2022屆高考物理魯科版一輪：第九章　第1節(jié)　磁場的描述　磁場對電流的作用

第九章

磁場-2--3-第1節(jié)

磁場的描述

磁場對電流的作用-5-基礎夯實自我診斷一、磁場、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.磁感應強度(1)物理意義:描述磁場的強弱

和方向

。

(3)方向:小磁針靜止時N極

的指向。

(4)單位:特斯拉(T)。-6-基礎夯實自我診斷二、磁感線

幾種常見的磁場1.磁感線在磁場中畫出一些曲線,使曲線上每一點的切線

方向都跟這點的磁感應強度的方向一致。

2.幾種常見的磁場(1)條形磁鐵和蹄形磁鐵的磁場(如圖所示)-7-基礎夯實自我診斷(2)電流的磁場

-8-基礎夯實自我診斷-9-基礎夯實自我診斷(3)勻強磁場在磁場的某些區(qū)域內,磁感線為同向等密

的平行線,如圖所示。

(4)地磁場①地磁場的N極在地理南極

附近,S極在地理北極

附近,磁感線分布如圖所示。

②在赤道上,距離地球表面高度相等的各點,磁感應強度相同

,方向水平向北

。

-10-基礎夯實自我診斷三、安培力的方向和大小1.安培力的方向(1)左手定則:伸開左手,使拇指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在一個平面內,把手放入磁場中讓磁感線垂直穿入手心,并使伸開的四指

指向電流的方向,那么,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)兩平行的通電直導線間的安培力:同向電流互相吸引

,反向電流互相排斥

。

2.安培力的大小當磁感應強度B的方向與導線方向成θ角時,F=BIlsinθ,這是一般情況下的安培力的表達式,以下是兩種特殊情況:(1)當磁場方向與電流方向垂直

時,安培力最大,Fmax=BIl。

(2)當磁場方向與電流方向平行

時,安培力等于零。

-11-基礎夯實自我診斷請根據(jù)安培分子電流假說解釋磁鐵磁場產生的本質。提示：磁鐵中的每個原子會存在分子電流,并因分子電流而產生一個很小的磁場,平時分子電流磁場是雜亂無章的,所以對外不顯磁性,在磁鐵被磁化時,所有的分子電流磁場在強大的外磁場作用下會旋轉自身的方向并趨于和外磁場的方向一致,這些分子電流磁場會合成一個較強的磁場,這時磁鐵就會顯示出磁性。在外加磁場撤去后,分子電流磁場還會有序排列,對外顯示出磁性。

-12-基礎夯實自我診斷1.(多選)下列所示各圖中,小磁針的指向正確的是

(

)答案解析解析關閉小磁針靜止時的N極指向為該處磁場方向,由安培定則可知A中螺線管內的磁場方向向左,選項A正確;B中赤道處的磁場方向由南向北,選項B正確;C中小磁針所在處的磁場方向向下,選項C錯誤;D中蹄形磁鐵間的磁場向右,選項D正確。答案解析關閉ABD-13-基礎夯實自我診斷2.下列關于磁感應強度的說法正確的是(

)A.一小段通電導體放在磁場A處,受到的磁場力比B處的大,說明A處的磁感應強度比B處的磁感應強度大B.由B=可知,某處的磁感應強度的大小與放入該處的通電導線所受磁場力F成正比,與導線的I、l成反比C.一小段通電導體在磁場中某處不受磁場力作用,則該處磁感應強度一定為零答案解析解析關閉答案解析關閉-14-基礎夯實自我診斷3.(多選)關于磁場和磁感線的描述,下列說法正確的是(

)A.磁極與磁極之間、磁極與電流之間都是通過磁場發(fā)生相互作用的B.磁感線可以形象地描述磁場的強弱和方向,它每一點的切線方向都和小磁針在該點靜止時北極所指的方向一致C.磁感線總是從磁鐵的N極出發(fā),到S極終止D.磁感線可以用細鐵屑來顯示,因而是真實存在的答案解析解析關閉磁感線是閉合的曲線,C錯誤;磁感線是為了描述磁場的強弱而假設存在的,D錯誤。答案解析關閉AB-15-基礎夯實自我診斷4.如圖所示,導線框中電流為I,導線框垂直于磁場放置,磁感應強度為B,ab與cd相距為d,則棒MN所受安培力的大小為(

