， EH 和 UH达到稳定值， UH 的大小与 I 和 B 以及霍尔元件厚度 d 之间满足关系式 UH＝ RH ，其中比例系数 RH称为霍尔系数，仅与材料性质有关。

• 应用 5—— 磁流体发电机：是由燃烧室、发电通道和偏转磁场组成，在 2500K 以上的高温下，燃料与氧化剂在燃烧室混合，燃烧后，电离为导电的正、负离子（即等离子体），并以每秒几百米的速度喷入磁场，在洛伦兹力的作用下，磁场中有两块金属板 a、 b，这时金属板上就聚集电荷，产生电压。设等离子体以速度 v通过磁感应强度为 B的匀强磁场， a、 b间距为 d，负载电阻为 R，求：

• （ 1 ）试说明哪个电极为正极？• （ 2 ）计算电极间的电势差。• （ 3 ）发电通道两端的压强差。

a

b

R

S

B

课本 103页 ----- 发展空间

应用 6—— 正负电子对撞机课本 103页 ----- 发展空间

• 正负电子对撞机的最后部分简化示意图如图甲所示（俯视），位于水平面内的粗实线所示的圆环形真空管道是正负电子做圆周运动的“容器”，经过加速器加速后的正、负电子被分别引入该管道时，具有相等的速率 v ，它们沿管道向相反的方向运动。在管道内控制它们转弯的是一系列圆形电磁铁，即图中的 A1 、 A2 、A3……An ，共 n个，均匀分布在整个圆环内（图中只示意形地用细实线画出几个），每个电磁铁内的磁场都是匀强磁场，并且磁感应强度都相同，方向竖直向下，磁场区域的直径为 d ，改变电磁铁内电流的大小，就可改变磁场的磁感应强度，从而改变电子偏转的角度。经过精确调整，实现电子在环形管道中沿图中虚线所示的轨迹运动，这时电子经过每个电磁铁时射入点和射出点都在电磁铁的同一条直径的两端，如图乙所示。这就为进一步实现正、负电子的对撞做好了准备。

• （ 1 ）试确定正、负电子在管道内各是沿什么方向旋转的。• （ 2 ）已知正、负电子的质量都是 m ，所带电荷都是元电荷 e ，重力不计，试求电磁铁内匀强磁场的磁感应强度 B 的大小。

A1

A2

A3

An

An － 1

甲

× × ×

× × ×

× × ×d

乙

应用 7—— 电磁流量计（ 2009 年北京理综） 23 ．（ 18 分）单位时间内流过管

道横截面的液体体积叫做液体的体积流量（以下简称流量）。有一种利用电磁原理测量非磁性导电液体（如自来水、啤酒等）流量的装置，称为电磁流量计。

温馨提示：

1 、以实验为基础，帮助学生逐步建立磁场的基本概念和规律。

2 、合理运用教材中各个板块内容。（本章中特别关注“发展空间”）

3 、培养学生用物理知识解决实际问题的能力。

注重对基础知识和基本概念的考查，增加了物理理论与日常生活的结合，对同学们提炼题目信息，解读图像的能力提出了更高的要求。