2017_2018學(xué)年高中物理第5章磁場與回旋加速器學(xué)案（打包6套）滬科版.zip,2017,_2018,學(xué)年,高中物理,磁場,回旋加速器,打包,滬科版 5.1　磁與人類文明 5.2　怎樣描述磁場 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.知道磁場的基本特性，了解地球的磁場． 2．知道磁感線的定義、特點以及作用．(重點) 3．知道磁通量，理解磁場的定量描述．(重點、難點) 磁 場 及 其 形 象 描 述 1．地磁場 (1)地磁場的兩極：地球周圍存在著磁場，它的N極位于地理南極附近，S極位于地理北極附近． (2)磁偏角：用一個能自由轉(zhuǎn)動的小磁針觀察地磁場方向時，可以看到它的磁極一般并不指向地理的正南正北方向，水平放置的磁針的指向跟地理子午線之間有一個交角，這個交角叫做磁偏角． 2．磁性材料 (1)磁化：人們通過人工方法使磁性材料獲得磁性的過程． (2)退磁：磁性材料被磁化后，在一定條件下會失去磁性，這個過程叫做退磁或去磁． (3)磁性材料的分類 根據(jù)磁性材料被磁化后退磁的難易程度分為軟磁性材料和硬磁性材料． 3．磁感線 (1)磁感線是在磁場中人為地畫出的一些有方向的曲線，在這些曲線上，每一點的切線方向都在該點磁場的方向上． (2)物理學(xué)中把磁感線的間距相等、相互平行且指向相同的磁場叫做勻強磁場． 4．條形磁體和蹄形磁體的磁感線 磁體都有兩個磁極，在外部磁感線從北極指向南極，在內(nèi)部從南極指向北極，它是一系列閉合的曲線． 圖5-1-1 1．磁感線是用細(xì)鐵屑排列而成的真實的曲線．(×) 2．磁感線能表示磁場的強弱和方向．(√) 3．地理的南北兩極與地磁場的南北極并不重合，地磁場的北極在地理北極附近．(×) 看圍棋講座時會發(fā)現(xiàn)，棋子在豎直放置的棋盤上可以移動，但不會掉下來，你知道這是為什么嗎？ 【提示】　這是因為棋子和棋盤都是由磁性材料做成的，它們之間存在著磁力，從而使棋子和棋盤之間存在著彈力，使棋子受到一個與重力平衡的向上的靜摩擦力，所以棋子不會掉下來． 如圖5-1-2所示是地磁南北極和地理南北極的示意圖． 圖5-1-2 探討1：在地球南極點上方磁場的方向有什么特點？ 【提示】　與地面垂直． 探討2：在地球赤道上方的磁場方向有什么特點？ 【提示】　磁場方向與地面平行，與正南正北方向間有夾角． 1．磁感線的特點 (1)為形象描述磁場而引入的假想曲線，實際并不存在． (2)磁感線的疏密表示磁場的強弱，密集的地方磁場強，稀疏的地方磁場弱． (3)磁感線的方向：磁體外部從N極指向S極，磁體內(nèi)部從S極指向N極． (4)磁感線閉合而不相交，不相切，也不中斷． (5)磁感線上某點的切線方向表示該點的磁場方向． 2．磁感線與電場線的比較 兩種線 磁感線 電場線 相似點 引入目的 為形象描述場而引入的假想線，實際不存在 疏密 場的強弱 切線方向 場的方向 相交 不能相交(電場中無電荷空間不相交) 不同點 閉合曲線 不閉合，起始于正電荷，終止于負(fù)電荷 3.常見永磁體的磁場 圖5-1-3 1．關(guān)于磁感線，下列說法中正確的是(　　) A．兩條磁感線的空隙處不存在磁場 B．磁感線總是從N極到S極 C．磁感線上每一點的切線方向都跟該點的磁場方向一致 D．兩個磁場疊加的區(qū)域，磁感線可能相交 【解析】　磁感線是為了形象地描繪磁場而假設(shè)的一組有方向的曲線，曲線上每一點的切線方向都表示該點的磁場方向，曲線疏密表示磁場強弱，所以C正確，A錯誤；在磁體外部磁感線從N極到S極，內(nèi)部從S極到N極，磁感線不相交，所以B、D錯誤． 【答案】　C 2．(多選)關(guān)于磁感線，下列說法正確的是(　　) A．磁感線可以表示磁場的強弱和方向 B．小磁針N極在磁場中的受力方向，即為該點磁感線的切線方向 C．沿磁感線方向，磁場減弱 D．磁感線是閉合曲線，沒有起始點 【解析】　磁感線的疏密表示磁場強弱，切線表示磁場方向，故A正確．沿磁感線方向，磁場可能增強也可能減弱，故C錯．小磁針N極的受力方向是磁感線的切線方向，故B正確．磁感線是閉合曲線，無起始點，故D正確． 【答案】　ABD 3．(多選)下列關(guān)于電場線和磁感線的說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：29682028】 A．二者均為假想的線，實際上并不存在 B．實驗中常用鐵屑來模擬磁感線形狀，因此磁感線是真實存在的 C．任意兩條磁感線不相交，電場線也是 D．磁感線是閉合曲線，電場線是不閉合的 【解析】　兩種場線均是為形象描繪場而引入的，實際上并不存在，故A對，B錯；任意兩條磁感線或電場線不能相交，否則空間一點會有兩個磁場或電場方向，故C對；磁體外部磁感線由N極指向S極，內(nèi)部由S極指向N極，故磁感線是閉合的曲線，而電場線始于正電荷，終于負(fù)電荷，故不閉合，D對． 【答案】　ACD 磁 場 的 定 量 描 述 1．磁通量Φ 磁場中穿過某一面積的磁感線的條數(shù)叫做穿過這個面積的磁通量． 2．