高考物理一輪復習 專題37 磁場的描述 磁場對通電導線的作用力(講)(含解析)1
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專題37 磁場的描述 磁場對通電導線的作用力(講) 1.縱觀近幾年高考,涉及磁場知識點的題目年年都有,考查與洛倫茲力有關的帶電粒子在勻強磁場或復合場中的運動次數(shù)最多,極易成為試卷的壓軸題.其次是與安培力有關的通電導體在磁場中的加速或平衡問題.磁感應強度、磁感線、安培力、洛倫茲力的理解及安培定則和左手定則的運用,一般以選擇題的形式出現(xiàn). 2.本章知識常與電場、恒定電流以及電磁感應、交變電流等章節(jié)知識聯(lián)系綜合考查,是高考的熱點. 3.本章知識與生產(chǎn)、生活、現(xiàn)代科技等聯(lián)系密切,如質(zhì)譜儀、回旋加速器、粒子速度選擇器、等離子體發(fā)電機、電磁流量計等高科技儀器的理解及應用相聯(lián)系,在復習中應做到有的放矢. 1.知道磁感應強度的概念及定義式,并能理解與應用. 2.會用安培定則判斷電流周圍的磁場方向. 3.會用左手定則分析解決通電導體在磁場中的受力及平衡類問題. 一、磁場、磁感應強度 1.磁場 (1)基本特性:磁場對處于其中的磁體、電流和運動電荷有磁場力的作用. (2)方向:小磁針的N極所受磁場力的方向,或自由小磁針靜止時北極的指向. 2.磁感應強度 (1)物理意義:描述磁場的強弱和方向. (2)大?。海ㄍ妼Ь€垂直于磁場). (3)方向:小磁針靜止時N極的指向. (4)單位:特斯拉(T). 3.勻強磁場 (1)定義:磁感應強度的大小處處相等、方向處處相同的磁場稱為勻強磁場. (2)特點:勻強磁場中的磁感線是疏密程度相同的、方向相同的平行直線. 4.磁通量 (1)概念:在磁感應強度為B的勻強磁場中,與磁場方向垂直的面積S與B的乘積. (2)公式:Φ=BS. 深化拓展:(1)公式Φ=BS的適用條件:①勻強磁場;②磁感線的方向與平面垂直.即B⊥S. (2)S為有效面積. (3)磁通量雖然是標量,卻有正、負之分. (4)磁通量與線圈的匝數(shù)無關. 二、磁感線、通電導體周圍磁場的分布 1.磁感線:在磁場中畫出一些有方向的曲線,使曲線上各點的切線方向跟這點的磁場方向一致. 2.條形磁鐵和蹄形磁鐵的磁場磁感線分布(如圖所示) 3.電流的磁場 直線電流的磁場 通電螺線管的磁場 環(huán)形電流的磁場 特點 無磁極、非勻強,且距導線越遠處磁場越弱 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 環(huán)形電流的兩側(cè)是N極和S極,且離圓環(huán)中心越遠,磁場越弱 安培定則 立體圖 橫截面圖 4.磁感線的特點 (1)磁感線上某點的切線方向就是該點的磁場方向. (2)磁感線的疏密定性地表示磁場的強弱,在磁感線較密的地方磁場較強;在磁感線較疏的地方磁場較弱. (3)磁感線是閉合曲線,沒有起點和終點.在磁體外部,從N極指向S極;在磁體內(nèi)部,由S極指向N極. (4)同一磁場的磁感線不中斷、不相交、不相切. (5)磁感線是假想的曲線,客觀上不存在. 三、安培力、安培力的方向 勻強磁場中的安培力 1.安培力的大小 (1)磁場和電流垂直時,F(xiàn)=BIL. (2)磁場和電流平行時:F=0. 2.安培力的方向 (1)用左手定則判定:伸開左手,使拇指與其余四個手指垂直,并且都與手掌在同一個平面內(nèi).讓磁感線從掌心進入,并使四指指向電流的方向,這時拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向. (2)安培力的方向特點:F⊥B,F(xiàn)⊥I,即F垂直于B和I決定的平面. 考點一 安培定則的應用和磁場的疊加 1.安培定則的應用:在運用安培定則判定直線電流和環(huán)形電流的磁場時應分清“因”和“果”. 原因(電流方向) 結(jié)果(磁場繞向) 直線電流的磁場 大拇指 四指 環(huán)形電流的磁場 四指 大拇指 2.磁場的疊加:磁感應強度是矢量,計算時與力的計算方法相同,利用平行四邊形定則或正交分解法進行合成與分解. 