天之骄子高考物理一轮总复习第8章磁场第1节磁场的描述、磁场对电流的作用课件新人教版.ppt

2017高三一轮总复习 物理 选修3 1 第八章磁场 第一节磁场的描述磁场对电流的作用 栏目导航 基础知识整合 热门考点研析 方法技巧归纳 考题随堂演练 基础知识整合 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 A为电流表 S为开关 此外还有细沙 天平 米尺和若干轻质导线 1 实验电路图如图 完成下列实验步骤 按图接线 保持开关S断开 在托盘内加入适量细沙 使D处于平衡状态 然后用天平称出细沙质量m1 闭合开关S 调节R的值使电流大小适当 在托盘内重新加入适量细沙 使D重新处于平衡状态 然后读出电流表的示数I 并用天平称出此时细沙的质量m2 用米尺测量D的底边长度L 2 用测得的物理量和重力加速度g表示磁感应强度的大小 可以得出B 3 判断磁感应强度方向的方法是 若m2 m1 磁感应强度方向垂直纸面 反之 磁感应强度方向垂直纸面 思路引导 1 安培力与哪些因素有关 如何根据平衡条件求解磁感应强度 2 左手定则的内容是什么 如何判断磁感应强度的方向 解析 本题属于教材试题内容的考查 关键是平衡条件的利用 3 若m2 m1 则D受到的向上的拉力大于重力 所以安培力的方向向下 根据左手定则可知磁感应强度方向垂直纸面向外 若m2 m1 则D受到的向上的拉力小于重力 所以安培力的方向向上 根据左手定则可知磁感应强度方向垂直纸面向里 磁场磁感应强度1 磁场的性质 1 定义 存在于磁体 电流和运动电荷周围空间的一种特殊形态的物质 2 基本特性 磁场对处于其中的 和 有力的作用 3 方向 在磁场中任一点 小磁针N极受力的方向 即小磁针静止时 极所指的方向 就是该点的磁场方向 4 磁体与磁体之间 磁体与通电导体之间 以及通电导体与通电导体之间的相互作用是通过 发生的 知识点1 磁体 电流 运动电荷 N 磁场 2 磁感应强度 1 定义 在磁场中 于磁场方向的通电导线 所受的磁场力F跟电流I和导线长度L的乘积的比值叫磁感应强度 3 单位 特斯拉 简称特 国际符号是T 1T 1 4 物理意义 描述磁场的 和 的物理量 是矢量 5 匀强磁场 磁感应强度 的磁场叫做匀强磁场 垂直 磁场本身性质 强弱 方向 处处相等 磁感线电流周围磁场1 磁感线 1 定义 磁感线是在磁场中画出的一些有方向的曲线 2 特征 磁感线的分布可以形象地表示出磁场的 和 磁感线的 表示磁场的强弱 磁感线上某点的 方向就是该点的磁场方向 磁感线是永不相交的 曲线 在磁体外部 从N极指向 极 在磁体内部 由 极指向 极 条形磁铁与蹄形磁铁磁感线的分布如图所示 知识点2 强弱 方向 疏密 切线 闭合 S S N 2 几种常见的磁场 1 电流的磁场 越弱 匀强 最强 越弱 2 地磁场地磁场的N极在地理 附近 地磁场的S极在地理 附近 磁感线分布如图所示 地磁场B的水平分量总是从地理南极指向地理北极 而竖直分量在南半球垂直地面向 在北半球垂直地面向 赤道处的地磁场沿水平方向 指向北 南极 北极 下 上 磁场对电流的作用 安培力1 安培力的方向 1 方向的判断 运用 判断电流在磁场中的受力方向 磁感线垂直穿手心 四指指向 方向 拇指指向 方向 2 安培力的方向垂直于电流I和磁感应强度B所决定的平面 2 安培力的大小表达式 是电流I和磁感应强度B的夹角 当 90 时 F BIL 此时 电流受到的安培力最大 当 0 或是180 F 0 即电流在磁场中平行于磁场方向运动时 磁场对电流不受安培力作用 知识点3 左手定则 电流 受力 F安 BILsin 特别提醒磁感应强度与电场强度的比较 热门考点研析 解决磁场的叠加和安培定则的应用类问题时 注意以下几点 1 根据安培定则确定通电导线周围磁感线的方向 2 磁场中每一点磁感应强度的方向沿该点磁感线的切线方向 3 磁感应强度是矢量 多个通电导体产生的磁场叠加时 合磁场的磁感应强度等于各导体单独存在时在该点产生的磁感应强度的矢量和 磁感应强度的叠加 考点1 多选 如图所示 甲 乙是两个相同的金属圆环 过圆心的直线垂直于两个环面 