浙江省严州中学新安江校区高考物理 磁场及磁场对电流的作用复习课件.ppt

2014高三物理新课标 严州中学新校区 选修ib模块 物理3 3 选修ib模块 物理3 5 第八章 磁场 40磁场及磁场对电流的作用 1 产生 产生于磁体或 周围 2 本质 磁铁的磁场和电流的磁场一样 都是由 产生的 3 特性 磁场对放入其中的磁体或运动电荷 电流 有力的作用 n极的受力方向与磁场方向 s极的受力方向与磁场方向相反 磁体 电流之间都是通过磁场发生相互作用的 电流 电荷的运动 相同 一 磁场 1 定义 在磁场中 垂直于磁场方向的通电导线受到的安培力f与电流i和导线长度l的乘积的比值 叫做通电导线所在处磁场的磁感应强度 即b 定义式 2 方向 磁感应强度是矢量 其方向就是该处磁场的方向 也是小磁针n极的受力方向 即小磁针静止时n极的指向 其合成遵循 定则 3 单位 特斯拉 简称特 符号是 t 1t 1n a m 4 意义 表示磁场强弱和方向的物理量 平行四边形 二 磁感应强度 1 定义 在磁场中画一系列曲线 使曲线上任意点的 方向都跟该点磁场方向一致 这一系列曲线即为磁感线 2 意义 磁感线的疏密程度表示磁场的强弱 方向表示磁场的方向 3 特点 磁感线是闭合曲线 磁体外部的磁感线是从n极到s极 磁体内部的磁感线是从s极到n极 磁感线不相交 切线 切线 三 磁感线 1 常见磁体产生的磁场 的磁场 蹄形磁铁的磁场 地磁场 2 常见电流产生的磁场 的磁场 环形电流的磁场 通电螺线管的磁场 它们的方向都是由安培定则来判定的 3 匀强磁场 如果在磁场的某一区域里 磁感应强度的大小和方向处处 这个区域的磁场就叫做匀强磁场 如通电螺线管内部的磁场 4 安培定则 1 通电直导线中的安培定则 用右手握住通电直导线 让伸直的拇指指向电流的方向 那么弯曲的四指的指向就是磁感线的环绕方向 2 通电螺线管中的安培定则 用右手握住通电螺线管 使四指弯曲与电流方向一致 那么伸直的拇指所指的那一端是通电螺线管的n极 条形磁铁 直线电流 相同 四 常见磁场及磁场方向的判定 常见的磁场分布规律 1 常见的磁体磁场分布规律 2 常见的电流磁场分布规律 b 例1 为了解释地球的磁性 19世纪安培假设 地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流i引起的 在如图所示的四个图中 正确表示安培假设中环形电流方向的是 变式题 如图所示 两根相互平行的长直导线分别通有方向相反的电流i1和i2 且i1 i2 a b c d为导线某一横截面所在平面内的四点 且a b c与两导线共面 b点在两导线之间 b d的连线与导线所在平面垂直 磁感应强度可能为零的点是 a a点b b点c c点d d点 c 1 定义 磁场对通电导线 电流 的作用力称为安培力 2 大小 f b与l垂直 若通电导线与磁场方向平行 则安培力f 0 3 方向 可用 判断 4 左手定则 伸开左手 使拇指跟其余四指垂直 并且都跟手掌在同一个平面内 让磁感线垂直穿过手心 四指指向电流的方向 那么 所指的方向就是安培力的方向 bil 左手定则 拇指 五 安培力 例2 如图所示 用粗细均匀的电阻丝折成平面梯形框架 ab cd边均与ad边成60 角 ab bc cd l 已知长度为l时电阻丝阻值为r 框架与一电动势为e 内阻为r的电源相连接 垂直于框架平面有磁感应强度为b的匀强磁场 则框架受到的安培力的合力大小为 c 变式题 如图所示 一段导线abcd位于磁感线强度大小为b的匀强磁场中 且与磁场方向 垂直于纸面向里 垂直 导线ab bc和cd段的长度均为l 且 abc bcd 135 流经导线的电流为i 方向如图中箭头所示 导线abcd受到的磁场的作用力的合力 a 六 安培力与动力学综合的问题 1 通电导体在磁场 重力场中的平衡与加速运动问题的处理方法和纯力学问题一样 只是多了一个安培力而已 所以对此类问题首先要树立信心 2 解决这类问题的关键是 1 受力分析时要注意准确找出安培力的方向 安培力方向既跟磁感应强度方向垂直又跟电流方向垂直 2 画出导体受力平面图 往往是侧视图 3 解决这类问题主要涉及的考点 1 闭合电路的欧姆定律 2 安培力的计算公式f bil 3 