高考物理一轮复习第九章磁场第1课时磁场及其对电流的作用学案新人教版

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第九章 磁场　　　　　　　　　[定标——核心素养]物理观念理解磁场、安培力与洛伦兹力特点。科学思维将磁场转化为物理模型，会综合分析，并能科学推理论证。科学态度与责任了解磁场相关作用力在现代科技中的应用和影响。 [定位——主干知识]1.磁场、磁感应强度、磁感线2．通电直导线和通电线圈周围磁场的方向3．安培力、安培力的方向　　　　4.匀强磁场中的安培力5．洛伦兹力、洛伦兹力的方向  6.洛伦兹力公式7．带电粒子在匀强磁场中的运动  8.质谱仪和回旋加速器 第1课时　磁场及其对电流的作用　　　　　　　　　　　　　　　必备知识(一)　磁场和磁感应强度1．[磁场的方向](2021·北京朝阳区期末)关于磁场中某一点磁感应强度的方向，下列说法正确的是(　　)A．与一小段通电直导线所受磁场力的方向一致B．与运动电荷所受磁场力的方向一致C．与小磁针N极所受磁场力的方向一致D．与小磁针S极所受磁场力的方向一致解析：选C　磁场中某一点磁感应强度的方向，与小磁针N极受力方向一致，C正确，A、B、D错误。2．[磁感应强度的大小](多选)一小段长为L的通电直导线放在磁感应强度为B的磁场中，当通过它的电流为I时，所受安培力为F。以下关于磁感应强度B的说法正确的是(　　)A．磁感应强度B一定等于B．磁感应强度B可能大于或等于C．磁场中通电直导线受力大的地方，磁感应强度一定大D．在磁场中通电直导线也可以不受力解析：选BD　只有在通电直导线垂直于磁场时，B＝才成立，通电直导线和磁场不垂直时，B>，通电直导线和磁场平行时，导线不受力，故A错误，B、D正确；磁感应强度是用比值法定义的，通电直导线受力大的地方，磁感应强度不一定大，C错误。3．[磁感线的特点](多选)下列说法正确的是(　　)A．磁感线从磁体的N极发出，终止于磁体的S极B．磁感线可以表示磁场的方向和强弱C．磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场D．因为异名磁极相互吸引，所以放入通电螺线管内的小磁针的N极一定指向通电螺线管的S极解析：选BC　磁感线是闭合曲线，A错误；磁感线可以表示磁场的方向和强弱，B正确；磁铁和电流都能产生磁场，C正确；通电螺线管内部的磁场方向从S极指向N极，则放入其中的小磁针的N极指向与其内部磁场方向一致，即指向通电螺线管的N极，故D错误。[系统归纳]1．磁场的基本性质磁场对处于其中的磁体、电流和运动电荷有磁力的作用。2．磁感应强度(1)物理意义：描述磁场的强弱和方向。(2)定义式：B＝(通电导线垂直于磁场)。(3)方向：小磁针静止时N极所指的方向。(4)单位：特斯拉，符号T。3．磁感线的特点(1)磁感线上某点的切线方向就是该点的磁场方向。(2)磁感线的疏密定性地表示磁场的强弱。(3)磁感线是闭合曲线，没有起点和终点。(4)磁感线是假想的曲线，客观上不存在。　　　　　　　　　　　必备知识(二)　安培定则的应用与磁场的叠加1．[安培定则的应用](2021·沈阳联考)(多选)下列各图中，已标出电流I、磁感应强度B的方向，其中符合安培定则的是(　　)[系统归纳]1．电流周围的磁场(安培定则) 直线电流的磁场通电螺线管的磁场环形电流的磁场特点无磁极、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 2．[运动电荷形成的磁场]如图所示，圆环上带有大量的负电荷，当圆环沿顺时针方向转动时，a、b、c三枚小磁针都要发生转动，以下说法正确的是(　　)A．a、b、c的N极都向纸里转B．b的N极向纸外转，而a、c的N极向纸里转C．b、c的N极都向纸里转，而a的N极向纸外转D．b的N极向纸里转，而a、c的N极向纸外转3．[磁场的叠加](2021年1月新高考8省联考·河北卷)如图，两根相互绝缘的通电长直导线分别沿x轴和y轴放置，沿x轴方向的电流为I0。已知通电长直导线在其周围激发磁场的磁感应强度B＝k，其中k为常量，I为导线中的电流，r为场中某点到导线的垂直距离。图中A点的坐标为(a，b)，若A点的磁感应强度为零，则沿y轴放置的导线中电流的大小和方向分别为(　　)A.I0，沿y轴正向　　　　　    B.I0，沿y轴负向C.I0，沿y轴正向   D.I0，沿y轴负向2.