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第1讲磁场的描述磁场对电流的作用一磁场、磁感应强度二磁感线及其特点三安培力的大小和方向基础过关考点一描述磁场物理量的应用考点二安培力及安培力作用下导体的运动考点三安培力作用下导体的力学问题考点突破基础过关一、磁场、磁感应强度1.磁场(1)定义:磁场是①磁体、②电流周围存在的一种特殊物质。(2)基本性质:磁场对处于其中的磁体、电流和运动电荷有③力的作用。(3)方向:小磁针的N极所受磁场力的方向。FIL2.磁感应强度(1)物理意义:描述磁场的④强弱和方向。(2)定义式:B= (通电导线垂直于磁场)。(3)方向:小磁针在磁场中静止时N极所指的方向。(4)单位:⑤特斯拉,符号为T。二、磁感线及其特点1.磁感线:在磁场中画出一些曲线,使曲线上每一点的⑥切线方向都跟这点的磁感应强度的方向一致。2.磁感线的特点(1)磁感线上某点的⑦切线方向就是该点的磁场方向。(2)磁感线的疏密程度定性地表示磁场的⑧强弱,在磁感线较密的地方磁场⑨较强,在磁感线较疏的地方磁场⑩较弱。(3)磁感线是闭合曲线,没有起点和终点。在磁体外部,磁感线从 N极指向 S极;在磁体内部,磁感线由 S极指向 N极。(4)同一磁场的磁感线不 中断,不 相交,不相切。(5)磁感线是假想的曲线,客观上不存在。3.电流周围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 三、安培力的大小和方向1.安培力(1)方向:根据左手定则判断。(2)大小:由公式 F=BIL计算,其中L为通电导线在磁场中的有效长度。如弯曲通电导线的有效长度L等于连接两端点的线段长度,相应的电流方向沿两端点连线由始端流向末端,如图所示。 2.左手定则伸开左手,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。1.判断下列说法对错。(1)磁场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。 (√)(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)垂直磁场放置的线圈面积减小时,穿过线圈的磁通量可能增大。 (√)(4)小磁针N极所指的方向就是该处磁场的方向。 (✕)(5)在同一幅图中,磁感线越密,磁场越强。 (√)(6)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。 (✕)2.关于通电直导线在匀强磁场中所受的安培力,下列说法正确的是 (B)A.安培力的方向可以不垂直于直导线B.安培力的方向总是垂直于磁场的方向C.安培力的大小与通电直导线和磁场方向的夹角无关D.将直导线从中点折成直角,安培力的大小一定变为原来的一半3.如图所示,甲、乙是直线电流的磁场,丙、丁是环形电流的磁场,戊、己是通电螺线管的磁场,试在各图中补画出电流方向或磁感线方向。答案考点一描述磁场物理量的应用考点突破1.磁感应强度B与电场强度E的比较磁感应强度B电场强度E物理意义描述磁场强弱的物理量描述电场强弱的物理量定义式B= (L与B垂直)E= 方向磁感线切线方向,小磁针N极受力方向(静止时N极所指方向)电场线切线方向,正电荷受力方向大小决定因素由磁场决定,与试探电流元(F、I、L)无关由电场决定,与试探电荷无关场的叠加合磁感应强度等于各磁场的磁感应强度的矢量和合电场强度等于各电场的电场强度的矢量和FILFq2.磁感线与电场线的比较磁感线电场线相似点 意义为形象地描述磁场方向和相对强弱而假想的线为形象地描述电场方向和相对强弱而假想的线方向线上各点的切线方向即该点的磁场方向,是小磁针N极受力方向线上各点的切线方向即该点的电场方向,是正电荷受电场力的方向疏密表示磁场强弱表示电场强弱特点在空间不相交、不中断除场源电荷处外,在空间不相交、不中断不同点是闭合曲线电场线始于正电荷,止于负电荷或无穷远处,或始于无穷远,止于负电荷,静电场中电场线不是闭合曲线3.常见磁体的磁感线 4.