2023年高考物理总复习名师学案磁场43页WORD147366doc高中物理.docx

2023高考物理总复习名师学案--磁场（43页WORD）  ●考点指要 知 识 点 要求程度 1.电流的磁场. Ⅰ 2.磁感应强度.磁感线.地磁场.磁通量. Ⅱ 3.磁性材料.分子电流假说. Ⅰ 4.磁电式电表原理 Ⅰ 5.磁场对通电直导线的作用.安培力.左手定那么. Ⅱ 6.磁场对运动电荷的作用.洛伦兹力.带电粒子在匀强磁场中的圆周运动. Ⅱ 7.质谱仪，盘旋加速器 Ⅰ 【说明】 (1)只要求掌握直导线跟B平行或垂直两种情况下的安培力. (2)只要求掌握v跟B平行或垂直两种情况下的洛伦兹力. ●复习导航 本章主要讨论了磁场的描述方法(定义了磁感应强度等概念，引入了磁感线这个工具)和磁场产生的作用(对电流的安培力的作用、对运动电荷的洛伦兹力作用)及其相关问题.其中磁感应强度是电磁学的根本概念，应认真理解；通电直导线在磁场中的平衡、加速运动，带电粒子在洛伦兹力作用下的圆周运动等内容应熟练掌握；常见磁体周围磁感线的空间分布观念的建立，常是解决有关问题的关键，复习中应注意这方面的训练. 从近几年的高考试题看，几乎本章的每个知识点都考过，特别是左手定那么和带电粒子在磁场(或加有电场、重力场的复合场)中的运动，更是频频出现，且难度较大，对学生的空间想象能力、物理过程、运动规律的综合分析能力都要求较高，在复习中应引起高度的重视. 本章内容可分为两个单元组织复习：(Ⅰ)磁场对电流的作用.(Ⅱ)磁场对运动电荷的作用. 第Ⅰ单元 磁场对电流的作用 ●知识聚焦 一、磁场 1.磁场是磁极、电流周围存在的一种物质，对放在磁场中的磁极、电流具有力的作用. 2.磁场的方向：规定在磁场中任一点小磁针N极受力的方向(或者小磁针静止时N极的指向)就是那一点的磁场方向. 3.磁感线：在磁场中人为地画出一系列曲线，曲线的切线方向表示该位置的磁场方向，曲线的疏密能定性地表示磁场的弱强，这一系列曲线称为磁感线.要掌握条形磁铁、蹄形磁铁、直线电流、环形电流、通电螺线管形成磁场及地磁场中的磁感线分布特点. 地球的磁场与条形磁铁的磁场相似，其主要特点有三个： （1）地磁场的N极在地球南极附近，S极在地球北极附近，磁感线分布如图11—1—1所示. 图11—1—1 （2）地磁场B的水平分量（Bx) 总是从地球南极指向地球北极，而竖直分量By，在南半球垂直地面向上，在北半球垂直地面向下. （3）在赤道平面上，距离地球外表高度相等的各点，磁感应强度相等，且方向水平向北. 对于磁感线的认识，要注意以下几点： ①磁感线是为了形象地研究磁场而人为假设的曲线，并不是客观存在于磁场中的真实曲线，实验时利用被磁化的铁屑来显示磁感线的分布情况，只是研究磁感线的一种方法，使得看不见、摸不着的磁场变得具体形象，给研究者带来方便.但是，决不能认为磁感线是由铁屑排列而成的，另外被磁化的铁屑所显示的磁感线分布仅是一个平面上的磁感线分布情况而磁铁周围的磁感线应分布在长、宽、高组成的三维空间内. ②磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线较密的地方磁场较强，磁感线较疏的地方磁场较弱. ③磁场对小磁针N极的作用力的方向叫做磁场的方向.由于磁感线上任何一点的方向，都跟该点的磁场方向一致，所以磁感线方向，磁场方向和小磁针静止时N极所指的方向，三者是一致的. ④磁感线不能相交，也不能相切. ⑤没有画磁感线的地方，并不表示那里就没有磁场存在，通过磁场中的任一点总能而且只能画出一条磁感线. ⑥磁场中的任何一条磁感线都是闭合曲线.例如：条形磁铁或通电螺线管的磁感线在外部都是从N极出来进入S极；在内部那么由S极回到N极，形成闭合曲线. 4.