第1课时磁场的描述磁场对电流的作用

专题三磁场考点内容要求考纲解读磁场、磁感应强度、磁感线Ⅰ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洛伦兹力的公式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.1.磁感应强度、磁感线、安培力、洛伦兹力的理解及安培定则和左手定则的运用，一般以选择题的形式出现．2．安培力的大小计算，以及带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的分析与计算．一般以计算题的形式出现．3．带电粒子在分立场、混合场中的运动问题仍是本章考查的重点内容，极易成为试卷的压轴题.第1课时磁场的描述磁场对电流的作用知识点一：磁场、磁感线、磁感应强度1.磁场(1)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N极所受磁场力的方向．2．磁感线在磁场中画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟该点的磁感应强度的方向一致．3．磁体的磁场和地磁场图8－1－1(1)条形磁铁(2)蹄形磁铁(3)地磁场4．磁感应强度(1)物理意义：描述磁场强弱和方向．(2)大小：B＝Φs＝FIL.(通电导线垂直于磁场)．(3)方向：小磁针静止时N极的指向．【针对训练】1．(2012·高新一中检测)下列关于磁场和磁感线的描述中正确的是()A．磁感线可以形象地描述各点磁场的方向B．磁感线是磁场中客观存在的线C．磁感线总是从磁铁的N极出发，到S极终止D．实验中观察到的铁屑的分布就是磁感线【解析】磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向，但它不是客观存在的线，可用细铁屑模拟．在磁铁外部磁感线由N极到S极，但内部是由S极到N极．故只有A正确．【答案】A知识点二：电流的磁场1.奥斯特实验：奥斯特实验发现了电流的磁效应，即电流可以产生磁场，首次揭示了电与磁的联系．2．安培定则(1)通电直导线：用右手握住导线，让大拇指指向电流的方向，则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向．(2)通电螺线管：让右手弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，大拇指所指的方向就是环形电流中轴线上的磁感线的方向或螺线管内部磁感线的方向．3．电流磁场的分布图通电直导线通电螺线管环形电流特点无磁极、非匀强，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，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纵截面图4.匀强磁场(1)磁感应强度大小处处相等，方向处处相同．(2)磁感线的间距相等、相互平行且指向相同．【针对训练】2．19世纪20年代，以塞贝克(数学家)为代表的科学家已认识到：温度差会引起电流，安培考虑到地球自转造成了太阳照射后正面与背面的温度差，从而提出如下假设：地球磁场是由绕地球的环形电流引起的．则该假设中的电流方向是(注：磁子午线是地球磁场N极与S极在地球表面的连线)()A．由西向东垂直磁子午线B．由东向西垂直磁子午线C．由南向北沿磁子午线D．由赤道向两极沿磁子午线【解析】如图所示，考虑地球的自转方向，利用安培定则可以判定磁场是由东向西的环形电流产生的，故B正确．【答案】B知识点三：磁通量1.概念在磁感应强度为B的匀强磁场中，与磁场方向垂直的面积S和B的乘积．2．公式：Φ＝B·S.3．单位：1Wb＝1_T·m2.【针对训练】3.图8－1－2如图8－1－2所示，半径为R的圆形线圈共有n匝，其中心位置处半径为r的虚线范围内有匀强磁场，磁场方向垂直线圈平面．若磁感应强度为B，则穿过线圈的磁通量为()A．πBR2B．πBr2C．nπBR2D．nπBr2【解析】磁通量与线圈匝数无关，且磁感线穿过的面积为πr2，故B项对．