高考物理(粤教版)总复习讲义:第9章 磁场.pdf
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1、第九章磁场高考导航考点内容要求全国高考命题实况常考题型关联考点201420152016磁场、磁感应强度、磁感 线I卷I:5、T16卷n:T20卷I:T14、T24卷 III:T18、T19卷I:T15卷n:T18卷in:Ti s选择题计算题平衡问题圆周运动带电粒子在 电场中的运动通电直导线和通电线圈周 围磁场的方向I安培力、安培力的方向I匀强磁场中的安培力II洛伦兹力、洛伦兹力的方 向I洛伦兹力公式II带电粒子在匀强磁场中的运动II质谱仪和回旋加速器I说明:(1)安培力的计算只限于电流与磁感应强度垂直的情形;(2)洛伦兹力的计算只限于速度与磁场方向垂直的情形。基础课1 磁场的描述及磁场对电流的
2、作用课前自主梳理 紧抓教材,自主落实:1知识点一、磁场、磁感应强度1.磁场基本特性:磁场对处于其中的磁体、电流和运动电荷有磁场力的作用。(2)方向:小磁针的旦地所受磁场力的方向。2.磁感应强度物理意义:描述磁场的强弱和方向。F(2)大小:(通电导线垂直于磁场)。(3)方向:小磁针静止时N极的指向。单位:特斯拉(T)。3.匀强磁场定义:磁感应强度的大小处处相等、方向处处相同的磁场称为匀强磁场。特点:疏密程度相同、方向相同的平行直线。知识点二、磁感线 通电直导线和通电线圈周围磁场的方向1.磁感线在磁场中画出一些有方向的曲线,使曲线上各点的切线方向跟这点的磁感应强度 方向一致。2.几种常见的磁场(1
3、)常见磁体的磁场(如图1所示)图1(2)电流的磁场知识点三、安培力、安培力的方向 匀强磁场中的安培力1.安培力的大小(1)磁场和电流垂直时:F=B ILO(2)磁场和电流平行时:F=0o2.安培力的方向图2左手定则判断:伸出左手,让拇指与其余四指垂直,并且都在同一个平面内。(2)让磁感线从掌心进入,并使四指指向电流方向。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。思考判断磁场中某点磁感应强度的大小,跟放在该点的试探电流元的强弱有关。()(2)磁场中某点磁感应强度的方向,跟放在该点的试探电流元所受磁场力的方向一 致。()在磁场中磁感线越密集的地方,磁感应强度越大。()(4)相邻两条磁感线
4、之间的空白区域磁感应强度为零。()将通电导线放入磁场中,若不受安培力,说明该处磁感应强度为零。()p(6)由定义式6=万可知,电流强度/越大,导线L越长,某点的磁感应强度就越小。()安培力可能做正功,也可能做负功。()答案(1)X(2)X(3)J(4)X(5)X(6)X(7)V课堂互动探究不同考点,不同学法考点0磁场及安培定则的应用1.理解磁感应强度的三点注意磁感应强度由磁场本身决定,因此不能根据定义式6=+认为B与尸成正比,与1成反比。(2)测量磁感应强度时小段通电导线必须垂直磁场放入,如果平行磁场放入,则所 受安培力为零,但不能说该点的磁感应强度为零。(3)磁感应强度是矢量,其方向为放入其
5、中的小磁针N极的受力方向,也是自由转 动的小磁针静止时N极的指向。2.磁场的叠加磁感应强度是矢量,计算时与力的计算方法相同,利用平行四边形定则或正交分 解法进行合成与分解。3.安培定则的应用在运用安培定则判定直线电流和环形电流的磁场时应分清“因”和“果”。跟进题组 多角练透原因(电流方向)结果(磁场绕向)直线电流的磁场大拇指四指环形电流的磁场四指大拇指1.磁场的理解(2015 新课标全国卷H,18)(多选)指南针是我国古代四大发明之 一。关于指南针,下列说法正确的是()A.指南针可以仅具有一个磁极B.指南针能够指向南北,说明地球具有磁场C.指南针的指向会受到附近铁块的干扰D.在指南针正上方附近
