高中物理电磁力运用解题.ppt

【考章 】 1纵观近几年高考，涉及本章知识点的题目年年都有， 考查次数最多的是与洛伦兹力有关的带电粒子在匀强磁场或复合场中的运动，其次是与安培力有关的通电导体在磁场中的加速或平衡问题 2本章知识常与电场、恒定电流以及电磁感应、交变电 流等章节知识广泛联系综合考查，质谱仪、回旋加速器、粒子速度选择器、等离子体发电机、电磁流量计等高科技仪器的理解及应用是高考的热点,第一讲 磁场的描述、磁场对电流的作用,一、磁场及其描述 1定义：磁场是磁体、电流周围存在的一种特殊 ,物质,2方向：磁场中任一点小磁针 极所受磁场力的方向为 该点的磁场方向 3磁场的基本性质：磁场对放入其中的磁体、电流和运 动电荷都有磁场力的作用,N,4磁感应强度 (1)物理意义：描述磁场 的物理量 (2)方向：小磁针静止时 极所指的方向 (3)大小：B (通电直导线垂直于磁场) (4)单位： ，符号T,1 T ,强弱,特斯拉,1 N/(Am),5磁感线：在磁场中人为地画出一系列曲线，使曲线上 每一点的切线方向都跟这点的 的方向一致， 这样的曲线就叫做磁感线磁感线的疏密程度表示磁场 的 ,强弱,N,磁感应强度,二、几种常见的磁场 1条形磁铁和蹄形磁铁的磁场(如图811) 图811,2地磁场 地球的磁场与条形磁铁的磁场相似，其主要特点有三个： (1)地磁场的 在地理南极附近， 在地理北极附近 (2)地磁场B的水平分量(Bx)总是从地理 指向 ；而竖直 分量(By)则南、北半球相反，在南半球垂直地面向上，在北 半球垂直地面向下 (3)在赤道平面上，距离地球表面高度相等的各点，磁场强弱 ，且方向水平向 ,N极,S极,南极,北极,相同,北,3几种电流周围的磁场分布,越弱,越弱,4匀强磁场 (1)定义： 处处相同的磁场 (2)磁感线特点：匀强磁场的磁感线为 的平行直线， 如图812所示,图812,强弱、方向,间隔相同,(3)常见例子： 距离很近的两个异名磁极之间的磁场(边缘部分除外) 相隔一定距离的两个平行放置的通电线圈中间区域 的磁场,5磁通量 (1)公式： . (2)单位： (韦)，符号：Wb,1 Wb . (3)适用条件：匀强磁场； S是垂直磁场并在磁场中的有效面积,韦伯,BS,1 Tm2,三、安培力的大小和方向 1安培力的大小 如图813所示： (1)F . (2)磁场和电流垂直时：F . (3)磁场和电流平行时：F0.,BILsin,BIL,图813,2安培力的方向 (1)用左手定则判定：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 ，这时拇指所指的方向就是通电导线 在磁场中所受 (2)安培力的方向特点：FB，FI，即F垂直于 决定的 平面,电流的方向,安培力的方向,B、I,注意：安培力的方向垂直于磁感应强度B和电流I所决定的平面，但磁感应强度与电流不一定垂直,四、磁电式电流表 1基本组成部分：磁铁和放在磁铁两极之间的 ,图814,线圈,如图814所示，磁场的方向总沿着 均匀辐射地分布，在距轴线等距离处的磁感应强度的大小总是 的，保证B的大小不发生变化，且安培力的方向与线圈 当电流通过线圈时，导线受到安培力的作用，线圈转动，螺旋弹簧变形，反抗线圈的转动，电流越大，安培力就 ，螺旋弹簧的形变也就 I与指针偏角成正比，表盘刻度 (选填“均匀”、“不均匀”)所以，从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小,2工作原理,半径方向,相等,垂直,越大,越大,均匀,3优、缺点：优点是 高，能测出很弱的电流；缺 点是线圈的导线很细，允许通过的电流很弱,精确度,1.对磁感线的理解 (1)磁感线的特点,磁感线是为了形象地描述磁场而人为假设的曲线，并不是客观存在于磁场中的真实曲线 磁感线在磁体(螺线管)外部由N极到S极，内部由S极到N极，是闭合曲线 磁感线的疏密表示磁场的强弱磁感线较密的地方磁场较强，磁感线较疏的地方磁场较弱 磁感线上任何一点的切线方向，都跟该点的磁场(磁感应强度)方向一致 磁感线不能相交，也不能相切,(2)磁感线和电场线的比较,磁感线的疏密能形象地表示磁场的强弱，但应注意： (1)只有在同一个图中才能根据磁感线的疏密判定各处磁场的 强弱，不能根据磁感线的疏密判定没有联系的两个图中磁 场的强弱 (2)没有画出磁感线的地方并不表示那里没有磁场存在,特别注意,2对磁感应强度的理解 (1)磁感应强度由磁场本身决定，跟在该位置放入的导线长度L、 电流I的大小及受到磁场的作用力均无关，与放不放通电导 线也无关不能根据公式B 就说B与F成正比，与IL成 反比 (2)由公式B 计算B时，通电导线必须垂直于磁场放 入如果小段通电导线平行放入磁场，其所受安培力F为零， 但不能说该处磁感应强度B为零 (3)磁感应强度的方向不是通电导线所受磁场作用力的方向， 而是与受到的作用力的方向垂直,3磁感应强度B与电场强度E的比较,(1)电场强度的方向和电荷受力方向相同或相反，而磁感应 强度的方向和电流受力方向垂直 (2)电荷在电场强度不为零的地方一定受电场力，电流在磁 感应强度不为零的地方不一定受磁场力,电场和磁场对比,类似于电场中两个电荷附近的电场强度是两个电荷分别单独存在时产生的场强叠加而成的，两个电流附近的磁场的磁感应强度是两个电流分别单独存在时产生的磁场的磁感应强度叠加而成的若两个电流在某处产生的磁场的磁感应强度B1、B2不在同一直线上时，则应用平行四边形定则进行矢量合成可求得该点的磁感应强度B.,4磁感应强度的叠加,例1、如图815所示，在a、b、c三处垂直于纸面放置三根长直通电导线，电流大小相等，a、b、c是等边三角形的三个顶点，a处电流在三角形中心O点产生的磁场的磁感应强度大小为B，求O处的磁感应强度,图815,答案 2B，方向平行ab连线向右,考点2：磁通量,BS只适用于磁感应强度B与面积S垂直的情况当S与垂直于B的平面间的夹角为时，则有BScos.可理解为B(Scos)，即等于B与S在垂直于B方向上分量的乘积也可理解为(Bcos)S，即等于B在垂直于S方向上的分量与S的乘积如图816甲所示,1.BS的含义,图816,2面积S的含义 S不一定是某个线圈的真正面积，而是线圈在磁场范围内 的面积如图816乙所示，S应为线圈面积的一半 3多匝线圈的磁通量 多匝线圈的磁通量的大小与线圈匝数无关，因为不论线圈 匝数多少，穿过线圈的磁感线条数相同，而磁感线条数可 表示磁通量的大小,4合磁通量的求法 若某个平面内有不同方向和强弱的磁场共同存在，当计 算穿过这个平面的磁通量时，先规定某个方向的磁通量 为正，反方向的磁通量为负，平面内各个方向的磁通量 的代数和等于这个平面内的合磁通量,(1)磁通量是标量，其正、负值仅表示磁感线是正向还是反 向穿过线圈平面 (2)同一线圈平面，如果正向穿过平面的磁感线条数与反向 穿过平面的磁感线条数一样多，则0.,归纳,例2、(10分)如图817所示，边长为100 cm的正方形闭合线圈置于匀强磁场中，线圈ab、cd两边中点连线OO的左右两侧分别存在方向相同、磁感应强度大小各为B10.6 T，B20.40 T的匀强磁场，若从上往下看，线圈逆时针方向转过37时，穿过线圈的磁通量改变了多少？线圈从初始位置转过180时，穿过线圈 平面的磁通量改变了多少？,图817,满分指导 在原图位置，磁感线与线圈平面垂直 1B1 B2 (0.6 0.4 ) Wb0.5 Wb (2分) 线圈绕OO轴逆时针转过37后， 2B1 cos37B2 cos37 (0.6 0.80.4 0.8) Wb 0.4 Wb (2分) 21(0.40.5) Wb0.1 Wb. (2分),线圈绕OO轴逆时针转过180时，规定穿过原线圈平面的磁通量为正，转过180后，穿过线圈平面的磁通量为负 3B1 B2 0.5 Wb (2分) 31(0.50.5) Wb1.0 Wb. (2分),答案 0.1 Wb 1.0 Wb,归纳：求解磁通量时，当B与S不垂直时，可用两个方法求合磁通量：一是分解B，用 求；二是投影S， ，并求出 ，然后利用 求.,垂直于S的分量B,将S投影到与B垂直的方向上,S投影,BS投影,1如图818所示，有两个同心放置且共面的金属圆环， 条形磁铁穿过圆心且与两环面垂直，比较通过两环的磁通 量a、b，则 ( ) Aab Bab Cab D不能确定,图 818,答案：A,要判定通电导体在安培力作用下的运动，首先必须清楚导体所在位置的磁场分布情况，然后才能结合左手定则准确判定导体的受力情况，进而确定导体的运动方向现对几种常用的方法列表比较如下：,(1)安培力的方向与磁感应强度的方向垂直，而不是相同或 相反，这跟电场力与电场强度方向之间的关系是不同的 (2)在应用左手定则时，磁感线不一定垂直穿过手心，但四指 一定指向电流方向，拇指一定要垂直于磁场方向和电流方 