高中物理人教版1第三章磁場(chǎng)（區(qū)一等獎(jiǎng)）

選修3-1磁場(chǎng)【知識(shí)導(dǎo)圖】【高頻考點(diǎn)】一、磁場(chǎng)的疊加1．磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，計(jì)算時(shí)與力的計(jì)算方法相同，利用平行四邊形定則或正交分解法進(jìn)行合成與分解。2．兩段通電導(dǎo)線附近的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是由兩段通電導(dǎo)線分別獨(dú)立存在時(shí)在該處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加而成的。例1如圖所示，兩根平行長(zhǎng)直導(dǎo)線相距2l，通有大小相等、方向相同的恒定電流；a、b、c是導(dǎo)線所在平面內(nèi)的三點(diǎn)，左側(cè)導(dǎo)線與它們的距離分別為eq\f(l,2)、l和3l。關(guān)于這三點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，下列判斷正確的是()A．a(chǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小比c處的大B．b、c兩處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等C．a(chǎn)、c兩處的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相同D．b處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零答案AD解析對(duì)于通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)，根據(jù)其產(chǎn)生磁場(chǎng)的特點(diǎn)及安培定則，可知兩導(dǎo)線在b處產(chǎn)生的磁場(chǎng)等大反向，合磁場(chǎng)為零，選項(xiàng)D正確；兩導(dǎo)線在a、c處產(chǎn)生的磁場(chǎng)都是同向疊加的，但方向相反，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由于a離導(dǎo)線近，a處的磁感應(yīng)強(qiáng)度比c處的大，選項(xiàng)A正確。二、安培力的計(jì)算和判斷1．安培力大小（1）當(dāng)I⊥B時(shí)，F(xiàn)=BIL；（2）當(dāng)I∥B時(shí)，F(xiàn)=0。注意（1）當(dāng)導(dǎo)線彎曲時(shí),L是導(dǎo)線兩端的有效線段長(zhǎng)度(如圖所示)。（2）對(duì)于任意形狀的閉合線圈,其有效長(zhǎng)度均為零,所以通電后在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中受到的安培力的矢量和為零。2．安培力方向:用左手定則判斷,注意安培力既垂直于B,也垂直于I,即垂直于B與I決定的平面。例2關(guān)于通電導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中所受的安培力，下列說(shuō)法正確的是（）A．安培力的方向可以不垂直于直導(dǎo)線B．安培力的方向總是垂直于磁場(chǎng)的方向C．安培力的大小與通電直導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向的夾角無(wú)關(guān)D．將直導(dǎo)線從中點(diǎn)折成直角，安培力的大小一定變?yōu)樵瓉?lái)的一半【答案】B【解析】安培力的方向總是垂直于磁場(chǎng)的方向，總是垂直于直導(dǎo)線，即垂直于磁場(chǎng)和導(dǎo)線所在的平面，選項(xiàng)A錯(cuò)誤B正確。當(dāng)通電直導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，安培力最大；當(dāng)通電直導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向平行時(shí)，安培力最小為零。所以安培力的大小與通電直導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向的夾角有關(guān)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。將直導(dǎo)線從中點(diǎn)折成直角，安培力減小，但不一定變?yōu)樵瓉?lái)的一半，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。三、帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1．圓心的確定（1）基本思路：與速度方向垂直的直線和過(guò)入射及出射點(diǎn)弦的中垂線一定過(guò)圓心。（2）兩種情形①已知入射方向和出射方向時(shí)，可通過(guò)入射點(diǎn)和出射點(diǎn)分別作垂直于入射方向和出射方向的直線，兩條直線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心，如圖所示。②已知入射點(diǎn)和出射點(diǎn)的位置時(shí)，可以通過(guò)入射點(diǎn)作入射方向的垂線，連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn)，作其中垂線，這兩條垂線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心，如圖所示。（3）帶電粒子在不同邊界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況①直線邊界（進(jìn)出磁場(chǎng)具有對(duì)稱性，如圖所示）。②平行邊界（不同情況下從不同邊界射出，存在臨界條件，如圖所示）③圓形邊界(沿徑向射入必沿徑向射出，如圖所示)2．半徑的確定用幾何知識(shí)(勾股定理、三角函數(shù)等)求出半徑大小。3．