6、沿指针方向放置一直导线,导线通电时指南针不偏转 解析 指南针有N、S两个磁极,受到地磁场的作用静止时S极指向南方,选项 A错误,B正确;指南针有磁性,可以与铁块相互吸引,选项C正确;由奥斯特 实验可知,小磁针在通电导线放置位置合适的情况下,会发生偏转,选项D错误。答案BC2.电场强度和磁感应强度的对比(多选)下列说法中正确的是()A.电荷在某处不受电场力的作用,则该处电场强度为零B.一小段通电导线在某处不受磁场力作用,则该处磁感应强度一定为零C.表征电场中某点电场的强弱,是把一个检验电荷放在该点时受到的电场力与 检验电荷本身电荷量的比值D.表征磁场中某点磁场的强弱,是把一小段通电导线放在该点时
7、受到的磁场力 与该小段导线长度和电流乘积的比值解析 电场和磁场有一个明显的区别是:电场对放入其中的电荷有力的作用,磁 场对通电导线有力的作用的条件是磁场方向不能和电流方向平行,因此A对,BF错;同理根据电场强度的定义式石可知C正确;而同样用比值定义法定义的 qF磁感应强度则应有明确的说明,即6=万中/和B的方向必须垂直,故D错。答案AC3.安培定则的应用,磁场的叠加如图3所示,在直角三角形AB C的A点和B 点分别固定一垂直纸面向外和向里的无限长通电直导线,其电流强度分别为心和Ib,ZA=30,通电直导线形成的磁场在空间某点处的磁感应强度左为比 例系数,厂为该点到导线的距离,/为导线的电流强度
8、。当一电子在。点的速度方 向垂直纸面向外时,所受洛伦兹力方向垂直5 C向下,则两直导线的电流强度加与心之比为()图31A-2B坐1D4解析 由左手定则可知C点处磁场的磁感应强度B合的方向平行B C向右,设A 处导线和B处导线在。处形成的磁场的磁感应强度大小分别为以和6小 方向分Br 1 Br IrC Jr别与AC和BC垂直,如图所示,可知济=si n 30。=5,又不=一广,计算可得丁=DA 2 n A 1A 1aIacD正确。Bb答案D 规律方法 磁场的矢量性及合成 根据安培定则确定通电导线周围磁场的方向。(2)磁场中每一点磁感应强度的方向为该点磁感线的切线方向。磁感应强度是矢量,多个通电导
9、体产生的磁场叠加时,合磁场的磁感应强度等于各场源单独存在时在该点磁感应强度的矢量和。考点安培力作用下导体的运动物理方法21.安培力方向:根据左手定则判断。大小:由公式厂=61计算,且其中的L为导线在磁场中的有效长度。如弯曲 通电导线的有效长度L等于连接两端点的直线的长度,相应的电流方向沿两端点 连线由始端流向末端,如图4所示。x x x x b x x xX/&X 4 X 1 X!X XA。X/F2D.Fi人2即台秤示数为 方2,在水平方向上,由 于广有向左的分力,磁铁压缩弹簧,所以弹簧长度变短。答案BC考点安培力作用下导体的平衡3通电导体棒在磁场中的平衡问题是一种常见的力学综合模型,该模型一
10、般由倾斜 导轨、导体棒、电源和电阻等组成。这类题目的难点是题图具有立体性,各力的 方向不易确定。因此解题时一定要先把立体图转化成平面图,通过受力分析建立 各力的平衡关系,如图9所示。图9【典例】如图10所示,水平导轨间距为L=0.5 m,导轨电阻忽略不计;导体 棒油的质量加=l kg,电阻品)=0.9Q,与导轨接触良好;电源电动势石=10V,内阻厂=0.1 Q,电阻尺=4Q;外加匀强磁场的磁感应强度6=5 T,方向垂直于 ab,与导轨平面成夹角。=53。;与导轨间的动摩擦因数为=0.5(设最大静摩 擦力等于滑动摩擦力),定滑轮摩擦不计,线对B的拉力为水平方向,重力加速 度 g=10m/s2,处