磁感應(yīng)強度B (1)垂直穿過某單位面積上的磁通量叫做磁感應(yīng)強度． (2)公式：B＝ . (3)單位：在國際單位制中，磁通量的單位是韋伯，簡稱韋，符號是Wb；磁感應(yīng)強度的單位是特斯拉，簡稱特，國際符號：T,1 T＝. (4)矢量：磁感應(yīng)強度是一個既有大小又有方向的物理量，是矢量，磁場中某點的磁感應(yīng)強度方向是過該點的磁感線的切線方向，也就是放在該點的小磁針N極的受力方向． 1．磁感應(yīng)強度等于垂直穿過單位面積的磁通量．(√) 2．穿過某一面積的磁通量為零，則磁感應(yīng)強度一定為零．(×) 3．磁感應(yīng)強度的方向就是磁感線的方向．(×) 當(dāng)線框面積一定時，磁感應(yīng)強度越大，磁通量越大嗎？ 圖5-1-4 【提示】　不一定，公式Φ＝BS中S指線框在垂直磁場方向的投影面積，線框面積一定，但投影面積隨線框與磁場方向的相對位置的變化而變化，當(dāng)線框平行磁場時，B再大，Φ也等于0. 如圖5-1-5所示，勻強磁場B0豎直向下，且與平面BCFE垂直，已知平面BCFE的面積為S. 圖5-1-5 探討1：平面BCFE的磁通量是多大？ 【提示】　B0S. 探討2：平面ABCD的磁通量是多大？ 【提示】　B0S. 探討3：　平面AEFD的磁通量是多大？ 【提示】　0. 1．磁通量的計算 (1)公式：Φ＝BS. 適用條件：①勻強磁場；②磁感線與平面垂直． (2)在勻強磁場B中，若磁感線與平面不垂直，公式Φ＝BS中的S應(yīng)為平面在垂直于磁感線方向上的投影面積． 2．磁通量的正、負(fù) (1)磁通量是標(biāo)量，但有正、負(fù)，當(dāng)磁感線從某一面上穿入時，磁通量為正值，則磁感線從此面穿出時即為負(fù)值． (2)若同時有磁感線沿相反方向穿過同一平面，且正向磁通量為Φ1，反向磁通量為Φ2，則穿過該平面的磁通量Φ＝Φ1－Φ2. 3．磁通量的變化量 ΔΦ＝Φ2－Φ1. (1)當(dāng)B不變，有效面積S變化時，ΔΦ＝B·ΔS. (2)當(dāng)B變化，S不變時，ΔΦ＝ΔB·S. (3)B和S同時變化，則ΔΦ＝Φ2－Φ1.但此時ΔΦ≠ΔB·ΔS. 4.將面積為0.5 m2的單匝線圈放在磁感應(yīng)強度為2.0×10－2 T的勻強磁場中，線圈平面垂直于磁場方向，如圖5-1-6所示，那么穿過這個線圈的磁通量為(　　) 圖5-1-6 A．1.0×10－2 Wb B．1.0 Wb C．0.5×10－2 Wb D．5×10－2 Wb 【解析】　根據(jù)Φ＝BS＝2.0×10－2×0.5 Wb， 故Φ＝1.0×10－2 Wb，A正確． 【答案】　A 5．如圖5-1-7所示，在條形磁鐵中部垂直套有A、B兩個圓環(huán)，設(shè)通過線圈A、B的磁通量分別為ΦA(chǔ)、ΦB，則(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：29682029】 圖5-1-7 A．ΦA(chǔ)＝ΦB B．ΦA(chǔ)<ΦB C．ΦA(chǔ)>ΦB D．無法判斷 【解析】　在條形磁鐵的周圍，磁感線是從N極出發(fā)，經(jīng)外空間磁場由S極進(jìn)入磁鐵內(nèi)部．在磁鐵內(nèi)部的磁感線從S極指向N極，又因磁感線是閉合的平滑曲線，所以條形磁鐵內(nèi)外磁感線條數(shù)一樣多，從下向上穿過A、B環(huán)的磁感線條數(shù)一樣多，而從上向下穿過A環(huán)的磁感線多于B環(huán)，則從下向上穿過A環(huán)的凈磁感線條數(shù)小于B環(huán)，所以通過B環(huán)的磁通量大于通過A環(huán)的磁通量． 【答案】　B 6.如圖5-1-8所示，框架面積為S，框架平面與磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場方向垂直，則穿過平面的磁通量為________．若使框架繞OO′轉(zhuǎn)過30°角，則穿過框架平面的磁通量為________；若從初始位置轉(zhuǎn)過90°角，則穿過框架平面的磁通量為________；若從初始位置轉(zhuǎn)過180°角，則穿過框架平面的磁通量的變化是________． 圖5-1-8 【解析】　(1)初始位置時，S⊥B，故Φ1＝BS. (2)框架轉(zhuǎn)過30°時，Φ2＝BScos 30°＝BS. (3)框架轉(zhuǎn)過90°時，S∥B，故Φ3＝BScos 90°＝0. (4)從初始位置轉(zhuǎn)過180°的過程中，規(guī)定初始位置時穿過方向為正，則Φ1＝BS，Φ2＝－BS，故ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－2BS. 【答案】　BS　BS　0?。?BS 有關(guān)磁通量的四點提醒 (1)平面S與磁場方向不垂直時，要把面積S投影到與磁場垂直的方向上，即求出有效面積． (2)可以把磁通量理解為穿過面積S的磁感線的凈條數(shù)．相反方向穿過面積S的磁感線可以互相抵消． (3)當(dāng)磁感應(yīng)強度和回路面積同時發(fā)生變化時，ΔΦ＝Φt－Φ0，而不能用ΔΦ＝ΔB·ΔS計算． (4)磁通量有正負(fù)，但其正負(fù)不表示大小，也不表示方向，僅是為了計算方便而引入的． 7 5.3　探究電流周圍的磁場 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.