(要点归纳+夯实基础练) 第一节 磁场及其对电流的作用-2023年高考物理一轮系统复习学思用

第一节 磁场及其对电流的作用

【要点归纳】

一、磁现象

天然磁石和人造磁体都叫做永磁体，它们都能吸引铁质物体，我们把这种性质叫做磁性．磁体的各部分磁性强弱不同，磁性最强的区域叫做磁极．能够自由转动的磁体，例如悬吊着的磁针，静止时指南的磁极叫做南极，又叫S极；指北的磁极叫做北极，又叫N极．

二、电流的磁效应

1820年丹麦物理学家奥斯特做了著名的电流的磁效应的实验——奥斯特实验．他发现了电流的磁效应，首次揭示了电和磁的联系．

1．实验时，通电直导线要南北方向水平放置，磁针要与导线平行地放在导线的正下方或正上方，以保证电流的磁场与地磁场方向不同而使小磁针发生转动．

2．由于地磁场使磁针指向南北方向，直导线通电后小磁针改变指向说明通电直导线周围产生了磁场，即电流周围产生了磁场，也就是电流的磁效应.

(2)意义：说明通电导体周围存在着磁场，发现了电流的磁效应，首先揭示了电与磁之间是有联系的．

三、磁场

1．磁场：存在于磁体周围或电流周围的一种客观存在的特殊物质．磁体与磁体之间、磁体和通电导体之间、通电导体和通电导体间的相互作用都是通过磁场发生的．

2．基本性质：对放入其中的磁体或通电导体有力的作用(如图所示)．

3．磁场的产生

(1)磁体周围有磁场．(2)电流周围有磁场．

四、磁感线

1．磁场的方向规定：小磁针静止时N极所指的方向。

2．磁感线：用来形象地描述磁场的曲线，曲线上每一点的切线方向都跟这点磁场的方向一致。

3．磁感线的疏密表示磁场的强弱。

4．磁感线的特点

(1)为形象描述磁场而引入的假想曲线，实际并不存在。

(2)磁感线的疏密表示磁场的强弱，密集的地方磁场强，稀疏的地方磁场弱。

(3)磁感线的方向：磁体外部从N极指向S极，磁体内部从S极指向N极。

(4)磁感线闭合而不相交，不相切，也不中断。

(5)磁感线上某点的切线方向表示该点的磁场方向。

五、地球的磁场

1．地磁场：地球是一个大磁体，存在的磁场叫地磁场．如图所示，地球磁体的N极(北极)位于地理南极附近，地球磁体的S极(南极)位于地理北极附近．

2．磁偏角：地球的地理两极与地磁两极并不重合，水平放置的磁针的指向跟地理子午线之间有一个夹角，这个夹角叫做磁偏角．

六、安培定则

1．直线电流的磁场：右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向，如图甲所示。

2．环形电流的磁场：让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上磁场的方向，如图乙所示。

3．通电螺线管的磁场：右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟螺线管电流方向一致，拇指所指的方向就是螺线管轴线上磁场的方向，或拇指指向螺线管的N极，如图丙所示。

七、安培分子电流假说

1．分子电流假说：安培认为，在原子、分子等物质微粒的内部，存在着一种环形电流，即分子电流。分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极。

2．分子电流假说意义：能够解释磁化以及退磁现象，解释磁现象的电本质。

3．常见永磁体的磁场

条形磁铁　　　蹄形磁铁　　异名磁极　同名磁极

4．三种常见的电流的磁场

(1)磁场是分布在立体空间的。

(2)利用安培定则不仅可以判断磁场的方向，还可以根据磁场的方向判断电流的方向。

(3)应用安培定则判定直线电流时，四指所指的是导线之外磁场的方向；判定环形电流和通电螺线管电流时，拇指的指向是线圈轴线上磁场的方向。

(4)环形电流相当于小磁针，通电螺线管相当于条形磁铁，应用安培定则判断时，拇指所指的一端为它的N极。

八、安培力

1．概念：把通电导线在磁场中受的力称为安培力．

2．方向：

(1)左手定则：如图所示，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)说明：安培力的方向不仅跟磁场方向垂直，还跟电流方向垂直，故安培力的方向垂直于磁场方向与电流方向所构成的平面．在判断安培力方向时，应首先判定这个平面，然后再应用左手定则．

