高三物理第一轮复习：磁场基本性质；磁场对电流的作用粤教版

用心 爱心 专心 高三物理第一轮复习 磁场基本性质 磁场对电流的作用粤教版高三物理第一轮复习 磁场基本性质 磁场对电流的作用粤教版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 1 磁场基本性质 2 磁场对电流的作用 要点扫描 磁场基本性质 一 磁场 1 磁场 磁场是存在于磁体 运动电荷周围的一种物质 它的基本特性是 对处于其中 的磁体 电流 运动电荷有力的作用 2 磁现象的电本质 所有的磁现象都可归结为运动电荷之间通过磁场而发生的相互作 用 二 磁感线 为了描述磁场的强弱与方向 人们想象在磁场中画出的一组有方向的曲线 1 疏密表示磁场的强弱 2 每一点切线方向表示该点磁场的方向 也就是磁感应强度的方向 3 是闭合的曲线 在磁体外部由 N 极至 S 极 在磁体的内部由 S 极至 N 极 磁线不相 切不相交 4 匀强磁场的磁感线平行且距离相等 没有画出磁感线的地方不一定没有磁场 5 安培定则 拇指指向电流方向 四指指向磁场的方向 注意这里的磁感线是一个个同 心圆 每点磁场方向是在该点的切线方向 熟记常用的几种磁场的磁感线 三 磁感应强度 1 磁场的最基本的性质是对放入其中的电流或磁极有力的作用 电流垂直于磁场时受磁 场力最大 电流与磁场方向平行时 磁场力为零 2 在磁场中垂直于磁场方向的通电导线受到的磁场力 F 跟电流强度 I 和导线长度 L 的乘 积 IL 的比值 叫做通电导线所在处的磁感应强度 表示磁场强弱的物理量 是矢量 大小 电流方向与磁感线垂直时的公式 IL F B 用心 爱心 专心 方向 左手定则 是磁感线的切线方向 是小磁针 N 极受力方向 是小磁针静止时 N 极的指向 不是导线受力方向 不是正电荷受力方向 也不是电流方向 单位 牛 安米 也叫特斯拉 国际单位制单位符号 T 点定 B 定 就是说磁场中某一点定了 则该处磁感应强度的大小与方向都是定值 匀强磁场的磁感应强度处处相等 磁场的叠加 空间某点如果同时存在两个以上电流或磁体激发的磁场 则该点的磁 感应强度是各电流或磁体在该点激发的磁场的磁感应强度的矢量和 满足矢量运算法则 四 磁通量与磁通密度 1 磁通量 穿过某一面积磁力线条数 是标量 2 磁通密度 B 垂直磁场方向穿过单位面积磁力线条数 即磁感应强度 是矢量 3 二者关系 B S 当 B 与面垂直时 BScos Scos 为面积垂直于 B 方向 上的投影 是 B 与 S 法线的夹角 磁场对电流的作用 一 安培力 1 安培力 通电导线在磁场中受到的作用力叫做安培力 说明 磁场对通电导线中定向移动的电荷有力的作用 磁场对这些定向移动电荷作用 力的宏观表现即为安培力 2 安培力的计算公式 F BILsin 是 I 与 B 的夹角 通电导线与磁场方向垂直 时 即 90 此时安培力有最大值 通电导线与磁场方向平行时 即 0 此时 安培力有最小值 F 0N 0 B 90 时 安培力 F 介于 0 和最大值之间 3 安培力公式的适用条件 公式 F BIL 一般适用于匀强磁场中 I B 的情况 对于非匀强磁场只是近似适用 如对电流元 但对某些特殊情况仍适用 如图所示 电流 I1 I2 如 I1在 I2处磁场的磁感应强度为 B 则 I1对 I2的安培力 F BI2L 方向向左 同理 I2对 I1 安培力向右 即同向电流相吸 异向电流相斥 I1 I2 根据力的相互作用原理 如果是磁体对通电导体有力的作用 则通电导体对磁体有 反作用力 两根通电导线间的磁场力也遵循牛顿第三定律 二 左手定则 1 用左手定则判定安培力方向的方法 伸开左手 使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都 在同一平面内 让磁感线垂直穿过手心 并使四指指向电流方向 这时手掌所在平面跟磁 感线和导线所在平面垂直 大拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向 2 安培力 F 的方向既与磁场方向垂直 又与通电导线垂直 即 F 跟 BI 所在的面垂 直 但 B 与 I 的方向不一定垂直 3 安培力 F 磁感应强度 B 电流 I 三者的关系 已知 I B 的方向 可惟一确定 F 的方向 用心 爱心 专心 已知 F B 的方向 且导线的位置确定时 可惟一确定 I 的方向 已知 F I 的方向 磁感应强度 B 的方向不能惟一确定 4 由于 B I F 的方向关系常是在三维的立体空间 所以求解本部分问题时 应具有较 好的空间想象力 要善于把立体图画变成易于分析的平面图 即画成俯视图 剖视图 侧 视图等 规律方法 磁场基本性质 例 1 根据安培假说的物理思想 磁场来源于运动电荷 如果用这种思想解释地球磁 场的形成 根据地球上空并无相对地球定向移动的电荷的事实 