【答案】B知识点四：安培力的大小和方向1.图8－1－3安培力的大小如图8－1－3所示：(1)一般情况下：F＝BILsin_θ，其中θ为B与导线方向间夹角．(2)当磁场B与电流垂直时：F＝BIL.(3)当磁场B与电流平行时：F＝0.2．安培力的方向(1)用左手定则判定：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内．让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，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．(2)安培力的方向特点：F⊥B，F⊥I，即F垂直于B和I决定的平面．【针对训练】4．(2012·银川一中模拟)在赤道上，地磁场可以看做是沿南北方向并且与地面平行的匀强磁场，磁感应强度是5×10－5T．如果赤道上有一条沿东西方向的直导线，长40m，载有20A的电流，地磁场对这根导线的作用力大小是()A．4×10－8NB．2.5×10－5NC．9×10－4ND．4×10－2N【解析】地磁场方向是南北方向，电流方向是东西方向，它们相互垂直，可以利用公式F＝BIL来计算，此安培力的大小为4×10－2N.【答案】D考点一电流磁场的叠加和安培定则的应用1.直流电流或通电螺线管周围磁场磁感线的方向都可以应用安培定则判定．2．磁感应强度是矢量，叠加时符合矢量运算的平行四边形定则．图8－1－4(2012·大纲全国高考)如图8－1－4，两根相互平行的长直导线过纸面上的M、N两点，且与纸面垂直，导线中通有大小相等、方向相反的电流．a、O、b在M、N的连线上，O为MN的中点，c、d位于MN的中垂线上，且a、b、c、d到O点的距离均相等．关于以上几点处的磁场，下列说法正确的是()A．O点处的磁感应强度为零B．a、b两点处的磁感应强度大小相等，方向相反C．c、d两点处的磁感应强度大小相等，方向相同D．a、c两点处磁感应强度的方向不同【审题视点】(1)导线M、N中电流方向相反．(2)O点为M、N的中点，a、b两点和c、d两点具有对称性．【解析】根据安培定则判断磁场方向，再结合矢量的合成知识求解．根据安培定则判断：两直线电流在O点产生的磁场方向均垂直于MN向下，O点的磁感应强度不为零，故A选项错误；a、b两点的磁感应强度大小相等，方向相同，故B选项错误；根据对称性，c、d两点处的磁感应强度大小相等，方向相同，故C选项正确；a、c两点的磁感应强度方向相同，故D选项错误．【答案】C本题考查磁场的叠加和安培定则的应用，解决此类问题应注意以下几点：(1)根据安培定则确定通电导线周围磁感线的方向．(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．【即学即用】1.图8－1－5(2012·海淀区模拟)有两根长直导线a、b互相平行放置，如图8－1－5所示为垂直于导线的截面图．在图中所示的平面内，O点为两根导线连线的中点，M、N为两导线附近的两点，它们在两导线连线的中垂线上，且与O点的距离相等．若两导线中通有大小相等、方向相同的恒定电流I，则关于线段MN上各点的磁感应强度，下列说法中正确的是()A．M点和N点的磁感应强度大小相等，方向相同B．M点和N点的磁感应强度大小相等，方向相反C．在线段MN上各点的磁感应强度都不可能为零D．在线段MN上只有一点的磁感应强度为零【解析】根据安培定则和磁场的叠加原理知，M点和N点的磁感应强度大小相等，方向相反，选项A错，B对；在线段MN上只有在O点处，a、b两直导线电流形成的磁场的磁感应强度等大反向，即只有O点处的磁感应强度为零，选项C错，D正确．【答案】BD考点二安培力的受力分析和平衡问题1.安培力常用公式F＝BIL，要求两两垂直，应用时要满足：(1)B与L垂直．图8－1－6(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(如图8－1－6所示)，相应的电流方向沿L由始端流向末端．因为任意形状的闭合线圈，其有效长度为零，所以闭合线圈通电后在匀强磁场中，受到的安培力的矢量和为零．