高考物理总复习 第九章 磁场 第1课时 磁场及磁场对电流的作用课件 教科版.ppt

第九章磁场 第1课时磁场及磁场对电流的作用 基础回顾 核心探究 演练提升 基础回顾自主梳理 融会贯通 知识梳理 一 磁场 磁感应强度1 磁场 1 基本特性 磁场对处于其中的磁体 电流和运动电荷有的作用 2 方向 小磁针静止时所指的方向 即是n极所受磁场力的方向 2 磁感应强度 1 物理意义 描述磁场的和 2 定义式 b 通电导线垂直于磁场 3 方向 小磁针时n极的指向 磁场力 n极 强弱 方向 静止 二 磁感线电流的磁场1 磁感线 1 引入 曲线上每一点的方向为该点的磁场方向 曲线的疏密表示磁场的强弱 曲线疏的地方磁场 曲线密的地方磁场 2 特点 磁感线的特点与电场线的特点类似 主要区别在于磁感线是 的曲线 3 条形磁铁和蹄形磁铁的磁场 如图所示 切线 弱 强 闭合 2 安培定则 1 通电直导线 右手握住导线 让所指的方向与电流方向一致 则所指的方向就是磁感线环绕的方向 2 环形电流 如果右手与环形电流的方向一致 所指的方向就是环形导线轴线上磁感线的方向 如图 分别表示通电直导线 环形电流 通电线圈周围的磁场 表示 的方向 表示的方向 3 匀强磁场强弱 方向的磁场 伸直的拇指 弯曲的四指 弯曲的四指 伸直的拇指 电流 磁感线 处处相同 三 安培力的大小和方向1 大小 1 f 其中 为b与i之间的夹角 2 磁感应强度b的方向与电流i的方向垂直时 f 3 磁感应强度b的方向与电流i的方向平行时 f 0 ilbsin ilb 2 方向 1 用左手定则判定 伸出左手 四指并拢 使大拇指和其余四指垂直 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 则大拇指所指方向就是通电导线所受 如图 表示的方向 表示的方向 表示的方向 电流方向 安培力的方向 电流 磁场 安培力 2 安培力的方向特点 f b f i 即f垂直于b和i决定的平面 注意 b和i可以有任意夹角 自主检测 1 思考判断 1 磁场中某点磁感应强度的大小 跟放在该点的试探电流元的强弱有关 2 安培力做功的实质是能量转化 3 在磁场中磁感线越密集的地方 磁感应强度越大 4 奥斯特发现了电流可以产生磁场 5 由定义式b 可知 电流i越大 导线l越长 某点的磁感应强度就越小 6 磁感线是真实存在的 答案 1 2 3 4 5 6 2 多选 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 是用一个检验电荷放在该点时受到的电场力与检验电荷本身电荷量的比值d 表征磁场中某点磁场的强弱 是用一小段通电导线放在该点时受到的磁场力与该小段导线长度和电流乘积的比值 ac 解析 电场对放入其中的电荷有力的作用 磁场对通电导线有力的作用的条件是磁场方向不能和电流方向平行 选项a正确 b错误 同理根据电场强度的定义式e 可知c正确 而同样用比值定义法定义的磁感应强度则应有明确的说明 即b 中i和b的方向必须垂直 选项d错误 3 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 在图中能正确表示安培假设中环形电流方向的是 b 解析 地磁场的n极在地球南极附近 地磁场的s极在地球北极附近 根据安培定则 可判定电流方向为顺时针方向 站在地球的北极向下看 选项b正确 a c d错误 4 如图所示 某区域内有垂直纸面向里的匀强磁场 磁感应强度大小为b 一正方形刚性线圈边长为l 匝数为n 线圈平面与磁场方向垂直 线圈一半在磁场内 某时刻 线圈中通过大小为i的电流 则此时线圈所受安培力的大小为 d 核心探究分类探究 各个击破 考点一磁场的理解及安培定则 1 磁场的特点 1 磁场是磁体 电流周围存在的一种特殊物质 是客观存在的 2 磁场的强弱由磁场本身决定 与放入其中的电流元的大小无关 3 磁场既有强弱也有方向 磁场的强弱和方向可用磁感应强度来表示 