2019-2020年高二物理上學期 磁場專題練習.doc
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2019-2020年高二物理上學期 磁場專題練習 我們前面復習了電場，對場的概念有了一定的了解?，F(xiàn)在我們開始學習磁場這個東西，其實對于磁場我們好像更了解，磁鐵、地磁場這些名字從小回蕩在你我耳邊。但是不幸的是，這章好像與這些沒有什么關系。并且我們要強調(diào)，我們這張對于磁場中的力是忽略掉其對鐵、鈷、鎳的作用的，我們所用的導體與磁場是沒有作用的。我們研究的還是帶電物體的在磁場中的作用的。 1、 知識結構 1、磁場 １．磁場是磁極、電流周圍存在的一種物質(zhì)，對放在磁場中的磁極、電流具有力的作用。 ２．磁場的方向：規(guī)定在磁場中任一點小磁針N極受力的方向（或小磁針靜止時N極的指向）就是那一點的磁場方向。 2、磁感線 １．磁場中人為地畫出一系列曲線，曲線的切線方向表示該位置的磁場方向，曲線的疏密能定性地表示磁場的強弱，這一系列曲線稱為磁感線。要掌握條形磁鐵、蹄形磁鐵形成磁場及地磁場中的磁感線分布情況。 ２．磁感線是閉合曲線，在磁體外部由N極到S極，在磁體內(nèi)部由S極到N極。 圖A-11-50-1 ３．磁感線的方向（磁場方向）可用安培定則判斷。 ４．幾種特殊磁場特點及其磁感線分布。 ⑴直線電流的磁場 特點：無磁極、非勻強、且距導線越遠處磁場越弱；直線電流磁場的磁感線的立體圖、橫截面、縱截面圖如圖A-11-50-1所示。 圖A-11-50-2 ⑵通電螺線管的磁場 特點：與條形磁鐵的磁場相似，管內(nèi)為勻強磁場，且磁場最強，管外為非勻強磁場；通電螺線管磁場的磁感線的立體圖、橫截面圖、縱截面圖如圖A-11-50-2所示。 圖A-11-50-3 ⑶環(huán)形電流的磁場 特點：環(huán)形電流的兩側是N極和S極，且離圓環(huán)中心越遠，磁場越弱；環(huán)形電流的磁感線的立體圖、橫截面圖、縱截面圖如圖A-11-50-3所示。 ⑷地磁場 ①地磁場的N極在地球南極附近，S極在地球北極附近，磁感線分布如圖A-11-50-4所示。 ②地磁場B的水平分量（Bx）總是從地球南極指向北極，而豎直分量（By）則南北相反，在南半球垂直地面向上，在北半球垂直地面向下。 ③在赤道平面上，距離地球表面相等的各點，磁感應強度相等，且方向水平向北。 3、磁感應強度 １．定義：在磁場中垂直于磁場方向的通電直導線，受到的磁場力F與電流I和導線長度L的乘積的比值叫做通電直導線所在處的磁感應強度。 定義式為，磁感應強度的方向就是該位置的磁場方向。 ２．說明 ⑴磁場中某位置的磁感應強度的大小及方向是存在的，與放入的電流I的大小、導線的長短即L的大小無關，與電流受到的力也無關，即使不放入載流導體，它的磁感應強度也照樣存在，因此不能說B與F成正比，或B與IL成反比。 ⑵磁場應強度B是矢量滿足分解合成的平行四邊形定則，注意磁場應強度的方向就是該處的磁場方向，并不是在該處的電流的受力方向。 ⑶磁場應強度的定義式是典型的比值定義法，要注意此定義式描述的物理情景及適應條件：一小段通電導體垂直磁場方向放入磁場。 四、安培力 １．定義：磁場對電流的作用力叫安培力。 ２．安培力的大小計算：F=BILsinθ，其中θ為B的方向與I的方向的夾角。 ３．安培力的方向判斷 ⑴左手定則：伸開左手，讓大拇指跟其余的四指垂直，并且都跟手掌在同一平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿入手心，四指指向電流方向，那么拇指所指的方向就是通電導線所受的安培力方向。 ⑵安培力F、磁感應強度B、電流I三者的方向關系。 通電導線在磁場中所受的安培力F，總垂直于電流與磁感線所確定的平面。 4、洛倫茲力 １．定義：運動電荷在磁場中受到的磁場力叫洛倫茲力。 ２．洛倫茲力的大小計算 ⑴公式F=qvB適用于勻強磁場且的情況，式中的v是電荷相對于磁場的速度。 ⑵v與B夾角為θ，則有 ⑶v=0，F(xiàn)=0,即磁場對靜止電荷無作用力，只對運動電荷產(chǎn)生作用力。 ３．洛倫茲力的方向判定 ⑴左手定則：伸開左手，使大拇指跟其余四指垂直，且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場中，讓磁感線垂直（或斜著）穿入掌心，四指指向正電荷運動的方向（或負電荷運動的反方向），那么，大拇指所指的方向就是運動電荷的反方向。 ⑵說明：①四指應指向正電荷運動的方向或負電荷運動的反方向。 ②安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。所以洛倫茲力的方向與安培力的方向一樣可由左手定則判定。 ③判定洛倫茲力方向時，一定要注意F垂直于v和B所決定的平面。當運動電荷的速度v的方向與磁感應強度B的方向平行時，運動電荷不受洛倫茲力作用，仍以初速度做勻速直線運動。 ④在磁場中靜止的電荷不受洛倫茲力作用。 5、帶電粒子在磁場中運動 １．若v//B，帶電粒子以速度v做勻速直線運動。（此情況下洛倫茲力F=0） ２．若，帶電粒子在垂直磁感線的平面內(nèi)以入射速度v做勻速圓周運動。 ⑴向心力由洛倫茲力提供 ⑵軌道半徑公式 ⑶周期 ⑷頻率 6、帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的解題方法 在研究帶電粒子在勻強磁場中作勻速圓周運動規(guī)律時，著重把握“一找圓心，二找半徑，三找周期”的規(guī)律． ⑴圓心的確定：因為洛侖茲力f指向圓心，根據(jù)f⊥ v，畫出粒子運動軌跡中任意兩點(一般是指射人和射出磁場兩點)的f的方向，沿兩個洛侖茲力f畫其延長線，兩延長線的交點即為圓心，或利用圓心位置必定在圓中一根弦的中垂線上，作出圓心位置． ⑵半徑的確定和計算：利用平面幾何關系，求出該圓的可能半徑(或圓心角)． ⑶粒子在磁場中運動時間的確定：利用圓心角θ與弦切角的關系，或者利用四邊形內(nèi)角和等于3600計算出圓心角θ的大小，由公式可求出粒子在磁場中的運動時間． ⑷注意圓周運動中有關對稱規(guī)律． 如從同一邊界射入的粒子，從同一邊界射出時，速度與邊界的夾角相等；在圓形磁場區(qū)域內(nèi)，沿徑向射入的粒子，必沿徑向射出． 7、復合場 1.同時存在電場和磁場的區(qū)域，同時存在磁場和重力場的區(qū)域，同時存在電場、磁場和重力的區(qū)域，都叫做疊加場，也稱為復合場。 2.三種場力的特點 ⑴重力的大小為mg，方向豎直向下。重力做功與路徑無關，其數(shù)值除與帶電粒子的質(zhì)量有關外，還與始、終位置的高度差有關。 ⑵電場力的大小為qE，方向與電場強度E及帶電粒子所帶電荷的性質(zhì)有關。電場力做功與路徑無關，其數(shù)值除與帶電粒子的電荷量有關外，還與始、終位置的電勢差有關。 ⑶洛倫茲力的大小跟速度與磁場方向的夾角有關，當帶電粒子的速度與磁場方向平行時，F(xiàn)洛＝0；當帶電粒子的速度與磁場方向垂直時，F(xiàn)洛＝qvB。洛倫茲力的方向垂直于速度v和磁感應強度B所決定的平面。無論帶電粒子做什么運動，洛倫茲力都不做功。 3.注意：電子、質(zhì)子、α粒子、離子等微觀粒子在疊加場中運動時，一般都不計重力。但質(zhì)量較大的質(zhì)點（如帶電塵粒）在疊加場中運動時，不能忽略重力。 8、帶電粒子在復合場中運動的分析方法 帶電粒子在復合場中的運動，實際上仍是一個力學問題，分析的基本思路是：首先正確地對帶電粒子進行受力分析和運動情況分析，再運用牛頓運動定律和運動學規(guī)律、動量定理、動能定理及動量和能量守恒定律等知識進行求解。 進行受力分析時，要注意重力的判定。一般情況下，電子、質(zhì)子、離子等基本粒子的重力可忽略不計；帶電油滴、塵埃、小球等宏觀物質(zhì)顆粒重力不能忽略；或根據(jù)題目是否有明確的要求或暗示確定重力。 運用規(guī)律求解時，對單個物體，宜用兩大定理；涉及時間優(yōu)先考慮動量定理，涉及位移優(yōu)先考慮動能定理；對多個物體組成的系統(tǒng)討論，則優(yōu)先考慮兩大守恒定律；涉及加速度的力學問題用牛頓第二定律，必要時再用運動學公式。 