2012届高三物理第二轮专题讲座(51讲)8-1磁场对电流的作用 新人教版

用心 爱心 专心 1 磁场对电流的作用磁场对电流的作用 温故自查 1 磁场 1 产生 磁场是一种特殊的物质 产生于和 周围 2 特点 磁场对放入磁场中的磁极和电流的作用 3 方向 规定磁场中任意一点的小磁针静止时N极的指向 小磁针N极受力方向 为该点的 磁场的方向 磁极 电流 有力 2 磁感线 1 特点 不是真实存在的 是人们为了形象描述磁场而假想的 是闭合曲线 磁体的 外部是从N极到S极 内部是从S极到N极 磁感线的密疏表示磁场的强弱 磁感线上某 点的表示该点的磁场方向 2 两种常见的磁感线 条形磁铁和蹄形磁铁的磁场 在磁体的外部 磁感线从N极射出进入S极 在内部也有相应 条数的磁感线 图中未画出 与外部磁感线衔接并组成 切线方向 闭合曲线 3 安培定则 右手直导线定则 用右手握住通电直导线 让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致 那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向 用心 爱心 专心 2 右手螺线管定则 用右手握住环形导线 让弯曲的四指所指的方向跟电流的环绕方向一致 那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线的中心轴线上磁感线的方向 4 用安培定则判断典型常见的电流磁场的磁感线分布 直线电流的磁场 如图所示 直线电流的磁感线是在垂直于导线平面上的以导线上某点为 圆心的同心圆 其分布呈现 中心密边缘疏 的特征 用心 爱心 专心 3 环形电流的磁场 如图所示 环形电流的磁感线是一组穿过环所在平面的曲线 在环形导 用心 爱心 专心 4 线所在平面处 各条磁感线都与环形导线所在的平面垂直 通电螺线管的磁场 如图所示 通电螺线管的磁感线与条形磁铁相似 一端相当于磁北极 N 另一端相当于磁南极S 匀强磁场 如图甲所示 磁场的某些区域内 若磁感线为同向的等间距的平行密线 则这 个区域的磁场叫匀强磁场 地球的磁场 地球的磁场与条形磁铁的磁场相似 其主要特点有三个 A 地磁场的N极在地球的南极附近 S极在地球的北极附近 磁感线分布如图乙所示 B 地磁场 B 的水平分量 Bx 总是从地球南极指向地球北极 而竖直分量 By在南半球垂直地 用心 爱心 专心 5 面向上 在北半球垂直地面向下 C 在赤道平面上 距离地球表面高度相等的各点 磁感应强度相等 且方向水平向北 3 磁现象的电本质 1 安培分子电流假说 物质微粒内部存在着环形分子电流 对各种磁现象解释 分子电流 取向杂乱无章时无磁性 分子电流取向大致时有磁性 2 磁现象的电本质 磁铁和电流的磁场都是由 而产生的 相同 运动 电荷 考点精析 磁感线与电场线的联系与区别 电场线是用于形象描述静电场的分布 磁感线是用于形象描述磁场的分布 静电场的电场线是不闭合的 磁场的磁感线是闭合的 静电场电场线上某点切向 沿电场线方向 磁场磁感线上某点切向既表示该点磁场方向 又 表示小磁针N极在该点所受磁场力的方向 但不表示该点放置通电导线或运动电荷所受力的 方向 注意 1 在应用安培 右手螺旋 定则判定直线电流和通电螺线管 环形电流可视为单匝螺线 管 的磁场方向时 应注意分清 因 和 果 在判定直线电流的磁场方向时 大拇指指 向 原因 电流方向 四指指向 结果 磁场绕向 大拇指指向 结果 螺线管内 部沿中心轴线的磁感线方向 即指向螺线管的N极 2 通电螺线管内部的磁场是匀强磁场 且由S极指向N极 温故自查 1 磁感应强度 1 物理意义 表示磁场强弱的物理量 2 定义 在磁场中垂直磁场方向的通电导线 受到的安培力跟电流和导线长度的乘积的比 值 3 表达式 4 矢量性 方向为该点的磁场方向 即通过该点的磁感线的切线方向 5 单位 特斯拉 T 2 匀强磁场 1 定义 磁感应强度的大小 方向 的磁场称为匀强磁场 2 特点 用心 爱心 专心 6 匀强磁场中的磁感线是疏密程度相同的方向相同的平行直线 距离很近的两个异名磁极之间的磁场和通电螺线管内部的磁场 边缘部分除外 都可以认为 是匀强磁场 处处相等 处 处相同 1 定义 磁感应强度是表示磁场强弱的物理量 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 用B表示 即B F IL 磁感应强度的单位由F I和L的单位决定 在国际单位中 B的单位是特斯拉 简称特 国 际符号是 T 1T 1N A m 2 磁感应强度是矢量 