那么由此推断 地球总体 上应该是 A A 带负电 B 带正电 C 不带电 D 不能确定 解析 解析 因在地球的内部地磁场从地球北极指向地球的南极 根据右手螺旋定则可判断 出地球表现环形电流的方向应从东到西 而地球是从西向东自转 所以只有地球表面带负 电荷才能形成上述电流 故选 A 例 2 如图所示 两根导线 a b 中电流强度相同 方向如图所示 则离两导线等距离 的 P 点 磁场方向如何 解析 解析 由 P 点分别向 a b 作连线 Pa Pb 然后过 P 点分别作 PM PN 垂线 根据安 培定则知这两条垂线 PM PN 就是两导线中电流在 P 点产生磁感应强度的方向 两导线中 的电流在 P 处产生的磁感应强度大小相同 然后按照矢量的合成法则就可知道合磁感应强 度的方向竖直向上 如图所示 这也就是该处磁场的方向 答案 答案 竖直向上 例 3 六根导线互相绝缘 所通电流都是 I 排成如图所示的形状 区域 A B C D 均为相等的正方形 则平均磁感应强度最大的区域是哪些区域 该区域的磁 场方向如何 解析 解析 由于电流相同 方格对称 从每方格中心处的磁场来定性比较即可 如 I1在任 一方格中产生的磁感应强度均为 B 方向由安培定则可知是向里 在 A D 方格内产生的 磁感应强度均为 B 方向仍向里 把各自导线产生的磁感应强度及方向均画在四个方格中 可以看出在 B D 区域内方向向里的磁场与方向向外的磁场等同 叠加后磁场削弱 答案 答案 在 A C 区域平均磁感应强度最大 在 A 区磁场方向向里 C 区磁场方向向 用心 爱心 专心 外 例 4 如图所示 A 为通电线圈 电流方向如图所示 B C 为与 A 在同一平面内的两 同心圆 B C分别为通过两圆面的磁通量的大小 下述判断中正确的是 A 穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向外 B 穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向里 C B C D B C 解析 解析 由安培定则判断 凡是垂直纸面向外的磁感线都集中在电线圈内 因磁感线是 闭合曲线 则必有相应条数的磁感线垂直纸面向里 这些磁感线分布在线圈之外 所以 B C 两圆面都有垂直纸面向里和向外的磁感线穿过 垂直纸面向外磁感线条数相同 垂 直纸面向里的磁感线条数不同 B 圆面较少 C 圆面较多 但都比垂直向外的少 所以 B C 磁通方向应垂直纸面向外 B C 所以 A C 正确 分析磁通时要注意磁感线是闭合曲线的特点和正反两方向磁总线条数的多少 不能认 为面积大的磁通就大 答案 答案 AC 例 5 如图所示 匀强磁场的磁感强度 B 2 0T 指向 x 轴的正方向 且 ab 40cm bc 30cm ae 50cm 求通过面积 Sl abcd S2 befc 和 S3 aefd 的磁通量 1 2 3分别是多少 解析 解析 根据 BS垂 且式中 S垂就是各面积在垂直于 B 的 yx 平面上投影的大小 所 以各面积的磁通量分别为 1 BS1 2 0 40 30 10 4 0 24Wb 2 0 3 1 BS1 2 0 40 30 10 4 0 24Wb 答案 答案 1 0 24 Wb 2 0 3 0 24Wb 例 6 如图所示 一水平放置的矩形闭合线圈 abcd 在细长磁铁 N 极附近下落 保持 bc 边在纸外 ad 边在纸内 由图中的位置 经过位置 到位置 且位置 和 都很靠近位 置 在这个过程中 线圈中的磁通量 A 是增加的 B 是减少的 C 先增加 后减少 D 先减少 后增加 用心 爱心 专心 解析 解析 要知道线圈在下落过程中磁通量的变化情况 就必须知道条形磁铁在磁极附近 磁感线的分布情况 条形磁铁在 N 极附近的分布情况如图所示 由图可知线圈中磁通量是 先减少 后增加 D 选项正确 点评 点评 要知道一个面上的磁通量 在面积不变的条件下 也必须知道磁场的磁感线的 分布情况 因此 牢记条形磁铁 蹄形磁铁 通电直导线 通电螺线管和通电圆环等磁场 中磁感线的分布情况在电磁学中是很必要的 磁场对电流的作用 安培力的性质和规律 公式 F BIL 中 L 为导线的有效长度 即导线两端点所连直线的长度 相应的电流方 向沿 L 由始端流向末端 如图所示 甲中 乙中 L d 直径 2R 半径 L2 L L L 甲乙 安培力的作用点为磁场中通电导体的几何中心 安培力做功 做功的结果将电能转化成其它形式的能 例 1 如图所示 一条形磁铁放在水平桌面上在其左上方固定一根与磁铁垂直的长直 导线 当导线通以如图所示方向电流时 A 磁铁对桌面的压力减小 且受到向左的摩擦力作用 B 磁铁对桌面的压力减小 且受到向右的摩擦力作用 C 磁铁对桌面的压力增大 且受到向左的摩擦力作用 D 磁铁对桌面的压力增大 且受到向右的摩擦力作用 解析 解析 