物体平衡条件 合力为零 4 牛顿第二定律等 4 涉及安培力作用下的物体的运动问题 可以参考以下方法进行分析 详见下表 例3 电磁轨道炮工作原理如图所示 待发射弹体可在两平行轨道之间自由移动 并与轨道保持良好接触 电流i从一条轨道流入 通过导电弹体后从另一条轨道流回 轨道电流可形成在弹体处垂直于轨道面的磁场 可视为匀强磁场 磁感应强度的大小与i成正比 通电的弹体在轨道上受到安培力的作用而高速射出 现欲使弹体的出射速度增加至原来的2倍 理论上可采用的办法是 a 只将轨道长度l变为原来的2倍b 只将电流i增加至原来的2倍c 只将弹体质量减至原来的一半d 将弹体质量减至原来的一半 轨道长度l变为原来的2倍 其他量不变 bd 变式题 如图所示 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 a 1 两根通电的长直导线平行放置 电流分别为i1和i2 电流的方向如图所示 在与导线垂直的平面上有a b c d四点 其中a b在导线横截面连接的延长线上 c d在导线横截面连线的垂直平分线上 则导体中的电流在这四点产生的磁场的磁感应强度可能为零的是 a a点b b点c c点d d点 ab 2 在磁场中某区域的磁感线如图所示 则 a a b两处的磁感应强度的大小不等 ba bbb a b两处的磁感应强度的大小不等 ba bbc 同一通电导线放在a处受力一定比放在b处受力大d 同一通电导线放在a处受力一定比放在b处受力小 b 磁场力的作用 n极 n极 1 磁场1 磁场的基本特点 1 磁场对放入其中的磁体 电流和运动电荷有 2 磁场的方向在磁场中的任一点 小磁针的受力的方向 亦即小磁针静止时所指的方向 就是那一点的磁场方向 闭合 3 磁感线的特点磁感线是为形象地描述磁场的强弱和方向而引入的一系列假想的曲线 是一种理想化的模型 它有以下特点 磁感线某点切线方向表示该点的磁场方向 磁感线的疏密 表示磁场的强弱 磁感线是的 外部n s 内部s n 任意两条磁感线不相交 n s 2 几种典型的磁场 1 磁体周围的磁场磁体周围存在着磁场 磁体周围磁场的磁感线从磁体极出发 回到极 条形磁铁和蹄形磁铁的磁场如图所示 地磁场特点 n极 s极 南极 北极 相同 北 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 地磁场的在地球南极附近 在地球北极附近 地磁场b的水平分量 bx 总是从地球指向 而竖直分量 by 则南北相反 在南半球垂直地面向上 在北半球垂直地面向下 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 奥斯特 弱 3 电流的磁场实验发现了电流的磁效应 各种电流周围的磁场如下 直线电流的磁场 无磁极 非匀强 距导线越远处磁场越 画法如图2所示 s n n s 通电螺线管的磁场 两端分别是n极和s极 管内是匀强磁场 磁感线方向由极指向极 管外为非匀强磁场 磁感线由极指向极 画法如图3所示 越弱 环形电流的磁场 两侧是n极和s极 离圆环中心越远 磁场 画法如图4所示 例 如图所示 图 甲 乙 是两种结构不同的环状螺线管的示意图 其中 乙 图是由两个匝数相同 互相对称的 半圆环形螺线管串联而成的 给它们按图示方向通以电流 试画出磁感线的分布情况示意图 例 电视机显象管的偏转线圈示意图如右 即时电流方向如图所示 该时刻由里向外射出的电子流将向哪个方向偏转 3 磁感应强度 1 意义 描述磁场的物理量 2 定义式 b 式中f为i与磁场方向垂直时的磁场力 此时磁场力最大 i与磁场平行时 磁场力为零 3 方向 小磁针时 极所指 所受磁场力 的方向 4 匀强磁场 磁感应强度大小处处 方向处处的区域里的磁场叫做匀强磁场 匀强磁场的磁感线是分布均匀的直线 强弱和方向 静止 n 相等 相同 平行 4 磁通量在磁感应强度为b的匀强磁场中 有一个与磁场方向垂直的平面 面积为s 则把b与s的乘积叫做穿过这个面积的磁通量 用公式表示为 特别提醒 应用安培定则时首先应注意伸的是右手 其次注意不同情况下四指环绕方向 大拇指指向的意义不同 bs 1 安培力的方向 1 左手定则 伸开左手 让拇指与其余四指 