B是圆心连线的中点 A是过圆心直线上的一点 A到甲圆心的距离与B到乙圆心的距离相等 现在甲 乙中通以大小相等的电流 结果A B两点的磁感应强度大小分别为B1 B2 现将乙的电流反向 则 例1 A 乙的电流反向后 两线圈中的电流同向B 乙的电流反向后 B点的磁感应强度大小为零C 乙的电流反向后 A点的磁感应强度大小为B2 B1 思路引导 1 通电线圈周围的磁场是怎么分布的 2 磁感应强度叠加的原则是什么 如何表示A B两点的磁感应强度 答案 BC 总结提升 电流周围磁场的方向判断1 在应用安培定则判定直线电流周围磁场的方向和通电螺线管周围磁场的方向时 应注意分清 因 和 果 1 在判定直线电流的磁场方向时 大拇指指向电流方向 因 四指绕向为磁感线绕向 果 2 在判定通电螺线管周围的磁场方向时 四指绕向为电流绕向 因 大拇指指向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 果 3 环形电流可以视为单匝螺线管 2 通电螺旋管内部的磁场是匀强磁场 磁感线由S极指向N极 2016届云南模拟 如图所示 五根平行的长直导体棒分别过竖直平面内的正方形的四个顶点和中心 并和该正方形平面垂直 各导体棒中均通有大小相等的电流 方向如图所示 则中心处的导体棒受到其余四根导体棒的磁场力的合力方向是 A 竖直向上B 竖直向下C 水平向左D 水平向右 针对训练1 解析 根据安培定则可知 正方形对角线上的电流产生的磁场共线 如图所示 根据平行四边形定则可知 合磁感应强度的方向为竖直向下 根据左手定则可知 中心处的导体棒受到其余四根导体棒的磁场力的合力方向是水平向左 C选项正确 答案 C 1 安培力的方向 1 左手定则 伸开左手 让拇指与其余四个手指垂直 并且都与手掌在同一个平面内 让磁感线从掌心进入 并使四指指向电流的方向 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 2 力 磁场和电流三者的关系 力F垂直于磁场B和电流I所决定的平面 磁场B与电流I可以存在夹角 3 两平行的通电直导线间的安培力 同向电流互相吸引 异向电流互相排斥 安培力的大小与方向 考点2 2 安培力的大小 1 当磁感应强度B的方向与导线方向成 角时 F BILsin L是有效长度 如弯曲导线的有效长度L等于两端点所连直线的长度 如图所示 相应的电流方向沿L由始端流向末端 因为任意形状的闭合线圈 其有效长度为零 所以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 2 当磁场与电流垂直时 安培力最大 Fmax BIL 3 当磁场与电流平行时 安培力等于零 2015年重庆高考 音圈电机是一种应用于硬盘 光驱等系统的特殊电动机 如图是某音圈电机的原理图 它是由一对正对的磁极和一个正方形刚性线圈构成 线圈边长为L 匝数为n 磁极正对区域内的磁感应强度方向垂直于线圈平面竖直向下 大小为B 区域外 例2 的磁场忽略不计 线圈左边始终在磁场外 右边始终在磁场内 前后两边在磁场内的长度始终相等 某时刻线圈中电流从P流向Q 大小为I 1 求此时线圈所受安培力的大小和方向 2 若此时线圈水平向右运动的速度大小为v 求安培力的功率 思路引导 1 如何根据左手定则求解多匝线圈安培力的大小 2 根据安培力的功率公式求解 解析 1 分析题意可知 线圈的平面与磁场的方向垂直 线圈的前 后两边受到的安培力大小相等 方向相反 相互抵消 线圈右边电流流向向外 根据左手定则可知 受到安培力方向水平向右 根据安培力计算公式可知 单匝线圈受到的安培力F0 BIL n匝线圈受到的安培力F nF0 nBIL 2 线圈在安培力的作用下运动 根据功率的公式可知 P Fv nBILv 答案 1 nBIL水平向右 2 nBILv 总结提升 涉及到安培力的分析与计算问题必须准确利用安培力计算公式和左手定则 尤其是有效长度的确定 弯曲通电导线的有效长度L等于两端点所连直线的长度 相应的电流方向由始端到末端 因为任意形状的闭合线圈 其有效长度L 0 所以通电后在匀强磁场中 