高考物理大二轮总复习与增分策略 专题十五 磁场及其对电流的作用课件

专题十五磁场及其对电流的 作用 考点基础自清考点互动探究内容索引 考点基础自清 一、磁现象和磁场排斥 答案 1.磁极间的相互作用：同名磁极相互 ，异名磁极相互吸引.2.奥斯特实验(如图1所示)：(1)通电直导线沿 方向放置在小磁针的上方.(2)意义：说明通电导体周围存在着磁场，发现了电流的 ，首先揭示了电与磁之间是有联系的.图1南北磁效应 答案 3.磁场(1)磁场：存在于磁体周围或电流周围的一种客观存在的特殊物质.磁体与磁体之间、磁体和通电导体之间、通电导体和通电导体之间的相互作用都是通过 发生的.(2)基本性质：对放入其中的 或通电导体有力的作用.(3)地磁场：地球磁体的N极(北极)位于地理南极附近，地球磁体的S极(南极)位于地理 附近.磁场磁体北极 答案 二、磁感应强度安培定则1.磁感应强度(1)定义式：B (通电导体垂直于磁场).(2)方向：小磁针静止时 的指向.(3)单位：特斯拉，简称特(T)，1 T1 .(4)磁感应强度是反映磁场性质的物理量，由磁场本身决定，是用 法定义的. N极比值 答案 2.磁感线(1)引入：在磁场中画出一些曲线，使曲线上每一点的 方向都跟这点的磁感应强度的方向一致.(2)特点：磁感线的特点与电场线的特点类似，主要区别在于磁感线是 的曲线.(3)条形磁铁和蹄形磁铁的磁场(如图2所示).图2切线闭合 3.常见电流的磁场通电直导线通电螺线管环形电流安培定则 答案 三、安培力1.安培力的方向(1)左手定则：伸出左手，让拇指与其余四指 ，并且都在同一个平面内.让磁感线从掌心进入，并使四指指向 方向. 所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向.(2)两平行的通电直导线间的安培力：同向电流相互，异向电流相互排斥.2.匀强磁场中安培力的大小(1)当磁场与电流时，安培力最大，F m axBIL.(2)当磁场与电流时，安培力等于零.垂直电流拇指吸引垂直平行 1.下列四图为电流产生磁场的分布图，正确的分布图是() 学考通关练A. B. C. D.解析由安培定则可以判断出直线电流产生的磁场方向，正确，错误，和为环形电流，注意让弯曲的四指指向电流的方向，可判断出正确，错误.故正确选项为C. 解析 解析 2.(2016台州模拟)磁场中某区域的磁感线如图3所示，则()A.a、b两处的磁感应强度的大小不等，BaBbB.a、b两处的磁感应强度的大小不等，BaBbC.同一通电导线放在a处受力一定比放在b处受力大D.同一通电导线放在a处受力一定比放在b处受力小图3解析在磁场中，磁感线疏密程度表示磁场的强弱，故BaBb，B正确，A错误；同一通电导线如果都垂直放入磁场中，则在a处受力一定比在b处受力小，但如果导线与磁场平行放置，受力均为零，C、D错误. 3.为了解释地球的磁性，19世纪安培假设：地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流I引起的.在下列四个图中，正确表示安培假设中环形电流方向的是() 解析 解析地磁场从地理的南极附近出来，进入地理的北极附近，除两极外，地表上空的磁场都具有向北的磁场分量.根据安培定则，环形电流外部磁场方向向北可知，B正确.A图在地表上空产生的磁场方向向南，故A错误.C、D两图在地表上空产生的磁场方向沿东西方向，故C、D错误. 4.(2015浙江1月学考28)小刘同学用铁钉与漆包线绕成电磁铁，当接通电路后，放在其上方的小磁针N极立即转向左侧，如图4所示.则此时() 解析 A.导线A端接电池正极B.铁钉左端为电磁铁的N极C.铁钉内磁场方向向右D.漆包线内电流由A流向B解析小磁针静止时N极指向为该处磁场方向，根据通电螺线管磁场分布知，铁钉右端为电磁铁的N极，铁钉左端为电磁铁的S极，再根据安培定则知C项正确.图4 5.把长L0.25 m的导体棒置于磁感应强度B1.0102 T的匀强磁场中，使导体棒和磁场方向垂直，如图5所示.若导体棒的电流I2.0 A，方向向右，则导体棒受到的安培力大小与方向分别为()A.1.0103 N竖直向上B.5.0103 N竖直向上C.5.0103 N竖直向下D.1.010 3 N竖直向下图5返回 考点互动探究 1.安培定则的“因”和“果”原因(电流方向)结果(磁场方向)直线电流的磁场大拇指四指环形电流及通电螺线管的磁场四指大拇指2.磁场的叠加磁感应强度为矢量，合成与分解遵循平行四边形定则. 考点一 安培定则和磁感应强度的叠加 解析 例1三根平行的长直导线，分别垂直通过一个等腰直角三角形的三个顶点，三导线中电流方向相同，A、B两导线中的电流大小相同，如图6所示，已知导线A在斜边中点O处所产生的磁场的磁感应强度大小为B，导线C在斜边中点O处所产生的磁场的磁感应强度大小为2B，则O处的磁感应强度的大小和方向为()A.