电流的磁场 安培定那么 (1)直线电流的磁场，(2)环形电流的磁场，(3)通电螺线管的磁场，磁感线的方向都是由安培定那么判断. 二、磁感应强度和磁通量 1.磁场最根本的性质是对放入其中的电荷有磁场力的作用.电流垂直于磁场时受磁场力最大，电流与磁场方向平行时，磁场力等于零. 在磁场中垂直于磁场方向的通电直导线，受到的磁场力F与电流I和导线长度L的乘积的比值叫做通电直导线所在处的磁感应强度.定义式为：B＝，磁感应强度的方向就是该位置的磁场方向. 2.匀强磁场：假设某个区域里磁感应强度大小处处相等，方向都相同，那么这个区域的磁场叫做匀强磁场.两个较大的异名磁极之间(除边缘之外)、长直通电螺线管内部(除两端之外)都是匀强磁场.匀强磁场中的磁感线是平行等距的直线. 3.穿过某一面积的磁感线的条数叫做穿过这个面积的磁通量. Φ=BS⊥ 磁感应强度又叫磁通密度. B= 三、安培力 1.磁场对电流的作用力也叫安培力，其大小由B＝导出，即F＝BIＬ.式中F、B、I要两两垂直. 2.安培力的方向可由左手定那么判定，注意安培力垂直于电流方向和磁场方向决定的平面. 3.由于该处的题目中给出的常是立体图，又涉及到F、I、B之间的方向关系，因此求解该处题目时应具有较好的空间想象力，要善于把立体图形改画成易于分析受力的平面图形. 四、电流表的工作原理 电流表的构造主要包括：蹄形磁铁、圆柱形铁芯、线圈、螺旋弹簧和指针.蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐射分布的，如图11—1—2所示，这样不管通电导线处于什么角度，它的平面均与磁感线平行，从而保证受到的磁力矩不随转动角度的变化而变化.始终有：M=nBIS(n为线圈的匝数).当线圈转到某一角度时，磁力矩与弹簧产生的阻力矩M′相等时，线圈就停止转动，此时指针(指针随线圈一起转动)就停在某处，指向一确定的读数：I＝,由于M′与转动的角度θ成正比，所以电流越大，偏转角就越大，θ与电流I成正比. 图11—1—2 ●疑难辨析 1.磁场中某位置的磁感应强度的大小及方向是客观存在的，与放入的电流I的大小、导线的长短即L的大小无关，与电流受到的力也无关，即便不放入载流导体，它的磁感应强度也照样存在.因此不能说B与F成正比，或B与IL成反比.磁感应强度B是矢量，遵守矢量分解合成的平行四边形定那么.注意磁感应强度的方向就是该处的磁场方向，并不是该处电流的受力方向. 图11—1—3 2.因F＝BIＬ是由B＝导出，所以在应用时要注意：(1)B与L垂直；(2)L是有效长度；(3)B并非一定为匀强磁场，但它应该是L所在处的磁感应强度. 例如图11—1—3所示，垂直折线abc中通入电流I，ab＝bc＝L，折线所在平面与匀强磁感应强度B垂直.abc受安培力等效于ac(通有a→c的电流I)所受安培力，即F＝BI· L，方向同样由等效电流ac判定为在纸面内垂直于ac斜向上.同理可以推知：(1)如图11—1—4(1)所示，半圆形通电导线受安培力F＝BI·2R，(2)如图11—1—4(2)所示闭合的通电导线框受安培力F＝0. 图11—1—4 3.定性判断通电导线或线圈在安培力作用下的运动方向问题，常用以下几种方法： (1)电流元分析法.把整段电流等分为很多段直线电流元，先用左手定那么判断出小段电流元受到的安培力方向，再判断整段电流所受安培力合力的方向，从而确定导体的运动方向. (2)特殊位置分析法.把通电导体转到一个便于分析的特殊位置后判断其安培力方向，从而确定运动方向. 图11—1—5 图11—1—6 例如，如图11—1—5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，当导线中通过如下列图方向的电流I时，试判断导线的运动情况.