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 这时所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向 2 安培力f的方向总与磁场b的方向和通电导线电流i的方向所决定的平面 垂直 电流的方向 拇指 垂直 磁场对电流的作用力 安培力 a 磁场对电流的作用力b 电流对电流的作用力 2 安培力的大小 1 当磁场与电流时 安培力最大为fmax bil 2 当磁场与电流平行时 即磁场方向与电流方向相同或相反时 安培力为 3 当磁场方向与导线成 角时 安培力f 垂直 零 bilsin 磁感线和电场线的异同 1 没有画出磁感线或电场线的地方并不表示那里没有磁场或电场存在 2 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 在不同的两个图中 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 如图所示 边长为100cm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b1 0 6t b2 0 4t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 0 1wb 1 0wb 求解磁通量时 当b与s不垂直时 可用两个方案求合磁通量 一是分解b 用垂直于s的分量b 求 二是投影s 将s投影到与b垂直的方向上 并求出s投影 然后利用 bs投影求 如图所示 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 通过两环的磁通量 a b比较 则 a a bb a bc a bd 不能确定 a 下列关于磁感应强度大小的说法 正确的是a 通电导线受磁场力大的地方磁感应强度一定大b 通电导线在磁感应强度大的地方受力一定大c 放在匀强磁场中各处的通电导线 受力大小和方向处处相同d 磁感应强度的大小和方向跟放在磁场中的通电导线受力的大小和方向无关 d 关于磁感应强度b 下列说法中正确的是 a 磁场中某点b的大小 跟放在该点的试探电流元的情况有关b 磁场中某点b的方向 跟放在该点的试探电流元所受磁场力方向一致c 在磁场中某点的试探电流元不受磁场力作用时 该点b值大小为零d 在磁场中磁感线越密集的地方 磁感应强度越大 d 如图所示 在a b c三处垂直于纸面放置三根长直通电导线 a b c是等边三角形的三个顶点 电流大小相等 a处电流在三角形中心o点的磁感应强度大小为b 求o处的磁感应强度 2b 方向平行ab连线向右 1 磁感应强度是矢量 计算时与力的计算方法相同 利用平行四边形定则或正交分解法进行合成与分解 2 在运用安培定则判定直线电流和环形电流的磁场时应分清 因 和 果 在判定直线电流的磁场方向时 大拇指指 原因 电流方向 四指指 结果 磁场绕向 在判定环形电流的磁场方向时 四指指 原因 电流绕向 大拇指指 结果 环内沿中心轴线的磁感线方向 在等边三角形的三个顶点a b c处 各有一条长直导线垂直穿过纸面 导线中通有大小相等的恒定电流 方向如图所示 过c点的导线所受安培力的方向 a 与ab边平行 竖直向上b 与ab边平行 竖直向下c 与ab边垂直 指向左边d 与ab边垂直 指向右边 c 磁场对电流的作用 题型一 安培力作用下通电导体运动方向的判断 a 规律小结解决本题时应明确转动和下降是同时进行 不要因为用了两种方法而认为是两个过程 如图所示 把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁磁极的正上方 导线可以自由转动 当导线通入图示方向电流 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 如图所示 把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁铁n极附近 磁铁的轴线穿过线圈的圆心 且垂直于线圈平面 当线圈中通入如图方向的电流后 线圈的运动情况是 a 线圈向左运动b 线圈向右运动c 