高考物理系統(tǒng)性復(fù)習(xí) (要點(diǎn)歸納+夯實(shí)基礎(chǔ)練) 第一節(jié) 磁場(chǎng)及其對(duì)電流的作用（附解析）

第一節(jié)磁場(chǎng)及其對(duì)電流的作用【要點(diǎn)歸納】一、磁現(xiàn)象天然磁石和人造磁體都叫做永磁體，它們都能吸引鐵質(zhì)物體，我們把這種性質(zhì)叫做磁性．磁體的各部分磁性強(qiáng)弱不同，磁性最強(qiáng)的區(qū)域叫做磁極．能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁體，例如懸吊著的磁針，靜止時(shí)指南的磁極叫做南極，又叫S極；指北的磁極叫做北極，又叫N極．二、電流的磁效應(yīng)1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特做了著名的電流的磁效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)——奧斯特實(shí)驗(yàn)．他發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，首次揭示了電和磁的聯(lián)系．1．實(shí)驗(yàn)時(shí)，通電直導(dǎo)線要南北方向水平放置，磁針要與導(dǎo)線平行地放在導(dǎo)線的正下方或正上方，以保證電流的磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)方向不同而使小磁針發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)．2．由于地磁場(chǎng)使磁針指向南北方向，直導(dǎo)線通電后小磁針改變指向說明通電直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng)，即電流周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng)，也就是電流的磁效應(yīng).(2)意義：說明通電導(dǎo)體周圍存在著磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，首先揭示了電與磁之間是有聯(lián)系的．三、磁場(chǎng)1．磁場(chǎng)：存在于磁體周圍或電流周圍的一種客觀存在的特殊物質(zhì)．磁體與磁體之間、磁體和通電導(dǎo)體之間、通電導(dǎo)體和通電導(dǎo)體間的相互作用都是通過磁場(chǎng)發(fā)生的．2．基本性質(zhì)：對(duì)放入其中的磁體或通電導(dǎo)體有力的作用(如圖所示)．3．磁場(chǎng)的產(chǎn)生(1)磁體周圍有磁場(chǎng)．(2)電流周圍有磁場(chǎng)．四、磁感線1．磁場(chǎng)的方向規(guī)定：小磁針靜止時(shí)N極所指的方向。2．磁感線：用來形象地描述磁場(chǎng)的曲線，曲線上每一點(diǎn)的切線方向都跟這點(diǎn)磁場(chǎng)的方向一致。3．磁感線的疏密表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。4．磁感線的特點(diǎn)(1)為形象描述磁場(chǎng)而引入的假想曲線，實(shí)際并不存在。(2)磁感線的疏密表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，密集的地方磁場(chǎng)強(qiáng)，稀疏的地方磁場(chǎng)弱。(3)磁感線的方向：磁體外部從N極指向S極，磁體內(nèi)部從S極指向N極。(4)磁感線閉合而不相交，不相切，也不中斷。(5)磁感線上某點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。五、地球的磁場(chǎng)1．地磁場(chǎng)：地球是一個(gè)大磁體，存在的磁場(chǎng)叫地磁場(chǎng)．如圖所示，地球磁體的N極(北極)位于地理南極附近，地球磁體的S極(南極)位于地理北極附近．2．磁偏角：地球的地理兩極與地磁兩極并不重合，水平放置的磁針的指向跟地理子午線之間有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角叫做磁偏角．六、安培定則1．直線電流的磁場(chǎng)：右手握住導(dǎo)線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線環(huán)繞的方向，如圖甲所示。2．環(huán)形電流的磁場(chǎng)：讓右手彎曲的四指與環(huán)形電流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是環(huán)形導(dǎo)線軸線上磁場(chǎng)的方向，如圖乙所示。3．通電螺線管的磁場(chǎng)：右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向跟螺線管電流方向一致，拇指所指的方向就是螺線管軸線上磁場(chǎng)的方向，或拇指指向螺線管的N極，如圖丙所示。七、安培分子電流假說1．分子電流假說：安培認(rèn)為，在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流，即分子電流。分子電流使每個(gè)物質(zhì)微粒都成為微小的磁體，它的兩側(cè)相當(dāng)于兩個(gè)磁極。2．分子電流假說意義：能夠解釋磁化以及退磁現(xiàn)象，解釋磁現(xiàn)象的電本質(zhì)。3．常見永磁體的磁場(chǎng)條形磁鐵蹄形磁鐵異名磁極同名磁極4．三種常見的電流的磁場(chǎng)安培定則立體圖橫截面圖縱截面圖直線電流以導(dǎo)線上任意點(diǎn)為圓心垂直于導(dǎo)線的多組同心圓，越向外越稀疏，磁場(chǎng)越弱環(huán)形電流內(nèi)部磁場(chǎng)比環(huán)外強(qiáng)，磁感線越向外越稀疏通電螺線管內(nèi)部為勻強(qiáng)磁場(chǎng)且比外部強(qiáng)，方向由S極指向N極，外部類似條形磁鐵，由N極指向S極(1)磁場(chǎng)是分布在立體空間的。(2)利用安培定則不僅可以判斷磁場(chǎng)的方向，還可以根據(jù)磁場(chǎng)的方向判斷電流的方向。