专题十　磁场（讲解部分）-精品文档资料.pptx

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1、考点清单知能拓展实践探究栏目索引专题十磁场高考物理高考物理考点清单知能拓展实践探究栏目索引一、磁场的描述一、磁场的描述1.磁场磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间,以及通电导体与通电导体之间的相互作用,都是通过磁场发生的。2.磁感应强度磁感应强度考点一磁场及其作用考点一磁场及其作用考点考点清单清单考点清单知能拓展实践探究栏目索引二、几种常见的磁场二、几种常见的磁场1.常见磁体的磁场3.磁感线:在磁场中画出一系列曲线,使曲线上每一点的切线方向都跟这点的磁感应强度方向一致。考点清单知能拓展实践探究栏目索引2.常见电流的磁场考点清单知能拓展实践探究栏目索引磁感线电场线意义 为形象地描述磁场方向和相对强

2、弱而假想的线为形象地描述电场方向和相对强弱而假想的线方向 线上各点的切线方向即该点的磁场方向,是小磁针N极受力方向线上各点的切线方向即该点的电场方向,是正电荷受电场力的方向疏密 表示磁场强弱表示电场强弱特点 在空间不相交、不中断除场源电荷处外,在空间不相交、不中断不同点是闭合曲线电场线始于正电荷,止于负电荷或无穷远处,或始于无穷远,止于负电荷,不是闭合曲线三、磁感线与电场线的比较三、磁感线与电场线的比较考点清单知能拓展实践探究栏目索引四、带电粒子在匀强磁场中的运动形式四、带电粒子在匀强磁场中的运动形式vB匀速直线运动vB在垂直于磁感线平面内做匀速圆周运动v与B成角在平行于磁场方向,以vcos做

3、匀速直线运动在垂直于磁场方向,以vsin做匀速圆周运动考点清单知能拓展实践探究栏目索引五、带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动五、带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动条件粒子垂直磁场方向射入匀强磁场中轨迹平面垂直于磁感线的平面内向心力洛伦兹力提供向心力,F=Bqv轨迹半径R=周期(频率)T=(f=)周期与粒子的运动速率无关角速度=角速度只取决于粒子的比荷与磁感应强度,与粒子的运动速率无关动能Ek=mv2,R=Ek=粒子运动的动能与磁感应强度、所带电荷量、比荷、轨道半径相关联考点清单知能拓展实践探究栏目索引六、洛伦兹力的推导六、洛伦兹力的推导如图所示,直导线长为L,电流为I,导体中运动电荷数为n,横

4、截面积为S,电荷的电荷量为q,运动速度为v,则安培力F=BIL=nF洛,所以洛伦兹力F洛=。因为I=NqSv(N为单位体积内的电荷数),所以F洛=qvB,式中n=NSL,故F洛=qvB。考点清单知能拓展实践探究栏目索引七、洛伦兹力与电场力的比较七、洛伦兹力与电场力的比较洛伦兹力F电场力F大小F=qvB(vB)F=qE与速度关系v=0或vB,F=0与速度的有无、方向均无关力的方向与场方向的关系 一定是FB,Fv正电荷所受电场力的方向与电场方向相同,负电荷所受电场力的方向与电场方向相反做功情况任何情况下都不做功可能做正功、负功,也可能不做功力F为零时场的情况F为零,B不一定为零F为零,E一定为零作

5、用效果只改变电荷运动的速度方向,不改变速度大小既可以改变电荷运动的速度大小,也可以改变电荷运动的方向考点清单知能拓展实践探究栏目索引一、重力场、电场、磁场三种场的比较一、重力场、电场、磁场三种场的比较力的特点功和能的特点重力场大小:G=mg方向:竖直向下重力做功与路径无关重力做功改变物体的重力势能静电场大小:F=qE方向:正电荷受力方向与场强方向一致;负电荷受力方向与场强方向相反电场力做功与路径无关W=qU电场力做功改变电荷的电势能磁场洛伦兹力F=qvB(vB)方向遵循左手定则洛伦兹力不做功,不改变带电粒子的速度大小考点二带电粒子在复合场中的运动考点二带电粒子在复合场中的运动考点清单知能拓展实