特別提醒:兩個電流附近的磁場的磁感應強度是由兩個電流分別獨立存在時產(chǎn)生的磁場在該處的磁感應強度疊加而成的. ★重點歸納★ 1.磁場的疊加:磁感應強度為矢量,合成與分解遵循平行四邊形定則.在進行磁感應強度的疊加時,應注意是哪個電流產(chǎn)生的磁場,磁場方向如何. 2.不同情況下安培定則的應用 安培定則(右手螺旋定則) 作用 判斷電流的磁場方向 內(nèi)容 具體情況 直線電流 環(huán)形電流或通電螺線管 條件(電流方向) 大拇指指向電流的方向 四根手指彎曲方向指向電流的環(huán)繞方向 結(jié)果(磁場方向) 四根手指彎曲方向表示磁感線的方向 大拇指指向表示軸線上的磁感線方向 牢記判斷電流的磁場的方法——安培定則,并能熟練應用,建立磁場的立體分布模型. 3.求解有關磁感應強度問題的關鍵 (1)磁感應強度―→由磁場本身決定. (2)合磁感應強度―→等于各磁場的磁感應強度的矢量和(滿足平行四邊形定則) (3)牢記判斷電流的磁場的方法―→安培定則,并能熟練應用,建立磁場的立體分布模型。 (4)記住幾種常見磁場的立體分布圖 ①常見磁體的磁場 ②電流的磁場 通電直導線 通電螺線管 環(huán)形電流 安培定則 立體圖 橫截面圖 縱截面圖 ★典型案例★ 三根平行的長直通電導線,分別通過一個直角三角形的三個頂點且與三角形所在平面垂直,如圖所示,,O為斜邊的中點。已知直線電流在某點產(chǎn)生的磁場,其磁感應強度B的大小與電流強度成正比,與點到通電導線的距離成反比,已知,在O點產(chǎn)生的磁場磁感應強度大小為B,則關于O點的磁感應強度,下列說法正確的是: ( ) A.2B,沿OC方向 B.2B,垂直AC向右 C.,垂直AC向右 D.0 【答案】C 【名師點睛】本題考查了磁場的疊加,根據(jù)導線周圍磁場分布可知,與導線等距離地方磁感應強度大小相等,根據(jù)安培定則判斷出兩導線在A點形成磁場方向,磁感應強度B是矢量,根據(jù)矢量分解合成的平行四邊形定則求解。 ★針對練習1★丹麥物理學家奧斯特在1820年通過實驗發(fā)現(xiàn)電流磁效應現(xiàn)象,下列說法正確的是:( ) A.奧斯特在實驗中觀察到電流磁效應,揭示了電磁感應定律 B.將直導線沿東西方向水平放置,把小磁針放在導線的正下方,給導線通以足夠大電流,小磁針一定會轉(zhuǎn)動 C.將直導線沿南北方向水平放置,把小磁針放在導線的正下方,給導線通以足夠大電流,小磁針一定會轉(zhuǎn)動 D.將直導線沿南北方向水平放置,把銅針(用銅制成的指針)放在導線的正下方,給導線通以足夠大電流,銅針一定會轉(zhuǎn)動 【答案】C 【解析】奧斯特在實驗中觀察到了電流的磁效應,而法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律,故A錯誤;將直導線沿東西方向水平放置,把小磁針放在導線的正下方時,小磁針所在位置的磁場方向可能與地磁場相同,故小磁針不一定會轉(zhuǎn)動,故B錯誤;將直導線沿南北方向水平放置,把小磁針放在導線的正下方,給導線通以足夠大電流,由于磁場沿東西方向,則小磁針一定會轉(zhuǎn)動,故C正確;銅不具有磁性,故將導線放在上方不會受力的作用,故不會偏轉(zhuǎn),故D錯誤。 【名師點睛】對于電流的磁效應,根據(jù)安培定則進行分析.注意磁場及磁場的應用;明確地磁場的性質(zhì),根據(jù)小磁針受力方向即可正確求解。 ★針對練習2★歐姆在探索通過導體的電流、電壓、電阻的關系時因無電源和電流表,他利用金屬在冷水和熱水中產(chǎn)生電動勢代替電源,用小磁針的偏轉(zhuǎn)檢測電流。具體做法是:在地磁場作用下處于水平靜止的小磁針上方,平行于小磁針水平放置一直導線,當該導線中通有電流時,小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn);當通過該導線電流為I時,小磁針偏轉(zhuǎn)了30;當他發(fā)現(xiàn)小磁針偏轉(zhuǎn)了45,則通過該直導線的電流為(直導線在某點產(chǎn)生的磁感應強度與通過直導線的電流成正比) : ( ) A.I B.2I C.I D.