导线所在处磁场的方向沿磁感线的切线方向斜向下 对其沿水平竖直方向分解 如图所示 对导线 用心 爱心 专心 Bx产生的效果是磁场力方向竖直向上 By产生的效果是磁场力方向水平向左 根据牛顿第三定律 导线对磁铁的力有竖直向下的作用力 因而磁铁对桌面压力增大 导线对磁铁的力有水平向右的作用力 因而磁铁有向右的运动趋势 这样磁铁与桌面间便 产生了摩擦力 桌面对磁铁的摩擦力沿水平方向向左 答案 答案 C 例 2 如图在条形磁铁 N 极处悬挂一个线圈 当线圈中通有逆时针方向的电流时 线圈将向哪个方向偏转 分析 分析 用 同向电流互相吸引 反向电流互相排斥 最简单 螺线管的电流在正面是 向下的 与线圈中的电流方向相反 互相排斥 而左边的线圈匝数多所以线圈向右偏转 例 3 电视机显象管的偏转线圈示意图如下 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 i 解 解 画出偏转线圈内侧的电流 是左半线圈靠电子流的一侧为向里 右半线圈靠电子 流的一侧为向外 电子流的等效电流方向是向里的 根据 同向电流互相吸引 反向电流 互相排斥 可判定电子流向左偏转 例 4 质量为 m 的通电细杆 ab 置于倾角为 的平行导轨上 导轨宽度为 d 杆 ab 与 导轨间的摩擦因数为 有电流时 ab 恰好在导轨上静止 如图所示 如图所示是沿 ba 方 向观察时的四个平面图 标出了四种不同的匀强磁场方向 其中杆与导轨间摩擦力可能为 零的是 解析 解析 杆的受力情况为 用心 爱心 专心 答案 答案 AB 例 5 在倾角为 的斜面上 放置一段通有电流强度为 I 长度为 L 质量为 m 的导 体棒 a 通电方向垂直纸面向里 如图所示 棒与斜面间动摩擦因数 tan 欲使导 体棒静止在斜面上 应加匀强磁场 磁感应强度 B 最小值是多少 如果要求导体棒 a 静止 在斜面上且对斜面无压力 则所加匀强磁场磁感应强度又如何 解析 解析 1 设当安培力与斜面成 角时 B 最小 则由平衡条件得 mgsin FN BILcos FN mgcos BILsin 解得 2 sincossincos cossin 1sin mgmg B IL IL 1 tan 其中 当 90 时 min 2 sincos 1 mg B IL 2 当 FN 0 时 则 BIL mg BIL mg 由左手定则知 B 方向水平向左 模拟试题模拟试题 1 如图所示 正四棱柱 abed a b c d 的中心轴线 oo 处有一无限长的载流直导线 对该电 流的磁场 下列说法中正确的是 A 同一条侧棱上各点的磁感应强度都相等 B 四条侧棱上的磁感应强度都相同 C 在直线 ab 上 从 a 到 b 磁感应强度是先增大后减小 D 棱柱内任一点的磁感应强度比棱柱侧面上所有点都大 用心 爱心 专心 2 一小段通电直导线长 1cm 电流强度为 5A 把它放入磁场中某点时所受磁场力大小为 0 1N 则该点的磁感强度为 A B 2T B B 2T C B 2T D 以上三种情况均有可能 3 如图所示边长为 100cm 的正方形闭合线圈置于磁场中 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 线圈逆时针转过 37 时 穿过线圈的磁通量改变了多少 4 从太阳或其他星体上放射出的宇宙射线中含有高能带电粒子 若到达地球 对地球上 的生命将带来危害 对于地磁场对宇宙射线有无阻挡作用的下列说法中 正确的是 A 地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在南北两极最强 赤道附近最弱 B 地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在赤道附近最强 南北两极最弱 C 地磁场对宇宙射线的阻挡作用各处相同 D 地磁场对宇宙射线无阻挡作用 5 超导是当今高科技的热点之一 当一块磁体靠近超导体时 超导体中会产生强大的电 流 对磁体有排斥作用 这种排斥力可使磁体悬浮在空中 磁悬浮列车就采用了这项技术 磁体悬浮的原理是 超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相同 超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相反 超导体使磁体处于失重状态 超导体对磁体的磁力与磁体的重力相平衡 A B C D 6 如图所示 在光滑的水平桌面上 有两根弯成直角相同金属棒 它们的一端均可绕固 定转轴 O 自由转动 另一端 b 互相接触 组成一个正方形线框 正方形边长为 L 匀强磁 场的方向垂直桌面向下 磁感强度为 B 当线框中通以图示方向的电流时 两金属棒 b 点 的相互作用力为 f 此时线框中的电流为多少 用心 爱心 专心 试题答案试题答案 1 解析