11、于静止状态。已知 si n 53。=0.8,c o s 5 3=0.6 o 求:通过ab的电流大小和方向;ab受到的安培力大小;重物重力G的取值范围。E解析(1)/=7?+7?o+r=2A方向为到九(2)尸=61=5 N(3)受力如图fm=mg Feo s 5 3)=3.5 NF当最大静摩擦力方向向右时Fr=sin 5 3。一启=0.5 N 当最大静摩擦力方向向左时FT=Fsi n 53。+启=7.5 N 所以 0.5 NWGW7.5 N。答案(1)2 A 至(J8(2)5 N(3)0.5 NWGW7.5 N跟进题组多角练透1.通电线圈在安培力作用下的平衡(2015江苏单科,4)如图H所示,用
12、天平测 量匀强磁场的磁感应强度。下列各选项所示的载流线圈匝数相同,边长MN相等,将它们分别挂在天平的右臂下方。线圈中通有大小相同的电流,天平处于平衡状 态.若磁场发生微小变化,天平最容易失去平衡的是()M NM NM N解析 磁场发生微小变化时,因各选项中载流线圈在磁场中的面积不同,由法拉 第电磁感应定律石=等=驾知载流线圈在磁场中的面积越大,产生的感应 电动势越大,感应电流越大,载流线圈中的电流变化越大,所受的安培力变化越 大,天平越容易失去平衡,由题图可知,选项A符合题意。答案A2.导体棒在安培力作用下的平衡(2015,全国卷I,24)如图12,一长为10 c m 的金属棒ab用两个完全相
13、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0.1 T,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12 V的电池相连,电路总电阻为2Q。已知开关断开时两弹簧的伸长量均为0.5 c m;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 0.3 c m,重力加速度大小取l Om/s?。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。U 12 V解析金属棒通电后,闭合回路电流/=/=5 7T=6 A导体棒受到的安培力大小为F=B/L=0.06 N由左手定则可判断知金属棒受到的安培力方向竖直向下由平衡条件知:开关闭合前:2
14、kx=mg开关闭合后:2k(x+Ax)=mg+F代入数值解得根=0.01 kg答案竖直向下0.01kg方法技巧1.求解安培力作用下导体棒平衡问题的基本思路 确定研究对象 OO 列方程 I匚,2.求解关键(1)电磁问题力学化。(2)立体图形平面化。多学一-积累学习拓展思维通电导线或通电导 体棒立体图转化为平面 图(俯视图、剖面 图、侧视图)导体棒用圆代替,电流方向用“X”或“”表示受力分析,画出安培 力和其他力左手定则确定安培 力的方向,且F安 L3,F安 L/根据平衡条件列出 平衡方程安培力作用下的功能关系安培力做功的特点和实质安培力做功与路径有关,这一点与电场力不同。安培力做功的实质是能量转
15、化安培力做正功时将电源的能量转化为导线的机械能或其他形式的能。安培力做负功时将机械能转化为电能或其他形式的能。【思维训练1(多选)光滑平行导轨水平放置,导轨左端通过开关S与内阻不计、电动势为石的电源相连,右端与半径为,=20 c m的两段光滑圆弧导轨相接,-根质量加=60 g、电阻尺=1 Q、长为L的导体棒用长也为L的绝缘细线悬挂,如图13所示,系统空间有竖直方向的匀强磁场,磁感应强度B=0.5 T,当闭合开 关S后,导体棒沿圆弧摆动,摆到最大高度时,细线与竖直方向成8=53。角,摆 动过程中导体棒始终与导轨接触良好且细线处于张紧状态(不考虑导体棒切割的 影响),导轨电阻不计,si n 53=
