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2013届高考物理一轮复习 第八章 磁场第1讲 磁场及磁场对通电导线的作用课件 教科版选修3-1


2013届高考一轮物理复习课件选修3-1(教科版)

第1讲 磁场及磁场对通电导线的作用

磁场、磁感应强度、磁通量

Ⅰ(考纲要求)

1. 磁场 (1)基本特性:磁场对处于其中的磁体、电流和运动电荷有 磁场力 ______的作用. N极 (2)方向:小磁针的____所受磁场力的方向. 磁感应强度

2. 强弱 方向 (1)物理意义:描述磁场的____和____. F (2)大小:B= (通电导线垂直于磁场). IL N极 (3)方向:小磁针静止时____的指向. (4)单位:特斯拉(T).

匀强磁场 3. (1)定义:磁感应强度的大小 处处相等 处处相同 _________、方向_________ 的磁场称为匀强磁场. (2)特点 匀强磁场中的磁感线是疏密 程度相同的、方向相同的平 行直线. 磁通量 4. (1)概念:在磁感应强度为B的匀强磁场中,与磁场方向 垂直 ____的面积S与B的乘积. BS (2)公式:Φ=___. 1 T· 2 m (3)单位:1 Wb=______.

磁感线 通电直导线和通电线圈周围磁场的方向 Ⅰ(考纲要求)
磁感线 1. (1)磁感线:在磁场中画出一些有方向的曲线,使曲线上各 切线 点的____方向跟这点的磁感应强度方向一致. (2)条形磁铁和蹄形磁铁的磁场磁感线分布

2.几种电流的磁场分布 通电螺线管 直线电流的磁场 的磁场 与条形磁铁的磁 无磁极、非匀强、 场相似,管内为 特点 且距导线越远处 匀强磁场,管外 越弱 磁场____ 为非匀强磁场 安培 定则 环形电流的磁场 环形电流的两侧 是N极与S极,且 离圆环中心越远, 磁场____ 越弱

直线电流的磁场

通电螺线 管的磁场

环形电流的磁场

立体图

横截 面图

纵截 面图

安培力、安培力的方向 Ⅰ(考纲要求) 匀强磁场中的安培力 Ⅱ(考纲要求) 1. 安培力的大小 BIL (1)磁场和电流垂直时:F=____. (2)磁场和电流平行时:F=0. 安培力的方向 2. (1)用左手定则判定: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 电流的方向 入,并使四指指向__________,这时拇指所指的方向就是 安培力的方向 通电导线在磁场中所受_____________. (2)安培力的方向特点:F⊥B,F⊥I,即F垂直于_____决 B和I 定的平面.

(2011· 长春高三检测)关于电场线和磁感线的说法正确的 1. 是 ( ). A.电场线和磁感线都是利用疏密表示场的强弱的 B.电场线是客观存在的,而磁感线是不存在的 C.静电场的电场线是不闭合的,而磁感线是闭合的曲线 D.电场线和磁感线都可能相交 答案 AC

(2011· 杭州高三检测)如图8-1-1所示, 2. 通电直导线右边有一个矩形线框,线框平 面与直导线共面,若使线框逐渐远离(平 动)通电导线,则穿过线框的磁通量将 图8-1-1 ( ). A.逐渐增大 B.逐渐减小 C.保持不变 D.不能确定 解析 离导线越远,电流产生的磁场越弱,穿过线圈的磁 感线条数越少,磁通量逐渐减小,故只有B正确. 答案 B

关于磁感应强度,下列说法正确的是 ( ). 3. A.一小段通电导线放在B为零的位置,那么它受到的磁 场力也一定为零 B.通电导线所受的磁场力为零,该处的磁感应强度也一 定为零 C.放置在磁场中1 m长的通电导线,通过1 A的电流,受 到的磁场力为1 N,则该处的磁感应强度就是1 T D.磁场中某处的B的方向跟电流在该处受到的磁场力F的 方向相同 解析 根据磁感应强度的定义,A选项对.通电导线(电流 I)与磁场方向平行时,磁场力为零,磁感应强度不为零, B选项错.只有通电导线(电流I)与磁场方向垂直时,该处 磁感应强度大小才为1 T,C选项错.B与F方向一定垂直, D选项错. 答案 A