从上往下看顺时针转动d 从上往下看逆时针转动 a 题型二 安培力与力学知识的综合运用 如图所示 在与水平方向成60 角的光滑金属导轨间连一电源 在相距1m的平行导轨上放一重为3n的金属棒ab 棒上通过3a的电流 磁场方向竖直向上 这时棒恰好静止 求 1 匀强磁场的磁感应强度 2 ab棒对导轨的压力 3 若要使b取值最小 其方向应如何调整 并求出最小值 规律小结1 通电导线在安培力作用下的平衡和加速运动 1 确定研究对象 对研究对象进行受力分析 2 画出受力平面图 3 依据平衡条件或牛顿第二定律列方程 2 安培力做功的实质 能量的转化 1 安培力做正功 是将电源的电能转化为导线的动能或转化为其他形式的能 2 安培力做负功 是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 如图所示 在倾角为370的光滑斜面上有一根长为0 4m 质量为6 10 2kg的通电直导线 电流i 1a 方向垂直于纸面向外 导线用平行于斜面的轻绳拴住不动 整个装置放在磁感应强度每秒增加0 4t 方向竖直向上的匀强磁场中 设t 0时 b 0 则需要多长时间 斜面对导线的支持力为零 g取10m s2 t 5s 1 在匀强磁场的同一位置 先后放入长度相等的两根直导线a和b a b导线的方向与磁场方向垂直 但两导线中的电流大小不同 下图表示导线所受安培力f与通电电流i的关系 a b各自有一组f i的数值 在图象中各描一个点 其中正确的是 d 2 如图所示 金属细棒质量为m 用两根相同轻弹簧吊放在水平方向的匀强磁场中 弹簧的劲度系数为k 棒ab中通有稳恒电流 棒处于平衡 并且弹簧的弹力恰好为零 若电流大小不变而方向相反 则 a 每根弹簧弹力的大小为mgb 每根弹簧弹力的大小为2mgc 弹簧形变量为mg kd 弹簧形变量为2mg k ac 3 质量为m的通电细杆放在倾角为 的导轨上 导轨的宽度为d 杆与导轨间的动摩擦因数为 有电流通过杆 杆恰好静止于导轨上 在如图所示的a b c d四个图中 杆与导轨间的摩擦力一定不为零的是 cd 4 如图所示 铜棒ab长l1 0 1m 质量为6 10 2kg 两端与长为l2 1m的轻铜线相连 静止于竖直平面内 整个装置处在竖直向下的匀强磁场中 磁感应强度b 0 5t 现接通电源 使铜棒中保持有恒定电流通过 铜棒垂直纸面向外发生摆动 0 12j4a 方向由b a 如图所示 光滑的平行导轨倾角为 处在磁感应强度为b的匀强磁场中 导轨中接入电动势为e 内阻为r的直流电源 电路中有一阻值为r的电阻 其余电阻不计 将质量为m 长度为l的导体棒ab由静止释放 求导体棒在释放的瞬时加速度的大小 如图 长为2l的直导线折成边长相等 夹角为60 的v形 并置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中 磁感应强度为b 当在该导线中通以电流为i的电流时 该v形通电导线受到的安培力大小为 a 0b 0 5bilc bild 2bil c 两根导电的长直导线平行放置 电流分别为i1和i2 电流的方向如图所示 在与导线垂直的平面上有a b c d四点 其中a b在导线横截面连线的延长线上 c d在导线横截面连线的垂直平分线上 则导体中的电流在这四点产生的磁场的磁感应强度可能为零的是 a a点b b点c c点d d点 ab 如图所示 条形磁铁放在水平桌面上 它的正中间的上方固定一根长直导线a 现使导线内通过垂直于纸面向里的恒定电流 则磁铁受到桌面的支持力大小变化情况是 a 不变b 减小c 增大d 无法判断 c 如图所示 用三条细线悬挂的水平圆形线圈共有n匝 线圈由粗细均匀 单位长度的质量为2 5g的导线绕制而成 三条细线呈对称分布 稳定时线圈平面水平 在线圈正下方放有一个圆柱形条形磁铁 磁铁的中轴线oo 垂直于线圈平面且通过其圆心o 测得线圈的导线所在处磁感应强度大小为0 5t 方向与竖直线成30 角 要使三条细线上的张力为零 线圈中通过的电流至少为a 0 1ab 0 2ac 0 05ad 0 01a a 质量为m 长度为l的导体棒mn静止于水平导轨上 通过mn的电流为i 匀强磁场的磁感应强度为b 方向与导轨平面成 角斜向下 如