2021高考物理一轮复习第九章磁场第1节磁吃电流的作用教案鲁科版

1、第九章磁场2018级福建省普通高中教学指导意见与2021年选择考预测内容标准1.列举磁现象在生活、生产中的应用.了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响.关注与磁相关的现代技术发展.2.了解磁场,知道磁感应强度和磁通量.会用磁感线描述磁场.3.会判断通电直导线和通电线圈周围磁场的方向.4.通过实验,认识安培力.会判断安培力的方向.会计算匀强磁场中安培力的大小.5.通过实验,认识洛伦兹力.会判断洛伦兹力的方向,会计算洛伦兹力的大小.了解电子束的磁偏转原理以及在科学技术中的应用.6.认识电磁现象的研究在社会发展中的作用.选择考预测高考对本章内容的考查,选择题多考查磁场的基本概念及右手

2、定则,难度适中;计算题难度中等偏上或较大,试题内容综合性较强,经常以压轴题的形式出现,试题综合考查力与运动以及运用数学知识解决物理问题的能力,尤其是对高新科技仪器物理原理的考查,这对考生物理建模及信息迁移的能力要求较高.2021年选择性考试改为福建本省自主命题且实行单科考试后,考试时长和试题题量均会相应增加,预计2021年的考试中,本章知识一定是考查的热点和难点,需要着重关注由安培定则判定磁场的方向、左手定则及磁场的叠加等知识点的考查,带电粒子在有界匀强磁场中的匀速圆周运动、带电粒子在复合场中的运动并运用数学知识解决的这类综合题出现的概率很大,且难度较大.全国卷考情分析供老师参考考点内容要求高

3、考(全国卷)三年命题情况对照分析201720182019磁场、磁感应强度、磁感线卷t19:安培定则、左手定则卷t18:带电粒子在圆形磁场中的运动t21:安培力、左手定则卷t18:磁感应强度的合成、安培定则卷t19:安培定则t23:组合场、匀速圆周运动及其相关的知识点卷t20:右手定则、矢量叠加t25:组合场、匀速圆周运动及其相关的知识点卷t24:组合场、匀速圆周运动及其相关的知识点卷t17:安培定则、左手定则、矢量叠加t24:带电粒子在三角形磁场中的运动卷t17:带电粒子在正方形磁场中的运动卷t18:组合场、匀速圆周运动及其相关的知识点通电直导线和通电线圈周围磁场的方向安培力、安培力的方向匀强

4、磁场中的安培力洛伦兹力、洛伦兹力的方向洛伦兹力公式带电粒子在匀强磁场中的运动质谱仪和回旋加速器备考策略:1.考查方式:近几年高考对该部分内容考查重点是磁场的叠加、安培力和带电粒子在磁场(或复合场)中的运动,命题形式有选择题,也有综合性较强的计算题且难度较大.2.命题趋势:预计仍将以带电粒子在磁场中运动的综合分析为重点,出现大型综合题的概率较大.以现代科技为载体,对安培力、洛伦兹力进行考查,仍将是今后高考命题的趋势.第1节磁场对电流的作用教材梳理·自主预习知识梳理一、磁场的基本性质及常见磁场1.磁场的基本性质磁场对处于其中的磁体和运动电荷有磁场力的作用.2.匀强磁场(1)定义:在磁场的

5、某个区域内,如果各点的磁感应强度大小和方向都相同,这个区域的磁场叫做匀强磁场.(2)特点:磁感线是一组平行且等距的直线.3.地磁场(1)地磁的n极在地理南极附近,s极在地理北极附近.(2)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.4.电流的磁场直线电流的磁场通电螺线管的磁场环形电流的磁场特点非匀强磁场,且距导线越远处磁场越弱与条形磁铁的磁场相似,管内为匀强磁场且磁场最强,管外为非匀强磁场环形电流的两侧是n极和s极,且离圆环中心越远,磁场越弱安培定则立体图横截面图二、磁感应强度磁感线1.磁感线及其特点(1)磁感线:在磁场中画出一些有方向的假想曲线,在磁感线上,任意

6、一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同,都代表磁场中该点小磁针北极受力的方向.(2)特点磁感线上某点的切线方向就是该点的磁场方向.磁感线的疏密定性地表示磁场的强弱.磁感线是闭合曲线,没有起点和终点.磁感线是假想的曲线,客观上不存在.2.磁感应强度(1)物理意义:描述磁场的强弱和方向.(2)大小:穿过垂直于磁感线的单位面积的磁感线条数.(3)方向:小磁针的n极所受磁场力的方向,也就是小磁针静止时n极的指向.(4)单位:特斯拉,符号t.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=ilb.(2)磁场和电流平行时:f=0.2.安培力的方向左手定则判断:(1)伸开

