2013高考物理练兵题1

用心 爱心 专心 1 磁场磁场 考纲要求考纲要求 1 电流的磁场 2 磁感应强度 磁感线 地磁场 3 磁性材料 分子电流假说 4 磁场对通电直导线的作用 安培力 左手定则 5 磁电式电表原理 6 磁场对运动电荷的作用 洛伦兹力 带电粒子在匀强磁场中的运动 7 质谱仪 回旋加速器 知识网络 知识网络 本章在介绍了磁现象的电本质的基础上 主要讨论了磁场的描述方法 定义了磁感应强 度 磁通量等概念 引入了磁感线这个工具 和磁场产生的作用 对电流的安培力作用 对 通电线圈 的磁力矩作用和对运动电荷的洛仑兹力作用 及相关问题 其中磁感应强度 磁 用心 爱心 专心 2 通量是电磁学 的基本概念 应认真理解 载流导体在磁场中的平衡 加速运动 带电粒子 在洛仑兹力作用 下的圆周运动等内容应熟练掌握 常见磁体周围磁感线的空间分布观念的 建立 常是解决有 关问题的关键 应注意这方面的训练 单元切块 单元切块 按照考纲的要求 本章内容可以分成三部分 即 基本概念 安培力 洛伦兹力 带电 粒子在磁场中的运动 带电粒子在复合场中的运动 其中重点是对安培力 洛伦兹力的理解 熟练解决通电直导线在复合场中的平衡和运动问题 带电粒子在复合场中的运动问题 难点 是带电粒子在复合场中的运动问题 知识点 能力点提示知识点 能力点提示 1 通过有关磁场知识的归纳 使学生对磁场有较全面的认识 并在此基础上理解磁现象 电本质 2 介绍磁性材料及其运用 扩大学生的知识面 培养联系实际的能力 3 磁感应强度B的引入 体会科学探究方法 通过安培力的知识 理解电流表的工作原 理 通过安培力的公式F IlBsin 的分析推理 开阔学生思路 培养学生思维能力 通过 安培力 在电流表中的应用 培养学生运用所学知识解决实际问题的意识和能力 4 通过洛仑兹力的引入 培养学生的逻辑推理能力 5 通过带电粒子在磁场中运动及回旋加速器的介绍 调动学生思考的积极性及思维习惯 的培养 并开阔思路 1 1 基本概念基本概念 安培力安培力 教学目标 教学目标 1 掌握电流的磁场 安培定则 了解磁性材料 分子电流假说 2 掌握磁感应强度 磁感线 知道地磁场的特点 3 掌握磁场对通电直导线的作用 安培力 左手定则 4 了解磁电式电表的工作原理 5 能够分析计算通电直导线在复合场中的平衡和运动问题 教学重点 教学重点 磁场对通电直导线的作用 安培力 教学难点 教学难点 通电直导线在复合场中的平衡和运动问题 教学方法 教学方法 讲练结合 计算机辅助教学 教学过程 教学过程 用心 爱心 专心 3 一 基本概念一 基本概念 1 磁场的产生 磁极周围有磁场 电流周围有磁场 奥斯特 安培提出分子电流假说 又叫磁性起源假说 认为磁极的磁场和电流的磁场都是由电 荷的运动产生的 但这并不等于说所有磁场都是由运动电荷产生的 因为麦克斯韦发现变 化的电场也能产生磁场 变化的电场在周围空间产生磁场 2 磁场的基本性质 磁场对放入其中的磁极和电流有磁场力的作用 对磁极一定有力的作用 对电流只是可 能有力的作用 当电流和磁感线平行时不受磁场力作用 这一点应该跟电场的基本性质相 比较 3 磁场力的方向的判定 磁极和电流之间的相互作用力 包括磁极与磁极 电流与电流 磁极与电流 都是运 动电荷之间通过磁场发生的相互作用 因此在分析磁极和电流间的各种相互作用力的方向时 不要再沿用初中学过的 同名磁极互相排斥 异名磁极互相吸引 的结论 该结论只有在一 个磁体在另一个磁体外部时才正确 而应该用更加普遍适用的 同向电流互相吸引 反 向电流互相排斥 或用左手定则判定 4 磁感线 用来形象地描述磁场中各点的磁场方向和强弱的曲线 磁感线上每一点的切线方向就 是该点的磁场方向 也就是在该点小磁针静止时N极的指向 磁感线的疏密表示磁场的强弱 磁感线是封闭曲线 和静电场的电场线不同 用心 爱心 专心 4 要熟记常见的几种磁场的磁感线 安培定则 右手螺旋定则 对直导线 四指指磁感线方向 对环行电流 大拇指指 中心轴线上的磁感线方向 对长直螺线管大拇指指螺线管内部的磁感线方向 5 磁感应强度 条件是匀强磁场中 或 L很小 并且L B IL F B 磁感应强度是矢量 单位是特斯拉 符号为 T 1T 1N A m 1kg A s2 6 磁通量 如果在磁感应强度为B的匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面 其面积为S 则定 义B与S的乘积为穿过这个面的磁通量 用 表示 是标量 但是有方向 进该面或出 该面 单位为韦伯 符号为 Wb 1Wb 1T m2 1V s 