運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間為T(mén)，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)的圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角為α?xí)r，其運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=T(或t=T)。例3如圖所示，半徑為R的圓是一圓柱形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的橫截面(紙面)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于紙面向外。一電荷量為q(q>0)、質(zhì)量為m的粒子沿平行于直徑ab的方向射入磁場(chǎng)區(qū)域，射入點(diǎn)與ab的距離為。已知粒子射出磁場(chǎng)與射入磁場(chǎng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向間的夾角為60°，則粒子的速率為(不計(jì)重力)?(

)A．?B．

C．

D．答案B解析作出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中實(shí)線所示。因P到ab距離為，可知α=30°。因粒子速度方向改變60°，可知轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角2θ=60°。由圖中幾何關(guān)系有(r+)tanθ=Rcosα，解得r=R。再由Bqv=m可得v=。四、幾種常見(jiàn)的組合場(chǎng)帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是幾個(gè)典型運(yùn)動(dòng)過(guò)程的組合，因此解決這類問(wèn)題要分段處理，找出各段之間的銜接點(diǎn)和相關(guān)物理量，問(wèn)題即可迎刃而解。常見(jiàn)類型如下：1.從電場(chǎng)進(jìn)入磁場(chǎng)（1）粒子先在電場(chǎng)中做加速直線運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)入磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng)。在電場(chǎng)中利用動(dòng)能定理或運(yùn)動(dòng)學(xué)公式等知識(shí)求粒子剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度。（2）粒子先在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)入磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng)。在電場(chǎng)中利用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律等知識(shí)求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度。2.從磁場(chǎng)進(jìn)入電場(chǎng)（1）粒子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度與電場(chǎng)方向相同或相反，做勻變速直線運(yùn)動(dòng)(不計(jì)重力)。（2）粒子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度方向與電場(chǎng)方向垂直，做類平拋運(yùn)動(dòng)。3.先后經(jīng)歷多個(gè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)例4如圖所示，勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域和勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域緊鄰且寬度相等，均為d，電場(chǎng)方向在紙平面內(nèi)豎直向下，而磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，一帶正電粒子從O點(diǎn)以速度v0沿垂直電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)，從A點(diǎn)出電場(chǎng)進(jìn)入磁場(chǎng)，離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)帶電粒子在電場(chǎng)方向的偏轉(zhuǎn)位移為電場(chǎng)寬度的一半，當(dāng)粒子從磁場(chǎng)右邊界上C點(diǎn)穿出磁場(chǎng)時(shí)速度方向與進(jìn)入電場(chǎng)O點(diǎn)時(shí)的速度方向一致，已知d、v0(帶電粒子重力不計(jì))，求：（1）粒子從C點(diǎn)穿出磁場(chǎng)時(shí)的速度大??；（2）電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的比值。解析（1）粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)做類平拋運(yùn)動(dòng)，則垂直電場(chǎng)方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，有：d=v0t平行電場(chǎng)方向做勻加速運(yùn)動(dòng)，有：=t得vy=v0，到A點(diǎn)時(shí)速度大小為v=v0粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)速度大小不變，故粒子從C點(diǎn)穿出磁場(chǎng)時(shí)速度大小仍為v0。（2）粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)出A點(diǎn)時(shí)速度方向與水平方向成45°角vy=t=，并且vy=v0得E=在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示。