运动电荷形成磁场的分析方法首先将运动的电荷等效为电流，然后根据安培定则判断电流的磁场方向，最后再由小磁针N极受力方向为磁场方向确定N极的转向。3．磁场叠加问题的分析思路(1)确定磁场场源，如通电导线。(2)定位空间中需求解磁场的点，利用安培定则判定各个场源在这一点上产生的磁场的大小和方向，如图所示M、N在c点产生的磁场磁感应强度分别为BM、BN。(3)应用平行四边形定则进行合成，如图中c点的合磁场磁感应强度为B。 [精解详析]1．选AB　图A为环形电流的磁场，符合安培定则；图B是直线电流的磁场，符合安培定则；图C是直线电流的磁场，不符合安培定则；图D是通电螺线管的磁场，不符合安培定则。2．选B　由于圆环带负电荷，故当圆环沿顺时针方向转动时，等效电流的方向为逆时针，由安培定则可判断环内磁场方向垂直纸面向外，环外磁场方向垂直纸面向里，磁场中某点的磁场方向即是放在该点的小磁针静止时N极的指向，所以小磁针b的N极向纸外转，a、c的N极向纸里转。故B正确。3．选A　沿x轴方向导线电流在A点的磁感应强度大小为Bx＝k，由安培定则，可知方向垂直xOy平面向外，由题知A点的磁感应强度为零，则沿y轴方向导线电流产生的磁感应强度方向垂直xOy平面向里，由安培定则知，沿y轴放置的导线中电流方向沿y轴正向，其在A点的磁感应强度大小满足By＝k＝k，即沿y轴放置的导线中电流的大小I＝I0，故A项正确。  　　　　必备知识(三)　磁场对电流的作用——安培力　　　　　　　1．[安培力的方向]下面的几个图显示了磁场对通电直导线的作用力，其中F的方向正确的是(　　)[系统归纳]安培力的方向——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。[注意]　F⊥B且F⊥I，但I与B的方向可成任意夹角。　 2. [安培力的大小](2019·全国卷Ⅰ)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(　　)A．2F　　　　　B．1.5F　　　　　C．0.5F　　　　　D．0 安培力的大小：F＝BILsin θ，θ为磁感应强度与电流方向的夹角。(1)当磁场与电流垂直时，安培力最大，Fmax＝BIL。(2)当磁场与电流平行时，安培力为零。(3)应用F＝BIL计算安培力的大小时，L一定是有效长度。3.[安培力作用下的平衡](2021年1月新高考8省联考·湖南卷)如图，力传感器固定在天花板上，边长为L的正方形匀质导线框abcd用不可伸长的轻质绝缘细线悬挂于力传感器的测力端，导线框与磁感应强度方向垂直，线框的bcd部分处于匀强磁场中，b、d两点位于匀强磁场的水平边界线上。若在导线框中通以大小为I、方向如图所示的恒定电流，导线框处于静止状态时，力传感器的示数为F1，只改变电流方向，其它条件不变，力传感器的示数为F2，该匀强磁场的磁感应强度大小为(　　)A.　　　　　　　　　　   B.C.   D.3.安培力作用下导体的平衡问题的分析思路(1)基本思路①选定研究对象：通电导线或导体棒。②变三维为二维：画出平面受力分析图，其中安培力的方向要用左手定则来判断。[注意]　安培力垂直于电流和磁场方向决定的平面。③列方程求解：根据力的平衡条件列方程。(2)求解关键①电磁问题力学化。②立体图形平面化。③求解极值数学化。[精解详析]1．选C　根据左手定则判断可知，A中F方向向右，B中F方向向下，C中F方向向下，D中磁场与电流平行，F＝0，故只有C正确。2．选B　设每根导体棒的电阻为R，长度为L，则电路中，上下两路电阻之比为R1∶R2＝2R∶R＝2∶1，上下两路电流之比I1∶I2＝1∶2。如图所示，由于上路通电的导体受安培力的有效长度也为L，根据安培力计算公式F＝ILB，可知F′∶F＝I1∶I2＝1∶2，得F′＝F，根据左手定则可知，两力方向相同，故线框LMN所受的合力大小为F＋F′＝1.5 F，选项B正确。3. 选C　线框在磁场中受到安培力的等效长度为bd＝L，当电流方向为图示方向时，由左手定则可知导线框受到的安培力竖直向上，大小为F＝BIL，因此对导线框受力平衡可得F1＋F＝mg，当导线框中的电流反向，则安培力方向竖直向下，此时有mg＋F＝F2，联立可得B＝，故C正确。　　　　　　　　　　　　　　　