16、0.8,且=10 01/2则()图13A.磁场方向一定竖直向下B.电源电动势石=3.0VC.导体棒在摆动过程中所受安培力尸=3 ND.导体棒在摆动过程中电源提供的电能为0.048 J解析 导体棒向右沿圆弧摆动,说明受到向右的安培力,由左手定则知该磁场方 向一定竖直向下,A对;导体棒摆动过程中只有安培力和重力做功,由动能定理 知出L/sin。一根(1c o s8)=0,代入数值得导体棒中的电流为/=3 A,由石=得电源电动势石=3.0 V,B对;由尸=61得导体棒在摆动过程中所受安培力 F=0.3N,C错;由能量守恒定律知电源提供的电能W等于电路中产生的焦耳热 Q和导体棒重力势能的增加量E的和,
17、即W=Q+AE,而AE=mg(l-c o s=0.048 J,D 错。答案AB【思维训练2】电磁炮是一种理想的兵器,它的主要原理如图14所示,利用这种 装置可以把质量为2.0 kg的弹体(包括金属杆EF的质量)加速到6 km/so若这种装 置的轨道宽2 m,长为100 m,通过的电流为10 A,求轨道间所加匀强磁场的磁 感应强度大小和磁场力的最大功率。(轨道摩擦不计)E图14解析 电磁炮在安培力的作用下,沿轨道做匀加速运动。因为通过100m的位移 加速至6 km/s,利用动能定理可得尸安s=AEk,即B ILs=mv20o代入数据可得B=1.8 X1 04t。运动过程中,磁场力的最大功率为P=
18、Fvm=B ILvm=1.08 X 1011 Wo答案 1.8X104T 1.08X1011 W反思总结安培力和重力、弹力、摩擦力一样,会使通电导体在磁场中平衡、加速,也会涉 及做功问题。解答时一般要用到动能定理、能量守恒定律等。高考模拟演练I 对接高考,演练提升1.(2014,全国卷I,15)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.安培力的方向可以不垂直于直导线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解析 安培力的方向、磁感应强度的方向及电流的方向满足左手定则,所以
19、安培 力的方向既垂直于直导线,也垂直于磁场的方向,所以选项B正确、A错误;当 通电直导线与磁场方向垂直时,安培力最大尸=8,当通电直导线与磁场方向平 行时,安培力最小为零,故选项C错误;将直导线从中点折成直角,假设原来直 导线与磁场方向垂直,若折成直角后一段与磁场仍垂直,另一段与磁场平行,则 安培力的大小变为原来的一半,若折成直角后,两段都与磁场垂直,则安培力的 大小变为原来的芈,因此安培力大小不一定是原来的一半,选项D错误。答案B2.(2016,北京理综,17)中国宋代科学家沈括在梦溪笔谈中最早记载了地磁 偏角:“以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。”进一步研究表明,地球周围地磁场
20、的磁感线分布示意如图15。结合上述材料,下列说法不正确的是()地轴图15A.地理南、北极与地磁场的南、北极不重合B.地球内部也存在磁场,地磁南极在地理北极附近C.地球表面任意位置的地磁场方向都与地面平行D.地磁场对射向地球赤道的带电宇宙射线粒子有力的作用解析 地球为一巨大的磁体,地磁场的南、北极在地理上的北极和南极附近,两 极并不重合;且地球内部也存在磁场,只有赤道上空磁场的方向才与地面平行;对射向地球赤道的带电宇宙射线粒子的速度方向与地磁场方向不会平行,一定受 到地磁场力的作用,故C项说法不正确的。答案C3.(2016,海南单科,8)(多选)如图16(a)所示,扬声器中有一线圈处于磁场中,当