)答案解析解析關閉答案解析關閉-16-基礎夯實自我診斷5.如圖所示,甲、乙是直線電流的磁場,丙、丁是環(huán)形電流的磁場,戊、己是通電螺線管的磁場,試在各圖中補畫出電流方向或磁感線方向。答案答案關閉-17-考點一考點二考點三安培定則的應用和磁場的疊加(師生共研)1.安培定則的應用在運用安培定則判定直線電流和環(huán)形電流的磁場時應分清“因”和“果”。-18-考點一考點二考點三2.磁場疊加問題的解題思路(1)確定磁場場源,如通電導線。(2)定位空間中需求解磁場的點,利用安培定則等判定各個場源在這一點上產生的磁場的磁感應強度的大小和方向。右圖為通電長直導線M、N在c點產生的磁場的磁感應強度BM、BN。(3)應用平行四邊形定則進行合成,如圖中的合磁場的磁感應強度B。-19-考點一考點二考點三例1如圖所示,兩根互相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、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、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、c兩點處磁感應強度的方向不同答案解析解析關閉由安培定則可知,兩導線在O點產生的磁場均豎直向下,合磁感應強度一定不為零,A錯誤;由安培定則可知,兩導線在a、b兩處產生的磁場方向均豎直向下,由于對稱性,M點導線在a處產生磁場的磁感應強度等于N點導線在b處產生磁場的磁感應強度,同時M點導線在b處產生磁場的磁感應強度等于N點導線在a處產生磁場的磁感應強度,所以a、b兩處磁感應強度大小相等、方向相同,B錯誤;根據(jù)安培定則,兩導線在c、d兩處產生的磁場分別垂直c、d兩點與導線連線方向向下,且產生的磁場的磁感應強度相等,由平行四邊形定則可知,c、d兩點處的磁感應強度大小相等、方向相同,C正確;a、c兩處磁感應強度的方向均豎直向下,D錯誤。答案解析關閉C-20-考點一考點二考點三例2如圖所示,M、N和P是以MN為直徑的半圓弧上的三點,O為半圓弧的圓心,∠MOP=60°。在M、N處各有一條長直導線垂直穿過紙面,導線中通有大小相等的恒定電流,方向如圖所示,這時O點的磁感應強度大小為B1。若將M處長直導線移至P處,則O點的磁感應強度大小為B2,那么B2與B1之比為(

)答案解析解析關閉答案解析關閉-21-考點一考點二考點三思維點撥(1)在M、N兩點時,O點的兩個分磁感應強度大小關系如何?方向夾角為多大?(2)在P、N兩點時,O點的兩個分磁感應強度大小關系如何?方向夾角為多大?提示：

(1)大小相等,夾角為0°。(2)大小相等,夾角為60°。規(guī)律總結磁場的矢量性及合成1.根據(jù)安培定則確定通電導線周圍磁場的方向。2.磁場中每一點磁感應強度的方向為該點磁感線的切線方向。3.磁感應強度是矢量,多個通電導體產生的磁場疊加時,合磁場的磁感應強度等于各場源單獨存在時在該點磁感應強度的矢量和。-22-考點一考點二考點三突破訓練1.(多選)(2018·全國卷Ⅱ)如圖所示,紙面內有兩條互相垂直的長直絕緣導線L1、L2,L1中的電流方向向左,L2中的電流方向向上;L1的正上方有a、b兩點,它們相對于L2對稱。整個系統(tǒng)處于勻強外磁場中,外磁場的磁感應強度大小為B0,方向垂直于紙面向外。已知a、答案解析解析關閉答案解析關閉-23-考點一考點二考點三安培力的分析與計算(師生共研)1.安培力公式F=BIl,應用時要注意:(1)B與I垂直。(2)B與I平行時,F=0。(3)l是有效長度。彎曲導線的有效長度l,等于連接兩端點線段的長度(如圖所示);相應的電流沿l由始端流向末端。2.方向:根據(jù)左手定則判斷。-24-考點一考點二考點三例3(2019·全國卷Ⅰ)如圖所示,等邊三角形線框LMN由三根相同的導體棒連接而成,固定于勻強磁場中,線框平面與磁感應強度方向垂直,線框頂點M、N與直流電源兩端相接。已知導體棒MN受到的安培力大小為F,則線框LMN受到的安培力的大小為(