7、左手,让拇指与其余四指垂直,并与手掌在同一平面内.(2)让磁感线垂直穿过手心,四指指向电流方向.(3)拇指所指方向即为通电直导线在磁场中的受力方向.自主探究按照上图所示进行实验.若仅使磁场方向(或电流方向)反向,通电导线的受力方向是否改变?若同时使磁场方向和电流方向均反向,通电导线的受力方向是否改变?答案:若仅使磁场方向(或电流方向)反向,通电导线的受力方向反向;若同时使磁场方向和电流方向均反向,通电导线的受力方向不变.小题检测1.思考判断(1)磁场是客观存在的,磁感线实际上是不存在的.()(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.(×)(3)磁场

8、中某点磁感应强度的大小,跟放在该点的试探电流元的情况无关.()(4)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.(×)(5)1820年,丹麦物理学家奥斯特发现电流可以使周围的小磁针发生偏转,称为电流的磁效应.()2.(2019·山东德州模拟)指南针是我国古代的四大发明之一.当指南针静止时,其n极指向如图中虚线(南北向)所示,若某一条件下该指南针静止时n极指向如图实线(n极指向北偏东)所示.则以下判断正确的是(c)a.可能在指南针上面有一导线东西放置,通有由东向西的电流b.可能在指南针上面有一导线东西放置,通有由西向东的电流c.可能在指南针上面有一导线南北放置

9、,通有由北向南的电流d.可能在指南针上面有一导线南北放置,通有由南向北的电流解析:若指南针静止时n极指向北偏东方向,则有一指向东的磁场,由安培定则知,可能在指南针上面有一导线南北放置,通有由北向南的电流,故c正确.3.(2019·四川成都一诊)如图,水平放置的两根等高固定长直导线的截面图,o点是两导线连线的中点,a,b是过o点的竖直线上与o点距离相等的两点,两导线中通有大小相等、方向相反的恒定电流.下列说法正确的是(c)a.两导线之间存在相互吸引的安培力b.o点的磁感应强度为零c.o点的磁感应强度方向竖直向下d.a,b两点的磁感应强度大小相等、方向相反解析:同向电流相互吸引,异向电流

10、相互排斥,a错误;两根导线中的电流在o点的磁感应强度方向都是竖直向下的,不为零,b错误,c正确;根据磁场的叠加原理可知,a,b两点磁感应强度大小相等、方向相同,d错误.4.(2019·河南南阳联考)如图所示,长为l、质量为m的导体棒ab置于倾角为的光滑斜面上.导体棒与斜面的水平底边始终平行.已知导体棒通以从b向a的电流,电流为i,重力加速度为g.匀强磁场方向竖直向上,为使导体棒静止在斜面上,求磁感应强度b的大小.解析:导体棒受力如图所示,由平衡条件得f=mgtan ,且f=ilb.联立解得b=tan .答案:tan 考点研析·感悟提升考点一安培定则的应用及磁场叠加1.安培定

11、则的应用在运用安培定则时应分清“因”和“果”,电流是“因”,磁场是“果”,既可以由“因”判断“果”,也可以由“果”追溯“因”.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.例1 (2019·云南玉溪月考)如图所示,a,b是两根垂直纸面的通有等值电流的直导线,两导线外有一点p,p点到a,b距离相等,要使p点的磁场方向向右,则a,b中电流的方向为(c)a.都垂直纸面向外b.都垂直纸面向里c.a中电流方向垂直纸面向外,b中垂直纸面向里d.a中电流方向垂直纸面向里,b中垂直纸面向外解析:若a,b中

12、电流方向均垂直纸面向外,根据安培定则判断可知,a在p处产生的磁场的方向垂直于ap连线向上,b在p处产生的磁场的方向垂直于bp连线向上,根据平行四边形定则进行合成,p点的磁感应强度方向竖直向上,故a错误;若a,b中电流方向均垂直纸面向里,同理可知,p点的磁感应强度方向竖直向下,故b错误;若a中电流方向垂直纸面向外,b中垂直纸面向里,同理可知,p点的磁感应强度方向水平向右,故c正确;若a中电流方向垂直纸面向里,b中垂直纸面向外,同理可知,p点的磁感应强度方向水平向左,故d错误.针对训练 (2019·湖北八校二模)如图所示,a,b,c,d,e是圆周上等间距的五个点,在这些点上各固定一根垂直