也可用磁感线定性地表示 2 电流的磁场 3 磁场的叠加磁感应强度是矢量 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 典例1 2017 全国 卷 18 如图 在磁感应强度大小为b0的匀强磁场中 两长直导线p和q垂直于纸面固定放置 两者之间的距离为l 在两导线中均通有方向垂直于纸面向里的电流i时 纸面内与两导线距离均为l的a点处的磁感应强度为零 如果让p中的电流反向 其他条件不变 则a点处磁感应强度的大小为 c 多维训练 1 磁场的理解 多选 指南针是我国古代四大发明之一 关于指南针 下列说法正确的是 a 指南针可以仅具有一个磁极b 指南针能够指向南北 说明地球具有磁场c 指南针的指向会受到附近铁块的干扰d 在指南针正上方附近沿指针方向放置一直导线 导线通电时指南针不偏转 bc 解析 任何磁体均具有两个磁极 故选项a错误 指南针之所以能指向南北 是因为指南针的两个磁极受到磁场力的作用 这说明地球具有磁场 即选项b正确 放在指南针附近的铁块被磁化后 反过来会影响指南针的指向 即选项c正确 通电直导线产生的磁场对其正下方的指南针有磁场力的作用 会使指南针发生偏转 故选项d错误 2 导学号58826182 安培定则的应用 磁场的叠加 2018 江西上高县模拟 多选 有两根长直导线a b互相平行放置 如图所示为垂直于导线的截面图 在图中所示的平面内 o点为两根导线连线的中点 m n为两根导线附近的两点 它们在两导线连线的中垂线上 且与o点的距离相等 若两导线中通有大小相等 方向相同的恒定电流i 则下列说法中正确的是 a m点和n点的磁感应强度大小相等 方向相反b 导线a b互相排斥c 在线段mn上各点的磁感应强度都不可能为零d 在线段mn上只有一点的磁感应强度为零 ad 解析 根据安培定则判断得知 两根通电导线产生的磁场方向均沿逆时针方向 由于对称 两根通电导线在m n两点产生的磁感应强度大小相等 根据平行四边形进行合成得到 m点和n点的磁感应强度大小相等 m点磁场方向向下 n点磁场方向向上 方向相反 选项a正确 两导线通有同向电流 故相互吸引 选项b错误 只有当两根通电导线在同一点产生的磁感应强度大小相等 方向相反时 合磁感应强度才为零 则知只有o点的磁感应强度为零 选项c错误 d正确 考点二安培力的分析与计算 1 在应用左手定则判定安培力方向时 磁感线方向不一定垂直于电流方向 但安培力方向一定与磁场方向和电流方向垂直 即大拇指一定要垂直于磁场方向和电流方向决定的平面 2 应用安培力的公式f ilb时要注意 1 b与i垂直 2 l是有效长度 公式f ilb中l指的是 有效长度 当b与i垂直时 f最大 f ilb 当b与i平行时 f 0 弯曲导线的有效长度l 等于连接两端点线段的长度 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 典例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 长度为l的电阻丝电阻为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 核心点拨 可分别求出ab bc cd段受到的安培力 然后由平行四边形定则求合力 也可将abcd段等效为长为2l的一段直导线 方向与ad平行 然后求安培力 方法技巧弯折类导线所受安培力的求法 1 分段求安培力 再由力的合成求其合力 2 等效法求有效长度 其数值等于处于磁场中的通电导线两端点间在垂直于磁场方向的距离 再用公式求安培力 多维训练 1 安培力的方向及大小 2014 全国 卷 15 关于通电直导线在匀强磁场中所受的安培力 下列说法正确的是 a 安培力的方向可以不垂直于直导线b 安培力的方向总是垂直于磁场的方向c 安培力的大小与通电直导线和磁场方向的夹角无关d 将直导线从中点折成直角 安培力的大小一定变为原来的一半 