高考物理 提分特训专题培优 第12讲 磁场中力的性质-人教版高三全册物理试题.doc
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1、第十二讲 磁场中力的性质磁场是历年高考的考查重点,特别是磁场对运动电荷的作用力洛仑兹力,以及电荷在复合场中的运动,一直是高考的热点之一,几乎是年年必考,并且综合性强,难度较大。一般考查带电粒子在复合中做匀速直线运动、匀速圆周运动、抛物线运动等。求解这类问题要注意分析粒子的受力图景、运动图景和能量图景,依据受力和初始条件来确定粒子的运动情况,结合运动情况充分利用数学几何知识求解相关问题。这一章的知识在科研生产实际中有许多重要应用,联系实际是这一章的最大亮点,如速度选择器、质谱仪、回旋加速器、磁流体发电机、电磁流量计、霍耳效应等,几乎是年年考,重复考! 一、夯实基础知识1. 深刻理解描述磁场的基本
2、概念。(1)磁场:永磁体和电流都能在空间产生磁场。磁现象的电本质:一切磁现象都可归结为运动电荷(电流)之间通过磁场而发生相互作用。磁极与磁极、磁极与电流、电流和电流之间的相互作用是通过磁场发生的。磁场的方向:规定在磁场中任一点小磁针N极受力方向(或者小磁针静止时N极的指向)就是那一点的磁场方向。(2)磁感强度:磁场的最基本性质是对放入其中的电流有磁场力的作用。电流垂直于磁场时受磁场力最大,电流与磁场方向平行时,磁场力为零。磁感强度是描述磁场强弱和方向的物理量。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的乘积的比值叫通电直导线所在处的磁感强度。定义式:B=F/IL是矢
3、量,其方向为该位置的磁场方向。B是客观存在,与F、I、L无关,取决于磁场本身,即使不放入载流导体,B照样存在。B可以合成与分解,遵循平行四边形定则。(3)匀强磁场:磁感强度的大小处处相等,方向都相同的区域。两个较大的异名磁极之间(除边缘外),长直通电螺线管内部(除两端外)都是匀强磁场。匀强磁场的磁感线是平行等距的直线。(4)磁感线:磁感线是为了形象地描述磁场而人为引入的在磁场中描绘的一些有方向的曲线。曲线上每一点的切线方向都和该点的磁场方向相同,磁感线的疏密描述该处磁感强度的强弱。磁感线在磁体的外部是N极指向S极,在内部是S极指向N极,磁感线是闭合曲线,永不相交。要求:熟记通电直导线、通电导线
4、环、通电螺线管、条形磁铁、蹄形磁铁的磁场磁感线的分布(包括磁感线疏密分布情况以及磁铁内、外部磁感线的分布情况),掌握安培定则(右手螺旋定则)的应用。2. 熟练掌握安培力的分析与计算。(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。此式只适于B和I垂直的情况;L是导线的有效长度;当电流I与磁场B平行时,F最小0.(2)安培力的方向由左手定则判定,F一定垂直于I和B的方向决定的平面。I、B可以垂直也可以不垂直,I、B任一量反向F也反向。(3)由于有关安培力计算的题目中给出的大多是立体图,又涉及到F、I、B之间的方向关系,因此求解此处的题应具有较好的空间想象力,善于把立体图形改画
5、成易于分析受力的平面图形。3深刻理解洛仑兹力的特点。(1)洛仑兹力方向:用左手定则判定(注意:正电荷运动产生的电流方向和运动方向相同,负电荷运动产生的电流方向和运动方向相反)。f一定垂直B、V,B、V可以垂直也可以不垂直,q(正、负)、B、V任一量反向f也反向。(2)洛仑兹力的大小:f=qVB(此式只适用于V垂直B情况,如果V平行B,f=0)。(3)洛仑兹力性质:由于f一定垂直V,故洛仑兹力永远不做功。洛仑兹力是一个与运动状态有关的力,这与重力、电场力有较大的区别,在匀强电场中,电荷所受的电场力是一个恒力,但在匀强磁场中,若运动电荷的速度大小或方向发生改变,洛仑兹力是一个变力。因为洛仑兹力f始