(2012· 武汉模拟)如图8-1-2所示,正方形线 4. 圈abcd位于纸面内,边长为L,匝数为N,过 ab中点和cd中点的连线OO′恰好位于垂直纸面 向里的匀强磁场的右边界上,磁感应强度为B, 则穿过线圈的磁通量为 ( ). 图8-1-2 BL2 NBL2 A. B. C.BL2 D.NBL2 2 2 答案 A

在匀强磁场中某处P放一个长度为L=20 cm,通电电流I= 5. 0.5 A的直导线,测得它受到的最大磁场力F=1.0 N,其方 向竖直向上,现将该通电导线从磁场中撤走,则P处磁感 应强度为 ( ). A.零 B.10 T,方向竖直向上 C.0.1 T,方向竖直向上 D.10 T,方向肯定不是竖直向上 F 解析 由公式 B=IL可知, 把数值代入可以得到 B=10 T,
公式中 L 是与 B 垂直的, 所以 P 处磁感应强度的方向肯定 不是竖直向上的. 答案 D

通电矩形线框abcd与长直通电导线MN在 6. 同一平面内,如图8-1-3所示,ab边与 MN平行.关于MN的磁场对线框的作用力, 下列说法正确的是 ( ). A.线框有两条边所受的安培力方向相同 B.线框有两条边所受的安培力大小相等 C.线框所受的安培力的合力方向向左 D.线框所受的安培力的合力方向向右

图8-1-3

解析 由安培定则可知导线MN在线框处所产生的磁场方 向垂直于纸面向外,再由左手定则判断出bc边和ad边所受 安培力大小相等,方向相反.ab边受到向右的安培力 Fab,cd边受到向左的安培力Fcd.因ab处的磁场强,cd处的 磁场弱,故Fab>Fcd,线框所受合力方向向右. 答案 BD

考点一

对磁感应强度的理解

(1)磁感应强度由磁场本身决定,就像电场强度由电场本身 决定一样,跟该位置放不放通电导线、电流的大小无关. F (2)不能根据公式 B=IL就说 B 与 F 成正比,与 IL 成反比. (3)磁感应强度B的定义式也是其度量式. (4)磁感应强度是矢量,其方向是放入其中的小磁针静止 时N极的指向,空间中磁场叠加,在某一点的磁场方向即 该点的磁感应强度的方向只有一个,即合磁场方向,应用 平行四边形定则来求该点的磁感应强度.

【典例1】
关于磁感应强度B,下列说法中正确的是 ( ). A.磁场中某点B的大小,跟放在该点的试探电流元的情 况有关 B.磁场中某点B的方向,跟放在该点的试探电流元所受 磁场力方向一致 C.在磁场中某点的试探电流元不受磁场力作用时,该点 B值大小为零 D.在磁场中磁感线越密集的地方,磁感应强度越大

解析

磁感应强度是磁场本身属性,在磁场中某处的磁感

F 应强度为一恒量,其大小可由 B=IL计算,与试探电流元 的 F、I、L 的情况无关,A 错.磁感应强度的方向规定为 小磁针 N 极受磁场力的方向,与放在该处电流元受力方向 垂直,B 错.当试探电流元的方向与磁场方向平行时,虽 电流元受磁场力为零,但磁感应强度却不为零,C 错.磁 感线的疏密是根据磁场的强弱画出的.磁感线越密集的地 方,磁感应强度越大,磁感线越稀疏的地方,磁感应强度 越小,故 D 正确.

答案

D

【变式1】
有两根长直导线a、b互相平行放置,如图8 -1-4所示为垂直于导线的截面图.在图 示的平面内,O点为两根导线连线的中点, M、N为两根导线附近的两点,它们在两 导线的中垂线上,且与O点的距离相 图8-1-4 等.若两导线中通有大小相等、方向相同 的恒定电流I,则关于线段MN上各点的磁感应强度的说法 中正确的是 ( ). A.M点和N点的磁感应强度大小相等,方向相同 B.M点和N点的磁感应强度大小相等,方向相反 C.在线段MN上各点的磁感应强度都不可能为零 D.在线段MN上只有一点的磁感应强度为零

解析 两根导线分别在M点和N点产生的磁感应强度大小 相等,方向相反,所以M点、N点的磁感应强度大小相等, 方向相反,选项B正确;线段MN中点O的磁感应强度为零, 选项D正确. 答案 BD

考点二

安培力的分析与计算

安培力公式写为F=ILB,适用条件为磁场与电流方向垂 1. 直.

