2019-2020年高考物理總復習講義 第8章 第1講 磁場的描述 磁場對電流的作用.doc

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2019-2020年高考物理總復習講義 第8章 第1講 磁場的描述 磁場對電流的作用 考　綱　點　擊 備　考　指　南 1.磁場、磁感應強度、磁感線、磁通量Ⅰ 1.考查磁場的基本概念，如磁感線、磁感應強度、磁通量等，一般以選擇題的形式出現(xiàn)． 2.結(jié)合左手定則分析解決通電導體在磁場中的平衡、運動類問題．以非選擇題的形式考查居多． 3.帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動，確定其圓心、半徑、運動軌跡、運動時間等問題，特別注意“邊界問題”以及由周期性引起的“多解問題”． 4.帶電粒子在復合場中的運動問題，以及分析解決粒子速度選擇器、磁流體發(fā)電機、質(zhì)譜儀、回旋加速器、霍爾效應、電磁流量計等磁場知識在生活和科技方面的應用問題，幾乎是每年必考，常以計算題的形式出現(xiàn). 2.通電直導線和通電線圈周圍磁場的方向 3.安培力、安培力的方向Ⅰ 4.勻強磁場中的安培力Ⅱ 5.洛倫茲力、洛倫茲力的方向Ⅰ 6.洛倫茲力公式　帶電粒子在勻強磁場中的運動Ⅱ 7.質(zhì)譜儀和回旋加速器Ⅰ 說明：(1)安培力的計算只限于電流與磁感應強度垂直的情形 (2)洛倫茲力的計算只限于速度與磁場方向垂直的情形 知識一　磁場、磁感線、磁感應強度 1．磁場 (1)基本特性：磁場對處于其中的磁體、電流和運動電荷有磁場力的作用． (2)方向：小磁針的N極所受磁場力的方向． 2．磁感線 在磁場中畫出一些曲線，使曲線上每一點的切線方向都跟該點的磁感應強度的方向一致． 3．磁體的磁場和地磁場 　條形磁鐵　　　　　蹄形磁鐵　　　　　地磁場 圖8－1－1 4．磁感應強度 (1)物理意義：描述磁場強弱和方向． (2)定義式：B＝(通電導線垂直于磁場)． (3)方向：小磁針靜止時N極的指向． (4)單位：特斯拉(T) 5．勻強磁場 (1)定義：磁感應強度的大小處處相等、方向處處相同的磁場稱為勻強磁場． (2)特點 勻強磁場中的磁感線是疏密程度相同的、方向相同的平行直線． 磁感線并不是真實存在的，沒有磁感線的地方并不表示沒有磁場． 知識二　電流的磁場 1．奧斯特實驗：奧斯特實驗發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，即電流可以產(chǎn)生磁場，首次揭示了電與磁的聯(lián)系． 2．電流的磁場 通電直導線 通電螺線管 環(huán)形電流 特點 無磁極、非勻強，且距導線越遠處磁場越弱 與條形磁鐵的磁場相似，管內(nèi)為勻強磁場且磁場最強，管外為非勻強磁場 環(huán)形電流的兩側(cè)是N極和S極，且離圓環(huán)中心越遠，磁場越弱 安培定則 立體圖 橫截面圖 從上往下看 從左往右看 從右往左看 縱截面圖 　 如圖所示，一束帶電粒子沿水平方向的虛線飛過小磁針上方，并與小磁針方向平行，能使小磁針N極轉(zhuǎn)向讀者，那么這束帶電粒子可能是如何運動的？ [提示]　帶電粒子沿水平方向的虛線飛過小磁針上方，并與小磁針方向平行，能使小磁針N極轉(zhuǎn)向讀者．可知電流的磁場在小磁針所在處是垂直于紙面指向讀者的．依據(jù)安培定則可得，電流的方向水平向左．因此，如果這束帶電粒子是正離子，則向左飛行；如果是負離子，則向右飛行． 知識三　磁通量 1．概念 在磁感應強度為B的勻強磁場中，與磁場方向垂直的面積S和B的乘積． 2．公式：Φ＝BS.(勻強磁場且B⊥S) 3．單位：1 Wb＝1_Tm2. (1)磁通量是標量，但有正負之分． (2)磁通量與線圈的匝數(shù)無關(guān)． 知識四　磁場對電流的作用——安培力 1．安培力的大小 (1)當磁場B與電流垂直時：F＝BIL. (2)當磁場B與電流平行時：F＝0. 2．