通過實驗探究知道通電直導(dǎo)線和通電線圈的磁場．(重點) 2．會用安培定則判斷直線電流、通電線圈周圍的磁場．(重點) 3．了解磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，知道安培分子電流假說．(難點) 電 流 的 磁 場 1．丹麥的物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線能使小磁針偏轉(zhuǎn)． 2．直線電流的磁場 (1)磁場分布：直線電流磁場的磁感線是一些以導(dǎo)線上各點為圓心的同心圓，這些同心圓都在跟導(dǎo)線垂直的平面上． (2)安培定則：用右手握住導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，則彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向． 3．通電線圈的磁場 (1)環(huán)形電流的磁場：環(huán)形電流磁場的磁感線是一些圍繞環(huán)形導(dǎo)線的閉合曲線．也滿足安培定則． (2)通電螺線管的磁場：就像一根條形磁鐵，一端相當(dāng)于北極，另一端相當(dāng)于南極．長直通電螺線管內(nèi)中間部分的磁場近似勻強磁場． (3)磁感線方向判定：電流方向、磁場磁感線方向仍然滿足安培定則．右手握住螺旋管，讓四指指向電流的環(huán)繞方向，則大拇指指向N極． 1．直線電流磁場的磁感線一定和電流方向平行．(×) 2．直線電流和通電螺線管的電流方向跟它產(chǎn)生的磁場的磁感線方向之間的關(guān)系都符合安培定則．(√) 3．通電螺線管的磁感線都是從N極指向S極．(×) 1．直線電流周圍的磁場，其磁感線是怎樣分布的？ 【提示】　圍繞直線電流一圈圈的同心圓． 2．通電的螺線管相當(dāng)于一個條形磁鐵，一端是N極，另一端是S極，把一個小磁針放入螺線管內(nèi)部，小磁針的N極指向螺線管的哪端？ 圖5-3-1 【提示】　指向左端．小磁針N極的指向是N極受到磁場力的方向，N極受力的方向是該位置的磁感應(yīng)強度的方向，在螺線管內(nèi)部，磁感應(yīng)強度方向由S極指向N極．所以小磁針的N極指向螺線管的N極．即左端． 如圖5-3-2所示，螺線管內(nèi)部小磁針靜止時N極指向右方． 圖5-3-2 探討1：螺線管內(nèi)部磁場沿什么方向？螺線管c、d端，哪端為N極？ 【提示】　由c指向d.d端為N極． 探討2：電源的a、b端，哪端為正極？ 【提示】　a端． 三種常見的電流的磁場 安培定則 立體圖 橫截面圖 縱截面圖 直線電流 以導(dǎo)線上任意點為圓心的多組同心圓，越向外越稀疏，磁場越弱 環(huán)形電流 內(nèi)部磁場比環(huán)外強，磁感線越向外越稀疏 通電螺線管 內(nèi)部為勻強磁場且比外部強，方向由S極指向N極，外部類似條形磁鐵，由N極指向S極 1．下列各圖中，用帶箭頭的細(xì)實線表示通電直導(dǎo)線周圍磁感線的分布情況，其中正確的是(　　) 【解析】　通電直導(dǎo)線周圍磁感線是以導(dǎo)線為圓心的同心圓，由安培定則可知選項D正確． 【答案】　D 2．(多選)如圖5-3-3所示，螺線管、蹄形鐵芯、環(huán)形導(dǎo)線三者相距較遠(yuǎn)，當(dāng)開關(guān)閉合后小磁針N極(黑色的一端)的指向正確的是(　　) 圖5-3-3 A．小磁針a的N極指向正確 B．小磁針b的N極指向正確 C．小磁針c的N極指向正確 D．小磁針d的N極指向正確 【解析】　根據(jù)安培定則，蹄形鐵芯被磁化后右端為N極，左端為S極，小磁針c指向正確；通電螺線管的磁場分布和條形磁鐵相似，內(nèi)部磁場向左，下方磁場向右，所以小磁針b指向正確，小磁針a指向錯誤；環(huán)形電流形成的磁場左側(cè)應(yīng)為S極，故d的指向正確． 【答案】　BCD 3．如圖5-3-4所示，螺線管中通有電流，如果在圖中的a、b、c三個位置上各放一個小磁針，其中a在螺線管內(nèi)部，則 【導(dǎo)學(xué)號：29682030】 圖5-3-4 (1)放在a處的小磁針的N極向________． (2)放在b處的小磁針的N極向________． (3)放在c處的小磁針的N極向________． 【解析】　由安培定則，通電螺線管的磁場如圖所示，右端為N極，左端為S極，在a點，磁場方向向右，則小磁針在a點時，N極向右；在b點，磁場方向向右，則小磁針在b點時，N極向右；在c點，磁場方向向右，則小磁針在c點時，N極向右． 【答案】　(1)右　(2)右　(3)右 小磁針在磁場中受力的判斷方法 (1)當(dāng)小磁針處于磁體產(chǎn)生的磁場，或環(huán)形電流、通電螺線管外部時，可根據(jù)同名磁極相斥，異名磁極相吸來判斷小磁針的受力方向． (2)當(dāng)小磁針處于直線電流的磁場中，或處于環(huán)形電流、通電螺線管內(nèi)部時，應(yīng)該根據(jù)小磁針N極所指方向與通過該點的磁感線的切線方向相同，來判斷小磁針的受力方向． 探 究 磁 現(xiàn) 象 的 本 質(zhì) 1．