)A.2F B.1.5F

C.0.5F D.0答案解析解析關閉設等邊三角形線框的邊長為l,導體棒MN受到的安培力為F=BIl。根據(jù)串、并聯(lián)電路的特點可知,導體棒ML與LN的電阻之和是導體棒MN電阻的2倍,通過導體棒MN的電流是通過導體棒ML與LN電流的2倍,導體棒處在同一磁場中,導體棒ML與LN的有效長度與導體棒MN相同,故導體棒ML與LN受到的安培力的合力為0.5F。根據(jù)左手定則,導體棒ML與LN受到安培力的合力方向與導體棒MN受到的安培力方向相同,故線框LMN受到的安培力的合力為1.5F,故選B。答案解析關閉B-25-考點一考點二考點三例4如圖所示,在傾角為α的光滑斜面上,水平放置一根長為l、質量為m的直導體棒。當導體棒中的恒定電流I垂直于紙面向里時,欲使導體棒靜止在斜面上,可將導體棒置于勻強磁場中,當外加勻強磁場的磁感應強度B的方向由豎直向上逆時針轉至水平向左的過程中,關于B的大小的變化,正確的是(

)A.逐漸增大 B.逐漸減小C.先增大后減小 D.先減小后增大答案解析解析關閉答案解析關閉-26-考點一考點二考點三突破訓練2.如圖所示,將一個半徑為R的導電金屬圓環(huán)串聯(lián)接入電路中,電路的電流為I,接入點a、b是圓環(huán)直徑上的兩個端點,流過圓弧acb和adb的電流相等。金屬圓環(huán)處在磁感應強度為B的勻強磁場中,磁場方向與圓環(huán)所在平面垂直。則金屬圓環(huán)受到的安培力為(

)A.0 B.πBIR C.2πBIR D.2BIR答案解析解析關閉答案解析關閉-27-考點一考點二考點三安培力作用下導體的平衡及運動(多維探究)通電導體棒在磁場中的平衡問題是一種常見的力學綜合模型,該模型一般由傾斜導軌、導體棒、電源和電阻等組成。這類題目的難點是題圖具有立體性,各力的方向不易確定。因此解題時一定要先把立體圖轉化成平面圖,通過受力分析建立各力的平衡關系,如圖所示。-28-考點一考點二考點三-29-考點一考點二考點三例5光滑的金屬軌道分水平段和圓弧段兩部分,O點為圓弧的圓心。兩金屬軌道之間的寬度為0.5m,勻強磁場方向豎直向上(如圖所示),大小為0.5T。質量為0.05kg、長為0.5m的金屬細桿置于金屬水平軌道上的M點。當在金屬細桿內通以電流為2A的恒定電流時(如圖所示),金屬細桿可以沿軌道向右由靜止開始運動。已知MN=OP=1m(N為水平段和圓弧段的分界點,P為圓弧上與圓心O等高的點),忽略導體棒在磁場中運動產生的感應電流,g取10m/s2。則下列說法正確的是(

)A.金屬細桿開始運動時的加速度大小為5m/s2B.金屬細桿運動到P點時的速度大小為5m/sC.金屬細桿運動到P點時的向心加速度大小

為10m/s2D.金屬細桿運動到P點時對每一條軌道的作用力大小為0.75ND-30-考點一考點二考點三解析：金屬細桿在水平方向受到安培力作用,安培力大小F安=BIl=0.5×2×0.5