(3)應(yīng)用安培定則判定直線電流時(shí)，四指所指的是導(dǎo)線之外磁場(chǎng)的方向；判定環(huán)形電流和通電螺線管電流時(shí)，拇指的指向是線圈軸線上磁場(chǎng)的方向。(4)環(huán)形電流相當(dāng)于小磁針，通電螺線管相當(dāng)于條形磁鐵，應(yīng)用安培定則判斷時(shí)，拇指所指的一端為它的N極。八、安培力1．概念：把通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受的力稱為安培力．2．方向：(1)左手定則：如圖所示，伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)．讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指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.(2)說明：安培力的方向不僅跟磁場(chǎng)方向垂直，還跟電流方向垂直，故安培力的方向垂直于磁場(chǎng)方向與電流方向所構(gòu)成的平面．在判斷安培力方向時(shí)，應(yīng)首先判定這個(gè)平面，然后再應(yīng)用左手定則．3．安培力的大小(2)公式：F＝BIlsinθ其中θ為磁感應(yīng)強(qiáng)度與通電導(dǎo)線之間的夾角．(2)說明：①當(dāng)通電導(dǎo)線與磁感線垂直時(shí)，即電流方向與磁感線垂直時(shí)，所受的安培力最大：F＝BIL.②當(dāng)通電導(dǎo)線與磁感線平行時(shí)，所受安培力為零．③適用條件：只有在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直的情況下，F(xiàn)＝BIL才成立．在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，一般說來是不適用的，但在通電導(dǎo)線很短的情況下，可近似地認(rèn)為導(dǎo)線所處的地方是勻強(qiáng)磁場(chǎng)．注：(1)F⊥I，F(xiàn)⊥B，但B與I不一定垂直．(2)若已知B、I方向，F(xiàn)方向惟一確定，但若已知B(或I)、F方向，I(或B)方向不惟一．九、磁電式電流表1．電流表是測(cè)定電流強(qiáng)弱和方向的電學(xué)儀器．2．實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常使用的電流表是磁電式儀表，其構(gòu)造是：在一個(gè)磁性很強(qiáng)的蹄形永久磁鐵的兩極間有一個(gè)固定的圓柱形鐵芯，鐵芯外面套有一個(gè)可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁框，上面繞有線圈．它的轉(zhuǎn)軸上裝有兩個(gè)螺旋彈簧和一個(gè)指針．線圈的兩端分別接在這兩個(gè)螺旋彈簧上．如圖3．蹄形磁鐵的鐵芯間的磁場(chǎng)是均勻地分布的，不管通電線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感線平行．如圖4．磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力跟電流成正比，因而線圈中的電流越大，安培力產(chǎn)生的力矩也越大，線圈和指針偏轉(zhuǎn)的角度也就越大．因此，根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)角度的大小，可以知道被測(cè)電流的強(qiáng)弱．5．電流表的特點(diǎn)①表盤的刻度均勻，θ∝I②靈敏度高，但過載能力差③滿偏電流Ig，內(nèi)阻Rg反映了電流表的最主要特性．注：因?yàn)榇烹娛诫娏鞅淼木€圈很細(xì)，允許通過的電流很弱，所以在使用時(shí)一定注意表的量程，測(cè)量大電流時(shí)需要將表改裝．十、安培定則與左手定則區(qū)別和聯(lián)系1．在適用對(duì)象上：安培定則研究電流(直流電流、環(huán)形電流、通電螺線管電流)產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，電流與其產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感線二者方向的關(guān)系；左手定則研究通電導(dǎo)線(或運(yùn)動(dòng)電荷)在磁場(chǎng)中受力時(shí)，F(xiàn)、I、B三者方向的關(guān)系．2．在電流與磁場(chǎng)的關(guān)系上：安培定則中的“磁場(chǎng)”與“電流”密不可分，同時(shí)存在、同時(shí)消失，“磁場(chǎng)”就是電流的磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)；左手定則中的“磁場(chǎng)”與“電流”可以單獨(dú)存在，“磁場(chǎng)”是外加的磁場(chǎng)，不是通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)．3．在因果關(guān)系上：安培定則中的“電流”是因，“磁場(chǎng)”為果，正是有了電流(直流電流、環(huán)形電流、螺線管電流)才出現(xiàn)了由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)；左手定則中的“磁場(chǎng)”和“電流”都是“因”，磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力是“果”，有因才有果，而此時(shí)的兩個(gè)“因”對(duì)產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線的作用力來說缺一不可．4．判斷電流方向選取定則的原則：當(dāng)已知磁感線的方向，要判斷產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流方向時(shí)，選用安培定則判斷電流的方向；當(dāng)已知導(dǎo)體所受安培力的方向時(shí)，用左手定則判斷電流的方向．