高中物理磁场思维导图
《高中物理磁场思维导图》
一、磁场概述
1.1 磁场的概念
- 定义：磁体或电流周围存在的一种特殊物质，能传递磁力作用。
- 特点：是客观存在的，看不见摸不着，但可以通过磁力的作用体现出来。
- 来源：永磁体、运动电荷、变化的电场。
1.2 磁感线
- 定义：为了形象描述磁场而引入的假想曲线。
- 特点：
- 疏密表示磁场的强弱，越密磁场越强。
- 切线方向表示磁场的方向（N极受力方向）。
- 闭合曲线，在磁体外部从N极指向S极，内部从S极指向N极。
- 不相交。
1.3 磁感应强度 (B)
- 定义：描述磁场强弱和方向的物理量。
- 单位：特斯拉（T） 1 T = 1 N/(A·m)
- 方向：与磁感线在该点的切线方向一致。
- 计算：
- 定义式：B = F / (I L sinθ) (θ为导线方向与磁场方向的夹角)
- 匀强磁场：磁感应强度处处相等。
- 几种常见磁场的磁感应强度计算: 环形电流、螺线管、通电直导线（了解）。
1.4 地磁场
- 地磁场的存在：地球本身就是一个巨大的磁体。
- 地磁场的方向：地磁南极靠近地理北极，地磁北极靠近地理南极。
- 地磁偏角：磁感线方向与地理方向之间的夹角。
二、磁场对电流的作用 (安培力)
2.1 安培力
- 定义：磁场对通电导线的作用力。
- 方向：用左手定则判断。
- 大小：
- F = B I L * sinθ （θ为导线方向与磁场方向的夹角）
- 匀强磁场中，若导线与磁场垂直，则F = B I L
- 若导线与磁场平行，则F = 0
2.2 左手定则
- 内容：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。
2.3 安培力的应用
- 电动机：利用安培力使转子旋转。
- 磁电式仪表：利用安培力使指针偏转。
- 磁悬浮：利用安培力抵消重力。
- 电磁炮：利用强大的安培力加速弹丸。
2.4 磁场对运动电荷的作用 (洛伦兹力)
3.1 洛伦兹力
- 定义：磁场对运动电荷的作用力。
- 方向：用左手定则判断（注意正负电荷的区别）。
- 大小：
- F = q v B * sinθ （θ为速度方向与磁场方向的夹角）
- 若速度与磁场垂直，则F = q v B
- 若速度与磁场平行，则F = 0
3.2 左手定则（洛伦兹力）
- 内容：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（负电荷运动的反方向），这时拇指所指的方向就是运动电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。
3.3 洛伦兹力的特点
- 洛伦兹力永不做功：洛伦兹力始终与速度方向垂直，只能改变速度的方向，不能改变速度的大小。
- 洛伦兹力不改变电荷的动能。
- 洛伦兹力是约束力：洛伦兹力约束带电粒子在磁场中的运动轨迹。
3.4 带电粒子在匀强磁场中的运动
3.4.1 运动轨迹
- 速度方向与磁场方向垂直：做匀速圆周运动。
- 半径：r = mv / (qB)
- 周期：T = 2πm / (qB)
- 角速度：ω = qB / m
- 速度方向与磁场方向不垂直：做螺旋运动（速度分解为平行于磁场方向和垂直于磁场方向的分量）。
3.4.2 典型应用
- 回旋加速器：利用电场加速，磁场约束，使粒子获得高能量。
- 质谱仪：利用磁场分析带电粒子的质量和电荷量。
- 磁流体发电：利用洛伦兹力分离正负电荷。
- 电视机显像管：利用磁场控制电子束的偏转。
三、磁场与电场的综合应用
3.1 复合场
- 定义：同时存在电场和磁场的区域。
- 类型：匀强电场和匀强磁场的叠加；非匀强电场和非匀强磁场的叠加等。
3.2 粒子在复合场中的运动
- 速度选择器：
- 原理：利用电场力和洛伦兹力平衡，选择特定速度的粒子通过。
- 条件：qE = qvB 即 v = E / B
- 适用范围：只能选择特定速度的粒子，速度不符合条件的粒子会发生偏转。
- 带电粒子在电磁场中运动的一般情况：根据受力情况分析运动状态，运用牛顿运动定律和能量守恒定律解决问题。需要分析电场力、洛伦兹力及其他力的共同作用。
- 分析步骤：
- 分析受力情况（重力，电场力，磁场力）。
- 判断运动状态（匀速直线运动，曲线运动，匀速圆周运动等）。
- 选择合适的规律（牛顿运动定律，动能定理，能量守恒定律，圆周运动规律等）。
- 建立方程，求解问题。
四、电磁感应 (为简化，未包含)
五、电磁场和电磁波 (为简化，未包含)
