高考物理一輪復(fù)習(xí)-第九章-第1講-磁場(chǎng)的描述-磁場(chǎng)對(duì)電流的作用

目標(biāo)要求三年命題統(tǒng)計(jì)磁場(chǎng)、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感線Ⅰ通電直導(dǎo)線和通電線圈周圍磁場(chǎng)的方向Ⅰ安培力、安培力的方向Ⅰ勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的安培力Ⅱ洛倫茲力、洛倫茲力的方向Ⅰ洛倫茲力公式Ⅱ帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)Ⅱ質(zhì)譜儀和回旋加速器Ⅰ備考策略分析近三年命題點(diǎn)和對(duì)核心素養(yǎng)的要求，2022年備考要關(guān)注以下幾點(diǎn)(1)磁場(chǎng)的基本概念、安培力、洛倫茲力的力學(xué)綜合問題是高考選擇題命題熱點(diǎn)。(2)帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的臨界問題和在組合場(chǎng)、復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問題要加以重視。(3)磁場(chǎng)與現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用應(yīng)引起足夠重視。第1講磁場(chǎng)的描述磁場(chǎng)對(duì)電流的作用一、磁場(chǎng)、磁感應(yīng)強(qiáng)度1．磁場(chǎng)(1)基本特性：磁場(chǎng)對(duì)處于其中的磁體、電流和運(yùn)動(dòng)電荷有

的作用。(2)方向：小磁針的N極所受磁場(chǎng)力的方向。磁場(chǎng)力強(qiáng)弱

方向

N極

3．勻強(qiáng)磁場(chǎng)(1)定義：磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小

、方向

的磁場(chǎng)稱為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。(2)特點(diǎn)：磁感線是疏密程度相同、方向相同的平行直線。處處相等處處相同二、磁感線通電直導(dǎo)線和通電線圈周圍磁場(chǎng)的方向1．磁感線在磁場(chǎng)中畫出一些有方向的曲線，使曲線上各點(diǎn)的

方向跟這點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向一致。切線2．幾種常見的磁場(chǎng)(1)常見磁體的磁場(chǎng)(如圖所示)。(2)電流的磁場(chǎng)弱

條形

勻強(qiáng)

最強(qiáng)

非勻強(qiáng)

弱

三、安培力、安培力的方向勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的安培力1．安培力的大小(1)磁場(chǎng)和電流垂直時(shí)：F＝

。(2)磁場(chǎng)和電流平行時(shí)：F＝

。BIL02．安培力的方向左手定則判斷(如圖所示)：(1)伸開左手，讓拇指與其余四指

，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)。(2)讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向

方向。(3)

所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向。垂直電流拇指命題點(diǎn)一磁場(chǎng)及安培定則的應(yīng)用

自主探究2．安培定則的應(yīng)用在運(yùn)用安培定則判定直線電流和環(huán)形電流的磁場(chǎng)時(shí)應(yīng)分清“因”和“果”。3.磁場(chǎng)疊加問題的一般解題思路(1)確定磁場(chǎng)場(chǎng)源，如通電導(dǎo)線。(2)定位空間中需求解磁場(chǎng)的點(diǎn)，利用安培定則判定各個(gè)場(chǎng)源在這一點(diǎn)上產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小和方向。如圖所示為M、N在c點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。(3)應(yīng)用平行四邊形定則進(jìn)行合成，如圖中的合磁場(chǎng)。1．下列關(guān)于小磁針在磁場(chǎng)中靜止時(shí)的指向，正確的是(

)解析：根據(jù)在磁體外部同名磁極相互排斥可知選項(xiàng)A錯(cuò)誤；應(yīng)用安培定則可知環(huán)形電流中心線上的磁場(chǎng)方向由右向左，小磁針N極受到的磁場(chǎng)力向左，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；根據(jù)安培定則可知通電螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)方向向右，內(nèi)部小磁針N極受到的磁場(chǎng)力向右，選項(xiàng)C正確；根據(jù)安培定則可知通電直導(dǎo)線右邊磁場(chǎng)方向向里，小磁針N極應(yīng)向里，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案：C答案：C易錯(cuò)警示磁場(chǎng)的疊加和安培定則應(yīng)用的“3大注意”(1)根據(jù)安培定則確定通電導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的方向時(shí)，注意直導(dǎo)線和環(huán)形導(dǎo)線存在的差異。(2)磁場(chǎng)中每一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樵擖c(diǎn)磁感線的切線方向。(3)磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，多個(gè)通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加時(shí)，合磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度等于各場(chǎng)源單獨(dú)存在時(shí)在該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。命題點(diǎn)二安培力作用下導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的判斷