大小为B，方向沿OA方向B.大小为2 B，方向竖直向下C.大小为2B，方向沿OB方向D.大小为2B，方向沿OA方向图6 解析由安培定则知导线A、B在O处所产生的磁感应强度大小相等，方向相反，相互抵消，所以O处的磁感应强度即为导线C所产生的磁感应强度，即大小为2B，由安培定则可判定其方向沿OA方向，A、B、C错，D对. 规律总结磁场的矢量性及合成1.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.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场源单独存在时在该点磁感应强度的矢量和. 解析 1.(2013浙江6月学考26)如图7所示，E、F分别表示蓄电池两极，P、Q分别表示螺线管两端.当闭合开关时，发现小磁针N极偏向螺线管Q端.下列判断正确的是()A.E为蓄电池正极B.螺线管P端为S极C.流过电阻R的电流方向向上D.管内磁场方向由P指向Q解析根据小磁针静止时N极所指的方向，可以判断出通电螺线管的P端为N极，Q端为S极，管内磁场方向由Q指向P. 根据右手螺旋定则还可以判断出流过电阻R的电流方向向上，E为蓄电池负极. 变式题组图7 解析 2.如图8，两根平行长直导线相距2l，通有大小相等、方向相同的恒定电流；a、b、c是导线所在平面内的三点，左侧导线与它们的距离分别为 、l和3l.关于这三点处的磁感应强度，下列判断正确的是()A.a处的磁感应强度大小比c处的小B.b、c两处的磁感应强度大小相等C.a、c两处的磁感应强度方向相同D.b处的磁感应强度为零图8 解析a、c两点的磁感应强度是两导线电流产生的合磁感应强度，由于a点比c点距离两导线近，所以a点的磁感应强度比c点的大，A错误.根据安培定则知，a、c两处磁感应强度方向相反，C错误.b点位于两导线中间，两导线在b点产生的磁感应强度大小相等、方向相反，合磁感应强度为零，c处磁感应强度不为零，D正确，B错误. 3.如图9所示，一根通电直导线垂直放在磁感应强度为1 T的匀强磁场中，在以导线截面的中心为圆心，半径为r的圆周上有a、b、c、d四个点，已知a点的实际磁感应强度为零，则下列叙述正确的是()A.直导线中的电流方向垂直纸面向外B.b点的磁感应强度为 T，方向斜向右上方， 与B的夹角为45C.c点的实际磁感应强度也为零D.d点的实际磁感应强度跟b点的相同图9 1.方向根据左手定则判断.2.大小安培力常用公式FBIL，要求两两垂直，应用时要满足：(1)B与L垂直.(2)L是有效长度，即垂直磁感应强度方向的长度.如弯曲导线的有效长度L等于两端点所连直线的长度. 考点二 通电导线在磁场中受到的安培力 3.安培力作用下导体运动方向的判断方法(1)电流元法即把整段电流等效为多段直线电流元，运用左手定则判断出每小段电流元所受安培力的方向，从而判断出整段电流所受合力的方向.(2)特殊位置法把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置后再判断所受安培力方向，从而确定运动方向.(3)等效法环形电流和通电螺线管都可以等效成条形磁铁.条形磁铁也可等效成环形电流或通电螺线管.通电螺线管也可以等效成很多匝的环形电流来分析. (4)利用结论法两电流相互平行时无转动趋势，同向电流相互吸引，异向电流相互排斥；两电流不平行时，有转动到相互平行且电流方向相同的趋势.(5)转换研究对象法因为电流之间，电流与磁体之间的相互作用满足牛顿第三定律.定性分析磁体在电流磁场作用的受力和运动时，可先分析电流在磁体的磁场中受到的安培力，然后由牛顿第三定律，再确定磁体所受电流的作用力. 例2(2016浙江10月学考10)如图10所示，把一根通电的硬直导线ab用轻绳悬挂在通电螺线管正上方，直导线中的电流方向由a向b.闭合开关S瞬间，导线a端所受安培力的方向是() 解析 A.向上B.向下C.垂直纸面向外D.垂直纸面向里图10解析根据右手定则可知，开关闭合后，螺线管产生的磁极N极在右侧.根据左手定则可知，a端受力应垂直纸面向里，选项D正确. 方法感悟安培力公式中的L为通电导线的有效长度，弯折后通电导线中电流的有效长度等于导线两端点连线的长度；若导线所在的平面与磁感线平行，则有效长度为导线两端连线在垂直于磁感线平面上的投影长度；还可以用力的合成求解，即分别求出两段的安培力再求出它们的合力. 解析 4.(20164月浙江选考9)法拉第电动机原理如图11所示.条形磁铁竖直固定在圆形水银槽中心，N极向上.一根金属杆斜插在水银中，杆的上端与固定在水银槽圆心正上方的铰链相连.电源负极与金属杆上端相连，与电源正极连接的导线插入水银中.从上往下看，金属杆()A.向左摆动 B.向右摆动C.顺时针转动 D.逆时针转动 变式题组图11解析根据左手定则可知，导电金属杆所受安培力将会使其逆时针转动，D对. 解析 5.