b 2 导学号58826183 左手定则的应用 2017 全国 卷 21 多选 某同学自制的简易电动机示意图如图所示 矩形线圈由一根漆包线绕制而成 漆包线的两端分别从线圈的一组对边的中间位置引出 并作为线圈的转轴 将线圈架在两个金属支架之间 线圈平面位于竖直面内 永磁铁置于线圈下方 为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来 该同学应将 a 左 右转轴下侧的绝缘漆都刮掉b 左 右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉c 左转轴上侧的绝缘漆刮掉 右转轴下侧的绝缘漆刮掉d 左转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉 右转轴下侧的绝缘漆刮掉 ad 解析 为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来 将左 右转轴下侧的绝缘漆都刮掉 这样当线圈在图示位置时 线圈的上下边受安培力水平而转动 转过一周后再次受到同样的安培力而使其转动 选项a正确 若将左 右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉 则当线圈在图示位置时 线圈的上下边受安培力水平而转动 转过半周后再次受到相反方向的安培力而使其停止转动 选项b错误 左转轴上侧的绝缘漆刮掉 右转轴下侧的绝缘漆刮掉 电路不能接通 故不能转起来 选项c错误 若将左转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉 右转轴下侧的绝缘漆刮掉 这样当线圈在图示位置时 线圈的上下边受安培力水平而转动 转过半周后电路不导通 转过一周后再次受到同样的安培力而使其转动 选项d正确 考点三安培力作用下导体运动趋势的判断 判断安培力作用下导体运动情况的常用方法 典例3 一个可以自由运动的线圈l1和一个固定的线圈l2互相绝缘垂直放置 且两个线圈的圆心重合 如图所示 当两线圈中通以图示方向的电流时 从左向右看 线圈l1将 a 不动b 顺时针转动c 逆时针转动d 在纸面内平动 b 核心点拨 左手定则判断受力方向 解析 法一 电流元法 把线圈l1沿水平转动轴分成上 下两部分 每一部分又可以看成无数段直线电流元 电流元处在l2产生的磁场中 根据安培定则可知各电流元所在处的磁场方向向上 由左手定则可得 上半部分电流元所受安培力均指向纸外 下半部分电流元所受安培力均指向纸内 因此从左向右看线圈l1将顺时针转动 法二 等效法 把线圈l1等效为小磁针 该小磁针刚好处于环形电流i2的中心 小磁针的n极应指向该点环形电流i2的磁场方向 由安培定则知i2产生的磁场方向在其中心处竖直向上 而l1等效成小磁针后 转动前 n极指向纸内 因此小磁针的n极应由指向纸内转为向上 所以从左向右看 线圈l1将顺时针转动 法三 结论法 环形电流i1 i2之间不平行 则必有相对转动 直到两环形电流同向平行为止 据此可得 从左向右看 线圈l1将顺时针转动 多维训练 1 电流元法和特殊位置法 一直导线平行于通电螺线管的轴线放置在螺线管的上方 如图所示 如果直导线可以自由地运动且通以方向为由a到b的电流 则导线ab受到安培力作用后的运动情况为 a 从上向下看顺时针转动并靠近螺线管b 从上向下看顺时针转动并远离螺线管c 从上向下看逆时针转动并远离螺线管d 从上向下看逆时针转动并靠近螺线管 d 解析 判断导线的转动方向可用电流元法 如图所示 把直线电流等效为ao oo o b三段 oo 段极短 电流 由于oo 段电流方向与该处的磁场方向相同 所以不受安培力作用 ao段电流所在处的磁场方向斜向上 由左手定则可知其所受安培力方向垂直纸面向外 o b段电流所在处的磁场方向斜向下 同理可知其所受安培力方向垂直纸面向里 再用特殊位置法分析 当导线转过90 与纸面垂直时 