9、帶電粒子在復合場中的實際應用 1).速度選擇器（如圖A-11-52-1） 圖A-11-52-1 ⑴速度選擇器的條件：帶電粒子從小孔S1水平射入，勻速通過疊加場，并從小孔S2水平射出，電場與洛倫茲力平衡 即 ⑵使粒子勻速通過選擇器的兩種途徑 ①當v0一定時，調(diào)節(jié)E和B的大小 ②當E和B一定時，調(diào)節(jié)加速電壓U的大小，根據(jù)功能關系和勻速運動條件，有 所以，加速電壓應為 2).質(zhì)譜儀 質(zhì)譜儀是一種測量帶電粒子質(zhì)量和分離同位素的儀器。 圖A-11-52-2 如圖A-11-52-2所示，離子源S產(chǎn)生質(zhì)量為m，電荷量為q的正離子（所受重力不計）。離子出來時速度很?。珊雎圆挥嫞?jīng)過電壓為U的電場加速后進入磁感應強度為B的勻強磁場中做勻速圓周運動，經(jīng)過半個周期到達記錄它的照相底片P上，測得它在P上的位置到入口處的距離為L，則 聯(lián)立求解得. 因此，只要知道q、B、L與U，就可計算出帶電粒子的質(zhì)量m。 又因∝L2，不同質(zhì)量的同位素從不同處可得到分離，故質(zhì)譜儀又是分離同位素的重要儀器。 3).回旋加速器 圖A-11-52-3 回旋加速器的工作原理如圖 A-11-52-3所示，設離子源中放出的是帶正電的粒子，帶正電的粒子以一定的初速度v0進入下方D形盒中的勻強磁場做勻速圓周運動，運動半周后回到窄縫的邊緣，這時在A1、A1間加一向上的電場，粒子將在電場作用下被加速，速率由v0變?yōu)関1,然后粒子在上方D形盒的勻強磁場中做圓周運動，經(jīng)過半個周期后到達窄縫的邊緣A2′，這時在A2、A2′間加一向下的電場，使粒子又一次得到加速，速率變?yōu)関2，這樣使帶電粒子每通過窄縫時被加速，又通過盒內(nèi)磁場的作用使粒子回旋到窄縫，通過反復加速使粒子達到很高的能量。 帶電粒子在磁場中運動的半徑為，所以粒子被加速后回旋半徑一次比一次增大；而帶電粒子在磁場中運動的周期，所以粒子在磁場中運動的周期始終保持不變，這樣只要加在兩個電極上的高頻電源的周期與帶電粒子在磁場中運動的周期相同，就可以保證粒子每經(jīng)過電場邊界AA和A′A′時正好趕上合適的電場方向而被加速。 4).磁流體發(fā)電機 圖A-11-52-4 如圖 A-11-52-4是磁流體發(fā)電機，其原理是等離子氣體噴入磁場，正、負離子在洛倫茲力作用下發(fā)生上下偏轉(zhuǎn)而聚集到A、B板上，產(chǎn)生電勢差，設A、B平行金屬板的面積為S，相距L，等離子體的電阻率為ρ，噴入氣體速度為v，板間磁場的磁感應強度為B，板外電阻為R，當?shù)入x子氣體勻速通過A、B板間時，A、B板上聚集的電荷最多，板間電勢差最大，即為電源電動勢，此時離子受力平衡：，電動勢，電源內(nèi)電阻，所以R中電流。 圖A-11-52-5 5).電磁流量計 電磁流量計原理可解釋為：如圖A-11-52-5所示，一圓形導管直徑為d，用非磁性材料制成，其中有可以導電的液體向左流動。導電液體中的自由電荷（正負離子）在洛倫茲力作用下橫向偏轉(zhuǎn)，a、b間出現(xiàn)電勢差。當自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時，a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定。 由， 流量。 2、 專題專練 1.xx全國卷Ⅰ17某地的地磁場磁感應強度的豎直分量方向向下，大小為T。一靈敏電壓表連接在當?shù)厝牒：佣蔚膬砂?，河?00m，該河段漲潮和落潮時有海水（視為導體）流過。設落潮時，海水自西向東流，流速為2m/s。下列說法正確的是 A．河北岸的電勢較高 B．河南岸的電勢較高 C．電壓表記錄的電壓為9mV D．電壓表記錄的電壓為5mV 答案：BD 2.（09年全國卷Ⅰ）17.