式中L是有效长度.弯曲导线的有效 2. 长度L,等于两端点所连直线的长度 (如图8-1-5所示);相应的电流方 向,沿L由始端流向末端,因为任意 形状的闭合线圈,其有效长度L= 0,所以通电后在匀强磁场中,受到 的安培力的矢量和一定为零.

图8-1-5

【典例2】
如图8-1-6,一段导线abcd位于磁感 应强度大小为B的匀强磁场中,且与 磁场方向(垂直于纸面向里)垂直.线 段ab、bc和cd的长度均为L,且∠abc 图8-1-6 = ∠bcd=135°.流经导线的电流为I,方向如图中箭头所 示.导线段abcd所受到的磁场的作用力的合力 ( ).
A.方向沿纸面向上,大小为( 2+1)ILB B.方向沿纸面向上,大小为( 2-1)ILB C.方向沿纸面向下,大小为( 2+1)ILB D.方向沿纸面向下,大小为( 2-1)ILB

解析 ab、bc、cd所受安培力的大小 均为F=BIL,bc边所受安培力的方 向垂直于bc向上,ab、cd边所受安培 力的方向如图所示,由几何关系可 知ab与cd边所受安培力方向之间的夹 角为 90° 合力大小 F′= 2BIL, , 方向垂直于 bc 边向上,

且与 bc 边所受安培力在一条直线上,因此 abcd 所受磁场 的作用力的合力为 F 合=F+F′=( 2+1)ILB, 方向沿纸 面垂直 bc 向上. 答案 A

【变式2】
(2011· 黄冈质检)如图8-1-7所示,用粗细均匀的电阻丝折 成平面梯形框架,ab、cd边均与ad边成60°角,ab=bc=cd =L,长度为L的电阻丝电阻为r,框架与一电动势为E,内 阻为r的电源相连接,垂直于框架平面有磁感应强度为B的匀 强磁场,则框架受到的安培力的合力大小为 ( ).

A.0

图8-1-7 5BEL 10BEL B. C. 11r 11r

BEL D. r

解析

3r· 2r 11 E 5E 总电阻 R= +r= r,总电流 I=R= 梯形 5 11r 3r+2r

框架受到的安培力等效为 I 通过 ad 边时受到的安培力,故 F=BI· ad=BI×2L= 10BEL ,所以 C 选项正确. 11r

答案

C

考点三

安培力作用下导体运动情况的判定(小专题)

判定安培力作用下导体运动情况的常用方法

【典例3】
如图8-1-8所示,把一通电导线放在蹄 形磁铁磁极的正上方,导线可以自由移 动.当导线通过电流I时,如果只考虑安 培力的作用,则从上往下看,导线的运动 情况是 ( ). 图8-1-8 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 第一步:电流元受力分析法 把直线电流等效为OA、OB两段电流元,蹄形磁铁磁感线 分布以及两段电流元受安培力方向相反,如图a所示.可 见从上往下看时,导线将逆时针方向转动.

第二步:特殊位置分析法 取导线逆时针转过90°的特殊位置来分析,如图b所 示.根据左手定则判断安培力方向向下,故导线在逆时针 转动的同时向下运动. 答案 C

【变式3】
(2011· 江苏徐州模拟)如图8-1-9所示, 把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N 极附近,磁铁的轴线穿过线圈的圆心且 垂直线圈平面.当线圈内通以图中方向 的电流后,线圈的运动情况是 ( ). A.线圈向左运动 B.线圈向右运动 C.从上往下看顺时针转动 D.从上往下看逆时针转动

图8-1-9

解析 法一 电流元法.首先将圆形线圈 分成很多小段,每一段可看作一直线电流 元,取其中上、下两小段分析,其截面图 和受安培力情况如右图所示.根据对称性 可知,线圈所受安培力的合力水平向左,故线圈向左运 动.只有选项A正确. 法二 等效法.将环形电流等效成 小磁针,如右图所示,据异名磁极 相吸引知,线圈将向左运动,选A.也可将左侧条形磁铁等 效成环形电流,根据结论“同向电流相吸引,异向电流相 排斥”,也可判断出线圈向左运动,选A. 答案 A

【典例4】
如图8-1-10所示条形磁铁放在水平 桌面上,在其正中央的上方固定一根 长直导线,导线与磁铁垂直,给导线 图8-1-10 通以垂直纸面向里的电流,用F表示 磁铁对桌面的压力,用f表示桌面对磁铁的摩擦力,导线 中通电后与通电前相比较 ( ). A.F减小,f=0 B.F减小,f≠0 C.F增大,f=0 D.F增大,f≠0