由幾何關(guān)系有：R=d又：qvB=，且v=v0得B=解得：=v0。五、帶電粒子在疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1.處理帶電粒子在疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題時(shí)，要做到“三個(gè)分析”（1）正確分析受力情況，重點(diǎn)明確重力是否不計(jì)和洛倫茲力的方向。（2）正確分析運(yùn)動(dòng)情況，常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式有：勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、一般變速曲線運(yùn)動(dòng)等。（3）正確分析各力的做功情況，主要分析電場(chǎng)力和重力做的功，洛倫茲力一定不做功。2.帶電粒子在疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)分類（1）靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)：當(dāng)帶電粒子在疊加場(chǎng)中所受合外力為零時(shí)，將處于靜止?fàn)顟B(tài)或做勻速直線運(yùn)動(dòng)。（2）勻速圓周運(yùn)動(dòng)：當(dāng)帶電粒子所受的重力與電場(chǎng)力大小相等，方向相反時(shí)，帶電粒子在洛倫茲力的作用下，在垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。（3）一般變速曲線運(yùn)動(dòng)：當(dāng)帶電粒子所受合外力的大小和方向均變化，且與初速度方向不在同一條直線上，粒子做非勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡既不是圓弧，也不是拋物線。（4）分階段運(yùn)動(dòng)：帶電粒子可能依次通過(guò)幾個(gè)情況不同的復(fù)合場(chǎng)區(qū)域，其運(yùn)動(dòng)情況隨區(qū)域發(fā)生變化，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程由幾種不同的運(yùn)動(dòng)階段組成。3.帶電粒子在疊加場(chǎng)中有約束情況下的運(yùn)動(dòng)帶電體在疊加場(chǎng)中受輕桿、輕繩、圓環(huán)、軌道等約束的情況下，除受場(chǎng)力外，可能還受彈力、摩擦力作用，常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式有直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)解題要通過(guò)受力分析明確變力、恒力做功情況，并注意洛倫茲力不做功的特點(diǎn)，運(yùn)用動(dòng)能定理、能量守恒定律結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律求出結(jié)果。4.帶電粒子在疊加場(chǎng)中無(wú)約束情況下的運(yùn)動(dòng)情況分類（1）若洛倫茲力、重力并存，則帶電體做勻速直線運(yùn)動(dòng)或較復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用機(jī)械能守恒定律。（2）若電場(chǎng)力、洛倫茲力并存(不計(jì)重力的微觀粒子)，則帶電體做勻速直線運(yùn)動(dòng)或較復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用動(dòng)能定理。（3）若電場(chǎng)力、洛倫茲力、重力并存，則帶電體可能做勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)或較復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用能量守恒定律或動(dòng)能定理。例5如圖所示，豎直平面坐標(biāo)系xOy的第一象限，有垂直xOy平面向外的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)和豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)，大小分別為B和E；第四象限有垂直xOy平面向里的水平勻強(qiáng)電場(chǎng)，大小也為E；第三象限內(nèi)有一絕緣光滑豎直放置的半徑為R的半圓軌道，軌道最高點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)O相切，最低點(diǎn)與絕緣光滑水平面相切于N。一質(zhì)量為m的帶電小球從y軸上(y>0)的P點(diǎn)沿x軸正方向進(jìn)入第一象限后做圓周運(yùn)動(dòng)，恰好通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)O，且水平切入半圓軌道并沿軌道內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，過(guò)N點(diǎn)水平進(jìn)入第四象限，并在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)(已知重力加速度為g)。（1）判斷小球的帶電性質(zhì)并求出其所帶電荷量；（2）P點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)O至少多高；（3）若該小球以滿足（2）中OP最小值的位置和對(duì)應(yīng)速度進(jìn)入第一象限，通過(guò)N點(diǎn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)時(shí)間t=2小球距坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離s為多遠(yuǎn)?解析