磁场中某点的磁感应强度的方向就是该点的磁场方向 即通过该点 的磁感线的切线方向 考点精析 3 磁场的矢量性 磁感应强度是矢量 常将它按矢量的运算法则进行分解 而以其分量来 代替它的作用 这在求磁通量 磁场对电流的作用力等多处用到 当空间中某点处有多个磁 场相叠加时的合磁场也是按矢量合成的方法来求得的 温故自查 1 安培力的方向 1 安培力 通电导线在磁场中受的力 实验表明安培力的方向与 都有关 系 2 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 这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培 力的方向 3 两平行的通电直导线 同向电流互相 异向电流互相 磁场方向 电流方向 垂直 电流的方向 吸引 排斥 2 安培力的大小 1 垂直于匀强磁场放置 长为 L 的直导线 通过的电流为 I 时 它所受的安培力 2 当磁感应强度 B 的方向与导线方向成 角时 F 这是一般情况下安培力的表达 式 以下是两种特殊情况 当磁场与电流时 安培力最大 Fmax BIL 当磁场与电流时 即磁场方向与电流方向相同或相反时 安培力为零 F BIL BILsin 垂直 平行 用心 爱心 专心 7 考点精析 1 安培力的方向特点 1 与电场力比较 磁场和电场有很多相似之处 但是 安培力比库仑力复杂得多 点电荷在电场中受力方向和 电场方向不是相同就是相反 而电流在磁场中受力的方向与磁场的方向不在同一条直线上 而且不在同一个平面内 安培力的方向与磁场方向和电流方向决定的平面垂直 2 方向确定 通电导线 I 放在磁场 B 之中 是安培力 F 产生的原因 所以 F 的方向由 I B 决定 安培力 F 的方向总与磁场 B 方向和通电导线电流 I 的方向所决定的平面垂直 但磁场的方 向与电流的方向不一定垂直 可以成任意夹角 由磁场 B 的方向和电流 I 的方向确定安培力 F 的方向是唯一的 但由 F 和 B 或 I 方向确 定 I 或 B 的方向不唯一 2 安培力的大小和做功情况 1 应用公式F BIL时需要注意 B 与 L 垂直 L 是有效长度 如图曲线ACB中如果通电电流为 I 则其受水平向右的安培力F BIL 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 2 安培力做功的实质 能量的传递 安培力做正功 是将电源的能量传递给通电导线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 是将其他形式的能转化为电能 或储存或再转化为其他形式的能 温故自查 1 磁电式仪表的主要构成 磁电式电流表 构造示意图如图所示 主要由五部分组成 用心 爱心 专心 8 1 蹄形磁铁 2 圆柱形铁芯 在蹄形磁铁的两极间 3 铝框 套在铁芯外 可绕轴转动 用心 爱心 专心 9 4 线圈 绕在铝框上 5 两个螺旋弹簧及一个指针 装在铝框的转轴上 被测电流经过两个弹簧接入线圈 指针 用于指示电流值 固定 2 磁电式电流表的工作原理 如图所示 由于这种磁场的方向总沿着径向均匀辐射地分布 在距轴线等距离处的磁感应强度的大小 这样不管线圈转到什么位置 线圈平面总跟它所在位置的磁感线平行 安培力的方向 总与线圈平面垂直 I 与指针偏角 成正比 I 越大指针偏转角度越大 因而电流表可以量 出电流 I 的大小 且刻度是均匀的 当线圈中的电流方向改变时 安培力的方向随着改变 指针偏转方向也随着改变 即可知道被测电流的方向 总是相等的 考点精析 磁场对通电线圈的作用 如图甲所示 通电的矩形线圈abcd处在匀强磁场中 线圈平面与磁感线成 角 线圈的受 力特点 1 线圈所受磁场力的合力总为零 线圈的ad边与bc边所受安培力Fad和Fbc等值反向共 线是平衡力 ab边和cd边受的安培力Fab和Fcd也是等值反向的 2 线圈受磁场力的力矩作用 由于ab边和cd边所受安培力不在一条直线上 形成磁力矩 M 线圈会发生转动 如图乙所示 长方形线圈长L1 宽L2 线圈匝数为n 处于磁感应强度为B的匀强磁场中 线圈平面跟磁 场方向间的夹角为 当线圈通有电流I 线圈所受的磁力矩为 M nBIL1L2cos nBIScos 用心 爱心 专心 10 说明 1 磁力矩的大小与线圈形状无关 与线圈面积有关 2 当线圈的转轴与磁感线垂直 时 磁力矩与转轴位置无关 3 当 0 时 即线圈与磁感线方向平行时磁力矩最大 Mm nBIS 当 90 时 线圈与磁感线方向垂直 磁力矩最小为零 命题规律 磁感应强度是矢量 