必备知识(四)　导体运动情况的判定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。2．五种常用判定方法等效法环形电流―→小磁针通电螺线管―→条形磁铁(如第1题中通电线圈等效成小磁针)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电流元法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(如第4题中当导线转过90°时判断吸引还是排斥)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方向 [集训冲关]1．[等效法]如图所示，在固定放置的条形磁铁S极附近悬挂一个金属线圈，线圈与水平磁铁位于同一竖直平面内，当在线圈中通入沿图示方向流动的电流时，将会看到(　　)A．线圈向左平移B．线圈向右平移C．从上往下看，线圈顺时针转动，同时靠近磁铁D．从上往下看，线圈逆时针转动，同时靠近磁铁解析：选C　把通电线圈等效成小磁针，等效小磁针的N极垂直于纸面向外，根据同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引可知：从上往下看，线圈顺时针转动，同时靠近磁铁，C正确。2．[结论法](2018·浙江11月选考)电流天平是一种测量磁场力的装置，如图所示，两相距很近的通电平行线圈Ⅰ和Ⅱ，线圈Ⅰ固定，线圈Ⅱ置于天平托盘上。当两线圈均无电流通过时，天平示数恰好为零。下列说法正确的是(　　)A．当天平示数为负时，两线圈电流方向相同B．当天平示数为正时，两线圈电流方向相同C．线圈Ⅰ对线圈Ⅱ的作用力大于线圈Ⅱ对线圈Ⅰ的作用力D．线圈Ⅰ对线圈Ⅱ的作用力与托盘对线圈Ⅱ的作用力是一对相互作用力解析：选A　通电线圈相当于条形磁铁，两线圈电流方向相同时，相当于异性磁极相对，则相互吸引，天平示数为负，A正确、B错误；线圈Ⅰ对线圈Ⅱ的作用力跟线圈Ⅱ对线圈Ⅰ的作用力是一对作用力与反作用力，大小相等，C错误；线圈Ⅰ对线圈Ⅱ的作用力与托盘对线圈Ⅱ的作用力都是线圈Ⅱ受到的力，不是一对相互作用力，D错误。3．[电流元法]通有电流的导线L1、L2处在同一平面(纸面)内，L1是固定的，L2可绕垂直纸面的固定转轴O转动(O为L2的中心)，各自的电流方向如图所示。下列哪种情况将会发生(　　)A．因L2不受磁场力的作用，故L2不动B．因L2上、下两部分所受的磁场力平衡，故L2不动C．L2绕轴O按顺时针方向转动D．L2绕轴O按逆时针方向转动解析：选D　由右手螺旋定则可知导线L1上方的磁场方向为垂直纸面向外，且离导线L1越远的地方，磁场越弱，将导线L2分成很多小段，可以判断导线L2上的每一小部分受到的安培力方向均为水平向右，由于O点下方的磁场较强，则所受安培力较大，因此L2绕轴O按逆时针方向转动，D正确。4．[电流元法与特殊位置法的结合]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．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：选A 如图甲所示，把直线电流等效为无数小段，中间的点为O点，选择在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；同理判断出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。分析导线转过90°时的情形，如图乙所示。导线中的电流向外，由左手定则可知，导线受到向下的安培力。由以上分析可知，导线在顺时针转动的同时向下运动。选项A正确。5．[转换研究对象法] (多选)如图所示，台秤上放一光滑平板，其左边固定一挡板，一轻质弹簧将挡板和一条形磁铁连接起来，此时台秤读数为F1，现在磁铁上方中心偏左位置固定一导体棒，当导体棒中通以方向如图所示的电流后，台秤读数为F2，则以下说法正确的是(　　)A．弹簧长度将变长　　　　　 B．弹簧长度将变短C．F1>F2  D．F1<F2解析：选BC　如图甲所示，导体棒处的磁场方向指向右上方，根据左手定则可知，导体棒受到的安培力方向垂直于磁场方向指向右下方，根据牛顿第三定律，对条形磁铁受力分析，如图乙所示，所以FN1>FN2，即台秤示数F1>F2，在水平方向上，由于F′有向左的分力，磁铁压缩弹簧，所以弹簧长度变短。