如圖，一段導線abcd位于磁感應強度大小為B的勻強磁場中，且與磁場方向（垂直于紙面向里）垂直。線段ab、bc和cd的長度均為L，且。流經(jīng)導線的電流為I，方向如圖中箭頭所示。導線段abcd所受到的磁場的作用力的合力 （ ） A. 方向沿紙面向上，大小為 B. 方向沿紙面向上，大小為 C. 方向沿紙面向下，大小為 D. 方向沿紙面向下，大小為 答案：A 圖11-5 乙 甲 F B 3．如圖11-5所示，甲是一個帶正電的小物塊，乙是一個不帶電的絕緣物塊，甲、乙疊放在一起靜置于粗糙的水平地板上，地板上方空間有水平方向的勻強磁場?，F(xiàn)用水平恒力拉乙物塊，使甲、乙無相對滑動地一起水平向左加速運動，在加速運動階段（ ） A．乙物塊與地之間的摩擦力不斷增大 B．甲、乙兩物塊間的摩擦力不斷增大 C．甲、乙兩物塊間的摩擦力大小不變。 D．甲、乙兩物塊間的摩擦力不斷減小 答案：A D 4.（09年海南物理）2．一根容易形變的彈性導線，兩端固定。導線中通有電流，方向如圖中箭頭所示。當沒有磁場時，導線呈直線狀態(tài)：當分別加上方向豎直向上、水平向右或垂直于紙面向外的勻強磁場時，描述導線狀態(tài)的四個圖示中正確的是 （ ） 答案：D 5. xx上海物理13 如圖，長為的直導線拆成邊長相等，夾角為的形，并置于與其所在平面相垂直的勻強磁場中，磁感應強度為，當在該導線中通以電流強度為的電流時，該形通電導線受到的安培力大小為 （A）0 （B）0.5 （C）（D） 答案：C 6.（08廣東卷）4．1930年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖所示，這臺加速器由兩個銅質(zhì)D形合D1、D2構成，其間留有空隙，下列說法正確的是 ( ) A．離子由加速器的中心附近進入加速器 B．離子由加速器的邊緣進入加速器 C．離子從磁場中獲得能量 D．離子從電場中獲得能量 答案：AD 甲 乙 A 甲 乙 B 乙 甲 C 乙 甲 D 7.（07海南卷）4. 粒子甲的質(zhì)量與電荷量分別是粒子乙的4倍與2倍，兩粒子均帶正電，讓它們在勻強磁場中同一點以大小相等、方向相反的速度開始運動。已知磁場方向垂直紙面向里。以下四個圖中，能正確表示兩粒子運動軌跡的是 （ ） 答案：A 8.（07天津理綜）19.如圖所示，在x軸上方存在著垂直于紙面向里、磁感應強度為B的勻強磁場。一個不計重力的帶電粒子從坐標原點O處以速度v進入磁場，粒子進入磁場時的速度方向垂直于磁場且與x軸正方向成120角，若粒子穿過y軸正半軸后在磁場中到x軸的最大距離為a，則該粒子的比荷和所帶電荷的正負是( ) O x y v A． 正電荷 B． 正電荷 C． 負電荷 D． 負電荷 答案：C 9.(06江蘇卷）13．關于磁感線，下列說法中正確的是 （ ） A．磁感線是實際存在于磁場中的線 B．磁感線上任意一點的切線方向，都跟該點的磁場方向一致 C．磁感線是一條條不閉合的曲線 D．磁感線有可能出現(xiàn)相交的情況 答案：B 10．江蘇省淮陰中學xx屆高三學情調(diào)研如圖所示，正方形區(qū)域abcd中充滿勻強磁場，磁場方向垂直紙面向里。一個氫核從ad邊的中點m沿著既垂直于ad邊又垂直于磁場的方向，以一定速度射入磁場，正好從ab邊中點n射出磁場。若將磁場的磁感應強度變?yōu)樵瓉淼?倍，其他條件不變，則這個氫核射出磁場的位置是（ ） A．在b、n之間某點 B．在n、a之間某點 C．就從a點射出 D．在a、m之間某點 答案：C 11．江蘇省泰州市三所重點高中xx屆高三期末如圖所示，圓形區(qū)域內(nèi)有垂直紙面的勻強磁場，三個質(zhì)量和電荷量都相同的帶電粒子a、b、c，以不同的速率對準圓心O沿著AO方向射入磁場，其運動軌跡如圖。若帶電粒子只受磁場力的作用，則下列說法正確的是（ ） A．a(chǎn)粒子動能最大 B．c粒子速率最大 C．b粒子在磁場中運動時間最長 D．它們做圓周運動的周期Ta
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