13、于纸面的通电导体棒,a点处的通电导体棒中的电流垂直于纸面向里,其余各点处的通电导体棒中的电流均垂直于纸面向外,所有通电导体棒中的电流大小均为i.已知a点处的通电导体棒在圆心o点处产生的磁感应强度大小为b0,则五根通电导体棒在圆心o处产生的磁感应强度大小为(d)a.b0b.b0c.b0d.2b0解析:若a点处通电导体棒中电流方向也是垂直纸面向外,由对称性可知o点处磁感应强度为零,此时其余四点处的通电导体棒在o点处产生的合磁感应强度大小为b0,方向与此时a点处通电导体棒在o点处产生的磁感应强度方向相反,将a点处通电导体棒中的电流方向反向,那么其在o点处产生的磁感应强度与其余四点处通电导体棒在o点处

14、产生的磁感应强度大小相等,方向相同,所以五根通电导体棒在圆心o处产生的磁感应强度大小为2b0,选项d正确.考点二安培力作用下导体运动趋势的判断1.在应用左手定则判定安培力方向时,磁感线方向不一定垂直于电流方向,但安培力的方向一定与磁场方向和电流方向垂直,即大拇指一定要垂直于磁场方向和电流方向决定的平面.2.用公式f=ilb计算安培力大小时应注意(1)b与i垂直.(2)l是有效长度.当b与i垂直时,f最大,f=ilb;当b与i平行时,f=0.弯曲导线的有效长度l等于在垂直磁场平面内的投影两端点所连线段的长度(如图所示),相应的电流方向沿l由始端流向末端.闭合线圈通电后,在匀强磁场中受到的安培力的

15、矢量和为零.3.判定安培力作用下导体运动情况的常用方法电流元法将整段导体分割为电流元安培力方向整段导体所受合力方向运动方向特殊位置法在特殊位置安培力方向运动方向等效法环形电流小磁针条形磁铁通电螺线管多个环形电流结论法同向电流互相吸引,异向电流互相排斥;两不平行的直线电流相互作用时,有转到平行且电流方向相同的趋势转换研究对象法例如,在定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动或运动趋势的问题时,可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力,然后由牛顿第三定律,确定磁体所受电流磁场的作用力,从而确定磁体所受合力及运动方向例2 (2019·河北保定一模)一个可以自由运动的线圈l1和一个固定的线圈l2互相

16、绝缘垂直放置,且两个线圈的圆心重合,如图所示.当两线圈中通以图示方向的电流时,从左向右看,线圈l1将(b)a.不动b.顺时针转动c.逆时针转动d.在纸面内平动解析: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.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i2产生的磁场方

17、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.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.判定通电导体在安培力作用下的运动或运动趋势,首先必须弄清楚导体所在位置的磁场磁感线分布情况,然后利用左手定则准确判定导体的受力情况,进而确定导体的运动方向或运动趋势的方向.1.(电流元法+特殊位置法)(2019·山东济南一模)如图所示,把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方,导线可以自由转动,当导线通

18、入图示方向电流i时,导线的运动情况是(从上往下看)(a)a.顺时针方向转动,同时下降b.顺时针方向转动,同时上升c.逆时针方向转动,同时下降d.逆时针方向转动,同时上升解析:如图(甲)所示,把直线电流等效为无数小段,中间的点为o点,选择o点左侧s极右上方的一小段为研究对象,该处的磁场方向指向左下方,由左手定则判断,该小段受到的安培力的方向垂直纸面向里,在o点左侧的各段电流元都受到垂直纸面向里的安培力,把各段电流元受到的力合成,则o点左侧导线受到垂直纸面向里的安培力;同理可判断,o点右侧的导线受到垂直纸面向外的安培力.因此,由上向下看,导线沿顺时针方向转动,然后再分析导线转过90°时的

19、情形,如图(乙)所示,此时导线中的电流垂直纸面向外,根据左手定则判断得安培力方向向下,故a正确.2.(转换研究对象法)如图所示,条形磁铁放在光滑斜面上,用平行于斜面的轻弹簧拉住而平衡,a为水平放置的直导线的截面,导线中无电流时磁铁对斜面的压力为n1;当导线中有垂直纸面向外的电流时,磁铁对斜面的压力为n2,则下列关于磁铁对斜面的压力和弹簧的伸长量的说法中正确的是(c)a.n1<n2,弹簧的伸长量减小b.n1=n2,弹簧的伸长量减小c.n1>n2,弹簧的伸长量增大d.n1>n2,弹簧的伸长量减小解析:在题图中,由于条形磁铁的磁感线是从n极出发到s极,所以可画出磁铁在导线a处的一条

20、磁感线,其方向是斜向左下方的,如图所示.导线a中的电流垂直纸面向外时,由左手定则可判断导线a必受斜向右下方的安培力f,由牛顿第三定律可知磁铁所受作用力f的方向是斜向左上方,所以磁铁对斜面的压力减小,即n1>n2,同时,f有沿斜面向下的分力,使得弹簧弹力增大,可知弹簧的伸长量增大,故c正确.考点三安培力作用下导体的平衡与加速1.与安培力有关的力学问题与其他力学问题一样,受力分析是关键.利用左手定则正确分析安培力的方向,用安培力公式正确求解其大小,根据平衡条件或牛顿第二定律列方程求解.2.将三维图转换为二维平面图,即通过画俯视图、剖面图、侧视图等,将立体图转换为平面受力图.例3 (2019&