安培的分子電流假說：在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部存在著一種環(huán)形電流，叫分子電流，分子電流使每一個物質(zhì)微粒都成為微小的磁體，分子電流的兩側(cè)相當(dāng)于兩個磁極． 2．磁現(xiàn)象的電本質(zhì)：磁鐵的磁場和電流的磁場一樣，都是由電荷的運動產(chǎn)生的． 1．磁鐵的磁場和電流的磁場本質(zhì)是相同的．(√) 2．磁體受到高溫或猛烈敲擊有時會失去磁性．(√) 3．發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的科學(xué)家是安培．(×) 1731年，一名英國商人的一箱新刀在閃電過后帶上了磁性；1751年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)縫紉針經(jīng)過萊頓瓶放電后磁化了…，電流能產(chǎn)生磁場，電和磁之間有無本質(zhì)的聯(lián)系？ 【提示】　電和磁之間有本質(zhì)的聯(lián)系，磁場都是由電荷的運動產(chǎn)生的． 探討1：根據(jù)安培分子電流假說，電流周圍的磁場和磁鐵周圍的磁場本質(zhì)是否相同？ 【提示】　本質(zhì)是相同的． 探討2：安培分子電流假說的意義是什么？ 【提示】　①成功地解釋了磁化現(xiàn)象和退磁現(xiàn)象． ②解釋了電和磁的本質(zhì)聯(lián)系． ③解釋了磁性的起源，認(rèn)識到磁體的磁場和電流的磁場一樣，都是由運動的電荷產(chǎn)生的． 1．安培分子電流假說的內(nèi)容 安培認(rèn)為，在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部存在著一種環(huán)形電流——分子電流，分子電流使每個物質(zhì)微粒都成為一個微小磁體，分子電流的兩側(cè)相當(dāng)于兩個磁極，如圖5-3-5所示． 圖5-3-5 2．用假說解釋一些磁現(xiàn)象 (1)磁化：原來沒有磁性的物體獲得磁性的過程． (2)退磁：原來有磁性的物體失去磁性． 3．磁現(xiàn)象的電本質(zhì) 磁體的磁場和電流的磁場一樣都是由電流產(chǎn)生的，而電流又是由運動電荷產(chǎn)生的．因此，安培分子電流假說成功地解釋了磁現(xiàn)象的電本質(zhì)． 4．為了解釋地球的磁性，19世紀(jì)安培假設(shè)：地球的磁場是由繞過地心的軸的環(huán)形電流I引起的．在下列四個圖中，正確表示安培假設(shè)中環(huán)形電流方向的是(　　) 【解析】　地理上的南極是地磁場的北極，由右手螺旋定則可知，選項B正確． 【答案】　B 5．磁鐵在高溫下或者受到敲擊時會失去磁性，根據(jù)安培的分子電流假說，其原因是(　　) A．分子電流消失 B．分子電流取向變得大致相同 C．分子電流取向變得雜亂 D．分子電流減弱 【解析】　根據(jù)安培的分子電流假說，當(dāng)分子電流取向變得大致相同時，對外顯示磁性；當(dāng)溫度升高或者受到敲擊時分子發(fā)生運動，分子電流變得紊亂無序，對外不能顯示磁性． 【答案】　C 6．一根軟鐵棒被磁化是因為(　　) A．軟鐵棒中產(chǎn)生了分子電流 B．軟鐵棒中分子電流取向雜亂無章 C．軟鐵棒中分子電流消失 D．軟鐵棒中分子電流取向變得大致相同 【解析】　軟鐵棒中的分子電流是一直存在的，并不因為外界的影響而產(chǎn)生或消失，故A、C錯．根據(jù)磁化過程的實質(zhì)可知，B錯誤，D正確． 【答案】　D 磁化現(xiàn)象的本質(zhì) 一根軟鐵棒，在未被磁化時，內(nèi)部各分子電流的取向雜亂無章，它們的磁場互相抵消，對外不顯磁性；當(dāng)軟鐵棒受到外界磁場的作用時，各分子電流取向變得大致相同時，兩端顯示較強的磁性作用，形成磁極，軟鐵棒就被磁化了，即磁化的實質(zhì)是分子電流由無序變?yōu)橛行颍? 6 5.4　探究安培力 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.知道什么是安培力．(重點) 2．知道左手定則的內(nèi)容．(重點) 3．掌握用安培力公式F＝BIL解答有關(guān)問題，通過安培力公式的應(yīng)用，培養(yǎng)空間想象能力．(重點、難點) 安 培 力 的 方 向 1．安培力 磁場對電流的作用力稱為安培力． 2．左手定則 伸開左手，使大拇指與其余四個手指垂直，且都跟手掌在同一個平面內(nèi)；讓磁感線穿入手心，使四指指向電流方向，則大拇指所指的方向就是安培力的方向． 3．安培力方向與磁場方向、電流方向的關(guān)系 F⊥B，F(xiàn)⊥I，即F垂直于電流方向和磁場方向所決定的平面． 1．通電直導(dǎo)線在磁場中一定受到安培力的作用．(×) 2．通電直導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向一定跟電流的方向垂直．(√) 3．應(yīng)用左手定則時，四指指向電流方向，拇指指向安培力方向．(√) 如圖5-4-1為應(yīng)用左手定則判斷通電導(dǎo)體所受安培力的方向，觀察以后回答： 圖5-4-1 (1)用什么表示電流方向？ (2)用什么表示安培力方向？ 