3．安培力的大小

(2)公式：F＝BIlsinθ其中θ为磁感应强度与通电导线之间的夹角．

(2)说明：①当通电导线与磁感线垂直时，即电流方向与磁感线垂直时，所受的安培力最大：F＝BIL.

②当通电导线与磁感线平行时，所受安培力为零．

③适用条件：只有在匀强磁场中，在通电导线与磁场方向垂直的情况下，F＝BIL才成立．在非匀强磁场中，一般说来是不适用的，但在通电导线很短的情况下，可近似地认为导线所处的地方是匀强磁场．

注：

(1)F⊥I，F⊥B，但B与I不一定垂直．

(2)若已知B、I方向，F方向惟一确定，但若已知B(或I)、F方向，I(或B)方向不惟一．

九、磁电式电流表

1．电流表是测定电流强弱和方向的电学仪器．

2．实验时经常使用的电流表是磁电式仪表，其构造是：在一个磁性很强的蹄形永久磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，上面绕有线圈．它的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针．线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上．如图

3．蹄形磁铁的铁芯间的磁场是均匀地分布的，不管通电线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行．如图

4．磁场对电流的作用力跟电流成正比，因而线圈中的电流越大，安培力产生的力矩也越大，线圈和指针偏转的角度也就越大．因此，根据指针偏转角度的大小，可以知道被测电流的强弱．

5．电流表的特点

①表盘的刻度均匀，θ∝I②灵敏度高，但过载能力差③满偏电流Ig，内阻Rg反映了电流表的最主要特性．

注：因为磁电式电流表的线圈很细，允许通过的电流很弱，所以在使用时一定注意表的量程，测量大电流时需要将表改装．

十、安培定则与左手定则区别和联系

1．在适用对象上：安培定则研究电流(直流电流、环形电流、通电螺线管电流)产生磁场时，电流与其产生的磁场的磁感线二者方向的关系；左手定则研究通电导线(或运动电荷)在磁场中受力时，F、I、B三者方向的关系．

2．在电流与磁场的关系上：安培定则中的“磁场”与“电流”密不可分，同时存在、同时消失，“磁场”就是电流的磁效应产生的磁场；左手定则中的“磁场”与“电流”可以单独存在，“磁场”是外加的磁场，不是通电导线产生的磁场．

3．在因果关系上：安培定则中的“电流”是因，“磁场”为果，正是有了电流(直流电流、环形电流、螺线管电流)才出现了由该电流产生的磁场；左手定则中的“磁场”和“电流”都是“因”，磁场对通电导线的作用力是“果”，有因才有果，而此时的两个“因”对产生磁场对导线的作用力来说缺一不可．

4．判断电流方向选取定则的原则：当已知磁感线的方向，要判断产生该磁场的电流方向时，选用安培定则判断电流的方向；当已知导体所受安培力的方向时，用左手定则判断电流的方向．

十一、常用方法

不管是电流还是磁体，对通电导线的作用都是通过磁场来实现的，因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况，然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动，在实际操作过程中，往往采用以下几种方法：

1．电流元法：把整段导线分为许多段直电流元，先用左手定则判断每段电流元受力的方向，然后判断整段导线所受合力的方向，从而确定导线运动方向

2．等效法：环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流，反过来等效也成立

3．特殊位置法：通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置(如转过90°)，然后判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向

4．结论法：两平行直线电流在相互作用过程中，无转动趋势，同向电流互相吸引，反向电流互相排斥；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