N=0.5

N,金屬細桿開始運動時的加速度大小為0.75

N,由牛頓第三定律可知金屬細桿運動到P點時對每一條軌道的作用力大小為0.75

N,選項D正確。-31-考點一考點二考點三例6如圖所示,在傾角為θ=37°的斜面上,固定一寬為l=1.0m的平行金屬導軌?，F(xiàn)在導軌上垂直導軌放置一質量m=0.4kg、電阻R0=2.0Ω、長為1.0m的金屬棒ab,它與導軌間的動摩擦因數(shù)為μ=0.5。整個裝置處于方向豎直向上、磁感應強度大小為B=2T的勻強磁場中。導軌所接電源的電動勢為E=12V,內阻r=1.0Ω,若最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,滑動變阻器的阻值符合要求,其他電阻不計,g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。現(xiàn)要保持金屬棒ab在導軌上靜止不動,求:-32-考點一考點二考點三(1)金屬棒所受安培力的取值范圍;(2)滑動變阻器接入電路中的阻值范圍。解析：

(1)當金屬棒剛好達到向上運動的臨界狀態(tài)時,金屬棒受到的摩擦力為最大靜摩擦力,方向平行斜面向下,設金屬棒受到的安培力大小為F1,其受力分析如圖甲所示。則有FN=F1sin

θ+mgcos

θF1cos

θ=mgsin

θ+FfmaxFfmax=μFN以上三式聯(lián)立并代入數(shù)據(jù)可得F1=8

N。當金屬棒剛好達到向下運動的臨界狀態(tài)時,設金屬棒受到的安培力大小為F2,其受力分析如圖乙所示。則有FN'=F2sin

θ+mgcos

θF2cos

θ+Ffmax'=mgsin

θ-33-考點一考點二考點三Ffmax'=μFN'設電流為I1=A時滑動變阻器接入電路中的阻值為R1,由閉合電路歐姆定律得E-I1r=I1(R0+R1),代入數(shù)據(jù)可得R1=30

Ω。設電流為I2=4

A時滑動變阻器接入電路中的阻值為R2,由閉合電路歐姆定律得E-I2r=I2(R0+R2),代入數(shù)據(jù)可得R2=0。所以滑動變阻器接入電路中的阻值范圍為0≤R≤30

Ω。答案：

(1)N≤F≤8N

(2)0≤R≤30Ω-34-考點一考點二考點三思維點撥1.當安培力取最大臨界值時導體棒將要沿導軌向上運動。2.當安培力取最小臨界值時導體棒將要沿導軌向下運動。方法歸納安培力作用下導體的分析技巧1.安培力作用下導體的平衡問題與力學中的平衡問題分析方法相同,只不過多了安培力,解題的關鍵是畫出受力分析示意圖。2.安培力作用下導體的加速問題與動力學問題分析方法相同,關鍵是做好受力分析,然后根據(jù)牛頓第二定律求出加速度。-35-考點一考點二考點三突破訓練3.如圖所示,長為l的通電直導體棒放在光滑水平絕緣軌道上,勁度系數(shù)為k的水平輕彈簧一端固定,另一端拴在棒的中點,且與棒垂直,整個裝置處于方向豎直向上、磁感應強度為B的勻強磁場中,彈簧伸長x,棒處于靜止狀態(tài),則(

)A.導體棒中的電流方向為從b流向aC.若只將磁場方向緩慢順時針轉過一小角度,x變大D.若只將磁場方向緩慢逆時針轉過一小角度,x變大答案解析解析關閉答案解析關閉-36-考點一考點二考點三4.下圖是電磁軌道炮的結構原理示意圖。光滑水平的加速導軌電阻不計,軌道寬為l=0.2m,在導軌間有豎直向上的勻強磁場,磁感應強度B=1×102T。電磁炮彈體總質量m=0.2kg,其中彈體在軌道間的電阻R=0.4Ω?？煽仉娫吹膬茸鑢=0.6Ω,電源的電壓能自行調節(jié),以保證彈體勻加速發(fā)射。在某次試驗發(fā)射時,電源為彈體提供的電流是I=4×103A,不計空氣阻力。-37-考點一考點二考點三(1)求彈體所受安培力大小。(2)彈體從靜止加速到4km/s,軌道至少要多長?(3)彈體從靜止加速到4km/s過程中,求該系統(tǒng)消耗的總能量。解析：(1)在導軌通有電流I時,炮彈作為導體受到磁場施加的安培力為F=IlB=8×104