如图12所示，条形磁铁放在水平粗糙桌面上，它的正中间上方固定一根长直导线，导线中通有方向垂直纸面向里(即与条形磁铁垂直)的电流，与原来没有电流通过时相比较，磁铁受到的支持力FN和摩擦力Ff将()A.FN减小，Ff0 B.FN减小，Ff 0C.FN增大，Ff0 D.FN增大，Ff 0图12 解析磁铁的磁感线在它的外部是从N极到S极，因为长直导线在磁铁的中央上方，所以此处的磁感线是水平向左的，电流的方向垂直于纸面向里，根据左手定则，导线受磁铁的安培力方向竖直向上，由牛顿第三定律可知，导线给磁铁的反作用力方向竖直向下，因此磁铁对水平桌面的压力增大；由于导线对磁铁的作用力方向竖直向下，所以磁铁在水平方向不会产生相对运动或相对运动趋势，也就不会产生摩擦力，故选C. 6.一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合，如图13所示.当两线圈中通以图示方向的电流时，从左向右看，线圈L1将()A.不动 B.顺时针转动C.逆时针转动 D.在纸面内平动 解析图13 解析解法一(电流元法)把线圈L1沿水平转动轴分成上下两部分，每一部分又可以看成无数段直线电流元，电流元处在L2产生的磁场中，根据安培定则可知各电流元所在处的磁场方向向上，由左手定则可得，上半部分电流元所受安培力均指向纸外，下半部分电流元所受安培力均指向纸内，因此从左向右看线圈L1将顺时针转动.解法二(等效法)把线圈L1等效为小磁针，该小磁针刚好处于环形电流I2的中心，小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向，由安培定则知I 2产生的磁场方向在其中心处竖直向上，而L1等效成小磁针后，转动前，N极指向纸内，因此小磁针的N极应由指向纸内转为向上，所以从左向右看，线圈L1将顺时针转动.解析 解法三(结论法)环形电流I1、I2之间不平行，则必有相对转动，直到两环形电流同向平行为止.据此可得，从左向右看，线圈L1将顺时针转动. 求解安培力作用下通电导体的平衡问题的基本思路 考点三 通电导线在磁场中的平衡 例3如图14，一长为10 cm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0.1 T，方向垂直于纸面向里；弹簧上端固定，下端与金属棒绝缘相连.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2 .已知开关断开时两弹簧的伸长量均为0.5 cm；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 cm，重力加速度大小取10 m /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. 解析答案图14 导体棒受到的安培力大小为FBIL0.06 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：2kxmg开关闭合后：2k(xx)mgF代入数值，解得m0.01 kg.答案方向竖直向下0.01 kg 技巧点拨安培力作用下导体的分析技巧1.安培力作用下导体的平衡问题与力学中的平衡问题分析方法相同，只不过多了安培力，解题的关键是画出受力分析示意图.2.处理该类问题时，要变三维立体为二维平面图，可变难为易. 解析 7.如图15所示，两根光滑金属导轨平行放置，导轨所在平面与水平面间的夹角为.整个装置处于沿竖直方向的匀强磁场中，金属杆ab垂直导轨放置，当金属杆ab中通有从a到b的恒定电流I时，金属杆ab刚好静止.则()A.磁场方向竖直向上B.磁场方向竖直向下C.金属杆ab受平行导轨向上的安培力D.金属杆ab受水平向左的安培力 变式题组图15 解析金属杆ab静止，则受力平衡，由于磁场方向沿竖直方向，则安培力必沿水平方向，导轨对金属杆必有支持力，只有安培力的方向水平向右，金属杆ab才可能静止.根据左手定则可知磁场方向竖直向上. 解析 8.利用如图16所示装置可测磁感应强度B，矩形线圈宽为L，共N匝，磁场垂直于纸面，当线圈中通以方向如图所示的电流I时，天平处于平衡.当电流改为反方向且大小不变时，右边需加质量为m的砝码后，天平才能重新平衡，由此可知()图16 解析当电流改为反方向且大小不变时，右盘中需加砝码才能平衡，说明此时安培力方向向上.由左手定则判断可知磁场方向垂直纸面向里. 解析答案 9.(2015浙江1月学考36)如图17所示，一根质量为m、长度为L的金属细杆MN置于绝缘水平桌面上，并处在与其垂直的水平匀强磁场中.当给金属细杆通以大小为I的电流时，杆所受的支持力恰好为零并处于静止状态.重力加速度为g，求：(1)金属细杆受到安培力的方向；(2)金属细杆中电流的方向；(3)磁感应强度B的大小.图17 返回 答案(1)竖直向上(2)由M指向N返回