地磁场的特点(1)在地理两极附近磁场最强,赤道处磁场最弱。(2)地磁场的N极在地理南极附近,地磁场的S极在地理北极附近。(3)在赤道平面附近(地磁场的中性面),距离地球表面相等的各点,地磁场的强弱程度相同,且方向水平。考向1磁感应强度的求解1.已知地磁场的水平分量为B,利用这一值可以测定某一弱磁场的磁感应强度,如图所示为测定通电线圈中央一点的磁感应强度的实验示意图。实验方法:(1)先将未通电线圈固定于南北方向竖直平面内,中央放一枚小磁针,N极指向北方;(2)给线圈通电,此时小磁针N极指北偏东θ角后静止。由此可以确定线圈中电流方向(由东向西看)与线圈中央的合磁感应强度大小分别为 () A.顺时针, B.顺时针, C.逆时针, D.逆时针, cosBθsinBθsinBθcosBθ答案D解析根据题意知通电线圈内部产生的磁场方向水平向东,根据安培定则可得从东向西看线圈中电流方向沿逆时针方向,作出磁感应强度的平行四边形,解得B合= ,选项D正确。cosBθ考向2磁感线的分布及性质2.如图所示,带负电的金属环绕轴OO'以角速度ω匀速旋转,在环左侧轴线上的小磁针最后平衡时的位置是 (C) A.N极竖直向上B.N极竖直向下C.N极沿轴线向左D.N极沿轴线向右解析负电荷匀速转动,会产生与旋转方向反向的环形电流,由安培定则知,在小磁针处磁场的方向沿轴OO'向左。由于小磁针静止时N极指向为磁场方向,可知选项C正确。考向3地磁场的特点3.中国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中最早记载了地磁偏角:“以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。”进一步研究表明,地球周围地磁场的磁感线分布示意如图。结合上述材料,下列说法不正确的是 () A.地理南、北极与地磁场的南、北极不重合B.地球内部也存在磁场,地磁南极在地理北极附近C.地球表面任意位置的地磁场方向都与地面平行D.地磁场对射向地球赤道的带电宇宙射线粒子有力的作用答案C解析由题意可知,地理南、北极与地磁场的南、北极不重合,存在磁偏角,A正确。磁感线是闭合的,再由题图可推知地球内部存在磁场,地磁南极在地理北极附近,故B正确。只有赤道上方附近的地磁场方向与地面平行,故C错误。射向地球赤道的带电宇宙射线粒子的运动方向与地磁场方向不平行,故地磁场对其有力的作用,这是磁场的基本性质,故D正确。选C。关于磁感应强度的理解的几点注意(1)磁感应强度是矢量,其方向与通电导线所受磁场力的方向垂直;(2)电流元必须垂直于磁场方向放置,公式B= 才成立;(3)磁场中某点的磁感应强度是由磁场本身决定的,与通电导线受力的大小及方向都无关。FIL方法技巧考点二安培力及安培力作用下导体的运动1.判定导体运动情况的基本思路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。2.五种常用判定方法电流元法整段弯曲导线分割为多段电流元 每段电流元所受安培力方向→整段导线所受合力方向→运动方向特殊位置法在特殊位置 通电导线所受安培力方向→运动方向等效法环形电流可等效成小磁针,通电螺线管可等效成条形磁铁或多个环形电流,反过来等效成立。等效后确定相互作用情况结论法两平行直线电流在相互作用过程中,无转动趋势,同向电流相互吸引,异向电流相互排斥;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,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或运动趋势情况例1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,当导线通入图示方向电流I时,导线的运动情况是(从上往下看) (A)A.沿顺时针方向转动,同时下降B.沿顺时针方向转动,同时上升C.沿逆时针方向转动,同时下降D.