闭合线圈受到的安培力的矢量和一定为零 2016届邯郸模拟 如图所示 一长方体绝缘容器内部高为L 宽为H 垂直纸面方向的厚为d 左右两侧装有两根与容器内部连通 且上端开口的竖直细管a b 上 下两端装有C和D 并经开关S与电源相连 电源的电动势为E 内电阻为r 容器中注满能导电的液体 液体的密度为 电阻率为 电 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 两竖直管a b中的液面高度相同 开关S闭合后 a b两管中液面将出现高度差 1 试分析说明 开关S闭合后 哪根管内液面较高 针对训练2 2 若闭合开关S后 测得两管液面高度差为h 则磁场的磁感应强度大小为多大 3 在实际应用中 可以用测量两管液面高度差的方法来测量一磁场的磁感应强度 试分析说明此法测量磁感强度B时 欲提高测量灵敏度 可采取什么方法 解析 1 当开关闭合时 液体中有电流流过 电流在磁场中受到安培力作用 根据左手定则可知 液体受到水平向右的安培力 液体在安培力的作用下向b管发生流动 液面高度发生变化 b管的液面将比a管的高 1 判定思路导体所在位置的磁场左手定则 导体的受力情况力和运动的关系 导体的运动情况2 常用方法 1 电流元法 把弯曲导线分为直线电流元 根据左手定则判断关键部位的电流元受力的方向 然后判断导线所受合力的方向 确定导线运动方向 2 特殊位置法 导线转动到便于分析的特殊位置时 判断其所受安培力的方向 确定其运动方向 安培力作用下通电导体的运动 考点3 3 等效法 环形电流可等效成小磁针 小磁针也可以等效为环形电流 等效后再确定相互作用情况 4 结论法 两平行同向直线电流互相吸引 异向电流互相排斥 两不平行的直线电流相互作用时 有转到平行且电流方向相同的趋势 5 转换研究对象法 分析磁体受到电流作用后如何运动或运动趋势时 可先分析电流在磁场中所受的安培力 然后根据牛顿第三定律 确定磁体所受电流的作用力 得到磁体所受合力及运动方向 多选 2014年浙江高考 如图1 两根光滑平行导轨水平放置 间距为L 其间有竖直向下的匀强磁场 磁感应强度为B 垂直于导轨水平对称放置一根均匀金属棒 从t 0时刻起 棒上有如图2的持续交变电流I 周期为T 最大值为Im 图1中I所示方向为电流正方向 则金属棒 例3 A 一直向右移动B 速度随时间周期性变化C 受到的安培力随时间周期性变化D 受到的安培力在一个周期内做正功 思路引导 1 如何判断金属棒受到的安培力的方向 2 金属棒做何种运动 一个周期内做功为多少 答案 ABC 总结提升 通电导线在安培力作用下运动的分析思路1 确定研究对象 2 将三维图转化为二维平面图 3 根据左手定则判断安培力的方向 4 画出平面受力分析图 5 由平衡条件 牛顿第二定律或功能关系列方程 多选 2016届河南模拟 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 此时台秤有一定的读数 现在磁铁上方中心偏右位置固定一通电导线 当通以一定的电流后 台秤的示数增加 同时弹簧缩短 弹簧始终处于弹性限度内 则下列说法正确的是 针对训练3 A 磁铁右端为N极 左端为S极 导线中的电流方向垂直纸面向内B 磁铁右端为N极 左端为S极 导线中的电流方向垂直纸面向外C 磁铁右端为S极 左端为N极 导线中的电流方向垂直纸面向内D 磁铁右端为S极 左端为N极 导线中的电流方向垂直纸面向外 解析 磁铁右端为N极 左端为S极时 磁铁外部的磁感线从N极到S极 长直导线在磁铁的中心偏右位置 此处的磁感线是斜向左上的 电流的方向垂直于纸面向内时 根据左手定则 导线受磁铁给的安培力方向是斜向右上的 根据物体间力的作用是相互的 导线给磁铁的反作用力方向就是斜向左下的 在水平向左方向上产生分力 所以对弹簧产生压力 弹簧长度将变短 A选项正确 同理 B选项错误 磁铁右端为S极 左端为N极时 导线所在位置的磁感线是斜向右下的 电流的方向垂直于纸面向外时 根据左手定则 导线受磁铁给的安培力方向是斜向右上的 根据物体间力的作用是相互的 导线给磁铁的反作用力方向就是斜向左下的 