【提示】　(1)用四個手指指向表示電流方向． (2)用大拇指所指方向表示安培力方向． 探討1：如圖5-4-2裝置中，通電后導(dǎo)體棒向外擺動．交換磁極位置后導(dǎo)體棒怎樣運動？ 圖5-4-2 【提示】　向里擺動． 探討2：通電后導(dǎo)體向外擺動，若交換磁極位置，同時交換電源正、負(fù)極連接，則導(dǎo)體棒怎樣運動？ 【提示】　仍向外擺動． 1．安培力的方向 (1)安培力的方向總是垂直于磁場方向和電流方向所決定的平面，但B與I不一定垂直． (2)已知I、B的方向，可唯一確定F的方向；已知F、B的方向，且導(dǎo)線的位置確定時，可唯一確定I的方向；已知F、I的方向時，磁感應(yīng)強度B的方向不能唯一確定． 2．安培力與電場力的比較 電場力 安培力 研究對象 點電荷 直導(dǎo)線 受力特點 正電荷受力方向與電場方向相同，沿電場線切線方向，負(fù)電荷相反 安培力方向與磁場方向和電流方向都垂直 判斷方法 結(jié)合電場線方向和電荷正、負(fù)判斷 用左手定則判斷 3.安培力作用下導(dǎo)體運動方向的五種判斷方法 電流元法 把整段導(dǎo)線分為多段電流元，先用左手定則判斷每段電流元所受安培力的方向，然后判斷整段導(dǎo)線所受安培力的方向，從而確定導(dǎo)線運動方向 等效法 環(huán)形電流可等效成小磁針，通電螺線管可以等效成條形磁鐵或多個環(huán)形電流(反過來等效也成立)，然后根據(jù)磁體間或電流間的作用規(guī)律判斷 特殊位置法 通過轉(zhuǎn)動通電導(dǎo)線到某個便于分析的特殊位置，判斷其所受安培力的方向，從而確定其運動方向 結(jié)論法 兩平行直線電流在相互作用過程中，無轉(zhuǎn)動趨勢，同向電流互相吸引，反向電流互相排斥；不平行的兩直線電流相互作用時，有轉(zhuǎn)到平行且電流方向相同的趨勢 轉(zhuǎn)換研究對象法 定性分析磁體在電流磁場作用下如何運動的問題，可先分析電流在磁體磁場中所受的安培力，然后由牛頓第三定律，確定磁體所受電流磁場的反作用力，從而確定磁體所受合力及其運動方向 1．一根容易形變的彈性導(dǎo)線，兩端固定，導(dǎo)線中通有電流，方向如圖中箭頭所示．當(dāng)沒有磁場時，導(dǎo)線呈直線狀態(tài)；當(dāng)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(dǎo)線狀態(tài)的四個圖示中正確的是(　　) 【解析】　A圖中I與B平行應(yīng)不受安培力，故A錯誤，由左手定則知B、C錯誤，D正確． 【答案】　D 2．用兩根細(xì)線把兩個完全相同的圓形導(dǎo)線環(huán)懸掛起來，讓二者等高平行放置，如圖5-4-3所示，當(dāng)兩導(dǎo)線環(huán)中通入方向相同的電流I1、I2時，則有(　　) 圖5-4-3 A．兩導(dǎo)線環(huán)相互吸引 B．兩導(dǎo)線環(huán)相互排斥 C．兩導(dǎo)線環(huán)無相互作用力 D．兩導(dǎo)線環(huán)先吸引后排斥 【解析】　通電的導(dǎo)線環(huán)周圍能夠產(chǎn)生磁場，磁場的基本性質(zhì)是對放入其中的磁體或電流產(chǎn)生力的作用．由于導(dǎo)線環(huán)中通入的電流方向相同，二者同位置處的電流方向完全相同，相當(dāng)于通入同向電流的直導(dǎo)線，據(jù)同向電流相互吸引的規(guī)律，判知兩導(dǎo)線環(huán)應(yīng)相互吸引，故A正確． 【答案】　A 3．如圖5-4-4所示，在南北方向安放的長直導(dǎo)線的正上方用細(xì)線懸掛一條形小磁鐵，當(dāng)導(dǎo)線中通入圖示的電流I后，下列說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：29682031】 圖5-4-4 A．磁鐵N極向里轉(zhuǎn)，懸線所受的拉力小于磁鐵所受的重力 B．磁鐵N極向外轉(zhuǎn)，懸線所受的拉力小于磁鐵所受的重力 C．磁鐵N極向里轉(zhuǎn)，懸線所受的拉力大于磁鐵所受的重力 D．磁鐵N極向外轉(zhuǎn)，懸線所受的拉力大于磁鐵所受的重力 【解析】　由條形磁鐵的磁場分布，并由左手定則，可知導(dǎo)線左半部分受到安培力方向垂直紙面向外，右半部分安培力方向垂直紙面向里，由牛頓第三定律得磁鐵左半部分受到安培力方向垂直紙面向里，右半部分安培力方向垂直紙面向外，因此條形磁鐵N極向里轉(zhuǎn)．當(dāng)轉(zhuǎn)過90°時導(dǎo)線受力豎直向上，則磁鐵受力豎直向下，導(dǎo)致懸線所受的拉力大于磁鐵所受的重力，故C正確． 【答案】　C 左手定則應(yīng)用的兩個要點 (1)安培力的方向既垂直于電流的方向，又垂直于磁場的方向，所以應(yīng)用左手定則時，必須使拇指指向與四指指向和磁場方向均垂直． (2)由于電流方向和磁場方向不一定垂直，所以磁場方向不一定垂直穿入手掌，可能與四指方向成某一夾角，但四指一定要指向電流方向． 安 培 力 的 大 小 1．因素 通電導(dǎo)體在磁場中受到的安培力的大小，跟導(dǎo)體的長度L、導(dǎo)體中的電流I、磁感應(yīng)強度B都成正比． 2．