沿逆时针方向转动,同时上升解析首先用电流元法,把直线电流等效为AO'、O'O、OB三段(O'O段极短)电流元,由于O'O段电流元方向与该处磁场方向相反,所以不受安培力作用;AO'段电流元所在处的磁场方向斜向上,根据左手定则可知其所受安培力方向垂直于纸面向外;OB段电流元所在处的磁场方向斜向下,同理可知其所受安培力方向垂直纸面向里,综合可知导线将顺时针转动(俯视)。然后应用特殊位置法,以导线转过90°后的特殊位置来分析,根据左手定则判得安培力方向向下,故导线在顺时针转动的同时向下运动。考向1左手定则的应用1.(多选)(2017课标Ⅰ,19,6分)如图,三根相互平行的固定长直导线L1、L2和L3两两等距,均通有电流I,L1中电流方向与L2中的相同,与L3中的相反。下列说法正确的是 (BC)A.L1所受磁场作用力的方向与L2、L3所在平面垂直B.L3所受磁场作用力的方向与L1、L2所在平面垂直C.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为1∶1∶ D.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为 ∶ ∶1333解析因三根导线中电流相等、两两等距,则由对称性可知两两之间的作用力大小均相等。因平行电流间同向吸引、反向排斥,各导线受力如图所示,由图中几何关系可知,L1所受磁场作用力F1的方向与L2、L3所在平面平行,L3所受磁场作用力F3的方向与L1、L2所在平面垂直,A错误,B正确。设单位长度的导线两两之间作用力的大小为F,则由几何关系可得L1、L2单位长度所受的磁场作用力大小为2Fcos60°=F,L3单位长度所受的磁场作用力大小为2Fcos30°= F,故C正确,D错误。3考向2对安培力公式的理解2.(2018河北唐山模拟)将长为L的导线弯成六分之一圆弧,固定于垂直纸面向外、大小为B的匀强磁场中,两端点A、C连线竖直,如图所示。若给导线通以由A到C、大小为I的恒定电流,则导线所受安培力的大小和方向是 (D)A.ILB,水平向左B.ILB,水平向右C. ,水平向右D. ,水平向左3ILB3ILB解析弧长为L,圆心角为60°,则弦长AC= ,导线受到的安培力F=BIl= ,由左手定则可知,导线受到的安培力方向水平向左。3L3ILB考向3导线与磁体之间相对运动3.如图所示,一通电金属环固定在绝缘的水平面上,在其左端放置一可绕中点O自由转动且可在水平方向自由移动的竖直金属棒,中点O与金属环在同一水平面内。当在金属环与金属棒中通有图示方向的电流时,则 () A.金属棒始终静止不动B.金属棒的上半部分向纸面外转,下半部分向纸面里转,同时靠近金属环C.金属棒的上半部分向纸面里转,下半部分向纸面外转,同时靠近金属环D.金属棒的上半部分向纸面里转,下半部分向纸面外转,同时远离金属环答案B解析由通电金属环产生的磁场特点可知,其在金属棒的上半部分处产生有水平向左的磁场分量,由左手定则可判断金属棒的上半部分受到方向垂直纸面向外的安培力,故向纸面外转;同理可判断金属棒的下半部分向纸面里转。然后应用特殊位置法分析,以金属棒转动到水平面的特殊位置来分析,由同向电流相吸、反向电流相斥可知,金属棒要靠近金属环,B正确。考点三安培力作用下导体的力学问题1.通电导线在磁场中的平衡和加速问题的分析思路(1)选定研究对象;(2)变三维为二维,即画出侧视图、剖面图或俯视图等,并画出平面受力分析图,其中安培力的方向要注意F安⊥B、F安⊥I;(3)列平衡方程或应用牛顿第二定律列方程进行求解。2.安培力做功的特点和实质(1)安培力做功与运动路径有关。(2)安培力做功的实质是能量转化①安培力做正功时将电能转化为导线的动能或其他形式的能。②安培力做负功时将其他形式的能转化为电能后储存起来或转化为其他形式的能。例2如图,一长为10cm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0.1T,方向垂直于纸面
本文标题:(课标通用版)2020版高考物理总复习 第九章 01 第1讲 磁场的描述 磁场对电流的作用课件
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