1kg m2 A s2 可以认为穿过某个面的磁感线条数就是磁通量 在匀强磁场磁感线垂直于平面的情况下 B S 所以磁感应强度又叫磁通密度 在匀 强磁场中 当B与S的夹角为 时 有 BSsin 二 安培力二 安培力 磁场对电流的作用力 1 安培力方向的判定 用左手定则 地球磁场 通电直导线周围磁场 通电环行导线周围磁场 用心 爱心 专心 5 用 同性相斥 异性相吸 只适用于磁铁之间或磁体位于螺线管外部时 用 同向电流相吸 反向电流相斥 反映了磁现象的电本质 可以把条形磁铁等效 为长直螺线管 不要把长直螺线管等效为条形磁铁 例 1 磁场对电流的作用力大小为F BIL 注意 L为有效长度 电流与磁场方向应 F的方向可用 定则来判定 试判断下列通电导线的受力方向 试分别判断下列导线的电流方向或磁场方向或受力方向 例 2 如图所示 可以自由移动的竖直导线中通有向下的电 流 不计通电导线的重力 仅在磁场力作用下 导线将如何移动 解 先画出导线所在处的磁感线 上下两部分导线所受安培力的方向相反 使导线从左 向右看顺时针转动 同时又受到竖直向上的磁场的作用而向右移动 不要说成先转 90 后平 移 分析的关键是画出相关的磁感线 例 3 条形磁铁放在粗糙水平面上 正中的正上方 有一导线 通有图示方向的电流后 磁铁对水平面的压力 将会 增大 减小还是不变 水平面对磁铁的摩 擦力大小为 解 本题有多种分析方法 画出通电导线中电流的磁场中通过两极的那条磁感线 如 图中粗虚线所示 可看出两极受的磁场力的合力竖直向上 磁铁对水平面的压力减小 但 不受摩擦力 画出条形磁铁的磁感线中通过通电导线的那一条 如图中细虚线所示 可 看出导线受到的安培力竖直向下 因此条形磁铁受的反作用力竖直向上 把条形磁铁等效 为通电螺线管 上方的电流是向里的 与通电导线中的电流是同向电流 所以互相吸引 N F I B B B F F B 用心 爱心 专心 6 例 4 如图在条形磁铁N极附近悬挂一个线圈 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 解 用 同向电流互相吸引 反向电流互相排斥 最简单 条形磁铁 的等效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 本题如果用 同名磁极相斥 异名磁极相吸 将出现判断错误 因为那只适用于线圈位于磁铁外部的情况 例 5 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 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 本题用其它方法判断也行 但 不如这个方法简洁 2 安培力大小的计算 F BLIsin 为B L间的夹角 高中只要求会计算 0 不受安培力 和 90 两种情况 例 6 如图所示 光滑导轨与水平面成 角 导轨宽L 匀 强磁场磁感应强度为B 金属杆长也为L 质量为m 水平放在导轨 上 当回路总电流为I1时 金属杆正好能静止 求 B至少多大 这时B的方向如何 若保持B的大小不变而将B的方向改为竖直 向上 应把回路总电流I2调到多大才能使金属杆保持静止 解 画出金属杆的截面图 由三角形定则得 只有当安培力方向 沿导轨平面向上时安培力才最小 B也最小 根据左手定则 这时B应 垂直于导轨平面向上 大小满足 BI1L mgsin B mgsin I1L 当B的方向改为竖直向上时 这时安培力的方向变为水平向右 沿导轨方向合力为零 得BI2Lcos mgsin I2 I1 cos 在解这类题时必须画出截面图 只有在截面图上才能正确表示各力的准确方向 从而弄清各矢量方向间的关系 例 7 如图所示 质量为m的铜棒搭在U形导线框右端 棒长和 框宽均为L 磁感应强度为B的匀强磁场方向竖直向下 电键闭合后 在磁场力作用下铜棒被平抛出去 下落h后的水平位移为s 求闭合电 键后通过铜棒的电荷量Q 解 闭合电键后的极短时间内 铜棒受安培力向右的冲量 F t mv0而被平抛出去 其中F BIL 而瞬时电流和时间的乘积等于电荷量Q I t 由平抛 规律可算铜棒离开导线框时的初速度 最终可得 h g s t s v 2 0 h g BL ms Q 2 i h s 用心 爱心 专心 7 例 8 如图所示 半径为R 单位长度电阻为的均匀导体环固定 在水平面上 圆环中心为O 匀强磁场垂直于水平面方向向下 磁感应强 度为B 平行于直径MON的导体杆 沿垂直于杆的方向向右运动 杆的电 阻可以忽略不计 杆于圆环接触良好 某时刻 