《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》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《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（12頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

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，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；當通過該導線電流為I時，小磁針偏轉了30；當他發(fā)現(xiàn)小磁針偏轉了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，不會有轉動．電流受到的安培力方向向左 結論 法 （1）兩電流相互平行時無轉動趨勢，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．導線框將向左擺動 B．導線框將向右擺動 C．從上往下看，導線框將順時針轉動 D．從上往下看，導線框將逆時針轉動 【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．順時針轉動，同時靠近直導線AB B．順時針轉動，同時遠離直導線AB C．逆時針轉動，同時靠近直導線AB D．逆時針轉動，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．FN1FN2，彈簧的伸長量增大 D．FN1>FN2，彈簧的伸長量減小 【答案】C 【解析】磁鐵的磁感線在它的外部是從N極到S極，因為長直導線在磁鐵的中心偏右位置，所以此處的磁感線是斜向左下的，電流的方向垂直與紙面向外，根據(jù)左手定則，導線受磁鐵給的安培力方向是斜向右下方；長直導線是固定不動的，根據(jù)物體間力的作用是相互的，導線給磁鐵的反作用力方向就是斜向左上方；導線給磁鐵的反作用力方向就是斜向左上的，將這個力分解為垂直于斜面與平行于斜面的分力，因此光滑平板對磁鐵支持力減小，由于在電流對磁鐵作用力沿斜面方向的分力向下，所以彈簧拉力拉力變大，彈簧長度將變長，故選項C正確。 【名師點睛】本題的關鍵是知道磁場對電流的作用的方向可以通過左手定則判斷，然后根據(jù)作用力和反作用力的知識進行推理分析。 考點三　安培力作用下導體的平衡問題 通電導體在磁場中受到的安培力 （1）方向：根據(jù)左手定則判斷 F、B、I三者間方向關系：已知B、I的方向（B、I不平行時），可用左手定則確定F的唯一方向．F⊥B，F(xiàn)⊥I，則F垂直于B和I所構成的平面，但已知F和B的方向，不能唯一確定I的方向． （2）大小：由公式F＝BIL計算，且其中的L為導線在磁場中的有效長度．如彎曲通電導線的有效長度L等于連接兩端點的直線的長度，相應的電流方向沿兩端點連線由始端流向末端，如圖所示． ★重點歸納★ 1．判斷通電導體在安培力作用下的運動問題時應注意以下幾點： （1）通電導體在磁場中的運動實質(zhì)是在磁場對電流的安培力作用下導體的運動． （2）明確磁場的分布和正確運用左手定則進行判斷是解題的關鍵． （3）同一問題可以用多種判斷方法分析，可以根據(jù)不同的題目選擇恰當?shù)呐袛喾椒ǎ? （4）同一導體在安培力作用下，運動形式可能會發(fā)生變化，要根據(jù)受力情況進行判斷． 2．求解安培力作用下導體棒平衡問題 （1）基本思路 （2）求解關鍵 ①電磁問題力學化． ②立體圖形平面化． 特別提醒：（1）安培力的綜合應用，一般有兩種情形：一是安培力作用下導體的平衡和加速；二是與安培力有關的功能關系問題．安培力的綜合應用是高考的熱點，題型有選擇題，也有綜合性的計算題． （2）處理這類問題，需弄清楚電流所在處的磁場分布情況，要做好受力分析，搞清物體的受力情況，然后利用牛頓運動定律或者功能關系求解． （3）在受力分析時，有時要把立體圖轉換成平面圖，即三維變二維．轉換時要標明B的方向，以便于確定安培力的方向． ★典型案例★ （多選）如圖所示，在豎直向下的勻強磁場中，有兩根豎直的平行導軌AB、CD，導軌上放有質(zhì)量為m的金屬棒MN，棒與導軌間的動摩擦因數(shù)為，現(xiàn)從t=0時刻起，給棒通以圖示方向的電流，且電流與時間成正比，即I=kt，其中k為恒量。若金屬棒與導軌始終垂直，則表示棒所受的安培力F和摩擦力f隨時間變化的四幅圖中，正確的是： （ ） 【答案】BC 【名師點睛】考查安培力的方向與大小，同時利用棒受力分析來確定運動與力的情況，并借助于牛頓第二定律來確定摩擦力和運動情況． ★針對練習1★（多選）如圖所示，將長度為L的直導線放置在y軸上，當通以大小為I、沿y軸負方向的電流后，測得其受到的安培力大小為F、方向沿x軸正方向，則勻強磁場的磁感應強度可能為： （ ） A．沿z軸正方向，大小為 B．在平面內(nèi)，大小為 C．在平面內(nèi)，大小為 D．在平面內(nèi)，大小為 【答案】CD 【解析】已知電流沿y軸負方向，安培力方向沿x軸正方向，根據(jù)左手定則判斷得知勻強磁場的磁感應強度在平面內(nèi)，設磁場與導線的夾角為，則，當時，由可知，B有最小值為，當，，所以和是可能的，故AB錯誤，CD正確。 【名師點睛】本題關鍵掌握安培力的一般公式，知道是導線與磁場方向的夾角，當時，B有最小值。 ★針對練習2★（多選）如圖兩根光滑金屬導軌平行放置，導軌所在平面與水平面間的夾角為θ。質(zhì)量為m、長為L的金屬桿ab垂直導軌放置，整個裝置處于勻強磁場中，磁場方向與ab垂直。當金屬桿ab中通有從a到b的恒定電流I時，金屬桿ab保持靜止。則磁感應強度方向和大小可能為： （ ） A．豎直上，大小為 B．平行導軌向上，大小為 C．水平向右，大小為 D．水平向左，大小為 【答案】AD 【名師點睛】本題借助磁場中安培力考查了矢量三角形合成法則求最小值問題，判斷出最小值時關鍵；以金屬桿為研究對象進行受力分析，由平衡條件判斷安培力的最小值．從而求出磁場強度的最小值，然后根據(jù)右手定則判斷磁場的方向。