5．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

【夯实基础练】

1．(2022•高考湖南卷)如图(a)，直导线MN被两等长且平行的绝缘轻绳悬挂于水平轴OO′上，其所在区域存在方向垂直指向OO′的磁场，与OO′距离相等位置的磁感应强度大小相等且不随时间变化，其截面图如图(b)所示。导线通以电流I，静止后，悬线偏离竖直方向的夹角为θ。下列说法正确的是(   )

A．当导线静止在图(a)右侧位置时，导线中电流方向由N指向M

B．电流I增大，静止后，导线对悬线的拉力不变

C．tanθ与电流I成正比

D．sinθ与电流I成正比

【解析】  A．当导线静止在图(a)右侧位置时，对导线做受力分析如图所示，可知要让安培力为图示方向，则导线中电流方向应由M指向N，A错误；

BCD．由于与OO′距离相等位置的磁感应强度大小相等且不随时间变化，有，FT= mgcosθ，则可看出sinθ与电流I成正比，当I增大时θ增大，则cosθ减小，静止后，导线对悬线的拉力FT减小，BC错误、D正确。故选D。

【答案】  D

2．(多选)(2022•高考全国乙卷)安装适当的软件后，利用智能手机中的磁传感器可以测量磁感应强度B。如图，在手机上建立直角坐标系，手机显示屏所在平面为xOy面。某同学在某地对地磁场进行了四次测量，每次测量时y轴指向不同方向而z轴正向保持竖直向上。根据表中测量结果可推知(   )

A．测量地点位于南半球

B．当地的地磁场大小约为50μT

C．第2次测量时y轴正向指向南方

D．第3次测量时y轴正向指向东方

【解析】  A．如图所示，地球可视为一个磁偶极，磁南极大致指向地理北极附近，磁北极大致指向地理南极附近。通过这两个磁极的假想直线(磁轴)与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。由表中z轴数据可看出z轴的磁场竖直向下，则测量地点应位于北半球，A错误；

B．磁感应强度为矢量，故由表格可看出此处的磁感应强度大致为，计算得B ≈ 50μT，B正确；

CD．由选项A可知测量地在北半球，而北半球地磁场指向北方斜向下，则第2次测量，测量，故y轴指向南方，第3次测量，故x轴指向北方而y轴则指向西方，C正确、D错误。故选BC。

【答案】  BC

3．(2022•上海交通大学附属中学高三(下)期中)在恒定的匀强磁场中固定一根通电直导线，导线的方向与磁场方向垂直，如图反映的是这根导线受到的磁场力大小F与通过导线的电流I之间的关系，M、N两点各对应一组F、I的数据，其中可能正确的是(　　)

A．         B． 

C．         D．

【解析】  根据F=BLI，可知F-I图像为过原点的直线。故选C。

【答案】  C

4．(2022•西南大学附属中学校高三(下)全真二)粗细均匀边长为L的正方形铜制线框固定在如图所示的两匀强磁场中，连线与磁场分界线重合，磁场的磁感应强度大小均为B，a、b两端与恒压电源相连。若通过边的电流大小为I，则线框受到的安培力大小为(　　)

A．0 B． C． D．

【解析】  根据安培力公式可知，ab边受到的安培力均为，根据欧姆定律，另外三边受到的安培力大小为，对ab边，根据左手定则可知，安培力向上。对bc边，根据左手定则可知，安培力向右。对cd边，根据左手定则可知，安培力向下。对da边，根据左手定则可知，安培力向右。根据力的合成可知，线框受到的安培力大小，故选C。

【答案】  C

5．(2022•重庆外国语学校一模)如图所示，质量为m、长度为L的一导体棒用细线悬挂在匀强磁场中，磁场方向平行于纸面．导体棒中通有垂直纸面向里的恒定电流I，细线偏离竖直方向静止(　　)