十一、常用方法不管是電流還是磁體，對(duì)通電導(dǎo)線的作用都是通過磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)的，因此必須要清楚導(dǎo)線所在位置的磁場(chǎng)分布情況，然后結(jié)合左手定則準(zhǔn)確判斷導(dǎo)線的受力情況或?qū)⒁l(fā)生的運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際操作過程中，往往采用以下幾種方法：1．電流元法：把整段導(dǎo)線分為許多段直電流元，先用左手定則判斷每段電流元受力的方向，然后判斷整段導(dǎo)線所受合力的方向，從而確定導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向2．等效法：環(huán)形電流可等效成小磁針，通電螺線管可以等效成條形磁鐵或多個(gè)環(huán)形電流，反過來等效也成立3．特殊位置法：通過轉(zhuǎn)動(dòng)通電導(dǎo)線到某個(gè)便于分析的特殊位置(如轉(zhuǎn)過90°)，然后判斷其所受安培力的方向，從而確定其運(yùn)動(dòng)方向4．結(jié)論法：兩平行直線電流在相互作用過程中，無轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，同向電流互相吸引，反向電流互相排斥；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)5．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)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【夯實(shí)基礎(chǔ)練】1．(2022?高考湖南卷)如圖(a)，直導(dǎo)線MN被兩等長且平行的絕緣輕繩懸掛于水平軸OO′上，其所在區(qū)域存在方向垂直指向OO′的磁場(chǎng)，與OO′距離相等位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等且不隨時(shí)間變化，其截面圖如圖(b)所示。導(dǎo)線通以電流I，靜止后，懸線偏離豎直方向的夾角為θ。下列說法正確的是()A．當(dāng)導(dǎo)線靜止在圖(a)右側(cè)位置時(shí)，導(dǎo)線中電流方向由N指向MB．電流I增大，靜止后，導(dǎo)線對(duì)懸線的拉力不變C．tanθ與電流I成正比D．sinθ與電流I成正比【解析】A．當(dāng)導(dǎo)線靜止在圖(a)右側(cè)位置時(shí)，對(duì)導(dǎo)線做受力分析如圖所示，可知要讓安培力為圖示方向，則導(dǎo)線中電流方向應(yīng)由M指向N，A錯(cuò)誤；BCD．由于與OO′距離相等位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等且不隨時(shí)間變化，有，F(xiàn)T=mgcosθ，則可看出sinθ與電流I成正比，當(dāng)I增大時(shí)θ增大，則cosθ減小，靜止后，導(dǎo)線對(duì)懸線的拉力FT減小，BC錯(cuò)誤、D正確。故選D。【答案】D2．(多選)(2022?高考全國乙卷)安裝適當(dāng)?shù)能浖?，利用智能手機(jī)中的磁傳感器可以測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B。如圖，在手機(jī)上建立直角坐標(biāo)系，手機(jī)顯示屏所在平面為xOy面。某同學(xué)在某地對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行了四次測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)y軸指向不同方向而z軸正向保持豎直向上。根據(jù)表中測(cè)量結(jié)果可推知()測(cè)量序號(hào)Bx/μTBy/μTBz/μT1021-4520-20-463210-454-210-45A．測(cè)量地點(diǎn)位于南半球B．當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)大小約為50μTC．第2次測(cè)量時(shí)y軸正向指向南方D．第3次測(cè)量時(shí)y軸正向指向東方【解析】A．如圖所示，地球可視為一個(gè)磁偶極，磁南極大致指向地理北極附近，磁北極大致指向地理南極附近。通過這兩個(gè)磁極的假想直線(磁軸)與地球的自轉(zhuǎn)軸大約成11.3度的傾斜。由表中z軸數(shù)據(jù)可看出z軸的磁場(chǎng)豎直向下，則測(cè)量地點(diǎn)應(yīng)位于北半球，A錯(cuò)誤；B．磁感應(yīng)強(qiáng)度為矢量，故由表格可看出此處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大致為，計(jì)算得B≈50μT，B正確；CD．由選項(xiàng)A可知測(cè)量地在北半球，而北半球地磁場(chǎng)指向北方斜向下，則第2次測(cè)量，測(cè)量，故y軸指向南方，第3次測(cè)量，故x軸指向北方而y軸則指向西方，C正確、D錯(cuò)誤。故選BC?！敬鸢浮緽C3．(2022?上海交通大學(xué)附屬中學(xué)高三(下)期中)在恒定的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中固定一根通電直導(dǎo)線，導(dǎo)線的方向與磁場(chǎng)方向垂直，如圖反映的是這根導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力大小F與通過導(dǎo)線的電流I之間的關(guān)系，M、N兩點(diǎn)各對(duì)應(yīng)一組F、I的數(shù)據(jù)，其中可能正確的是()A．B．C．D．【解析】根據(jù)F=BLI，可知F-I圖像為過原點(diǎn)的直線。故選C?！敬鸢浮緾4．(2022?