在水平向右产生分力 所以弹簧产生压力 弹簧长度将变短 C选项错误 同理 D选项正确 答案 AD 方法技巧归纳 与安培力有关的力学综合问题1 安培力作用下的平衡或加速运动问题在高考中 通电导体在磁场中所受安培力的实际应用问题 联系现代科学技术和现实生活的试题越来越多 比如 电磁驱动 电磁炮等都在近几年高考中出现过 通电导体在磁场中平衡或加速运动问题的处理方法和纯力学问题一样 无非是多了一个安培力 2 解决这类问题的思路方法 1 选定研究对象 2 受力分析时安培力的方向千万不可跟着感觉走 牢记安培力方向 既和磁感应强度方向垂直 又和电流方向垂直 3 将立体的受力分析图转化为平面的受力分析图 即画出垂直于导体的平面内的受力分析图 4 平衡问题中有静摩擦力的情况下 要把握住静摩擦力的大小 方向随安培力的变化而变化的特点 并能从动态分析中找出静摩擦力转折的临界点 最大值 零值 方向变化点 5 很多综合问题中往往通过电流I联系恒定电流的知识 2015年新课标卷 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 例4 思路引导 1 开关闭合前后 金属棒处于何种状态 2 如何根据平衡条件列平衡关系式求解金属棒的质量 解析 依题意 开关闭合后 电流方向从b到a 由左手定则可知 金属棒所受的安培力方向竖直向下 开关断开时 两弹簧各自相对于其原长伸长为 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 IBL 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 联立各式 并代入题给数据得 m 0 01kg 答案 竖直向下0 01kg 如图所示 一矩形轻质柔软反射膜可绕过O点垂直纸面的水平轴转动 其在纸面上的长度为L1 垂直纸面的宽度为L2 在膜的下端 图中A处 挂有一平行于转轴 质量为m 长为L2的导体棒使膜成平面 在膜下方水平放置一足够大的太阳能光电池板 能接收到经反射膜反射到光电池板上的所有光能 并将光能转化成电能 光电池板可等效为一个电池 输出电压恒定为U 输出电流正比于光电池板接收到的光能 设垂直于入射光单位面积上的光功率保持恒定 导体棒处在方向竖直向上的匀强磁场B中 并与光电池构成回路 流经导体棒的电流垂直纸面向外 注 光电池与导体棒直接相连 连接导线未画出 针对训练4 1 现有一束平行光水平入射 当反射膜与竖直方向成 60 时 导体棒处于受力平衡状态 求此时电流强度的大小和光电池的输出功率 2 当 变成45 时 通过调整电路使导体棒保持平衡 光电池除维持导体棒平衡外 还能输出多少额外电功率 解析 1 导体处于平衡状态 受力如图所示 2 当 变成45 时 如图所示 考题随堂演练 1 多选 2014年新课标卷 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 答案 AB 2 2016届湖北省孝感市汉川二中期中 两个相同的圆形线圈 通以方向相同但大小不同的电流I1和I2 如图所示 先将两个线圈固定在光滑绝缘杆上 问释放后它们的运动情况是 A 相互吸引 电流大的加速度大B 相互吸引 加速度大小相等C 相互排斥 电流大的加速度大D 相互排斥 加速度大小相等解析 根据平行通电直导线间的规律可知 同向电流相互吸引 异向电流相互排斥 故两线圈相互吸引 电流间存在相互作用力 线圈完全相同 故加速度大小相等 B选项正确 答案 B 答案 A 4 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 解析 分析通电螺线管周围磁场的分布情况 如图所示 则在导线左端的磁场斜向右上方 根据左手定则得安培力垂直纸面向外 同理可知 导线右端的磁场斜向左上方 安培力垂直纸面向里 故从上向下看导线逆时针转动 当转动到导线垂直于纸面时 根据左手定则可知 安培力竖直向下 故靠近螺线管 D选项正确 答案 D 5 如图 a 所示为某同学 用DIS研究通电螺线管的磁感应强度 的电路实物图 电流从接线柱A流入螺线管 从接线柱