它的叠加遵循平行四边形定则 则 考例 1 在同一平面内有四根彼此绝缘的通电直导线 如图所示 四根导线中电流 i4 i3 i2 i1 要使O点磁场增强 则应切断哪一根导线中的电流 A i1 B i2 C i3 D i4 用心 爱心 专心 11 解析 根据安培定则 i1 i2 i3 i4在O点的磁场方向分别为垂直于纸面向里 向里 向里 向外 且i3 i4 知切断i4可使O点的磁场增强 答案 D 总结评述 本题考查了直线电流的磁场分布及磁场叠加的定性判断 要求同学们熟悉常见 的磁场的空间分布及磁场方向的判定 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 用心 爱心 专心 12 A a点 B b点 C c点 D d点 解析 I1和I2的磁场方向分别为逆时针和顺时针方向 那么c d两点的磁场方向不可能 相反 由c d两点的磁感应强度不可能为零 故 C D 错误 当I1大于I2时 b点的磁感 应强度可能为零 当I1小于I2时 a点的磁感应强度可能为零 选项 A B 正确 答案 AB 命题规律 根据通电导体或磁体所受的安培力 判断物体的运动方向 考例 2 如图所示 不在同一平面内的两互相垂直的导线 其中MN固定 PQ可以自由运 动 当两导线中通入图示方向电流I1 I2时 导线PQ将 用心 爱心 专心 13 A 顺时针方向转动 同时靠近导线MN B 顺时针方向转动 同时远离导线MN C 逆时针方向转动 同时靠近导线MN D 逆时针方向转动 同时远离导线MN 解析 先由右手螺旋定则确定磁场 再由左手定则判定电流在磁场中受到安培力的方向 进而确定导线运动情况 为判断导线PQ的运动情况 需要确定它的受力情况 应先确定导线MN中的电流I1产生的 磁场方向 画出俯视图 b 由安培定则画出PQ所在处的磁场方向 由左手定则可判断出导 线PQ中的电流I2所受磁场力的方向是 PQ导线的右半段受到垂直于纸面向外的力 左半段 受到垂直纸面向里的力 导线PQ旋转到如图 c 所示位置时导线受到指向MN方向的力 其 实只要PQ由 b 位置转过一小段后即可出现指向MN方向之分力 所以PQ是边逆时针转动 边向MN靠近 故答案为 C 答案 C 总结评述 1 判断两电流之间作用力 先将其中一电流置于另一电流磁场中 注意对称 性分析 根据电流所在处位置的磁感应强度B的方向 用左手定则确定受到的磁场力方向 由此确定导线的运动 2 也可以根据同向平行电流相吸 异向平行电流相斥来判定导线受力及运动 3 如判定环形电流受力 也可将环形电流等效为磁体 根据同名磁极相斥 异名磁极相吸 来分析判定环形电流受力情况 质量为m的金属导体棒置于倾角为 的导轨上 棒与导轨间的动摩擦因数为 当导体棒 通过垂直纸面向里的电流时 恰能在导轨上静止 下列四个选项中 标出了四种可能的匀强 磁场方向 其中导体棒与导轨间的摩擦力可能为零的是 用心 爱心 专心 14 解析 由左手定则 可分别判断出导体棒所受安培力的方向如图所示 由安培力方向可知 重力沿斜面方向的分力可能与安培力沿斜面方向分力相平衡的是 ACD 当重力沿斜面方向的分 力与安培力沿斜面方向的分力大小相等 方向相反时 摩擦力大小为零 答案 ACD 命题规律 根据物体的受力分析和平衡条件 判断物体所受安培力的大小 考例 3 在倾角为 的光滑斜面上 置一通有电流I 长为l 质量为m的导体棒 如图 所示 试求 1 欲使棒静止在斜面上 外加匀强磁场的磁感应强度B的最小值和方向 2 欲使棒静止在斜面上且对斜面无压力 外加匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向 3 分析棒有可能静止在斜面上且要求B垂直l 应加外磁场的方向的范围 解析 取通电导体棒为研究对象 所受力为重力mg 弹力FN 安培力F 属于三个共点力 的平衡问题 要使棒静止在斜面上 当安培力等于重力沿斜面向下的分力mgsin 且B垂直 l时 B值最小 要使棒对斜面无压力 则棒不受斜面的支持力 此时应有安培力与重力相 平衡 导体棒只受两个力作用 用心 爱心 专心 15 1 因IlB mgsin 所以 由左手定则知 B的方向垂直斜面向上 2 mg IlB B 由左手定则知 B的方向应水平向左 3 此问题研究的只是问题的可能性 并没有具体研究满足平衡的定量关系 为讨论问题方 便建立如图所示的直角坐标系 欲使棒有可能平衡 安培力F的方向应包括F1的方向 但 不能包括F2的方向 根据左手定则 B与 x的夹角 满足 总结评述 一般斜面问题选取的坐标系为沿斜面方向和垂直于斜面方向 该题选择竖直方 向