（1）小球進(jìn)入第一象限正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)后，在垂直磁場(chǎng)的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明重力與電場(chǎng)力平衡，設(shè)小球所帶電荷量為q，則有：qE=mg解得：q=又電場(chǎng)方向豎直向上故小球帶正電。（2）設(shè)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度為v、軌道半徑為r，由洛倫茲力提供向心力得：qBv=小球恰能通過(guò)半圓軌道的最高點(diǎn)并沿軌道運(yùn)動(dòng)，則應(yīng)滿足：mg=解得：r=即：P、O的最小距離為：y=2r=。（3）小球由O運(yùn)動(dòng)到N的過(guò)程中設(shè)到達(dá)N點(diǎn)的速度為vN，由機(jī)械能守恒得：2mgR=mvN2-mv2解得：vN=小球從N點(diǎn)進(jìn)入電場(chǎng)區(qū)域后，在做類平拋運(yùn)動(dòng)，設(shè)加速度為a，沿x軸方向有：x=vNt沿電場(chǎng)方向有：z=at2由牛頓第二定律得：a=t時(shí)刻小球距原點(diǎn)O的距離為：s==2R。【題組訓(xùn)練】1．初速度為v0的電子，沿平行于通電直導(dǎo)線的方向射出，直導(dǎo)線中電流方向與電子的初始運(yùn)動(dòng)方向如圖所示，則()A．電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率不變B．電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率改變C．電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率不變D．電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率改變答案A解析由安培定則可知，通電直導(dǎo)線右側(cè)磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，則電子所受洛倫茲力的方向由左手定則可判知向右，所以電子將向右偏轉(zhuǎn)；由于洛倫茲力不做功，所以電子的速率不變。2．如圖所示，a是豎直平面P上的一點(diǎn)。P前有一條形磁鐵垂直于P，且S極朝向a點(diǎn)。P后一電子在偏轉(zhuǎn)線圈和條形磁鐵的磁場(chǎng)的共同作用下，在水平面內(nèi)向右彎曲經(jīng)過(guò)a點(diǎn)。在電子經(jīng)過(guò)a點(diǎn)的瞬間，條形磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)該電子的作用力的方向()A．向上 B．向下 C．向左 D．向右答案A解析P前有一條形磁鐵垂直于P，且S極朝向a點(diǎn)，條形磁鐵在a點(diǎn)的磁場(chǎng)垂直于豎直平面向外，在電子經(jīng)過(guò)a點(diǎn)的瞬間，由左手定則可知該電子所受洛倫茲力方向向上。3．如圖所示，兩根間距為d的平行光滑金屬導(dǎo)軌間接有電源，電動(dòng)勢(shì)為E，導(dǎo)軌平面與水平面間的夾角θ=30°。金屬桿ab垂直于導(dǎo)軌放置，導(dǎo)軌與金屬桿接觸良好，整個(gè)裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)磁場(chǎng)方向垂直導(dǎo)軌平面向上時(shí)，金屬桿ab剛好處于靜止?fàn)顟B(tài)。要使金屬桿能沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)，可以采取的措施是()A．增大磁感應(yīng)強(qiáng)度BB．調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使電流增大C．增大導(dǎo)軌平面與水平面間的夾角θD．將電源正負(fù)極對(duì)調(diào)使金屬桿中的電流方向改變答案AB解析對(duì)金屬桿受力分析如圖所示，沿導(dǎo)軌方向有-mgsinθ=0，若想讓金屬桿向上運(yùn)動(dòng)，則可使增大；若增大θ，則mgsinθ增大；若電流反向，則金屬桿受到的安培力反向。4．（多選）電磁泵在目前的生產(chǎn)、科技中得到了廣泛應(yīng)用。如圖所示，泵體是一個(gè)長(zhǎng)方體，ab邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1，兩側(cè)端面是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2的正方形；流經(jīng)泵體內(nèi)的液體密度為ρ、在泵頭通入導(dǎo)電劑后液體的電導(dǎo)率為σ(電阻率的倒數(shù))，泵體所在處有方向垂直向外的磁場(chǎng)B，把泵體的上下兩表面接在電壓為U(內(nèi)阻不計(jì))的電源上，則()A．泵體上表面應(yīng)接電源正極B．通過(guò)泵體的電流I=UL1/σC．增大磁感應(yīng)強(qiáng)度可獲得更大的抽液高度D．增大液體的電阻率可獲得更大的抽液高度答案AC解析因液體所受的安培力應(yīng)向左，故由左手定則可知，通過(guò)液體的電流應(yīng)該向下，故泵體上表面應(yīng)接電源正極，選項(xiàng)A正確；導(dǎo)電液體的電阻為R==，通過(guò)泵體的電流I==UL1σ，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；增大磁感應(yīng)強(qiáng)度可增大安培力（F=BIL2），故可獲得更大的抽液高度，選項(xiàng)C正確；增大液體的電阻率會(huì)減小通過(guò)液體的電流，從而減小安培力，使抽液高度減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。5．如圖所示，在平面直角坐標(biāo)系xOy的第四象限內(nèi)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一質(zhì)量m=×10-8kg、電荷量q=×10-6C的帶電粒子。從靜止開(kāi)始經(jīng)U0=10V的電壓加速后，從P點(diǎn)沿圖示方向進(jìn)入磁場(chǎng)，已知OP=30cm，（粒子重力不計(jì)，sin37°=，cos37°=）求：（1）帶電粒子到達(dá)P點(diǎn)時(shí)速度v的大小；（2）若磁感