2019-2020年高考物理 磁场对电流的作用讲义.doc

2019-2020年高考物理 磁场对电流的作用讲义温故自查1磁场(1)产生：磁场是一种特殊的物质，产生于和 周围(2)特点：磁场对放入磁场中的磁极和电流的作用(3)方向：规定磁场中任意一点的小磁针静止时N极的指向(小磁针N极受力方向)为该点的磁场的方向磁极电流有力2磁感线(1)特点：不是真实存在的，是人们为了形象描述磁场而假想的；是闭合曲线，磁体的外部是从N极到S极；内部是从S极到N极；磁感线的密疏表示磁场的强弱，磁感线上某点的表示该点的磁场方向(2)两种常见的磁感线条形磁铁和蹄形磁铁的磁场：在磁体的外部，磁感线从N极射出进入S极，在内部也有相应条数的磁感线(图中未画出)与外部磁感线衔接并组成切线方向闭合曲线(3)安培定则右手直导线定则：用右手握住通电直导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向右手螺线管定则：用右手握住环形导线，让弯曲的四指所指的方向跟电流的环绕方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线的中心轴线上磁感线的方向(4)用安培定则判断典型常见的电流磁场的磁感线分布直线电流的磁场：如图所示，直线电流的磁感线是在垂直于导线平面上的以导线上某点为圆心的同心圆，其分布呈现“中心密边缘疏”的特征环形电流的磁场：如图所示，环形电流的磁感线是一组穿过环所在平面的曲线，在环形导线所在平面处，各条磁感线都与环形导线所在的平面垂直通电螺线管的磁场：如图所示，通电螺线管的磁感线与条形磁铁相似，一端相当于磁北极N，另一端相当于磁南极S.匀强磁场：如图甲所示，磁场的某些区域内，若磁感线为同向的等间距的平行密线，则这个区域的磁场叫匀强磁场地球的磁场：地球的磁场与条形磁铁的磁场相似，其主要特点有三个：A地磁场的N极在地球的南极附近，S极在地球的北极附近，磁感线分布如图乙所示B地磁场B的水平分量(Bx)总是从地球南极指向地球北极，而竖直分量By在南半球垂直地面向上，在北半球垂直地面向下；C在赤道平面上，距离地球表面高度相等的各点，磁感应强度相等，且方向水平向北3磁现象的电本质(1)安培分子电流假说：物质微粒内部存在着环形分子电流对各种磁现象解释：分子电流取向杂乱无章时无磁性，分子电流取向大致时有磁性(2)磁现象的电本质：磁铁和电流的磁场都是由而产生的相同运动电荷考点精析磁感线与电场线的联系与区别：电场线是用于形象描述静电场的分布，磁感线是用于形象描述磁场的分布静电场的电场线是不闭合的；磁场的磁感线是闭合的静电场电场线上某点切向(沿电场线方向)；磁场磁感线上某点切向既表示该点磁场方向，又表示小磁针N极在该点所受磁场力的方向，但不表示该点放置通电导线或运动电荷所受力的方向注意：1.在应用安培(右手螺旋)定则判定直线电流和通电螺线管(环形电流可视为单匝螺线管)的磁场方向时，应注意分清“因”和“果”：在判定直线电流的磁场方向时，大拇指指向“原因电流方向”，四指指向“结果磁场绕向”，大拇指指向“结果螺线管内部沿中心轴线的磁感线方向，即指向螺线管的N极”2通电螺线管内部的磁场是匀强磁场，且由S极指向N极.温故自查1磁感应强度(1)物理意义：表示磁场强弱的物理量(2)定义：在磁场中垂直磁场方向的通电导线，受到的安培力跟电流和导线长度的乘积的比值(3)表达式： (4)矢量性：方向为该点的磁场方向，即通过该点的磁感线的切线方向(5)单位：特斯拉(T)2匀强磁场(1)定义：磁感应强度的大小 、方向 的磁场称为匀强磁场(2)特点匀强磁场中的磁感线是疏密程度相同的方向相同的平行直线；距离很近的两个异名磁极之间的磁场和通电螺线管内部的磁场(边缘部分除外)都可以认为是匀强磁场处处相等处处相同1定义：磁感应强度是表示磁场强弱的物理量，在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，受到的磁场力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度，用B表示，即BF/IL.