21、#183;安徽江淮十校联考)如图所示,质量m=0.5 kg 的通电导体棒在安培力作用下静止在倾角为37°、宽度l=1 m的光滑绝缘框架上,磁场方向垂直框架平面向下(磁场仅存在于绝缘框架内).右侧回路中,电源的电动势e=8 v、内阻r=1 ,额定功率为8 w、额定电压为4 v的电动机m正常工作.取sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,重力加速度大小g=10 m/s2,则磁场的磁感应强度大小为(c)a.2 tb.1.73 tc.1.5 td.1 t解析:电动机m正常工作时的电流i1=2 a,电源内阻上的电压u=e-u=8 v-4 v=4 v,根据欧姆定律得干

22、路中的电流i=4 a,通过导体棒的电流i2=i-i1=2 a,导体棒受力平衡,有bi2l=mgsin 37°,得b=1.5 t,选项c正确.1.(安培力作用下导体的平衡)(2019·河南师大附中一模)(多选)在倾角=30°的光滑导体滑轨的上端接入一个电动势e=3 v,内阻r=0.1 的电源,滑轨间距l=10 cm,将一个质量m=30 g,电阻r=0.4 的金属棒水平放置在滑轨上.若滑轨周围加一匀强磁场,当闭合开关s后,金属棒刚好静止在滑轨上,如图所示,则磁感应强度的大小和方向是(ac)a.磁感应强度有最小值0.25 t,方向垂直斜面向下b.磁感应强度有最小值0.5

23、 t,方向垂直斜面向上c.磁感应强度有可能值0.5 t,方向水平向右d.磁感应强度有可能值0.25 t,方向水平向左解析:由题意知,电路中的电流i=6 a,对金属棒受力分析可知,当安培力沿斜面向上时,安培力最小,此时f安=mgsin =0.15 n,当安培力最小,且磁感应强度方向与电流方向相互垂直时,磁感应强度最小,为bmin=0.25 t,磁感应强度的方向为垂直斜面向下,a项正确,b项错误;当安培力竖直向上、大小等于金属棒的重力时,金属棒也可静止,此时磁感应强度b=0.5 t,方向水平向右,c项正确,d项错误.2.(加速问题)(2019·吉林延边期末)在与水平方向成角的倾斜光滑导轨

24、上放一质量为m的导体棒ab(导轨宽度为l,导轨和棒的电阻不计),电源电动势为e,内电阻为r,定值电阻阻值为r,整个装置放在磁感应强度为b的匀强磁场中,磁场方向竖直向下,如图所示.(1)求释放瞬间导体棒所受安培力的大小和方向.(2)求导体棒由静止释放瞬间的加速度的大小.解析:(1)由闭合电路欧姆定律有i=导体棒受到的安培力f=,方向水平向右.(2)以导体棒为研究对象,受力情况如图根据牛顿第二定律有mgsin -fcos =ma解得a=.答案:(1),方向水平向右(2)1.(2019·全国卷,17)如图,等边三角形线框lmn由三根相同的导体棒连接而成,固定于匀强磁场中,线框平面与磁感应强

25、度方向垂直,线框顶点m,n与直流电源两端相接,已知导体棒mn受到的安培力大小为f,则线框lmn受到的安培力的大小为(b)a.2fb.1.5fc.0.5fd.0解析:设每根导体棒的电阻为r,长度为l,则上、下两并联电路的电阻之比为r1r2=2rr=21,根据欧姆定律可知,电流之比为i1i2=12.上支路两导体受安培力的有效长度为l,根据安培力计算公式f=ilb,上下两支路所受安培力之比为f1f2=i1i2=12,又f2=f,则f1=0.5f,根据左手定则可知,两个安培力的方向相同,故线框lmn所受的安培力大小为1.5f,故b正确.2.(2018·全国卷,20)(多选)如图,纸面内有两条互相垂直的长直绝缘导线l1,l2,l1中的电流方向向左,l2中的电流方向向上;l1的正上方有a,b两点,它们相对于l2对称.整个系统处于匀强外磁场中,外磁场的磁感应强度大小为b0,方向垂直于纸面向外.已知a,b两点的磁感应强度大小分别为b0和b0,方向也垂直于纸面向外.则(ac)a.流经l1的电流在b点产生的磁感应强度大小为b0b.流经l1的电流在a点产生的磁感应强度大小为b0c.流经l2的电流在b点产生的磁感应强度大小为b0d.流经l2的电流在a点产生的磁