自主探究1．方法概述判定通電導(dǎo)體在安培力作用下的運(yùn)動(dòng)方向或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，首先必須弄清楚導(dǎo)體所在位置的磁感線分布情況，再弄清導(dǎo)體中電流方向，然后利用左手定則準(zhǔn)確判定導(dǎo)體的受力情況，進(jìn)而確定導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。2．五種常用判定方法結(jié)論法同向電流互相吸引，異向電流互相排斥；兩不平行的直線電流相互作用時(shí)，有轉(zhuǎn)到平行且電流方向相同的趨勢(shì)轉(zhuǎn)換研究對(duì)象法定性分析磁體在電流磁場(chǎng)作用下如何運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的問題，可先分析電流在磁體磁場(chǎng)中所受的安培力，然后由牛頓第三定律，確定磁體所受電流磁場(chǎng)的作用力，從而確定磁體所受合力及運(yùn)動(dòng)方向3.如圖所示，把輕質(zhì)導(dǎo)線圈用絕緣細(xì)線懸掛在磁鐵N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直線圈平面。當(dāng)線圈內(nèi)通以圖中方向的電流后，線圈的運(yùn)動(dòng)情況是(

)A．線圈向左運(yùn)動(dòng)B．線圈向右運(yùn)動(dòng)C．從上往下看順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)D．從上往下看逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)A

解析：方法一：電流元法首先將圓形線圈分成很多小段，每一段可看作一直線電流元，取其中上、下兩小段分析，其截面圖和受安培力情況如圖甲所示。根據(jù)對(duì)稱性可知，線圈所受安培力的合力水平向左，故線圈向左運(yùn)動(dòng)。只有選項(xiàng)A正確。方法二：等效法將環(huán)形電流等效成小磁針，如圖乙所示，根據(jù)異名磁極相吸引知，線圈將向左運(yùn)動(dòng)；也可將左側(cè)條形磁鐵等效成環(huán)形電流，根據(jù)結(jié)論“同向電流相吸引，異向電流相排斥”，也可判斷出線圈向左運(yùn)動(dòng)，故A正確。4．(多選)通有電流的導(dǎo)線L1、L2、L3、L4處在同一平面(紙面)內(nèi)，放置方式及電流方向如圖甲、乙所示，其中L1、L3是固定的，L2、L4可繞垂直紙面的中心軸O轉(zhuǎn)動(dòng)，則下列描述正確的是(

)A．L2繞軸O按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)B．L2繞軸O按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C．L4繞軸O按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)D．L4繞軸O按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)BC

解析：題圖甲中由右手螺旋定則可知，導(dǎo)線L1上方磁場(chǎng)垂直紙面向外，且離導(dǎo)線L1的距離越近，磁場(chǎng)越強(qiáng)，導(dǎo)線L2上每一小部分受到的安培力方向水平向右，但軸O下方導(dǎo)線所受安培力較大，所以L2繞軸O按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，A錯(cuò)誤，B正確；題圖乙中軸O上方導(dǎo)線L4所受安培力向右，軸O下方導(dǎo)線L4所受安培力向左，即L4繞軸O按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，C正確，D錯(cuò)誤。5.(多選)如圖所示，臺(tái)秤上放一光滑平板，其左邊固定一擋板，一輕質(zhì)彈簧將擋板和一條形磁鐵連接起來，此時(shí)臺(tái)秤讀數(shù)為F1，現(xiàn)在磁鐵上方中心偏左位置固定一導(dǎo)體棒，當(dāng)導(dǎo)體棒中通以方向如圖所示的電流后，臺(tái)秤讀數(shù)為F2，則以下說法正確的是(