6、终与速度V垂直,即f只改变速度方向而不改变速度大小,所以运动电荷垂直磁感线进入匀强磁场仅受洛仑磁力作用时,一定作匀速圆周运动.二、典型例题题型1: 磁感强度的叠加。BAI/2I/2图1O磁感强度B是磁场中的重要概念,判断电流产生的磁感应强度方向用右手定则。求解磁感强度的方法一般有:定义式法、矢量叠加法等。例1、如图1中所示,电流从A点分两路通过对称的环形分路汇合于B点,在环形分路的中心O处的磁感强度( )A垂直环形分路所在平面,且指向“纸内”。B垂直环形分路所在平面,且指向“纸外”。C在环形分路所在平面内指向B。D磁感强度为零。MNabcd 例2、(2012 大纲卷)2如图,两根互相平行的长直
7、导线过纸面上的M、N两点,且与直面垂直,导线中通有大小相等、方向相反的电流。a、o、b在M、N的连线上,o为MN的中点,c、d位于MN的中垂线上,且a、b、c、d到o点的距离均相等。关于以上几点处的磁场,下列说法正确的是( )A.o点处的磁感应强度为零B.a、b两点处的磁感应强度大小相等,方向相反C.c、d两点处的磁感应强度大小相等,方向相同D.a、c两点处磁感应强度的方向不同i图2NNSS 例3、电视机显象管的偏转线圈示意图如图2所示,某时刻电流方向如图2所示。则环心O处的磁场方向为( )A. 向下 B. 向上 C. 垂直纸面向里 D. 垂直纸面向外。 例4、如图8-1-11所示,三根平行长
8、直导线分别垂直的通过一等腰直角三角形的三个顶点,现在使每条通电磁感应强度的大小均为B,则该处的实际磁感应强度的大小以及方向如何?题型2:会定性分析导体在安培力作用下的运动。判别物体在安培力作用下的运动方向,常用方法有以下四种:1、电流元受力分析法:即把整段电流等效为很多段直线电流元,先用左手定则判出每小段电流元受安培力方向,从而判出整段电流所受合力方向,最后确定运动方向。2、特殊值分析法:把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置(如转过90)后再判所受安培力方向,从而确定运动方向。3、等效分析法:环形电流可以等效成条形磁铁、条形磁铁也可等效成环形电流、通电螺线管可等效成很多的环形电流来分析。4、
9、推论分析法:(1)两电流相互平行时无转动趋势,方向相同相互吸引,方向相反相互排斥;(2)两电流不平行时有转动到相互平行且方向相同的趋势。NSABI图4例5、如图4所示,把一通电直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,导线的运动情况是( )(从上往下看)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。 图5例6、如图5所示,在条形磁铁S极附近悬挂一个线圈,线圈与水平磁铁位于同一平面内,当线圈中电流沿图示方向流动时,将会出现( ) A线圈向磁铁平移B线圈远离磁铁平移C从上往下看,线圈顺时针转动,同时靠近磁
10、铁D从上往下看,线圈逆时针转动,同时靠近磁铁题型3:分析计算导体棒在安培力作用下的平衡。RMNErSBR1图6导体棒在磁场中要受到安培力的作用,当导体棒处于静止状态时,根据物体的平衡条件可以求解相关问题。一般先判安培力方向再要画截面受力分析图。例7、如图6所示,两平行光滑导轨相距为L=20cm,金属棒MN的质量为m=10g,电阻R=8,匀强磁场磁感应强度B方向竖直向下,大小为B=0.8T,电源电动势为E=10V,内阻r=1。当电键S闭合时,MN处于平衡,求变阻器R1的取值为多少?(设=45) 图7例8、安培秤如图7所示,它的一臂下面挂有一个矩形线圈,线圈共有N匝,它的下部悬在均匀磁场B内,下边