磁感应强度的单位由F、I和L的单位决定，在国际单位中，B的单位是特斯拉，简称特，国际符号是T.1T1N/(Am)2磁感应强度是矢量，磁场中某点的磁感应强度的方向就是该点的磁场方向，即通过该点的磁感线的切线方向考点精析3磁场的矢量性：磁感应强度是矢量，常将它按矢量的运算法则进行分解，而以其分量来代替它的作用，这在求磁通量、磁场对电流的作用力等多处用到，当空间中某点处有多个磁场相叠加时的合磁场也是按矢量合成的方法来求得的温故自查1安培力的方向(1)安培力：通电导线在磁场中受的力实验表明安培力的方向与、都有关系(2)左手定则：伸开左手，让拇指与其余四指，并且都与手掌在同一个平面内让磁感线从掌心进入，并使四指指向，这时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(3)两平行的通电直导线，同向电流互相 ，异向电流互相磁场方向电流方向电流的方向吸引排斥2安培力的大小(1)垂直于匀强磁场放置，长为L的直导线，通过的电流为I时，它所受的安培力.(2)当磁感应强度B的方向与导线方向成角时，F.这是一般情况下安培力的表达式，以下是两种特殊情况：当磁场与电流时，安培力最大，FmaxBIL.当磁场与电流时，即磁场方向与电流方向相同或相反时，安培力为零FBILBILsin垂直平行考点精析1安培力的方向特点(1)与电场力比较磁场和电场有很多相似之处，但是，安培力比库仑力复杂得多点电荷在电场中受力方向和电场方向不是相同就是相反；而电流在磁场中受力的方向与磁场的方向不在同一条直线上，而且不在同一个平面内，安培力的方向与磁场方向和电流方向决定的平面垂直(2)方向确定通电导线I放在磁场B之中，是安培力F产生的原因所以F的方向由I、B决定安培力F的方向总与磁场B方向和通电导线电流I的方向所决定的平面垂直，但磁场的方向与电流的方向不一定垂直，可以成任意夹角由磁场B的方向和电流I的方向确定安培力F的方向是唯一的，但由F和B(或I)方向确定I(或B)的方向不唯一2安培力的大小和做功情况(1)应用公式FBIL时需要注意：B与L垂直；L是有效长度，如图曲线ACB中如果通电电流为I，则其受水平向右的安培力FBIL；B并非一定是匀强磁场，但一定是导线所在处的磁感应强度(2)安培力做功的实质：能量的传递安培力做正功：是将电源的能量传递给通电导线或转化为导线的动能或转化为其他形式的能；安培力做负功：是将其他形式的能转化为电能，或储存或再转化为其他形式的能温故自查1磁电式仪表的主要构成磁电式电流表(构造示意图如图所示)，主要由五部分组成：(1)蹄形磁铁(2)圆柱形铁芯，在蹄形磁铁的两极间(3)铝框，套在铁芯外，可绕轴转动(4)线圈，绕在铝框上(5)两个螺旋弹簧及一个指针，装在铝框的转轴上，被测电流经过两个弹簧接入线圈，指针用于指示电流值固定2磁电式电流表的工作原理：如图所示由于这种磁场的方向总沿着径向均匀辐射地分布，在距轴线等距离处的磁感应强度的大小 ，这样不管线圈转到什么位置，线圈平面总跟它所在位置的磁感线平行，安培力的方向总与线圈平面垂直，I与指针偏角成正比，I越大指针偏转角度越大，因而电流表可以量出电流I的大小，且刻度是均匀的当线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随着改变，指针偏转方向也随着改变即可知道被测电流的方向总是相等的考点精析磁场对通电线圈的作用如图甲所示，通电的矩形线圈abcd处在匀强磁场中，线圈平面与磁感线成角线圈的受力特点：(1)线圈所受磁场力的合力总为零线圈的ad边与bc边所受安培力Fad和Fbc等值反向共线是平衡力，ab边和cd边受的安培力Fab和Fcd也是等值反向的(2)线圈受磁场力的力矩作用由于ab边和cd边所受安培力不在一条直线上，形成磁力矩M，线圈会发生转动，如图乙所示长方形线圈长L1、宽L2，线圈匝数为n，处于磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈平面跟磁场方向间的夹角为，当线圈通有电流I，线圈所受的磁力矩为MnBIL1L2cosnBIScos.说明：(1)磁力矩的大小与线圈形状无关，与线圈面积有关；(2)当线圈的转轴与磁感线垂直时，磁力矩与转轴位置无关；(3)当0时，即线圈与磁感线方向平行时磁力矩最大，MmnBIS；当90时，线圈与磁感线方向垂直，磁力矩最小为零命题规律磁感应强度是矢量，它的叠加遵循平行四边形定则则考例1在同一平面内有四根彼此绝缘的通电直导线，如图所示，四根导线中电流i4i3i2i1，要使O点磁场增强，则应切断哪一根导线中的电流 ()Ai1Bi2Ci3 