6、践探究栏目索引二、组合场二、组合场电场与磁场各位于一定的区域内,并不重叠或在同一区域,电场、磁场交替出现。1.带电粒子在匀强电场和匀强磁场中偏转的比较匀强电场中的偏转匀强磁场中的偏转偏转条件 带电粒子以速度v0垂直射入匀强电场带电粒子以速度v0垂直射入匀强磁场受力特征 只受恒定的电场力F=Eq,方向与初速度方向垂直只受大小恒定的洛伦兹力F=qv0B,方向始终与速度方向垂直运动性质 匀变速曲线(类平抛)运动匀速圆周运动轨迹抛物线圆或圆弧运动轨迹图考点清单知能拓展实践探究栏目索引续表匀强电场中的偏转匀强磁场中的偏转运动规律vx=v0vy=tx=v0ty=qv0B=R=T=动能变化动能增大动能不变运

7、动时间t=t=T=考点清单知能拓展实践探究栏目索引2.思路方法图考点清单知能拓展实践探究栏目索引三、叠加场三、叠加场静电场、磁场、重力场共存,或者其中某两种场共存。1.带电粒子在叠加场中无约束情况下的运动分类叠加类型受力特征带电体的运动特征洛伦兹力并存洛伦兹力、重力平衡一定做匀速直线运动重力洛伦兹力、重力不平衡复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,故机械能守恒,由此可求解问题洛伦兹力并存洛伦兹力、电场力平衡一定做匀速直线运动电场力洛伦兹力、电场力不平衡复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,可用动能定理求解问题洛伦兹力并存三力平衡一定做匀速直线运动电场力重力与电场力平衡一定做匀速圆周运动合力不为零且与速

8、度方向不垂直复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,可用动能定理求解问题重力考点清单知能拓展实践探究栏目索引2.带电粒子在叠加场中有约束情况下的运动带电体在叠加场中受轻杆、轻绳、圆环、轨道等约束的情况下,除受到场力外,还受到弹力、摩擦力作用。常见的运动形式有直线运动和圆周运动,此时解题要通过受力分析明确变力、恒力做功情况,并注意洛伦兹力不做功,运用动能定理、能量守恒结合牛顿运动定律求出结果。考点清单知能拓展实践探究栏目索引拓展一安培定则的应用和磁场的叠加拓展一安培定则的应用和磁场的叠加1.安培定则的应用在运用安培定则判定直线电流和环形电流的磁场时应分清“因”和“果”。磁场原因(电流方向)结果(磁场方

9、向)直线电流的磁场大拇指四指环形电流的磁场四指大拇指知能拓展知能拓展考点清单知能拓展实践探究栏目索引2.磁场的叠加(1)磁感应强度是矢量,计算时与力的计算方法相同,遵守平行四边形定则,可以用正交分解法进行合成与分解。(2)两个电流附近的磁场的磁感应强度是由两个电流分别独立存在时产生的磁场在该处的磁感应强度叠加而成的。考点清单知能拓展实践探究栏目索引例1(2017课标,18,6分)如图,在磁感应强度大小为B0的匀强磁场中,两长直导线P和Q垂直于纸面固定放置,两者之间的距离为l。在两导线中均通有方向垂直于纸面向里的电流I时,纸面内与两导线距离均为l的a点处的磁感应强度为零。如果让P中的电流反向、其

10、他条件不变,则a点处磁感应强度的大小为()A.0B.B0C.B0D.2B0考点清单知能拓展实践探究栏目索引解析本题考查磁感应强度的矢量叠加和安培定则。两导线中通电流I时,两电流在a点处的磁感应强度与匀强磁场的磁感应强度的矢量和为0,则两电流磁感应强度的矢量和为-B0,如图甲得B=B0。P中电流反向后,如图乙,B合=B=B0,B合与B0的矢量和为B总=B0,故C项正确。甲乙答案C 考点清单知能拓展实践探究栏目索引拓展二通电导体在磁场中运动情况的判定拓展二通电导体在磁场中运动情况的判定1.五种判定方法电流元法分割为电流元安培力方向整段导体所受合力方向运动方向特殊位置法特殊位置安培力方向运动方向等效

11、法环形电流小磁针条形磁铁通电螺线管多个环形电流结论法同向电流相互吸引,异向电流相互排斥,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转换研究对象法先分析电流所受的安培力,再用牛顿第三定律,确定磁体受电流的作用力考点清单知能拓展实践探究栏目索引2.常规思路考点清单知能拓展实践探究栏目索引例2(多选)如图所示,一条形磁铁放在水平桌面上,在其左上方固定一根与磁铁垂直的长直导线,当导线中通以图示方向的电流时()A.磁铁对桌面的压力增大B.磁铁对桌面的压力减小C.磁铁受到向右的摩擦力作用D.磁铁受到向左的摩擦力作用考点清单知能拓展实践探究栏目索引解析根据条形磁铁磁感线分布情况得到直线电流