N。彈體從靜止加速到4

000

m/s,軌道至少要x=20

m。(3)由F=ma,v=at,得t=10-2

s

發(fā)射過程產生的熱量Q=I2(R+r)t=1.6×105

J系統(tǒng)消耗的總能量E=1.76×106

J。

答案：(1)8×104N

(2)20m

(3)1.76×106J-38-思維激活方法概述典例示范以題說法變式訓練安培力作用下導體運動情況的五種判斷方法如圖所示,長方形線框abcd通有電流I,放在直線電流I'附近,線框四個邊受到安培力的作用嗎?合力方向如何?提示：線框四個邊都受安培力作用,合力水平向左。

-39-思維激活方法概述典例示范以題說法變式訓練1.問題概述(1)問題特點安培力作用下導體的運動問題與力學中的運動問題一樣,同樣遵從力學基本規(guī)律,只是研究對象所受的力中多分析安培力而已。(2)規(guī)律分析判定通電導體在安培力作用下的運動方向或運動趨勢,首先必須弄清楚導體所在位置的磁感線分布情況,再弄清導體中電流方向,然后利用左手定則準確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。-40-思維激活方法概述典例示范以題說法變式訓練2.幾種判定方法

-41-思維激活方法概述典例示范以題說法變式訓練例1一直導線平行于通電螺線管的軸線放置在螺線管的上方,如圖所示,如果直導線可以自由地運動且通以由a到b的電流,則關于導線ab受磁場力后的運動情況,下列說法正確的是(

)A.從上向下看順時針轉動并靠近螺線管B.從上向下看順時針轉動并遠離螺線管C.從上向下看逆時針轉動并遠離螺線管D.從上向下看逆時針轉動并靠近螺線管D-42-思維激活方法概述典例示范以題說法變式訓練解析：

方法一:電流元法由安培定則可判定通電螺線管產生的磁場方向,導線等效為Oa、Ob兩電流元,由左手定則可判定兩電流元所受安培力的方向,如圖所示,所以從上向下看導線逆時針轉動,當轉過90°時再用左手定則可判定導線所受磁場力向下,即導線在逆時針轉動的同時還要靠近螺線管,選項D正確。-43-思維激活方法概述典例示范以題說法變式訓練方法二:結論法結論1:兩電流相互平行時無轉動趨勢,電流方向相同時相互吸引,電流方向相反時相互排斥。結論2:兩電流不平行時,將發(fā)生轉動,有轉到兩電流相互平行且方向相同的趨勢。通電螺線管上部離導線近,所以只考慮這部分電流與導線的作用,此時螺線管相當于垂直紙面向里的直導線,由結論2可知導線ab受磁場力后(從上向下看)逆時針轉動,又由結論1可知轉動后的導線ab靠近螺線管,選項D正確。思維點撥直導線所在位置的磁場方向:左半部分磁場方向斜向上,右半部分磁場方向斜向下。-44-思維激活方法概述典例示范以題說法變式訓練例2將一個質量很小的金屬圓環(huán)用細線吊起來,在其附近放一塊條形磁鐵,磁鐵的軸線與圓環(huán)在同一個平面內,且通過圓環(huán)中心,如圖所示,當圓環(huán)中通以順時針方向的電流時,從上往下看(

)A.圓環(huán)順時針轉動,靠近磁鐵B.圓環(huán)順時針轉動,遠離磁鐵C.圓環(huán)逆時針轉動,靠近磁鐵D.圓環(huán)逆時針轉動,遠離磁鐵答案解析解析關閉該通電圓環(huán)相當于一個垂直于紙面的小磁針,N極在內,S極在外,根據(jù)同極相斥、異極相吸,C正確。