安培力的方向 (1)用左手定則判定：伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)．讓磁感線從掌心進入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向． (2)安培力的方向特點：F⊥B，F(xiàn)⊥I，即F垂直于B和I決定的平面． (1)通電導線放入磁場中，若不受安培力，說明該處磁感應強度為零．() (2)安培力一定不做功．() 1．下列關(guān)于磁場和磁感線的描述中正確的是(　　) A．磁感線可以形象地描述各點磁場的方向 B．磁感線是磁場中客觀存在的線 C．磁感線總是從磁鐵的N極出發(fā)，到S極終止 D．實驗中觀察到的鐵屑的分布就是磁感線 【解析】　磁感線可以形象地描述磁場的強弱和方向，但它不是客觀存在的線，可用細鐵屑模擬．在磁鐵外部磁感線由N極到S極，但內(nèi)部是由S極到N極．故只有A正確． 【答案】　A 2．19世紀20年代，以塞貝克(數(shù)學家)為代表的科學家已認識到：溫度差會引起電流，安培考慮到地球自轉(zhuǎn)造成了太陽照射后正面與背面的溫度差，從而提出如下假設：地球磁場是由繞地球的環(huán)形電流引起的．則該假設中的電流方向是(注：磁子午線是地球磁場N極與S極在地球表面的連線)(　　) A．由西向東垂直磁子午線 B．由東向西垂直磁子午線 C．由南向北沿磁子午線 D．由赤道向兩極沿磁子午線 【解析】　 如圖所示，考慮地球的自轉(zhuǎn)方向，利用安培定則可以判定磁場是由東向西的環(huán)形電流產(chǎn)生的，故B正確． 【答案】　B 3．(xx新課標全國卷)為了解釋地球的磁性，19世紀安培假設：地球的磁場是由繞過地心的軸的環(huán)形電流I引起的．在下列四個圖中，正確表示安培假設中環(huán)形電流方向的是(　　) 【解析】　地磁場是從地球的南極附近出來，進入地球的北極附近，除兩極外地表上空的磁場都具有向北的磁場分量，由安培定則，環(huán)形電流外部磁場方向向北可知，B正確． 【答案】　B 圖8－1－2 4．(多選)(xx海南高考)圖8－1－2中裝置可演示磁場對通電導線的作用．電磁鐵上下兩磁極之間某一水平面內(nèi)固定兩條平行金屬導軌，L是置于導軌上并與導軌垂直的金屬桿．當 電磁鐵線圈兩端a、b，導軌兩端e、f，分別接到兩個不同的直流電源上時，L便在導軌上滑動．下列說法正確的是(　　) A．若a接正極，b接負極，e接正極，f接負極，則L向右滑動 B．若a接正極，b接負極，e接負極，f接正極，則L向右滑動 C．若a接負極，b接正極，e接正極，f接負極，則L向左滑動 D．若a接負極，b接正極，e接負極，f接正極，則L向左滑動 【解析】　若a接正極，b接負極，電磁鐵磁極間磁場方向向上，e接正極，f接負極，由左手定則判定金屬桿受安培力向左，則L向左滑動，A項錯誤，同理判定B、D選項正確，C項錯誤． 【答案】　BD 考點一 [64]　對磁感應強度的理解 一、磁感應強度是反映磁場力的性質(zhì)的物理量，由磁場本身決定，是用比值法定義的． 二、磁感應強度B與電場強度E的比較 對應名稱 比較項目　　　 磁感應強度B 電場強度E 物理意義 描述磁場的力的性質(zhì)的物理量 描述電場的力的性質(zhì)的物理量 定義式 B＝，通電導線與B垂直 E＝ 大小決定 由磁場決定，與檢驗電流無關(guān) 由電場決定，與檢驗電荷無關(guān) 方向 矢量 磁感線切線方向，小磁針N極受力方向 矢量 電場線切線方向，放入該點的正電荷受力方向 場的疊加 合磁感應強度等于各磁場的磁感應強度的矢量和 合場強等于各個電場的場強的矢量和 　某同學為檢驗某空間有無電場或者磁場存在，想到的以下方法中不可行的是(　　) A．在該空間內(nèi)引入檢驗電荷，如果電荷受到電場力說明此空間存在電場 B．在該空間內(nèi)引入檢驗電荷，如果電荷沒有受到電場力說明此空間不存在電場 C．在該空間內(nèi)引入通電導線，如果通電導線受到磁場力說明此空間存在磁場 D．