用电流元分析法：把直线电流看为OA和OB两局部，画出几条典型的磁感线，由左手定那么可判断出OA段受安培力垂直纸面向外，OB段受安培力垂直纸面向里，如图11—1—6所示，可见从上向下看导线将逆时针转动；再用特殊位置分析法：设导线转过90°到与纸面垂直的位置，见图11—1—6，判断导线受安培力方向向下.由以上两个方面可知导线在逆时针转动的同时向下运动. (3)等效分析法：环形电流可等效为小磁针，条形磁铁也可等效为环形电流，通电螺线管可等效成多个环形电流或条形磁铁. (4)利用平行电流相互作用分析法：同向平行电流相互吸引，异向平行电流相互排斥. 例如，图11—1—7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于线圈平面.当线圈内通入如图方向的电流后，判断线圈如何运动用等效分析法：把环形电流等效为一个小磁针如图11—1—8所示，由磁极间相互作用可知线圈将向磁铁运动. 图11—1—7 图11—1—8 ●典例剖析 ［例1］如图11—1—9所示，导线ab固定，导线cd与ab垂直且与ab相隔一段距离.cd可以自由移动，试分析cd的运动情况. 图11—1—9 【解析】 首先分析固定导线ab的磁感线的分布情况，如下列图(用安培定那么)，然后再用左手定那么分析cd导线在磁场中的受力方向.可以发现ab两侧的局部所受安培力F分别如图中标的所示，所以cd导线将顺时针方向转动.仔细留意一下就会发现，当cd一转动， 两者的电流就有同向的成分，而同向电流相互吸引，可见cd导线在转动的同时还要向ab导线平移. 【说明】 通过对此题的分析有两点值得注意： (1)cd导线边转动，边受到吸引力，且随着转动角度的增大，所受吸引力增大.转动和吸引是同时发生的，一转动就有吸引力，并不是转动以后才受到吸引力. (2)不管是电流与电流的作用还是电流与磁体的作用，如果发生这种转动(在磁场力作用下，不是外力作用下)，其转动的必然结果是相互吸引.这是由能量守恒所决定的.利用这一特点，可快速判断此类问题. 【设计意图】 通过本例说明电流和电流间的相互作用力及分析在这种作用力下导线运动情况的方法. ［例2］在倾角为α的光滑斜面上，放一根通电导线AB，电流的方向为A→B，AB长为L，质量为m，放置时与水平面平行，如图11—1—10所示，将磁感应强度大小为B的磁场竖直向上加在导线所在处，此时导线静止，那么导线中的电流为多大如果导线与斜面有摩擦，动摩擦因数为μ，为使导线保持静止，电流I多大（μ＜tanα） 图11—1—10 图11—1—11 【解析】 在分析这类问题时，由于B、I和安培力F的方向不在同一平面内，一般情况下题目中所给的原图均为立体图，在立体图中进行受力分析容易出错，因此画受力图时应首先将立体图平面化.此题中棒AB所受重力mg、支持力FN和安培力F均在同一竖直面内，受力分析如图11—1—11所示.由于AB静止不动，所以 FNsinα=F=BIL ① FNcosα=mg ② 由①②得导线中电流I＝tanα 如果存在摩擦的话，问题就复杂得多.当电流I＜tanα时，AB有向下滑的趋势，静摩擦力沿斜面向上，临界状态时静摩擦力到达最大值Ff1=μFN1.当电流I＞tanα时，AB有向上滑的趋势，静摩擦力沿斜面向下，临界状态时Ff2=μFN2. 第一种临界情况，由平衡条件得： 沿斜面方向 mgsinα=F1cosα+Ff1 ③ 垂直于斜面方向 FN1＝mgcosα＋F1sinα ④ 又Ff1=μFN1；F1＝I1LB ⑤ 由③④⑤得，I1＝ 第二种情况，同理可列方程 mgsinα+Ff2=F2cosα ⑥ FN2＝mgcosα+F2sinα ⑦ Ff2=μFN2；F2=I2LB ⑧ 由⑥⑦⑧得， I2＝ 所求条件为： ≤I≤ 【思考】 (1)题目中所给的条件μ＜tanα有什么作用假设μ＞tanα会出现什么情况 (2)假设磁场B的