計算公式 (1)當(dāng)電流方向與磁場方向垂直時，F(xiàn)＝BIL. (2)當(dāng)電流方向與磁場方向夾角為θ時，F(xiàn)＝BILsin θ. (3)當(dāng)電流方向與磁場方向平行時，F(xiàn)＝0. 1．安培力的大小由電流強度、磁感應(yīng)強度兩個因素決定．(×) 2．將長度為L、電流強度為I的導(dǎo)體放入磁感應(yīng)強度為B的磁場中，導(dǎo)體所受安培力的大小一定是F＝BIL.(×) 3．通電導(dǎo)線放入磁場中不受安培力的作用，則通電導(dǎo)線一定和磁場方向平行．(√) 如圖5-4-5，當(dāng)通電導(dǎo)線與磁感線不垂直時，可用左手定則判斷安培力的方向嗎？若電流與磁感線成θ角，則安培力大小為多少？ 圖5-4-5 【提示】　可以把B分解為平行于電流和垂直于電流兩個方向，就能用左手定則判斷安培力的方向，由此可確定安培力的大小F＝BILsin θ. 如圖5-4-6所示，一根質(zhì)量為m的金屬棒MN，兩端用細(xì)軟導(dǎo)線連接后懸于a、b 兩點，棒的中端處于方向垂直于紙面向里的勻強磁場中，電流方向如圖所示，懸線上的拉力為F. 圖5-4-6 探討1：若使懸線上的拉力F變?yōu)榱?，可以采取什么方法? 【提示】　適當(dāng)增大磁感應(yīng)強度或電流． 探討2：若使懸線上的拉力F變大，可以采取什么方法？ 【提示】　減小磁感應(yīng)強度或電流強度，使磁感應(yīng)強度方向反向，或者使電流方向反向． 1．F＝BILsin θ適用于勻強磁場中的通電直導(dǎo)線，求彎曲導(dǎo)線在勻強磁場中所受安培力時，L為有效長度，即導(dǎo)線兩端點所連直線的長度，相應(yīng)的電流方向沿L由始端流向末端，如圖5-4-7所示． 圖5-4-7 2．同樣情況下，通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時，它所受的安培力最大；導(dǎo)線與磁場方向平行時，它不受安培力；導(dǎo)線與磁場方向斜交時，它所受的安培力介于0和最大值之間． 3．在非勻強磁場中，只要通電直導(dǎo)線L所在位置的各點B矢量相等(包括大小和方向)，則導(dǎo)線所受安培力也能用上述公式計算． 4．當(dāng)電流同時受到幾個安培力時，則電流所受的安培力為這幾個安培力的矢量和． 4．如圖5-4-8所示，長為2L的直導(dǎo)線折成邊長相等，夾角為60°的V形，并置于與其所在平面相垂直的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B，當(dāng)在該導(dǎo)線中通以電流強度為I的電流時，該V形通電導(dǎo)線受到的安培力大小為(　　) 圖5-4-8 A．0　　　 B．0.5BIL C．BIL D．2BIL 【解析】　V形通電導(dǎo)線的等效長度為L，故安培力的大小為BIL，C正確． 【答案】　C 5.如圖5-4-9，一段導(dǎo)線abcd位于磁感應(yīng)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∠abc＝∠bcd＝135°.流經(jīng)導(dǎo)線的電流為I，方向如圖中箭頭所示．導(dǎo)線段abcd所受到的磁場的作用力的合力(　　) 圖5-4-9 A．方向沿紙面向上，大小為(＋1)ILB B．方向沿紙面向上，大小為(－1)ILB C．方向沿紙面向下，大小為(＋1)ILB D．方向沿紙面向下，大小為(－1)ILB 【解析】　導(dǎo)線段abcd的有效長度為線段ad，由幾何知識知Lad＝(＋1)L，故線段abcd所受的合力大小F＝ILadB＝(＋1)ILB，導(dǎo)線有效長度的電流方向為a→d，據(jù)左手定則可以確定導(dǎo)線所受合力方向豎直向上，故A項正確． 【答案】　A 6．(多選)如圖5-4-10所示，通電導(dǎo)體棒靜止于水平導(dǎo)軌上，棒的質(zhì)量為m，長為L，通過的電流大小為I且垂直紙面向里，勻強磁場的磁感應(yīng)強度B的方向與導(dǎo)軌平面成θ角，則導(dǎo)體棒受到的(　　) 圖5-4-10 A．安培力大小為BIL B．安培力大小為BILsin θ C．摩擦力大小為BILcos θ D．支持力大小為mg＋BILcos θ 【解析】　金屬桿受力如圖所示： 由于金屬桿與磁場垂直， 故安培力大小FA＝BIL. 根據(jù)平衡條件得：Ff＝FAsin θ，mg＋FAcos θ＝FN 解得：Ff＝BILsin θ，F(xiàn)N＝mg＋BILcos θ. 故A、D正確，B、C錯誤． 【答案】　AD 求解安培力問題的四個步驟 (1)選定研究對象：一般為磁場中的通電導(dǎo)線． (2)變?nèi)S為二維：方法是沿著或逆著電流觀察，將一段有長度的導(dǎo)線看成一個沒有長度的圓圈，圈內(nèi)畫“×”為順著電流觀察，圈內(nèi)畫“·”表示逆著電流觀察． (3)畫出平面受力分析圖：其中安培力的方向切忌跟著感覺走，要用左手定則來判斷，注意F安⊥B、F安⊥I. (4)根據(jù)力的平衡條件或牛頓第二定律列方程式進(jìn)行求解． 8 5.5　探究洛倫茲力 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.