2．解题步骤(1)把立体图转化为平面图．(2)根据左手定则确定安培力的方向．(3)受力分析，画出安培力和其他力．(4)根据平衡条件列出平衡方程．图8－1－7(2012·天津高考)如图8－1－7所示，金属棒MN两端由等长的轻质细线水平悬挂，处于竖直向上的匀强磁场中，棒中通以由M向N的电流，平衡时两悬线与竖直方向夹角均为θ.如果仅改变下列某一个条件，θ角的相应变化情况是()A．棒中的电流变大，θ角变大B．两悬线等长变短，θ角变小C．金属棒质量变大，θ角变大D．磁感应强度变大，θ角变小【审题视点】(1)将立体图转化为平面图，受力分析时弄清各力的方向关系．(2)画受力图时弄清细线长度和力的大小．【解析】选金属棒MN为研究对象，其受力情况如图所示．根据平衡条件及三角形知识可得tanθ＝BIlmg，所以当棒中的电流I、磁感应强度B变大时，θ角变大，选项A正确，选项D错误；当金属棒质量m变大时，θ角变小，选项C错误；θ角的大小与悬线长无关，选项B错误．【答案】A【即学即用】2．(2011·上海高考)如图8－1－8所示，质量为m、长为L的直导线用两绝缘细线悬挂于O、O′，并处于匀强磁场中，当导线中通以沿x正方向的电流I，且导线保持静止时，悬线与竖直方向夹角为θ.则磁感应强度的方向和大小可能为()图8－1－8A．z正向，mgILtanθB．y正向，mgILC．z负向，mgILtanθD．沿悬线向上，mgILsinθ【解析】若B沿z轴正方向，导线无法平衡，A错误；若B沿y轴正方向，由左手定则，受力如图1：mg＝ILB，所以B＝mgIL，B项正确；若B沿z轴负方向，受力如图2，Tsinθ＝ILB；Tcosθ＝mg，所以B＝mgILtanθ，C项正确；若B沿悬线向上，受力如图3，导线无法平衡，D错误．图1图2图3【答案】BC思维建模：安培力的综合应用1.安培力问题的计算常和闭合电路欧姆定律相结合．2．安培力和重力、弹力、摩擦力等综合分析，可以解决平衡问题，也可以和牛顿第二定律相综合．图8－1－9(2012·宝鸡模拟)如图8－1－9所示，两平行金属导轨间的距离L＝0.40m，金属导轨所在的平面与水平面夹角θ＝37°，在导轨所在平面内，分布着磁感应强度B＝0.50T、方向垂直于导轨所在平面的匀强磁场．金属导轨的一端接有电动势E＝4.5V、内阻r＝0.50Ω的直流电源．现把一个质量m＝0.040kg的导体棒ab放在金属导轨上，导体棒恰好静止．导体棒与金属导轨垂直且接触良好，导体棒与金属导轨接触的两点间的电阻R0＝2.5Ω，金属导轨电阻不计，g取10m/s2.已知sin37°＝0.60，cos37°＝0.80，求：(1)通过导体棒的电流；(2)导体棒受到的安培力大小；(3)导体棒受到的摩擦力．【潜点探究】解答此题可以建立斜面物体的模型，将立体图转化为平面图，通过受力分析，根据平衡条件求解．【规范解答】(1)根据闭合电路欧姆定律I＝ER0＋r＝1.5A.(2)导体棒受到的安培力F安＝BIL＝0.30N.(3)导体棒受力如图，将重力正交分解F1＝mgsin37°＝0.24NF1＜F安，根据平衡条件mgsin37°＋f＝F安，解得：f＝0.06N.【答案】(1)1.5A(2)0.30N(3)0.06N【即学即用】3.图8－1－10(2012·上海高考)载流长直导线周围磁场的磁感应强度大小为B＝kI/r，式中常量k＞0，I为电流强度，r为距导线的距离．在水平长直导线MN正下方，矩形线圈abcd通以逆时针方向的恒定电流，被两根轻质绝缘细线静止地悬挂，如图8－1－10所示．开始时MN内不通电流，此时两细线内的张力均为T0.当MN通以强度为I1的电流时，两细线内的张力均减小为T1，当MN内电流强度变为I2时，两细线内的张力均大于T0.(1)分别指出强度为I1、I2的电流的方向；(2)求MN分别通以强度为I1、I2的电流时，线框受到的安培力F1与F2大小之比；(3)当MN内的电流强度为I3时两细线恰好断裂，在此瞬间线圈的加速度大小为a，求I3.【解析】(1)根据题意知，I1方向向左，I2方向向右(2)线框中通电流I1时，Fab＝B1I1L＝kIr1I1LF