在該空間內(nèi)引入通電導線，如果通電導線沒有受到磁場力說明此空間不存在磁場 【解析】　如果把電荷引入電場中，一定會受到電場力作用，如果電荷沒有受到電場力作用，一定是沒有電場，A、B對．把通電導線引入磁場中時，只要電流方向不與磁場方向平行，就會受到磁場力作用，但是不受磁場力的原因有兩個，一是沒有磁場，二是雖有磁場，但是電流方向與磁場方向平行，C對，D錯． 【答案】　D 　(1)電場強度的方向與電荷的受力方向相同或相反，而磁感應強度的方向與電流元受安培力方向垂直，滿足左手定則． (2)電荷在電場中一定會受到電場力的作用，如果電流方向與磁場方向平行，則電流在磁場中不受安培力的作用．考點二 [65]　安培定則的應用與磁場的疊加 一、安培定則的應用 在運用安培定則判定直線電流和環(huán)形電流及通電螺線管的磁場時應分清“因”和“果”. 原因(電流方向) 結(jié)果(磁場方向) 直線電流的磁場 大拇指 四指 環(huán)形電流及通電 螺線管的磁場 四指 大拇指 二、磁場的疊加 磁感應強度為矢量，合成與分解遵循平行四邊形定則． 　 圖8－1－3 (xx大綱全國高考)如圖8－1－3，兩根相互平行的長直導線過紙面上的M、N兩點，且與紙面垂直，導線中通有大小相等、方向相反的電流．a(chǎn)、O、b在M、N的連線上，O為MN的中點，c、d位于MN 的中垂線上，且a、b、c、d到O點的距離均相等．關(guān)于以上幾點處的磁場，下列說法正確的是(　　) A．O點處的磁感應強度為零 B．a(chǎn)、b兩點處的磁感應強度大小相等，方向相反 C．c、d兩點處的磁感應強度大小相等，方向相同 D．a(chǎn)、c兩點處磁感應強度的方向不同 【審題指導】　(1)導線M、N中電流方向相反． (2)O點為M、N的中點，a、b兩點和c、d兩點具有對稱性． 【解析】　根據(jù)安培定則判斷磁場方向，再結(jié)合矢量的合成知識求解．根據(jù)安培定則判斷：兩直線電流在O點產(chǎn)生的磁場方向均垂直于MN向下，O點的磁感應強度不為零，故A選項錯誤；a、b兩點的磁感應強度大小相等，方向相同，故B選項錯誤；根據(jù)對稱性，c、d兩點處的磁感應強度大小相等，方向相同，故C選項正確；a、c兩點的磁感應強度方向相同，故D選項錯誤． 【答案】　C 考點三 [66]　安培力作用下導體的平衡問題 一、安培力常用公式F＝BIL，要求兩兩垂直，應用時要滿足： 1．B與L垂直． 圖8－1－4 2．L是有效長度，即垂直磁感應強度方向的長度．如彎曲導線的有效長度L等于兩端點所連直線的長度(如圖8－1－4所示)，相應的電流方向沿L由始端流向末端．因為任意形狀的閉合線圈，其有效長度為零，所以閉合線圈通電后在勻強磁場中，受到的安培力的矢量和為零． 二、解決安培力作用下導體平衡問題的一般思路 ——————[1個示范例]—————— 　 圖8－1－5 (xx貴陽八中模擬)如圖8－1－5所示，用兩根相同的細繩水平懸掛一段均勻載流直導線MN，電流I的方向為從M到N，繩子的拉力均為F.為使F＝0，可能達到要求的方法是(　　) A．加水平向右的磁場 B．加水平向左的磁場 C．加垂直紙面向里的磁場 D．加垂直紙面向外的磁場 【解析】　要使繩子的拉力均為0，根據(jù)平衡條件知導線所受安培力應豎直向上，由左手定則知，應加垂直紙面向里的磁場． 【答案】　C ——————[1個預測例]—————— 　如圖8－1－6所示，金屬棒MN兩端由等長的輕質(zhì)細線水平懸掛，處于豎直向上的勻強磁場中， 圖8－1－6 棒中通以由M向N的電流，平衡時兩懸線與豎直方向夾角均為θ.如果僅改變下列某一個條件，θ角的相應變化情況是(　　) A．棒中的電流變大，θ角變大 B．兩懸線等長變短，θ角變小 C．金屬棒質(zhì)量變大，θ角變大 D．磁感應強度變大，θ角變小 【審題指導】　(1)將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖，受力分析時弄清各力的方向關(guān)系． (2)畫受力圖時弄清細線長度和力的大?。? 