A．若磁场方向竖直向下，则磁感应强度

B．若磁场方向平行于细线向下，则磁感应强度

C．若磁场方向水平向左，则磁感应强度

D．磁感应强度B的最小值为

【解析】  A．磁场方向竖直向下，由左手定则可知，安培力水平向左，根据平衡，解得，A错误；

B．若磁场方向平行于细线向下，由左手定则可知，安培力垂直绳子斜左向上，根据平衡，解得，B正确；

C．若磁场方向水平向左，由左手定则可知，受安培力竖直向上，根据平衡，绳子拉力为零，解得，C错误；

D．根据三力平衡，当安培力垂直于绳子方向时，安培力最小，磁感应强度B的最小，根据选项B可知，最小值为，D错误。故选B。

【答案】  B

6．(多选)(2022•重庆市育才中学高三(下)入学考试)如图所示，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、方向相同

C．c、d两点处的磁感应强度大小相等、方向相反

D．a、c两点处磁感应强度的方向相同

【解析】  A．根据右手螺旋定则，M处导线在O点产生的磁场方向竖直向下，N处导线在O点产生的磁场方向竖直向下，合成后磁感应强度不等于0，故A错误；

B．M在a处产生的磁场方向竖直向下，在b处产生的磁场方向竖直向下，N在a处产生的磁场方向竖直向下，b处产生的磁场方向竖直向下，根据场强的叠加知，a、b两点处磁感应强度大小相等，方向相同，故B正确；

C．M在c处产生的磁场方向垂直于cM偏下，在d出产生的磁场方向垂直dM偏下，N在c处产生的磁场方向垂直于cN偏下，在d处产生的磁场方向垂直于dN偏下，根据平行四边形定则，知c处的磁场方向竖直向下，d处的磁场方向竖直向下，且合场强大小相等，故C错误；

D．由以上分析可知，a、b、c、d、O五点处磁感应强度的方向都竖直向下，方向相同，故D正确。故选BD。

【答案】  BD

7．(2022•云南省三校高三(下)高考备考实用性联考(四))如图所示，等腰直角三角形abc的三个顶点处分别有垂直于三角形平面的无限长直导线，导线中通有方向向里的恒定电流，P点是bc的中点；若a、b、c三处导线中的电流分别为I、2I、3I，当三角形所在空间加一磁感应强度为B，的匀强磁场后，P点的磁感应强度为0。已知通电长直导线周围某点的磁感应强度B，I是导线中的电流强度，r是该点到导线的垂直距离，k是常数。保持匀强磁场B0不变，若将长直导线b中的电流增大为4I，且方向保持不变，则关于P点的磁感应强度，下列说法正确的是(　　)

A．Bp=B0，方向由P指向c

B．Bp=B0，方向由P指向a

C．Bp=B0，方向由P指向a

D．Bp=B0，方向由P指向c

【解析】  由于P点的磁感应强度为0，又通电长直导线周围某点的磁感应强度B，根据安培定则，b、c处导线在P点合磁感应强度的方向由a指向P，a处导线在P点磁感应强度的方向由b指向a，当长直导线b中的电流增大为4I，b、c处导线在P点合磁感应强度的方向由P指向a，大小相等，根据磁感应强度的叠加可知Bp=B0，方向由P指向a，ACD错误，B正确。故选B。

【答案】  B

8．(2022•云南省昆明市第一中学第七次仿真模拟)如图所示，将铝箔条折成天桥状“”，两端用胶纸粘牢固定于水平桌面上，且与电源、开关连成一回路， 蹄形磁体横跨过"天桥”放于桌面。当开关闭合时(　　)

A．桌面对蹄形磁体的支持力减小 B．蹄形磁体对桌面的压力不变

C．铝箔条中部向上方弯曲 D．铝箔条中部向下方弯曲

【解析】  AB．根据左手定则可以判断铝箔条受到了向上的安培力，根据牛顿第三定律，蹄形磁体受到了向下的作用力，则桌面对蹄形磁体的支持力增大，即蹄形磁体对桌面的压力增大，故A B错误；

CD．根据左手定则可以判断铝箔条受到了向上的安培力，所以铝箔条中部向上弯曲，故C正确D错误。故选C。

【答案】  C