12、所在位置的磁场方向,再根据左手定则判断安培力方向,如图甲。根据牛顿第三定律,电流对磁体的作用力向左上方,如图乙;根据平衡条件,可知通电后桌面对磁铁的支持力变小,磁铁受到的静摩擦力向右,磁铁对桌面的压力变小。故选B、C。答案BC 考点清单知能拓展实践探究栏目索引拓展三带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动拓展三带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动1.带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动一般来说,要把握好“一找圆心,二定半径,三求时间”的分析方法。在具体问题中,要依据题目条件和情景而定,解题的理论依据主要是利用牛顿第二定律列式:qvB=m求其轨迹半径。考点清单知能拓展实践探究栏目索引考点清单知能拓展实践探

13、究栏目索引考点清单知能拓展实践探究栏目索引2.解带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动问题“三步法”考点清单知能拓展实践探究栏目索引例3(2016课标,18,6分)一圆筒处于磁感应强度大小为B的匀强磁场中,磁场方向与筒的轴平行,筒的横截面如图所示。图中直径MN的两端分别开有小孔,筒绕其中心轴以角速度顺时针转动。在该截面内,一带电粒子从小孔M射入筒内,射入时的运动方向与MN成30角。当筒转过90时,该粒子恰好从小孔N飞出圆筒。不计重力。若粒子在筒内未与筒壁发生碰撞,则带电粒子的比荷为()A.B.C.D.考点清单知能拓展实践探究栏目索引解析定圆心、画轨迹,由几何关系可知,此段圆弧所对圆心角=30,所需

14、时间t=T=;由题意可知粒子由M飞至N与圆筒旋转90所用时间相等,即t=,联立以上两式得=,A项正确。答案A 考点清单知能拓展实践探究栏目索引拓展四带电粒子在复合场中运动的典型实例拓展四带电粒子在复合场中运动的典型实例1.速度选择器如图所示,当带正电粒子从左侧平行于极板射入时,带电粒子同时受到电场力F电和洛伦兹力F洛作用,当两者等大反向时,粒子不偏转而是沿直线做匀速运动,qE=qvB,所以粒子以v=的速度沿垂直于磁场和电场的方向射入正交的电场、磁场中就不发生偏转。速度选择器只选择某一特定速度的粒子,与粒子的电性、电荷量、质量无关(不计重力)。考点清单知能拓展实践探究栏目索引2.磁流体发电机磁流

15、体发电机的原理是:等离子气体喷入磁场,正、负离子在洛伦兹力的作用下发生上下偏转而聚集到A、B板上,产生电势差,设A、B平行金属板的面积为S,相距为L,等离子体的电阻率为,喷入气体速度为v,板间磁场的磁感应强度为B,板外电阻为R,当等离子气体匀速通过A、B板间时,A、B板上聚集的电荷最多,板间电势差最大,即电源电动势,此时离子受力平衡,E场q=考点清单知能拓展实践探究栏目索引qvB,E场=vB,电动势E=E场L=BLv,电源内电阻r=,所以R中电流I=。3.霍尔效应如图,厚度为h,宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A之间会产生

16、电势差,这种现象称为霍尔效应,实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关系为U=k,式中的比例系数k称为霍尔系数。霍尔效应可解释为外部磁场使运动的电子受洛伦兹力聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现正电荷,从而形成电场,电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板上下两侧之间会形成稳定的电势差。考点清单知能拓展实践探究栏目索引磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B的仪器。其原理可解释为:如图所示,一块导体接上a、b、e、f四个电极,将导体放在匀强磁场之中,a、b间通以电流I,e、f间就会出现电势差,只要测出e、f间的电势差U,就可测得B。考点清单知

17、能拓展实践探究栏目索引设e、f间电势差已达稳定,则U=EL。此时导电的自由电荷受到的电场力与洛伦兹力相平衡Bqv=Eq,式中v为自由电荷的定向移动速度。由此可知,B=设导体中单位体积内的自由电荷数为n,则电流I=nqSv,式中S为导体横截面积,S=Ld,考点清单知能拓展实践探究栏目索引因此v=,得B=由此可知BU。这样只要将装置先在已知磁场中定出标度,就可通过测定U来确定B的大小了。4.质谱仪(1)用途测量带电粒子质量和分离同位素的仪器。(2)原理(如图所示)考点清单知能拓展实践探究栏目索引加速电场:qU=mv2偏转磁场:qvB=,l=2r由以上两式可得r=,m=,=考点清单知能拓展实践探究栏