向决定的平面,方法归纳,例3、图819所示，把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方，导线可以自由转动，当导线通入图示方向电流I时，导线的运动情况是(从上往下看) ( ) A顺时针方向转动，同时下降 B顺时针方向转动，同时上升 C逆时针方向转动，同时下降 D逆时针方向转动，同时上升,图819,答案 A,2将一个质量很小的金属圆环用细线吊起来，在其附近放 一条形磁铁，磁铁的轴线与圆环在同一个平面内，且通过 圆环中心，如图8111所示，当圆环中通以顺时针方向 的电流时，从上往下看 ( ) A圆环顺时针转动，靠近磁铁 B圆环顺时针转动，远离磁铁 C圆环逆时针转动，靠近磁铁 D圆环逆时针转动，远离磁铁,图 8111,答案：C,考点4：与安培力有关的力学综合问题,1.安培力的大小 常用公式FBIL，要求两两垂直，应用时要满足： (1)B与L垂直； (2)L是有效长度，即垂直磁感应强度方向的长度；,如弯曲导线的有效长度L等于两端点 所连直线的长度(如图8112所示)， 相应的电流方向沿L由始端流向末端 因为任意形状的闭合线圈，其有效长 度为零，所以闭合线圈通电后在匀强磁场中受到的安培力的矢量和为零 (3)B并非一定是匀强磁场，但一定是导线所在处的磁感应强度值,图8112,2通电导线在磁场中的平衡和加速 (1)选定研究对象； (2)变三维为二维，画出平面受力分析图，其中安培力的方 向切忌跟着感觉走，要用左手定则来判断，注意F安B、 F安I； (3)根据力的平衡条件、牛顿第二定律列方程式进行求解,3安培力做功的特点和实质 (1)安培力做功与路径有关，不像重力、电场力做功与路径 无关 (2)安培力做功的实质：起传递能量的作用 安培力做正功：将电源的能量传递给通电导线后或转化 为导线的动能或转化为其他形式的能 安培力做负功：将其他形式的能转化为电能后或储存 或转化为其他形式的能,例4、(13分)如图8113所示，在倾角30的斜面上固定一金属框，框宽l0.25 m，接入电动势E12 V、内阻不计的电池垂直框面放有一根质量m0.2 kg的金属棒ab，它与框架的动摩擦因数 整个装置放在磁感应强度B0.8 T、垂直框面向上的匀强磁场中当调节滑动变阻器R的阻值在什么范围时，可使金属棒静止在框架上？(框架与棒的电阻不计，g取10 m/s2),满分指导 金属棒受到四个力 作用：重力mg，垂直框面向上 的支持力FN，沿框面向上的安 培力F安，沿框面的静摩擦力Ff静 金属棒静止在框架上时，Ff静的 方向可能沿框面向上，也可能向下，需分两种情况考虑当变阻器R取值较大时，I较小，安培力F安较小，在金属棒重力分力mgsin作用下棒有沿框架下滑的趋势，框架对棒的摩擦力沿框面向上，受力如图8114所示金属棒刚好不下滑时满足平衡条件,图8114,B lmgcosmgsin0 (4分) 得R,当变阻器R取值较小时，I较大， 安培力F安较大，会使金属棒产生 沿框面上滑的趋势因此，框架 对棒的摩擦力沿框面向下，受 力如图8115所示金属棒刚好不上滑时满足平衡条件：,图8115,B lmgcosmgsin0 (4分) 得R 1.4 . (2分) 所以滑动变阻器R的取值范围应为1.4 R8.2 . (1分),答案 1.4 R8.2 ,名师归纳 (1)解决有关通电导体在磁场中的平衡问题，关键是受力分析，只不过比纯力学中的平衡问题要多考虑一个安培力 (2)画好辅助图(如斜面)，标明辅助方向(如B的方向、I的方向等)是画好受力分析图的关键 (3)由于安培力、电流I、磁感应强度B的方向之间涉及到三维空间，所以在受力分析时要善于把立体图转化成平面图,3.如图8116所示，M、N为两条水平放置的平行金属导 轨，电阻不计，导轨间距d0.2 m轨道上放置一质量m 50 g的均匀金属棒ab，其长L0.3 m，总电阻R0.75 ， 棒与两导轨相垂直已知电源电动势E6 V，内电阻r 0.5 ，电阻R02 ；整个装置放在匀强磁场中，磁感线 与ab棒垂直，这时ab棒对轨道的压力恰好为零，且棒仍 处于静止状态，求匀强磁场的磁感应强度大小(g取10 m/s2，不计导线电阻),图8116,解析：根据题意，ab棒所受安培力竖直向上，且与重力平衡， 即mgBId 其中I 由得B,答案：1.25 T,随堂巩固 1下列说法中正确的是 ( ) A电荷在某处不受电场力的作用，则该处电场强度为零 B一小段通电导线在某处不受磁场力作用，则该处磁 感应强度一定为零 C表征电场中某点电场的强弱，是把一个检验电荷放在 该点时受