)A．彈簧長(zhǎng)度將變長(zhǎng)

B．彈簧長(zhǎng)度將變短C．F1＞F2 D．F1＜F2BC

解析：如圖甲所示，導(dǎo)體棒處的磁場(chǎng)方向指向右上方，根據(jù)左手定則可知，導(dǎo)體棒受到的安培力方向垂直于磁場(chǎng)方向指向右下方，根據(jù)牛頓第三定律，對(duì)條形磁鐵受力分析，如圖乙所示，所以FN1＞FN2，即臺(tái)秤示數(shù)F1＞F2；在水平方向上，由于F′有向左的分力，磁鐵壓縮彈簧，所以彈簧長(zhǎng)度變短。命題點(diǎn)三安培力作用下的力學(xué)綜合問題

師生互動(dòng)1．分析導(dǎo)體在磁場(chǎng)中平衡和加速問題的基本思路(1)確定要研究的導(dǎo)體。(2)按照重力→已知力→安培力→彈力→摩擦力的順序，對(duì)導(dǎo)體受力分析。(3)分析導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)情況。(4)根據(jù)平衡條件或牛頓第二定律列式求解。2．受力分析的注意事項(xiàng)(1)安培力的方向特點(diǎn)：F⊥B，F(xiàn)⊥I，即F垂直于B和I決定的平面。(2)安培力的大小：應(yīng)用公式F＝BILsinθ計(jì)算彎曲導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中所受安培力的大小時(shí)，有效長(zhǎng)度L等于曲線兩端點(diǎn)間的直線距離。(如圖所示)(3)視圖轉(zhuǎn)換：對(duì)于安培力作用下的力學(xué)問題，導(dǎo)體棒的受力往往分布在三維空間的不同方向上，這時(shí)應(yīng)利用俯視圖、剖面圖或側(cè)視圖等，變立體圖為二維平面圖。(如圖所示)安培力作用下的平衡問題[典例1]

如圖所示，長(zhǎng)為L(zhǎng)、質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒ab，置于傾角為θ的光滑斜面上。導(dǎo)體棒與斜面的水平底邊始終平行。已知導(dǎo)體棒通以從b向a的電流，電流大小為I，重力加速度為g。(1)若勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向豎直向上，為使導(dǎo)體棒靜止在斜面上，求磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大??；(2)若勻強(qiáng)磁場(chǎng)的大小、方向都可以改變，要使導(dǎo)體棒能靜止在斜面上，求磁感應(yīng)強(qiáng)度的最小值和對(duì)應(yīng)的方向。[思路點(diǎn)撥]

解此題的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：(1)根據(jù)電流和磁場(chǎng)方向，確定導(dǎo)體棒所受安培力方向，畫出受力分析圖。(2)根據(jù)導(dǎo)體棒受力特點(diǎn)，分析判斷磁感應(yīng)強(qiáng)度為最小值的條件。

安培力作用下的動(dòng)力學(xué)問題[典例2]

(多選)如圖甲所示，電流恒定的通電直導(dǎo)線MN，垂直平放在兩條相互平行的水平光滑長(zhǎng)導(dǎo)軌上，電流方向由M指向N，在兩軌間存在著豎直磁場(chǎng)，取垂直紙面向里的方向?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度的正方向，當(dāng)t＝0時(shí)導(dǎo)線恰好靜止，若B按如圖乙所示的余弦規(guī)律變化，下列說法正確的是(

)AD

A．在最初的一個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)線在導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)B．在最初的一個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)線一直向左運(yùn)動(dòng)C．在最初的半個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)線的加速度先增大后減小

D．在最初的半個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)線的速度先增大后減小[解析]