判断导线所受安培力方向向下 综上可知导线将以oo 段为轴逆时针转动 从上向下看 并靠近通电螺线管 选项d正确 2 导学号58826184 转换研究对象法 多选 如图所示 台秤上放一光滑平板 其左边固定一挡板 一轻质弹簧将挡板和一条形磁铁连接起来 此时台秤读数为f1 现在磁铁上方中心偏左位置固定一导体棒 当导体棒中通以方向如图所示的电流后 台秤读数为f2 则以下说法正确的是 a 弹簧长度将变长b 弹簧长度将变短c f1 f2d f1 f2 bc 解析 如图 甲 所示 导体棒处的磁场方向指向右上方 根据左手定则可知 导体棒受到的安培力方向垂直于磁场方向指向右下方 根据牛顿第三定律 导体棒的磁场对磁铁作用力指向左上方 对条形磁铁受力分析 如图 乙 所示 台秤示数f1 f2 在水平方向上 由于f 有向左的分力 磁铁压缩弹簧 所以弹簧长度变短 考点四安培力作用下导体的平衡与加速 安培力作用下导体的平衡与加速问题的解题方法 1 根据导体中的电流方向与磁场方向 利用左手定则先判断出安培力的方向 然后对导体进行受力分析 再结合力的平衡条件或牛顿第二定律进行求解 2 事先不能判断出安培力的方向时的平衡问题 需要对导体进行受力分析 然后结合力的平衡条件确定安培力的方向和大小 此类试题一般是包括安培力在内的三力动态平衡问题 解决的办法通常是 闭合矢量三角形法 或 相似三角形法 典例4 2018 江西重点中学协作体第二次联考 多选 如图所示 在倾角 30 的光滑轨道上 质量m 0 1kg的ab杆放在轨道上 轨道间距l 0 2m 电流i 0 5a 当加上垂直于杆ab的某一方向的匀强磁场后 杆ab处于静止状态 则所加磁场的磁感应强度可能为 a 1tb 5 5tc 4td 7 5t bd 解析 对杆受力分析 由图解法求出杆受的安培力的最小值 根据f ilb求出b的最小值 金属导轨光滑 所以没有摩擦力 则金属棒只受重力 支持力和安培力 根据平衡条件支持力和安培力的合力应与重力等大反向 根据矢量三角形合成法则作出三种情况的合成图如图 由图可以看出当安培力f与支持力垂直时有最小值fmin mgsin 即bminil mgsin 解得bmin 5t 选项b d正确 多维训练 1 导体棒在安培力作用下的平衡 2015 全国 卷 24 如图 一长为10cm的金属棒ab用两个完全相同的弹簧水平地悬挂在匀强磁场中 磁场的磁感应强度大小为0 1t 方向垂直于纸面向里 弹簧上端固定 下端与金属棒绝缘 金属棒通过开关与一电动势为12v的电池相连 电路总电阻为2 已知开关断开时两弹簧的伸长量均为0 5cm 闭合开关 系统重新平衡后 两弹簧的伸长量与开关断开时相比均改变了0 3cm 重力加速度大小取10m s2 判断开关闭合后金属棒所受安培力的方向 并求出金属棒的质量 解析 依题意 开关闭合后 电流方向为从b到a 由左手定则可知 金属棒所受的安培力方向为竖直向下 开关断开时 两弹簧各自相对于其原长的伸长量为 l1 0 5cm 由胡克定律和力的平衡条件得2k l1 mg 式中 m为金属棒的质量 k是弹簧的劲度系数 g是重力加速度的大小 开关闭合后 金属棒所受安培力的大小为f ilb 式中 i是回路电流 l是金属棒的长度 两弹簧各自再伸长了 l2 0 3cm 由胡克定律和力的平衡条件得2k l1 l2 mg f 由欧姆定律有e ir 式中 e是电池的电动势 r是电路总电阻 联立 式 并代入题给数据得m 0 01kg 答案 见解析 2 安培力作用下导体的加速 电磁炮 是利用电磁力对弹体加速的新型武器 具有速度快 效率高等优点 如图是 电磁炮 的原理结构示意图 光滑水平加速导轨电阻不计 轨道宽为l 0 2m 在导轨间有竖直向上的匀强磁场 磁感应强度b 1 102t 电磁炮 弹体总质量m 0 2kg 其中弹体在轨道间的电阻r 0 4 可控电源的内阻r 0 6 电源的电压能自行调节 以保证 电磁炮 匀加速发射 在某次试验发射时 电源为加速弹体提供的电流i 4 103a 