【解析】　 選金屬棒MN為研究對象，其受力情況如圖所示．根據(jù)平衡條件及三角形知識可得tan θ＝，所以當棒中的電流I、磁感應強度B變大時，θ角變大，選項A正確，選項D錯誤；當金屬棒質(zhì)量m變大時，θ角變小，選項C錯誤；θ角的大小與懸線長無關(guān)，選項B錯誤． 【答案】　A 解決安培力相關(guān)問題的“關(guān)鍵” (1)要正確畫出通電導體受力的平面圖，電流方向和磁場方向表示要正確． (2)受力分析時安培力的方向必須用左手定則正確判定，注意安培力的方向既跟磁感應強度的方向垂直，又和電流方向垂直. 通電導體在安培力作用下運動的判斷方法 一、思路概述 判斷通電導體在安培力作用下的運動或運動趨勢，首先要弄清導體所在位置的磁場分布情況，然后利用左手定則判定導體的受力情況，進而確定導體的運動方向或運動趨勢的方向． 二、判斷方法 1．電流元法 分割為電流元左手定則,安培力方向―→整段導體所受合力方向―→運動方向 2．特殊位置法 在特殊位置―→安培力方向―→運動方向 3．等效法 (1)環(huán)形電流小磁針 (2)條形磁鐵通電螺線管多個環(huán)形電流 4．結(jié)論法 同向電流互相吸引，異向電流互相排斥；兩不平行的直線電流相互作用時，有轉(zhuǎn)到平行且電流方向相同的趨勢 5．轉(zhuǎn)換研究對象法 定性分析磁體在電流磁場作用下如何運動或運動趨勢的問題，可先分析電流在磁體磁場中所受的安培力，然后由牛頓第三定律，確定磁體所受電流磁場的作用力，從而確定磁體所受合力及運動方向 ——————[1個示范例]—————— 　 圖8－1－7 如圖8－1－7所示，把輕質(zhì)導線圈用絕緣細線懸掛在磁鐵N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈的圓心，且垂直于線圈平面，當線圈中通入如圖8－1－7所示方向的電流后，線圈的運動情況是(　　) A．線圈向左運動　　　　　　　 B．線圈向右運動 C．從上往下看順時針轉(zhuǎn)動 D．從上往下看逆時針轉(zhuǎn)動 【解析】　 甲 方法一：電流元法．首先將圓形線圈分成很多小段，每一段可看做一直線電流，取其中上、下兩小段分析，其截面圖和受安培力情況如圖甲所示．根據(jù)對稱性可知，線圈所受安培力的合力水平向左，故線圈向左運動．只有選項A正確． 乙 方法二：等效法．將環(huán)形電流等效成一條形磁鐵，如圖乙所示，據(jù)異名磁極相吸引知，線圈將向左運動，選A.也可將左側(cè)條形磁鐵等效成一環(huán)形電流，根據(jù)結(jié)論“同向電流相吸引，異向電流相排斥”．也可判斷出線圈向左運動．選A. 【答案】　A ——————[1個方法練]—————— 如圖8－1－8所示，條形磁鐵放在光滑斜面上，用平行于斜面的輕彈簧拉住而平衡，A為水平放置的直導線的截面，導線中無電流時磁鐵對斜面的壓力為FN1；當導線中有垂直紙面向外的電流時，磁鐵對斜面的壓力為FN2，則下列關(guān)于磁鐵對斜面壓力和彈簧的伸長量的說法中正確的是(　　) 圖8－1－8 A．FN1FN2，彈簧的伸長量增大 D．FN1>FN2，彈簧的伸長量減小 【解析】　在題圖中，由于條形磁鐵的磁感線是從N極出發(fā)到S極，所以可畫出磁鐵在導線A處的一條磁感線，其方向是斜向左下方的，導線A中的電流垂直紙面向外時，由左手定則可判斷導線A必受斜向右下方的安培力，由牛頓第三定律可知磁鐵所受作用力的方向是斜向左上方，所以磁鐵對斜面的壓力減小，即FN1>FN2，同時，由于導線A比較靠近N極，安培力的方向與斜面的夾角小于90，所以對磁鐵的作用力有沿斜面向下的分力，使得彈簧彈力增大，可知彈簧的伸長量增大，所以正確選項為C. 【答案】　C ⊙磁感應強度的理解和磁感線 1．關(guān)于磁感應強度B，下列說法中正確的是(　　) A．根據(jù)磁感應強度定義B＝，磁場中某點的磁感應強度B與F成正比，與I成反比 B．磁感應強度B是標量，沒有方向 C．磁感應強度B是矢量，方向與F的方向相反 D．