21、 音频电流信号通过线圈时,线圈带动纸盆振动,发出声音。俯视图(b)表示处于辐 射状磁场中的线圈(线圈平面即纸面)磁场方向如图中箭头所示,在图(口中()图16A.当电流沿顺时针方向时,线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里B.当电流沿顺时针方向时,线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外C.当电流沿逆时针方向时,线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里D.当电流沿逆时针方向时,线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外解析将环形导线分割成无限个小段,每一小段看成直导线,则根据左手定则,当电流顺时针时,导线的安培力垂直纸面向外,故选项A错误,选项B正确;当 电流逆时针时,根据左手定则可以知道安培力垂直纸面向里,故选项C正
22、确,选 项D错误。答案BC4.(2016,全国卷HI,22)某同学用图17中所给器材进行与安培力有关的实验。两 根金属导轨必和小仇固定在同一水平面内且相互平行,足够大的电磁铁(未画出)的N极位于两导轨的正上方,S极位于两导轨的正下方,一金属棒置于导轨上且 与两导轨垂直。在图中画出连线,完成实验电路。要求滑动变阻器以限流方式接入电路,且在 开关闭合后,金属棒沿箭头所示的方向移动。为使金属棒在离开导轨时具有更大的速度,有人提出以下建议:A.适当增加两导轨间的距离B.换一根更长的金属棒C.适当增大金属棒中的电流其中正确的是(填入正确选项前的标号)。解析(1)实物连线如图所示。根据公式尸可得,适当增加
23、导轨间的距离或者增大电流,可增大金属棒 受到的安培力,根据动能定理得,Fs田ng s/mv1,则金属棒离开导轨时的动能 变大,即离开导轨时的速度变大,A、C正确;若换用一根更长的金属棒,但金 属棒切割磁感线的有效长度即导轨间的宽度不变,安培力尸不变,棒的质量变大,速度华一2gs变小,B错误。答案(1)见解析图(2)AC课时达标训练 强化训练,技能提高一、选择题(15题为单项选择题,69题为多项选择题)1.用两根绝缘细线把两个完全相同的圆形导线环悬挂起来,让二者等高平行放置,如图1所示。当两导线环中通入方向相同的电流/1、/2时,则有()图1A.两导线环相互吸引B.两导线环相互排斥C.两导线环间
24、无相互作用力D.两导线环先吸引后排斥解析 通电的导线环周围能够产生磁场,磁场的基本性质是对放入其中的磁体或 电流产生力的作用。由于导线环中通入的电流方向相同,二者同位置处的电流方 向完全相同,据同向电流相互吸引的规律,判知两导线环应相互吸引,选项A正 确。答案A2.如图2所示,金属棒MN两端由等长的轻质绝缘细线水平悬挂,处于垂直纸面 水平向里的匀强磁场中,棒中通有由到N的恒定电流/,细线的拉力不为零,两细线竖直。现将匀强磁场磁感应强度B大小保持不变,方向缓慢地转过90。变为竖直向下,在这个过程中()X”X/X XA.细线向纸面内偏转,B.细线向纸面外偏转,C.细线向纸面内偏转,D.细线向纸面外
25、偏转,图2其中的拉力一直增大 其中的拉力一直增大 其中的拉力先增大后减小 其中的拉力先增大后减小解析 初始状态时,金属棒受重力、拉力和安培力作用而平衡。在磁场方向由垂 直纸面向里缓慢地转过90。变为竖直向下的过程,安培力的大小尸安=6辽不变,方向由竖直向上变为垂直纸面向里。根据共点力平衡知,细线向纸面内偏转。因 为金属棒受重力、拉力和安培力作用而平衡,重力和安培力的合力与拉力等值反 向,重力和安培力的大小不变,它们之间的夹角由180。变为90。,知两个力的合 力一直增大,所以拉力一直增大。故选项A正确。答案A3.如图3所示,铜棒加?长/o=O.l m,质量为加=0.06 kg,两端与长为/=l
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