Di4解析根据安培定则，i1、i2、i3、i4在O点的磁场方向分别为垂直于纸面向里、向里、向里、向外，且i3i4，知切断i4可使O点的磁场增强答案D总结评述本题考查了直线电流的磁场分布及磁场叠加的定性判断，要求同学们熟悉常见的磁场的空间分布及磁场方向的判定两根通电的长直导线平行放置，电流分别为I1和I2，电流的方向如图所示，在与导线垂直的平面上有a、b、c、d四点，其中a、b在导线横截面连接的延长线上，c、d在导线横截面连线的垂直平分线上则导体中的电流在这四点产生的磁场的磁感应强度可能为零的是()Aa点 Bb点Cc点 Dd点解析I1和I2的磁场方向分别为逆时针和顺时针方向，那么c、d两点的磁场方向不可能相反，由c、d两点的磁感应强度不可能为零，故C、D错误当I1大于I2时，b点的磁感应强度可能为零；当I1小于I2时，a点的磁感应强度可能为零，选项A、B正确答案AB命题规律根据通电导体或磁体所受的安培力，判断物体的运动方向考例2如图所示，不在同一平面内的两互相垂直的导线，其中MN固定，PQ可以自由运动，当两导线中通入图示方向电流I1、I2时，导线PQ将()A顺时针方向转动，同时靠近导线MNB顺时针方向转动，同时远离导线MNC逆时针方向转动，同时靠近导线MND逆时针方向转动，同时远离导线MN解析先由右手螺旋定则确定磁场，再由左手定则判定电流在磁场中受到安培力的方向，进而确定导线运动情况为判断导线PQ的运动情况，需要确定它的受力情况，应先确定导线MN中的电流I1产生的磁场方向，画出俯视图(b)，由安培定则画出PQ所在处的磁场方向，由左手定则可判断出导线PQ中的电流I2所受磁场力的方向是：PQ导线的右半段受到垂直于纸面向外的力，左半段受到垂直纸面向里的力，导线PQ旋转到如图(c)所示位置时导线受到指向MN方向的力，其实只要PQ由(b)位置转过一小段后即可出现指向MN方向之分力，所以PQ是边逆时针转动，边向MN靠近，故答案为C.答案C总结评述(1)判断两电流之间作用力：先将其中一电流置于另一电流磁场中，注意对称性分析，根据电流所在处位置的磁感应强度B的方向，用左手定则确定受到的磁场力方向，由此确定导线的运动(2)也可以根据同向平行电流相吸，异向平行电流相斥来判定导线受力及运动(3)如判定环形电流受力，也可将环形电流等效为磁体，根据同名磁极相斥，异名磁极相吸来分析判定环形电流受力情况质量为m的金属导体棒置于倾角为的导轨上，棒与导轨间的动摩擦因数为，当导体棒通过垂直纸面向里的电流时，恰能在导轨上静止下列四个选项中，标出了四种可能的匀强磁场方向，其中导体棒与导轨间的摩擦力可能为零的是()解析由左手定则，可分别判断出导体棒所受安培力的方向如图所示；由安培力方向可知，重力沿斜面方向的分力可能与安培力沿斜面方向分力相平衡的是ACD.当重力沿斜面方向的分力与安培力沿斜面方向的分力大小相等、方向相反时，摩擦力大小为零答案ACD命题规律根据物体的受力分析和平衡条件，判断物体所受安培力的大小考例3在倾角为的光滑斜面上，置一通有电流I，长为l，质量为m的导体棒，如图所示，试求(1)欲使棒静止在斜面上，外加匀强磁场的磁感应强度B的最小值和方向；(2)欲使棒静止在斜面上且对斜面无压力，外加匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向；(3)分析棒有可能静止在斜面上且要求B垂直l，应加外磁场的方向的范围解析取通电导体棒为研究对象，所受力为重力mg、弹力FN、安培力F，属于三个共点力的平衡问题，要使棒静止在斜面上，当安培力等于重力沿斜面向下的分力mgsin且B垂直l时，B值最小要使棒对斜面无压力，则棒不受斜面的支持力，此时应有安培力与重力相平衡，导体棒只受两个力作用(1)因IlBmgsin，所以 由左手定则知，B的方向垂直斜面向上(2)mgIlB，B ，由左手定则知，B的方向应水平向左(3)此问题研究的只是问题的可能性，并没有具体研究满足平衡的定量关系，为讨论问题方便建立如图所示的直角坐标系欲使棒有可能平衡，安培力F的方向应包括F1的方向，但不能包括F2的方向，根据左手定则，B与x的夹角满足.总结评述一般斜面问题选取的坐标系为沿斜面方向和垂直于斜面方向，该题选择竖直方向和水平方向反而更为简单，因为需要分解的力的个数减少如图所示，M、N为两条水平放置的平行金属导轨，电阻不计，导轨间距d0.2m.轨道上放置一质量m50g的均匀金属棒ab，其长L0.3m，总电阻R0.75，棒与两导轨相垂直已知电源电动势E6V，内电阻r0.5，电阻R02；整个装置放在匀强磁场中，磁感线与ab棒垂直，这时ab棒对轨道的压力恰好为零，且棒仍处于静止状态，求匀强磁场的磁感应强度(g取10m/s2，不计导线电阻)解析金属棒ab受力分析如图所示由平衡条件知：mgBId.解得B1.25T.答案1.25T