在確定的磁場中，同一點的磁感應強度B是確定的，不同點的磁感應強度B可能不同，磁感線密的地方磁感應強度B大些，磁感線疏的地方磁感應強度B小些 【解析】　磁感應強度是磁場本身的性質(zhì)，與放入磁場中的導體中的電流，或受力大小F無關(guān)，A錯誤；磁感應強度B是矢量，其方向與F總是垂直的，電流方向與F也總是垂直的，B、C錯誤；在確定的磁場中，同一點的磁感應強度B是確定的，由磁場本身的物理量決定，與其他外來的一切因素無關(guān)，磁感線的疏密程度表示磁場的強弱，D正確． 【答案】　D ⊙磁場的疊加 圖8－1－9 2．(xx洛陽一中檢測)有兩根長直導線a、b互相平行放置，如圖8－1－9所示為垂直于導線的截面圖．在如圖所示的平面內(nèi)，O點為兩根導線連線的中點，M、N為兩導線連線的中垂線上兩點，與O點的距離相等，aM與MN的夾角為θ.若兩導線中通有大小相等、方向相反的恒定電流I，單根導線中的電流在M處產(chǎn)生的磁感應強度大小為B0，則關(guān)于線段MN上各點的磁感應強度，下列說法中正確的是(　　) A．M點和N點的磁感應強度方向一定相反 B．M點和N點的磁感應強度大小均為2B0cos θ C．M點和N點的磁感應強度大小均為2B0sin θ D．在線段MN上有磁感應強度為零的點 【解析】　作出兩根導線在M、N兩處產(chǎn)生的磁感應強度，并根據(jù)平行四邊形定則求出合磁感應強度，M、N兩處磁感應強度相同，大小為B＝2B0sin θ，選項A、B錯誤，選項C正確；線段MN上各點磁場方向均水平向右且不為零，選項D錯誤． 【答案】　C ⊙安培定則和左手定則的應用 3．如圖8－1－10所示，在絕緣的水平面上等間距固定著三根相互平行的通電直導線a、b和c，各導線中的電流大小相同，其中a、c導線中的電流方向垂直紙面向外，b導線電流方向垂直紙面向內(nèi)．每根導線都受到另外兩根導線對它的安培力作用，則關(guān)于每根導線所受安培力的合力，以下說法中正確的是(　　) 圖8－1－10 A．導線a所受合力方向水平向右 B．導線c所受合力方向水平向右 C．導線c所受合力方向水平向左 D．導線b所受合力方向水平向左 【解析】　首先用安培定則判定導線所在處的磁場方向，要注意合磁場的方向，然后用左手定則判定導線的受力方向．可以確定B是正確的． 【答案】　B ⊙安培力大小的計算 圖8－1－11 4．如圖8－1－11所示，一個邊長為L、三邊電阻相同的正三角形金屬框放置在磁感應強度為B的勻強磁場中，若通以如圖所示方向的電流(從A點流入，從C點流出)，電流大小為I，則關(guān)于金屬框所受安培力的情況，下列說法正確的是(　　) A．金屬框所受安培力大小為0 B．金屬框所受安培力大小為BIL，方向垂直AC沿紙面向上 C．金屬框所受安培力大小為BIL，方向垂直AC沿紙面向下 D．金屬框所受安培力大小為2BIL，方向垂直AC沿紙面向上 【解析】　根據(jù)通電導線在磁場中受安培力的特點，可以把正三角形金屬框的AB與BC兩根導線所受的安培力等效為導線AC所受的安培力，則整個三角形金屬框可以看做兩根AC導線并聯(lián)，且兩根導線中的總電流等于I，由公式得到F＝BIL，另外根據(jù)左手定則，可知整個三角形金屬框所受的安培力的方向垂直AC沿紙面向上，所以選項B正確． 【答案】　B ⊙導體棒在磁場中的平衡問題 5. 圖8－1－12 (xx鄭州一中模擬)如圖8－1－12所示，兩根光滑金屬導軌平行放置，導軌所在平面與水平面間的夾角為θ.整個裝置處于沿豎直方向的勻強磁場中．金屬桿ab垂直導軌放置，當金屬桿ab中通有從a到b的恒定電流I時，金屬桿ab剛好靜止．則(　　) A．磁場方向豎直向上 B．磁場方向豎直向下 C．金屬桿ab受安培力的方向平行導軌向上 D．金屬桿ab受安培力的方向平行導軌向下 【解析】　金屬桿受力分析如圖所示，當磁場方向豎直向上時，由左手定則可知安培力水平向右，金屬桿ab受力可以平衡，A正確；若磁場方向豎直向下，由左手定則可知安培力水平向左，則金屬桿ab受力無法平衡，B、C、D錯誤． 【答案】　A