掌握實驗探究洛倫茲力方向的過程，會用左手定則判斷洛倫茲力方向的方法．(重點) 2.掌握洛倫茲力的公式，會計算洛倫茲力的大?。?重點) 3.理解帶電粒子在勻強磁場中做圓周運動的規(guī)律，掌握半徑和周期公式．(重點、難點). 洛 倫 茲 力 及 其 方 向、 大 小 1.洛倫茲力 磁場對運動電荷的作用力． 圖5-5-1 2．左手定則 伸直左手，讓大拇指與四指垂直且在同一平面內(nèi)，四指指向正電荷運動方向，讓磁感線穿入手心，大拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向，如圖5-5-1所示．對于負(fù)電荷，四指指向負(fù)電荷運動的相反方向． 3．洛倫茲力的大小 (1)推導(dǎo)過程：長為L的導(dǎo)體垂直磁場放置，通入電流為I，受到的安培力F＝BIL，而I＝nqSv，導(dǎo)體中的電荷總數(shù)為N＝nLS，所以每個電荷受到的磁場力(即洛倫茲力)為f＝＝qvB. (2)公式：f＝qvB. (3)成立條件：速度方向與磁場方向垂直． 1．只要將電荷放入磁場中，電荷就一定受洛倫茲力．(×) 2．洛倫茲力的方向只與磁場方向和電荷運動方向有關(guān)．(×) 3．判斷電荷所受洛倫茲力的方向時，應(yīng)同時考慮電荷的電性．(√) 電荷在電場中一定受電場力作用，想一想，電荷在磁場中也一定受洛倫茲力作用嗎？ 【提示】　不一定，因為如果電荷相對于磁場靜止(v＝0)或電荷的運動方向與磁場方向平行(v∥B)，電荷在磁場中都不會受洛倫茲力的作用． 如圖5-5-2所示，正電荷q以速度v進(jìn)入勻強磁場中，速度與磁感應(yīng)強度方向間的夾角為θ. 圖5-5-2 探討1：電荷q所受的洛倫茲力的方向沿什么方向？ 【提示】　垂直于紙面向里． 探討2：電荷q所受的洛倫茲力是多大？ 【提示】　qvBsin θ. 1．對洛倫茲力方向的理解 (1)洛倫茲力的方向總是與電荷運動方向和磁場方向垂直，即洛倫茲力的方向總是垂直于電荷運動方向和磁場方向所決定的平面，F(xiàn)、B、v三者的方向關(guān)系是：F⊥B、F⊥v，但B與v不一定垂直． (2)洛倫茲力的方向隨電荷運動方向的變化而變化．但無論怎么變化，洛倫茲力都與運動方向垂直，故洛倫茲力永不做功，它只改變電荷運動方向，不改變電荷速度大?。? 2．洛倫茲力和安培力的關(guān)系 (1)安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，洛倫茲力是安培力的微觀解釋． (2)大小關(guān)系：F安＝Nf.(N是導(dǎo)體中定向運動的電荷數(shù)) (3)方向關(guān)系：洛倫茲力與安培力的方向一致，均可用左手定則進(jìn)行判斷． (4)洛倫茲力永遠(yuǎn)不做功，但安培力可以做功． 3．洛倫茲力與電場力的比較 洛倫茲力 電場力 產(chǎn)生條件 僅在運動電荷的速度方向與B不平行時，運動電荷才受到洛倫茲力 帶電粒子只要處在電場中，一定受到電場力 大小方向 f＝qvBsin θ，方向與B垂直，與v垂直，用左手定則判斷 F＝qE，F(xiàn)的方向與E同向或反向 特點 洛倫茲力永不做功 電場力可做正功、負(fù)功或不做功 相同點 反映了電場和磁場都具有力的性質(zhì) 1．帶電粒子(重力不計)穿過飽和蒸汽時，在它走過的路徑上飽和蒸汽便凝成小液滴，從而顯示了粒子的徑跡，這是云室的原理，如圖5-5-3所示是云室的拍攝照片，云室中加了垂直于照片向外的勻強磁場，圖中oa、ob、oc、od是從o點發(fā)出的四種粒子的徑跡，下列說法中正確的是(　　) 圖5-5-3 A．四種粒子都帶正電 B．四種粒子都帶負(fù)電 C．打到a、b點的粒子帶正電 D．打到c、d點的粒子帶正電 【解析】　由左手定則知打到a、b點的粒子帶負(fù)電，打到c、d點的粒子帶正電，D正確． 【答案】　D 2．圖中帶電粒子所受洛倫茲力的方向向上的是(　　) 【解析】　A圖中帶電粒子受力方向向上，B圖中帶電粒子受力方向向外，C圖中帶電粒子受力方向向左，D圖中帶電粒子受力方向向外，故A正確． 【答案】　A 3.初速度為v0的電子，沿平行于通電長直導(dǎo)線的方向射出，直導(dǎo)線中電流方向與電子的初始運動方向如圖5-5-4所示，則(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：29682032】 圖5-5-4 A．電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率不變 B．電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率改變 C．電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率不變 D．電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率改變 【解析】　由右手定則判定直線電流右側(cè)磁場的方向垂直紙面向里，再根據(jù)左手定則判定電子所受洛倫茲力偏離電流，由于洛倫茲力不做功，電子動能不變． 