不计空气阻力 求 解析 1 由安培力公式得f ilb 8 104n 答案 1 8 104n 2 20m 1 弹体所受安培力的大小 2 弹体从静止加速到4km s 轨道至少要多长 答案 3 1 76 106j 3 弹体从静止加速到4km s过程中 该系统消耗的总能量 演练提升真题体验 强化提升 高考模拟 1 地磁场 2016 北京卷 17 中国宋代科学家沈括在 梦溪笔谈 中最早记载了地磁偏角 以磁石磨针锋 则能指南 然常微偏东 不全南也 进一步研究表明 地球周围地磁场的磁感线分布示意如图 结合上述材料 下列说法不正确的是 a 地理南 北极与地磁场的南 北极不重合b 地球内部也存在磁场 地磁南极在地理北极附近c 地球表面任意位置的地磁场方向都与地面平行d 地磁场对射向地球赤道的带电宇宙射线粒子有力的作用 c 解析 磁偏角的存在说明地理南 北极与地磁场南 北极不重合 地球相当于一个大磁铁 地球内部也存在磁场 且地磁南极在地理北极附近 由于地球磁感线并不是以地心为圆心的圆弧 地球表面大部分位置的地磁场方向与地面不平行 地球赤道处地磁场方向沿南北方向 射向赤道的带电宇宙射线粒子方向与地磁场方向基本垂直 带电宇宙射线粒子必受地磁场的洛伦兹力作用 故选c 2 左手定则 2016 海南卷 8 多选 如图 a 所示 扬声器中有一线圈处于磁场中 当音频电流信号通过线圈时 线圈带动纸盆振动 发出声音 俯视图 b 表示处于辐射状磁场中的线圈 线圈平面即纸面 磁场方向如图中箭头所示 在图 b 中 a 当电流沿顺时针方向时 线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里b 当电流沿顺时针方向时 线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外c 当电流沿逆时针方向时 线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里d 当电流沿逆时针方向时 线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外 bc 解析 将环形导线分割成无限个小段 每一小段看成直导线 则根据左手定则 当电流顺时针时 导线所受的安培力垂直纸面向外 故a错误 b正确 当电流逆时针时 根据左手定则可以知道安培力垂直纸面向里 选项c正确 d错误 3 磁场的叠加 安培力大小的计算 2017 全国 卷 19 多选 如图 三根相互平行的固定长直导线l1 l2和l3两两等距 均通有电流i l1中电流方向与l2中的相同 与l3中的相反 下列说法正确的是 a l1所受磁场作用力的方向与l2 l3所在平面垂直b l3所受磁场作用力的方向与l1 l2所在平面垂直 bc 4 左手定则 力的平衡 2017 湖南怀化三模 如图所示 电源e 导线 导电细软绳ab cd 以及导体棒bc构成闭合回路 导电细软绳ab cd的a端和d端固定不动 加上恰当的磁场后 当导体棒保持静止时 闭合回路中abcd所在平面与过ad的竖直平面成30 已知ad和bc等长且都在水平面内 导体棒bc中的电流i 2a 导体棒的长度l 0 5m 导体棒的质量m 0 5kg g取10m s2 以下说法正确的是 a 磁感应强度的最小值为2 5t 方向沿ba所在直线 由b指向ab 磁感应强度的最小值为2 5t 方向沿ab所在直线 由a指向b a 拓展增分 磁感应强度的测定直接测定磁感应强度是很困难的 但可以通过测量安培力 或借助天平 电子测力计等仪器利用平衡方法测定 1 通过测量安培力测定 示例1 图中虚线框内存在一沿水平方向 且与纸面垂直的匀强磁场 现通过测量通电导线在磁场中所受的安培力 来测量磁场的磁感应强度大小 并判定其方向 所用部分器材已在图中给出 其中d为位于纸面内的u形金属框 其底边水平 两侧边竖直且等长 e为直流电源 r为电阻箱 为电流表 s为开关 此外还有细沙 天平 米尺和若干轻质