西南大學(xué)附屬中學(xué)校高三(下)全真二)粗細(xì)均勻邊長為L的正方形銅制線框固定在如圖所示的兩勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，連線與磁場(chǎng)分界線重合，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B，a、b兩端與恒壓電源相連。若通過邊的電流大小為I，則線框受到的安培力大小為()A．0 B． C． D．【解析】根據(jù)安培力公式可知，ab邊受到的安培力均為，根據(jù)歐姆定律，另外三邊受到的安培力大小為，對(duì)ab邊，根據(jù)左手定則可知，安培力向上。對(duì)bc邊，根據(jù)左手定則可知，安培力向右。對(duì)cd邊，根據(jù)左手定則可知，安培力向下。對(duì)da邊，根據(jù)左手定則可知，安培力向右。根據(jù)力的合成可知，線框受到的安培力大小，故選C?！敬鸢浮緾5．(2022?重慶外國語學(xué)校一模)如圖所示，質(zhì)量為m、長度為L的一導(dǎo)體棒用細(xì)線懸掛在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向平行于紙面．導(dǎo)體棒中通有垂直紙面向里的恒定電流I，細(xì)線偏離豎直方向靜止()A．若磁場(chǎng)方向豎直向下，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B．若磁場(chǎng)方向平行于細(xì)線向下，則磁感應(yīng)強(qiáng)度C．若磁場(chǎng)方向水平向左，則磁感應(yīng)強(qiáng)度D．磁感應(yīng)強(qiáng)度B的最小值為【解析】A．磁場(chǎng)方向豎直向下，由左手定則可知，安培力水平向左，根據(jù)平衡，解得，A錯(cuò)誤；B．若磁場(chǎng)方向平行于細(xì)線向下，由左手定則可知，安培力垂直繩子斜左向上，根據(jù)平衡，解得，B正確；C．若磁場(chǎng)方向水平向左，由左手定則可知，受安培力豎直向上，根據(jù)平衡，繩子拉力為零，解得，C錯(cuò)誤；D．根據(jù)三力平衡，當(dāng)安培力垂直于繩子方向時(shí)，安培力最小，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的最小，根據(jù)選項(xiàng)B可知，最小值為，D錯(cuò)誤。故選B。【答案】B6．(多選)(2022?重慶市育才中學(xué)高三(下)入學(xué)考試)如圖所示，兩根相互平行的長直導(dǎo)線過紙面上的M、N兩點(diǎn)，且與紙面垂直，導(dǎo)線中通有大小相等、方向相反的電流。a、O、b在M、N的連線上，O為MN的中點(diǎn)，c、d位于MN的中垂線上，且a、b、c、d到O點(diǎn)的距離均相等。關(guān)于以上幾點(diǎn)處的磁場(chǎng)，下列說法正確的是()A．O點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零B．a(chǎn)、b兩點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相同C．c、d兩點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相反D．a(chǎn)、c兩點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向相同【解析】A．根據(jù)右手螺旋定則，M處導(dǎo)線在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向豎直向下，N處導(dǎo)線在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向豎直向下，合成后磁感應(yīng)強(qiáng)度不等于0，故A錯(cuò)誤；B．M在a處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向豎直向下，在b處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向豎直向下，N在a處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向豎直向下，b處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向豎直向下，根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)的疊加知，a、b兩點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同，故B正確；C．M在c處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直于cM偏下，在d出產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直dM偏下，N在c處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直于cN偏下，在d處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直于dN偏下，根據(jù)平行四邊形定則，知c處的磁場(chǎng)方向豎直向下，d處的磁場(chǎng)方向豎直向下，且合場(chǎng)強(qiáng)大小相等，故C錯(cuò)誤；D．由以上分析可知，a、b、c、d、O五點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向都豎直向下，方向相同，故D正確。故選BD?！敬鸢浮緽D7．(2022?云南省三校高三(下)高考備考實(shí)用性聯(lián)考(四))如圖所示，等腰直角三角形abc的三個(gè)頂點(diǎn)處分別有垂直于三角形平面的無限長直導(dǎo)線，導(dǎo)線中通有方向向里的恒定電流，P點(diǎn)是bc的中點(diǎn)；若a、b、c三處導(dǎo)線中的電流分別為I、2I、3I，當(dāng)三角形所在空間加一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，的勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0。已知