【答案】　A 判斷洛倫茲力方向應(yīng)注意的問題 (1)注意電荷的正、負(fù)，尤其是判斷負(fù)電荷所受洛倫茲力方向時，四指應(yīng)指向電荷運動的反方向． (2)注意洛倫茲力方向一定垂直于B和v所決定的平面． (3)當(dāng)v與B的方向平行時，電荷所受洛倫茲力為零． 帶 電 粒 子 在 磁 場 中 的 運 動 1．帶電粒子垂直進(jìn)入磁場，只受洛倫茲力作用，帶電粒子做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力． 2．軌道半徑：由于洛倫茲力提供向心力，即qvB＝m，由此推得r＝. 3．運動周期：由T＝和r＝，聯(lián)立求得T＝. 1．當(dāng)帶電粒子的速度方向與磁場方向相同時，粒子做勻加速運動．(×) 2．帶電粒子速度越大，在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑越大．(√) 3．速度越大，帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期越大．(×) 　帶電粒子若垂直進(jìn)入非勻強磁場后做半徑不斷變化的運動，這時公式r＝是否成立？ 【提示】　成立．在非勻強磁場中，隨著B的變化，粒子軌跡的圓心、半徑不斷變化，但粒子運動到某位置的半徑仍由B、q、v、m決定，仍滿足r＝. 　 質(zhì)量和電量都相等的帶電粒子M和N，以不同的速率經(jīng)小孔S垂直進(jìn)入勻強磁場，運行的半圓軌跡如圖5-5-5中虛線所示． 圖5-5-5 探討1：粒子帶電性質(zhì)是否相同？ 【提示】　由于帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)方向相反，故帶電性質(zhì)不同，向左偏的帶正電，向右偏的帶負(fù)電． 探討2：哪個帶電粒子的速率較大？ 【提示】　根據(jù)r＝，半徑大的粒子速率大． 1．定圓心 (1)知道磁場中兩點速度方向，則帶電粒子在兩點所受洛倫茲力作用線的交點即為圓心．如圖5-5-6(a)所示． (2)知道磁場中一點速度方向和另一點位置，則該點所受洛倫茲力作用線與這兩點連線的中垂線的交點即為圓心，如圖5-5-6(b)所示． (a)　　　　　　　　　(b) 圖5-5-6 2．求半徑 畫圓弧后，再畫過入射點、出射點的半徑并作出輔助三角形，最后由幾何知識求出半徑． 3．求運動時間 (1)利用t＝T求．即：先求周期T，再求圓心角θ. (2)圓心角的確定 ①帶電粒子射出磁場的速度方向與射入磁場的速度方向間的夾角φ叫偏向角．偏向角等于圓心角，即α＝φ，如圖5-5-7所示． 圖5-5-7 ②某段圓弧所對應(yīng)的圓心角是這段圓弧弦切角的二倍，即α＝2θ. 4．電子在勻強磁場中做勻速圓周運動，下列說法正確的是(　　) A．速率越大，周期越大 B．速率越小，周期越大 C．速度方向與磁場方向平行 D．速度方向與磁場方向垂直 【解析】　由粒子在磁場中做勻速圓周運動的周期公式T＝可知周期的大小與速率無關(guān)，A、B錯誤，粒子在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，速度方向與磁場方向垂直，C錯誤，D正確． 【答案】　D 5．如圖5-5-8所示，水平導(dǎo)線中有電流I通過，導(dǎo)線正下方的電子初速度的方向與電流I的方向相同，則電子將(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：29682033】 圖5-5-8 A．沿路徑a運動，軌跡是圓 B．沿路徑a運動，軌跡半徑越來越大 C．沿路徑a運動，軌跡半徑越來越小 D．沿路徑b運動，軌跡半徑越來越小 【解析】　由左手定則可判斷電子運動軌跡向下彎曲．又由r＝知，B減小，r越來越大，故電子的徑跡是a.故選B. 【答案】　B 6.如圖5-5-9所示，在xy平面內(nèi)，y≥0的區(qū)域有垂直于xy平面向里的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為B，一質(zhì)量為m、帶電量大小為q的粒子從原點O沿與x軸正方向成60°角方向以v0射入，粒子的重力不計，求帶電粒子在磁場中運動的時間和帶電粒子離開磁場時的位置． 圖5-5-9 【解析】　當(dāng)帶電粒子帶正電時，軌跡如圖中OAC， 對粒子，由于洛倫茲力提供向心力，則 qv0B＝m，R＝， T＝ 故粒子在磁場中的運動時間t1＝T＝ 粒子在C點離開磁場OC＝2R·sin60°＝ 故離開磁場的位置為(－，0) 當(dāng)帶電粒子帶負(fù)電時，軌跡如圖中ODE所示，同理求得粒子在磁場中的運動時間t2＝T＝ 離開磁場時的位置為(，0) 【答案】　　(－，0)或　(，0) 帶電粒子在有界勻強磁場中做勻速圓周運動問題的解題技巧 (1)畫軌跡：先定圓心，再畫完整圓弧，后補畫磁場邊界最后確定粒子在磁場中的軌跡(部分圓弧). (2)找聯(lián)系：r與B、v有關(guān)，如果題目要求計算速率v，一般要先計算r、t與角度和周期T有關(guān)，如果題目要求計算粒子在磁場中運動的時間t，一般要先計算粒子在磁場中運動的部分圓弧所對應(yīng)的圓心角和粒子的周期. (3)用規(guī)律：根據(jù)幾何關(guān)系求半徑和圓心角，再根據(jù)半徑和周期公式與B、v等聯(lián)系在一起. 8