杆的位置如图 aOb 2 速度为v 求此时刻作用在杆上的安培力的大小 解 ab段切割磁感线产生的感应电动势为E vB 2Rsin 以a b为端点的两个弧上的 电阻分别为 2R 和 2R 回路的总电阻为 总电流为 R r 2 I E r 安培力F IB 2Rsin 由以上各式解得 22 sin2RvB F 例 9 如图所示 两根平行金属导轨间的距离为 0 4 m 导轨平面与水平面的夹角为 37 磁感应强度为 0 5 T 的匀强磁场垂直于导轨平面斜向上 两根电阻均为 1 重均为 0 1 N 的金属杆ab cd水平地放在导轨上 杆与导轨间的动摩擦因数为 0 3 导轨的电阻可 以忽略 为使ab杆能静止在导轨上 必须使cd杆以多大的速率沿斜面向上运动 解 设必须使cd杆以v沿斜面向上运动 则有cd杆切割磁场线 将产生感应电动势 E Blv 在两杆和轨道的闭合回路中产生电流I R E 2 ab杆受到沿斜面向上的安培力F安 Bil ab杆静止时 受力分析如图 根据平衡条件 应有 Gsin 一 Gcos F安 Gsin Gcos 联立以上各式 将数值代人 可解得 1 8 m s v 4 2 m s 用心 爱心 专心 8 例 10 如图所示是一个可以用来测量磁感应强度的装置 一长方体绝缘容器内部高为 L 厚为d 左右两管等高处装有两根完全相同的开口向上的管子a b 上 下两侧装有电 极C 正极 和D 负极 并经开关 S 与电源连接 容器中注满能导电的液体 液体的密度 为 将容器置于一匀强磁场中 磁场方向垂直纸面向里 当开关断开时 竖直管子a b 中的液面高度相同 开关 S 闭合后 a b管中液面将出现高度差 若当开关 S 闭合后 a b管中液面将出现高度差为h 电路中电流表的读数为I 求磁感应强度B的大小 解析 开关 S 闭合后 导电液体中有电流由C流到D 根据左手定则可知导电液体要受到向右的安培力F作用 在液体中产生附加压强P 这样a b管中液面将出现高 度差 在液体中产生附加压强P为 gh d BI Ld BLI S F P 所以磁感应强度B的大小为 I ghd B 例 10 安培秤如图所示 它的一臂下面挂有一个矩形线圈 线 圈共有N匝 它的下部悬在均匀磁场B内 下边一段长为L 它与B垂 直 当线圈的导线中通有电流I时 调节砝码使两臂达到平衡 然后 使电流反向 这时需要在一臂上加质量为m的砝码 才能使两臂再达 到平衡 求磁感应强度B的大小 解析 根据天平的原理很容易得出安培力F mg 2 1 所以F NBLI mg 2 1 因此磁感应强度B NLI mg 2 三 与地磁场有关的电磁现象综合问题三 与地磁场有关的电磁现象综合问题 1 地磁场中安培力的讨论 例 11 已知北京地区地磁场的水平分量为 3 0 10 5T 若北京市一高层建筑安装了高 100m 的金属杆作为避雷针 在某次雷雨天气中 某一时刻的放电电流为 105A 此时金属杆所 受培力的方向和大小如何 磁力矩又是多大 分析 首先要搞清放电电流的方向 因为地球带有负电荷 雷雨放电时 是地球所带电 荷通过金属杆向上运动 即电流方向向下 对于这类问题 都可采用如下方法确定空间的方向 面向北方 A ab A C D S 用心 爱心 专心 9 而立 则空间水平磁场均为 自己右手边为东方 左手边为西方 背后为南方 如图 2 所示 由左手定则判定电流所受磁场力向右 即指向东方 大小为 F BIl 3 0 10 5 105 100 300 N 因为磁力与通电导线的长度成正比 可认为合力的作用点为金属杆的中点 所以磁力矩 M F l 300 100 2 1 2 1 1 5 104 N m 用同一方法可判断如下问题 一条长 2m 的导线水平放在赤道上空 通以自西向东的电 流 它所受地磁场的磁场力方向如何 2 地磁场中的电磁感应现象 例 12 绳系卫星是系留在航天器上绕地球飞行的一种新型卫星 可以用来对地球的大 气层进行直接探测 系绳是由导体材料做成的 又可以进行地球空间磁场电离层的探测 系 绳在运动中又可为卫星和牵引它的航天器提供电力 1992 年和 1996 年 在美国 亚特兰大 号航天飞机在飞行中做了一项悬绳发电实验 航天飞机在赤道上空飞行 速度为 7 5km s 方向自西向东 地磁场在该处的磁感应强度 B 0 5 10 4T 从航天飞机上发射了一颗卫星 卫星携带一根长l 20km 的金属悬绳与航天 飞机相连 从航天飞机到卫生间的悬绳指向地心 那么 这根悬绳能产生多大的感应电动势呢 分析 采用前面所设想的确定空间方位的方法 用右手定则不难发现 竖起右手 大拇 指向右边 即东方 四指向上 即地面的上