解析 (转换研究对象法)如图所示, 画出一条通电电流为I的导线所在处 的磁铁的磁感线,电流I处的磁场方 向水平向左,由左手定则知,电流I

受安培力方向竖直向上.根据牛顿第三定律可知,电流对 磁铁的反作用力方向竖直向下,所以磁铁对桌面压力增 大,而桌面对磁铁无摩擦力作用,故正确选项为C. 答案 C

【变式4】
一条形磁铁放在水平桌面上,它的上 方靠S极一侧吊挂一根与它垂直的导 体棒,图8-1-11中只画出此棒的截 图8-1-11 面图,并标出此棒中的电流是流向纸 内的,在通电的一瞬间可能产生的情况是 ( ). A.磁铁对桌面的压力减小 B.磁铁对桌面的压力增大 C.磁铁受到向右的摩擦力 D.磁铁受到向左的摩擦力

解析 如图所示,对导体棒,通电 后,由左手定则判断出导体棒受到 斜向左下的安培力,由牛顿第三定 律可得,磁铁受到导体棒的作用力 应斜向右上,所以在通电的一瞬间,磁铁对桌面的压力减 小,磁铁受到向左的摩擦力,因此A、D正确. 答案 AD

【变式5】
如图8-1-12所示,条形磁 铁放在光滑斜面上,用平行 于斜面的轻弹簧拉住而平衡, A为水平放置的直导线的截 面,导线中无电流时磁 图8-1-12 铁对斜面的压力为FN1;当导线中有垂直纸面向外的电流 时,磁铁对斜面的压力为FN2,则下列关于压力和弹簧的 伸长量的说法中正确的是 ( ). A.FN1<FN2,弹簧的伸长量减小 B.FN1=FN2,弹簧的伸长量减小 C.FN1>FN2,弹簧的伸长量增大 D.FN1>FN2,弹簧的伸长量减小

解析 在题图中,由于条形磁铁的磁感线是从N极出发到 S极,所以可画出磁铁在导线A处的一条磁感线,其方向 是斜向左下方的,导线A中的电流垂直纸面向外,由左手 定则可判断导线A必受斜向右下方的安培力,由牛顿第三 定律可知磁铁所受作用力的方向是斜向左上方,所以磁铁 对斜面的压力减小,即FN1>FN2,同时,由于导线A比较 靠近N极,安培力的方向与斜面的夹角小于90°,所以对 磁铁的作用力有沿斜面向下的分力,使得弹簧弹力增大, 可知弹簧的伸长量增大,所以正确选项为C. 答案 C

5.转换思维法
与安培力有关的力学综合问题的求解
转换思维法即在物理问题中通过对研究对象、条件、 过程等进行合理有效的转换、以达到使问题简化、明朗、 形成明确的解题思路的目的. 从近三年高考试题可以看出“与安培力有关的通电导 体在磁场中的加速或平衡问题”已成为高考的热点,这类 问题的求解方法如下:

(1)选定研究对象; (2)变三维为二维:画出平面受力分析 图,其中安培力的方向切忌跟着感觉 走,要用左手定则来判断,注意F安 ⊥B、F安⊥I; (3)列方程:根据力的平衡条件、牛顿 第二定律列方程式进行求解.

上海单科,18)如图8-1-13 【典例】 (2011· 所示,质量为m、长为L的直导线用两 绝缘细线悬挂于O、O′,并处于匀强磁 场中,当导线中通以沿x正方向的电流I, 且导线保持静止时,悬线与竖直方 图8-1-13 向夹角为θ.则磁感应强度方向和大小可能为 ( ). mg mg A.z 方向, IL tan θ B.y 正向, IL
mg C.z 负向, IL tan θ mg D.沿悬线向上, IL sin θ

解析

若 B 沿 z 轴正方向,导线无法平衡,A 错误;若 B

沿 y 轴正方向,由左手定则,受力如图①:mg=BIl,所以 B 正确;若 B 沿 z 轴负方向,受力如图②,FTsin θ=BIl; mg FTcos θ=mg,所以 B= IL tan θ,C 正确;若 B 沿悬线向 上,受力如图③,导线无法平衡,D 错误.
答案 BC


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