18、目索引5.回旋加速器(1)构造:如图所示,D1、D2是半圆形金属盒,D形盒处于匀强磁场中,D形盒的缝隙处接交流电源。(2)原理:交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等,使粒子每经过一次D形盒缝隙,粒子被加速一次。(3)粒子获得的最大动能:由qvmB=、Ekm=m得Ekm=,粒子获得的最大动能由磁感应强度B和盒半径R决定,与加速电压无关。考点清单知能拓展实践探究栏目索引(4)粒子在磁场中运动的总时间:粒子在磁场中运动一个周期,被电场加速两次,每次增加动能qU,加速次数n=,粒子在磁场中运动的总时间t=T=。考点清单知能拓展实践探究栏目索引例4(多选)如图是磁流体发电机的装置,a、b组成一对平行电极

19、,两板间距为d,板平面的面积为S,内有磁感应强度为B的匀强磁场。现持续将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量带正电和负电的微粒,而整体呈中性),垂直磁场喷入,每个离子的速度为v,负载电阻阻值为R,当发电机稳定发电时,负载中电流为I,则()A.a板电势比b板电势低B.磁流体发电机的电动势E=BdvC.负载电阻两端的电压大小为BdvD.两板间等离子体的电阻率=考点清单知能拓展实践探究栏目索引解析参看磁流体发电机的装置图,利用左手定则可知,正、负微粒通过发电机内部时,带正电微粒向上偏,带负电微粒向下偏,则知a板电势比b板电势高,所以A错误;当发电机稳定发电时,对微粒有F洛=F电,即Bqv=q,

20、得电动势E=Bdv,所以B正确;由闭合电路欧姆定律有UR+Ur=E,又E=Bdv,则负载电阻两端的电压URBdv,所以C错误;由闭合电路欧姆定律有I=,由电阻定律有r=,得=,所以D正确。答案BD 考点清单知能拓展实践探究栏目索引1.典型有界磁场的介绍种类 图形特点直线边界进出磁场具有对称性存在临界条件甲乙沿径向射入必沿径向射出,如图甲乙图为磁聚焦现象应用一探究有边界磁场的处理方法应用一探究有边界磁场的处理方法实践探究实践探究考点清单知能拓展实践探究栏目索引2.两种有效处理方法(1)放缩圆法适用条件a.速度方向一定,大小不同粒子源发射速度方向一定,大小不同的带电粒子进入匀强磁场时,这些带电粒子

21、在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径随速度的变化而变化。b.轨迹圆圆心共线如图所示(图中只画出粒子带正电的情景),速度v越大,运动半径也越大。可以发现这些带电粒子射入磁场后,它们运动轨迹的圆心在垂直初速度方向的直线PP上。考点清单知能拓展实践探究栏目索引界定方法以入射点P为定点,圆心位于PP直线上,将半径放缩作轨迹,从而探索出临界条件,这种方法称为“放缩圆法”。(2)定圆旋转法当粒子的入射速度大小确定而方向不确定时,所有不同方向入射的粒子的轨迹圆是一样大的,只是位置绕入射点发生了旋转,从定圆的动态旋转(如图)中,也容易发现“临界点”。另外,要重视分析时的尺规作图,规范而准确的作图可突出几何关系,使

22、抽象的物理问题更形象、直观。考点清单知能拓展实践探究栏目索引适用条件a.速度大小一定,方向不同粒子源发射速度大小一定,方向不同的带电粒子进入匀强磁场时,它们在磁场中做匀速圆周运动的半径相同,若入射初速度为v0,由qv0B=得圆周运动半径为R=。考点清单知能拓展实践探究栏目索引b.轨迹圆圆心共圆带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在以入射点O为圆心、半径R=的圆(这个圆在下面的叙述中称为“轨迹圆心圆”)上。界定方法将一半径为R=的圆的圆心沿着“轨迹圆心圆”平移,从而探索出临界条件,这种方法称为“平移圆法”。考点清单知能拓展实践探究栏目索引例1如图所示,宽度为d的匀强有界磁场,磁感应强度为B,MM