無法確定 【答案】C 【名師點晴】地磁場在該題中是個隱含的物理量,小磁針的偏轉(zhuǎn)實際上是電流產(chǎn)生的磁場與地磁場的合磁場共同作用于小磁針的結(jié)果;所以我們分兩次討論磁場的疊加問題,通過矢量三角形即可找到兩次磁場大小間的關系,利用電流與磁場成正比的關系得出電流的關系。 考點二 判斷通電導體(或磁鐵)在安培力作用下運動的常用方法 方法闡述及實例分析 具體方法 實例 分析 電流 元法 把整段電流等效分成很多電流元,先用左手定則判斷出每小段電流元所受安培力的方向,從而判斷出整段電流所受合力的方向,最后確定運動方向,注意一般取對稱的電流元分析 判斷能自由移動的導線運動情況 把直線電流等效為AO、BO兩段電流元,蹄形磁鐵磁感線分布以及兩段電流元受安培力方向如圖所示.可見,導線將沿俯視逆時針方向轉(zhuǎn)動 特殊位置 法 根據(jù)通電導體在特殊位置所受安培力的方向,判斷其運動方向,然后推廣到一般位置 用導線轉(zhuǎn)過90的特殊位置(如圖所示的虛線位置)來分析,判得安培力方向向下,故導線在逆時針轉(zhuǎn)動的同時向下運動 等效 分析 法 環(huán)形電流可以等效為小磁針(或條形磁鐵),條形磁鐵也可等效成環(huán)形電流,通電螺線管可等效為多個環(huán)形電流或條形磁鐵 判斷環(huán)形電流受到的安培力方向 把環(huán)形電流等效成如圖所示右邊的條形磁鐵,可見兩條形磁鐵相互吸引,不會有轉(zhuǎn)動.電流受到的安培力方向向左 結(jié)論 法 (1)兩電流相互平行時無轉(zhuǎn)動趨勢,同向電流相互吸引,反向電流相互排斥(2)兩電流不平行時,有轉(zhuǎn)動到相互平行且方向相同的趨勢 判斷光滑桿上的同向電流的運動方向 同向電流直接相吸,兩個環(huán)形電流會相互靠攏 轉(zhuǎn)換 研究 對象 法 定性分析磁體在電流產(chǎn)生的磁場中受力方向時,可先判斷電流在磁體磁場中的受力方向,然后再根據(jù)牛頓第三定律判斷磁體受力方向 判斷圖中所示磁鐵受到的地面摩擦力方向 電流受到的磁鐵的作用力方向如圖所示,所以反過來電流對磁鐵的作用力方向斜向右下.可知地面對磁鐵的作用力方向向左 ★典型案例★ 如圖所示,用絕緣細線懸掛一個導線框,導線框是由兩同心半圓弧導線和直導線ab、cd(ab、cd在同一條水平直線上)連接而成的閉合回路,導線框中通有圖示方向的電流,處于靜止狀態(tài)。在半圓弧導線的圓心處垂直于導線框平面的方向放置一根長直導線P。當P中通以方向向里的電流時() A.導線框?qū)⑾蜃髷[動 B.導線框?qū)⑾蛴覕[動 C.從上往下看,導線框?qū)㈨槙r針轉(zhuǎn)動 D.從上往下看,導線框?qū)⒛鏁r針轉(zhuǎn)動 【答案】C 【名師點睛】先由安培定則判斷通電直導線P在導線ab、cd處的磁場方向,然后由左手定則判斷導線ab、cd所受的安培力,通過微元法解決,判斷導體的運動的規(guī)律常用的方法還有:等效法,特殊位置法,結(jié)論法。 ★針對練習1★ 如圖所示,直導線AB與圓線圈的平面垂直且隔有一小段距離,直導線固定,線圈可以自由運動,當它們同時通以如圖箭頭所示的電流時,從右向左看,線圈將: ( ) A.順時針轉(zhuǎn)動,同時靠近直導線AB B.順時針轉(zhuǎn)動,同時遠離直導線AB C.逆時針轉(zhuǎn)動,同時靠近直導線AB D.逆時針轉(zhuǎn)動,同時遠離直導線AB 【答案】A 【名師點睛】本題是磁場中典型問題:判斷安培力作用下導體運動的方向.常用方法有:等效法、電流元法、特殊位置法等. ★針對練習2★如右圖所示,條形磁鐵放在光滑斜面上,用平行于斜面的輕彈簧拉住而平衡,A為水平放置的直導線的截面,導線中無電流時磁鐵對斜面的壓力為FN1;當導線中有垂直紙面向外的電流時,磁鐵對斜面的壓力為FN2,則下列關于壓力和彈簧的伸長量的說法中正確的是: ( ) A.FN1- 配套講稿:
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