當(dāng)t＝0時(shí)，由左手定則可知，MN受到向右的作用力，根據(jù)F安＝BLI，由于B最大，故此時(shí)的安培力最大，則MN的加速度最大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B減小，故加速度減小，而MN的速度在增大，當(dāng)B＝0時(shí)，加速度為0，速度最大，當(dāng)B反向時(shí)，安培力也會(huì)反向，則加速度也反向，MN做減速運(yùn)動(dòng)，到半個(gè)周期時(shí)，MN減速到0，此時(shí)的加速度反向最大，然后MN再反向運(yùn)動(dòng)，先加速再減速，由對(duì)稱性可知一個(gè)周期內(nèi)MN又回到出發(fā)的位置，故在最初的一個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)線在導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，A正確，B錯(cuò)誤；在最初的半個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)線的加速度先減小后增大，而其速度則是先增大后減小，C錯(cuò)誤，D正確。易錯(cuò)警示安培力作用下的力學(xué)問題的2點(diǎn)注意(1)安培力作用下的平衡問題與力學(xué)中的平衡問題分析方法是相同的，只不過多了安培力，解題的關(guān)鍵仍是受力分析。(2)在剖面圖中，線框的受力邊及金屬棒可用小圓圈代替，垂直剖面方向的電流可用“?”或“⊙”表示，垂直剖面方向的磁場(chǎng)可用“×”或“·”表示，但垂直剖面方向的力不能用“×”或“·”表示。6.(多選)(2021·四川省宜賓一診)在傾角θ＝30°的絕緣斜面上，固定一光滑金屬框，寬l＝0.5m，接入電動(dòng)勢(shì)E＝6V、內(nèi)阻r＝0.5Ω的電池，垂直框面放置一根質(zhì)量m＝0.2kg的金屬棒ab，金屬棒接入電路的電阻R0的阻值為0.2Ω，整個(gè)裝置放在磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝1.0T、方向垂直于框面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R的阻值使金屬棒靜止在框架上，如圖所示，則下列說法正確的是(框架的電阻與摩擦不計(jì)，框架與金屬棒接觸良好，g取10m/s2)(

)ABD

A．金屬棒受到的安培力的大小為1NB．通過金屬棒的電流強(qiáng)度I的大小為2AC．滑動(dòng)變阻器R接入電路的阻值為R＝3ΩD．電源的輸出功率為P＝10W7.(2021·四川攀枝花高三診斷)如圖所示，金屬棒MN兩端由等長(zhǎng)的輕質(zhì)絕緣細(xì)線水平懸掛，處于垂直紙面水平向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，棒中通有由M到N的恒定電流，細(xì)線中拉力不為零，兩細(xì)線豎直。保持勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小不變，方向緩慢地轉(zhuǎn)過90°變?yōu)樨Q直向下，在這個(gè)過程中(

)A．細(xì)線向紙面內(nèi)偏轉(zhuǎn)，其中的拉力一直增大B．細(xì)線向紙面外偏轉(zhuǎn)，其中的拉力一直增大C．細(xì)線向紙面內(nèi)偏轉(zhuǎn)，其中的拉力先增大后減小D．細(xì)線向紙面外偏轉(zhuǎn)，其中的拉力先增大后減小A

解析：初始狀態(tài)時(shí)，金屬棒受重力、拉力和安培力作用而平衡。由左手定則可判斷出最初安培力方向豎直向上。在磁場(chǎng)方向由垂直紙面向里緩慢地轉(zhuǎn)過90°變?yōu)樨Q直向下的過程中，安培力的大小F安＝BIL不變，方向由豎直向上變?yōu)榇怪奔埫嫦蚶铩Ｓ晒颤c(diǎn)力平衡條件可知，細(xì)線向紙面內(nèi)偏轉(zhuǎn)。因?yàn)榻饘侔羰苤亓Α⒗桶才嗔ψ饔枚胶?，重力和安培力的合力與拉力等大反向，重力和安培力的大小不變，它們之間的夾角由180°變?yōu)?0°，可知兩個(gè)力的合力一直增大，所以拉力一直增大，選項(xiàng)A正確。8．(多選)如圖甲所示，兩根光滑平行導(dǎo)軌水平放置，間距為L(zhǎng)，其間有豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。垂直于導(dǎo)軌水平對(duì)稱放置一根均勻金屬棒。從t＝0時(shí)刻起，棒上有如圖乙所示的持續(xù)交變電流I，周期為T，最大值為Im，圖甲中I所示方向?yàn)殡娏髡较?。則金屬棒(

)A．一直