11、一段长为L,它与B垂直。当线圈的导线中通有电流I时,调节砝码使两臂达到平衡;然后使电流反向,这时需要在一臂上加质量为m的砝码,才能使两臂再达到平衡。求磁感强度B的大小。例9、如图所示,用三条细线悬挂的水平圆形线圈共有n匝,线圈由粗细均匀、单位长度的质量为2.5 g的导线绕制而成,三条细线呈对称分布,稳定时线圈平面水平,在线圈正下方放有一个圆柱形条形磁铁,磁铁的中轴线OO垂直于线圈平面且通过其圆心O,测得线圈的导线所在处磁感应强度大小为0.5 T,方向与竖直线成30角,要使三条细线上的张力为零,线圈中通过的电流至少为 () A0.1 A B0.2 A C0.05 A D0.01 A例10、(20
12、12上海)载流长直导线周围磁场的磁感应强度大小为BkI/r, 式中常量k0,I为电流强度,r为距导线的距离。在水平长直导线MN正下方,矩形线圈abcd通以逆时针方向的恒定电流,被两根轻质绝缘细线静止地悬挂,如图所示。开始时MN内不通电流,此时两细线内的张力均为T0。当MN通以强度为I1的电流时,两细线内的张力均减小为T1,当MN内电流强度变为I2时,两细线内的张力均大于T0。(1)分别指出强度为I1、I2的电流的方向;(2)求MN分别通以强度为I1、I2的电流时,线框受到的安培力F1与F2大小之比;(3)当MN内的电流强度为I3时两细线恰好断裂,在此瞬间线圈的加速度大小为a,求I3。 题型4:
13、会分析计算导体棒在瞬时安培力作用下的运动。导体棒受磁场作用的安培力的冲量公式,利用此公式可简便地求解相关问题。例11、如图10所示,金属棒的质量为m=5g,放置在宽L=1、光滑的金属导轨的边缘上,两金属导轨处于水平面上,该处有竖直向下的匀强磁场,磁感强度为B=0.5T,电容器的电容C=200F,电源电动势E=16V,导轨平面距离地面高度h =0.8m, g取,在电键S与“1”接通并稳定后,再使它与“2”接通,金属棒被抛到s=0.064m的地面上,试求ab棒被水平抛出时电容器两端的电压。图10 LS图3-28例12、一根丝导线弯成如图3-28所示的形状,它的质量为m,上面水平,长为L处在磁感应强
14、度为B的匀强磁场中,导线的两端分别插在两个浅水银槽中(刚刚接触水银面),且两槽水银与一带开关S的电源相连,在S接通瞬间,导线会从水银槽里跳出来,设跳起的高度为h,求通过导线的电量。(设通电过程中导线受到的安培力远大于重力)题型5:与地磁场有关的问题例13、从太阳或其他星体上放射出的宇宙射线中含有高能带电粒子,若到达地球,对地球上的生命将带来危害对于地磁场对宇宙射线有无阻挡作用的下列说法中,正确的是( )A.地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在南北两极最强,赤道附近最弱B.地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在赤道附近最强,南北两极最弱C.地磁场对宇宙射线的阻挡作用各处相同D.地磁场对宇宙射线
15、无阻挡作用例13、在地球赤道上空,沿东西方向水平放置一根通以由西向东的直线电流,则此导线 ( )A受到竖直向上的安培力 B受到竖直向下的安培力C受到由南向北的安培力 D受到由西向东的安培力 例14、欧姆在探索通过导体的电流和电压、电阻关系时,因无电源和电流表,他利用金属在冷水和热水中产生电动势代替电源,用小磁针的偏转检测电源,具体做法是:在地磁场作用下处于水平静止的小磁针上方,平行于小磁针水平放置一直导线,当该导线中通有电流时,小磁针会发生偏转;当通过该导线电流为I时,小磁针偏转了30,问当他发现小磁针偏转了60,通过该直导线的电流为(直导线在某点产生的磁场与通过直导线的电流成正比):( )A
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