23、和NN是磁场左右的两条边界线。现有一质量为m、电荷量为+q的带电粒子沿图示方向垂直射入磁场中,=45。要使粒子不能从右边界NN射出,求粒子入射速率的最大值为多少?考点清单知能拓展实践探究栏目索引解析用“放缩圆法”作出带电粒子运动的轨迹如图所示,当其运动轨迹与NN边界线相切于P点时,这就是具有最大入射速率vmax的粒子的轨迹。由图可知:Rmax(1-cos45)=d,又Bqvmax=m,联立可得vmax=。答案 考点清单知能拓展实践探究栏目索引带电粒子在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动,由于多种因素的影响,使问题形成多解。应用二探究带电粒子在磁场中运动的多解问题应用二探究带电粒子在磁场中运动的多解

24、问题类型 分析图例带电粒子电性不确定受洛伦兹力作用的带电粒子,可能带正电荷,也可能带负电荷,在相同的初速度下,正、负粒子在磁场中运动轨迹不同,形成多解如图,带电粒子以速度v垂直进入匀强磁场;如带正电,其轨迹为a;如带负电,其轨迹为b考点清单知能拓展实践探究栏目索引磁场方向不确定只知道磁感应强度大小,而未具体指出磁感应强度方向,此时必须要考虑磁感应强度方向不确定而形成的多解如图带正电粒子以速度v垂直进入匀强磁场,若B垂直纸面向里,其轨迹为a,若B垂直纸面向外,其轨迹为b临界状态不唯一带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时,由于粒子运动轨迹是圆弧状,因此,它可能穿过去了,也可能转过180从入射界面

25、这边反向飞出,于是形成多解运动具有周期性带电粒子在部分是电场,部分是磁场空间运动时,往往运动具有周期性,因而形成多解考点清单知能拓展实践探究栏目索引例2(2018河北定州期中,21,14分)在如图所示的xOy平面内,y0.5cm和y0的范围内存在匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度均为B=1.0T,一个质量为m=1.610-15kg,带电荷量为q=1.610-7C的带正电粒子,从坐标原点O以v0=5.0105m/s的速度沿与x轴成30角的方向斜向上射出,经磁场偏转恰好从x轴上的Q点飞过,经过Q点时的速度方向也斜向上(不计重力,=3.14),求:(1)粒子从O点运动到Q点所用的最短时间;(

26、2)粒子从O点运动到Q点所通过的路程。考点清单知能拓展实践探究栏目索引解析(1)粒子从O点运动到Q点所用时间最短时的运动轨迹如图所示设粒子在磁场中运动时间为t1由洛伦兹力提供向心力有:Bqv0=m解得:r=粒子在磁场中运动的周期为:T=代入数据得:r=510-3m,T=6.2810-8s考点清单知能拓展实践探究栏目索引由图可知,粒子在磁场中运动的时间是一个周期t1=T=6.2810-8s设粒子在无磁场区域运动的时间为t2、无磁场区域宽度为d,有:t2=s=4.010-8s粒子运动总时间为:t=t1+t2=1.02810-7s(2)粒子可以不断地重复上述运动情况,粒子在磁场中通过的路程为:s1=

27、2nr(n=1,2,3,)在无磁场区通过的路程为:s2=4nd(n=1,2,3,)总路程为:s=s1+s2=0.0514nm(n=1,2,3,)答案(1)1.02810-7s(2)0.0514nm(n=1,2,3,)考点清单知能拓展实践探究栏目索引解决带电粒子在交变电、磁场中的运动问题的基本思路应用三探究带电粒子在交变磁场中的运动应用三探究带电粒子在交变磁场中的运动考点清单知能拓展实践探究栏目索引例3如图甲所示,质量为m,带电荷量为-q的带电粒子在t=0时刻由a点以初速度v0垂直进入磁场,区域磁场磁感应强度大小不变、方向周期性变化如图乙所示(垂直纸面向里为正方向);区域为匀强电场,方向向上;区

28、域为匀强磁场,磁感应强度大小与区域相同均为B0。粒子在区域内一定能完成半圆运动且每次经过mn的时刻均为的整数倍,则:(1)粒子在区域运动的轨迹半径为多少?(2)若初始位置与第四次经过mn时的位置距离为x,求粒子进入区域时速度的可能值(初始位置记为第一次经过mn)。考点清单知能拓展实践探究栏目索引解析(1)带电粒子在区域做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,即qv0B0=m解得r=(2)第一种情况,若粒子进入第区域,当第三次经过mn进入区域,区域磁场向外时,考点清单知能拓展实践探究栏目索引粒子在区域运动半径R1=qv1B0=m解得粒子在区域速度大小v1=第二种情况,若粒子进入第区域,当第三次经过mn进入区域,区域磁场向里时,粒子在区域运动半径R2=粒子在区域速度大小v2=-2v0答案(1)(2)-2v0