高考物理一輪復(fù)習(xí)第九章磁場(chǎng)第1課時(shí)磁場(chǎng)及其對(duì)電流的作用學(xué)案新人教版

第九章磁場(chǎng)[定標(biāo)——核心素養(yǎng)]物理觀念理解磁場(chǎng)、安培力與洛倫茲力特點(diǎn)。科學(xué)思維將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為物理模型，會(huì)綜合分析，并能科學(xué)推理論證?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任了解磁場(chǎng)相關(guān)作用力在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用和影響。[定位——主干知識(shí)]1.磁場(chǎng)、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感線2．通電直導(dǎo)線和通電線圈周圍磁場(chǎng)的方向第1課時(shí)磁場(chǎng)及其對(duì)電流的作用eq\a\vs4\al(基礎(chǔ)自修課)必備知識(shí)(一)磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度1．[磁場(chǎng)的方向](2021·北京朝陽(yáng)區(qū)期末)關(guān)于磁場(chǎng)中某一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，下列說法正確的是()A．與一小段通電直導(dǎo)線所受磁場(chǎng)力的方向一致B．與運(yùn)動(dòng)電荷所受磁場(chǎng)力的方向一致C．與小磁針N極所受磁場(chǎng)力的方向一致D．與小磁針S極所受磁場(chǎng)力的方向一致解析：選C磁場(chǎng)中某一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，與小磁針N極受力方向一致，C正確，A、B、D錯(cuò)誤。2．[磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小](多選)一小段長(zhǎng)為L(zhǎng)的通電直導(dǎo)線放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，當(dāng)通過它的電流為I時(shí)，所受安培力為F。以下關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的說法正確的是()A．磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定等于eq\f(F,IL)B．磁感應(yīng)強(qiáng)度B可能大于或等于eq\f(F,IL)C．磁場(chǎng)中通電直導(dǎo)線受力大的地方，磁感應(yīng)強(qiáng)度一定大D．在磁場(chǎng)中通電直導(dǎo)線也可以不受力解析：選BD只有在通電直導(dǎo)線垂直于磁場(chǎng)時(shí)，B＝eq\f(F,IL)才成立，通電直導(dǎo)線和磁場(chǎng)不垂直時(shí)，B>eq\f(F,IL)，通電直導(dǎo)線和磁場(chǎng)平行時(shí)，導(dǎo)線不受力，故A錯(cuò)誤，B、D正確；磁感應(yīng)強(qiáng)度是用比值法定義的，通電直導(dǎo)線受力大的地方，磁感應(yīng)強(qiáng)度不一定大，C錯(cuò)誤。3．[磁感線的特點(diǎn)](多選)下列說法正確的是()A．磁感線從磁體的N極發(fā)出，終止于磁體的S極B．磁感線可以表示磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱C．磁鐵能產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流也能產(chǎn)生磁場(chǎng)D．因?yàn)楫惷艠O相互吸引，所以放入通電螺線管內(nèi)的小磁針的N極一定指向通電螺線管的S極解析：選BC磁感線是閉合曲線，A錯(cuò)誤；磁感線可以表示磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱，B正確；磁鐵和電流都能產(chǎn)生磁場(chǎng)，C正確；通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)方向從S極指向N極，則放入其中的小磁針的N極指向與其內(nèi)部磁場(chǎng)方向一致，即指向通電螺線管的N極，故D錯(cuò)誤。[系統(tǒng)歸納]1．磁場(chǎng)的基本性質(zhì)磁場(chǎng)對(duì)處于其中的磁體、電流和運(yùn)動(dòng)電荷有磁力的作用。2．磁感應(yīng)強(qiáng)度(1)物理意義：描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向。(2)定義式：B＝eq\f(F,IL)(通電導(dǎo)線垂直于磁場(chǎng))。(3)方向：小磁針靜止時(shí)N極所指的方向。(4)單位：特斯拉，符號(hào)T。3．磁感線的特點(diǎn)(1)磁感線上某點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。(2)磁感線的疏密定性地表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。(3)磁感線是閉合曲線，沒有起點(diǎn)和終點(diǎn)。(4)磁感線是假想的曲線，客觀上不存在。必備知識(shí)(二)安培定則的應(yīng)用與磁場(chǎng)的疊加1．[安培定則的應(yīng)用](2021·沈陽(yáng)聯(lián)考)(多選)下列各圖中，已標(biāo)出電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，其中符合安培定則的是()[系統(tǒng)歸納]1．電流周圍的磁場(chǎng)(安培定則)直線電流的磁場(chǎng)通電螺線管的磁場(chǎng)環(huán)形電流的磁場(chǎng)特點(diǎn)無磁極、非勻強(qiáng)磁場(chǎng)且距導(dǎo)線越遠(yuǎn)處磁場(chǎng)越弱與條形磁鐵的磁場(chǎng)相似，管內(nèi)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)且磁場(chǎng)最強(qiáng)，管外為非勻強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)形電流的兩側(cè)是N極和S極，且離圓環(huán)中心越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)越弱安培定則2．[運(yùn)動(dòng)電荷形成的磁場(chǎng)]如圖所示，圓環(huán)上帶有大量的負(fù)電荷，當(dāng)圓環(huán)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，a、b、c三枚小磁針都要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以下說法正確的是()A．a(chǎn)、b、c的N極都向紙里轉(zhuǎn)B．b的N極向紙外轉(zhuǎn)，而a、c的N極向紙里轉(zhuǎn)C．b、c的N極都向紙里轉(zhuǎn)，而a的N極向紙外轉(zhuǎn)D．b的N極向紙里轉(zhuǎn)，而a、c的N極向紙外轉(zhuǎn)3．[磁場(chǎng)的疊加](2021年1月新高考8省聯(lián)考·河北卷)如圖，兩根相互絕緣的通電長(zhǎng)直導(dǎo)線分別沿x軸和y軸放置，沿x軸方向的電流為I0。已知通電長(zhǎng)直導(dǎo)線在其周圍激發(fā)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝keq\f(I,r)，其中k為常量，I為導(dǎo)線中的電流，r為場(chǎng)中某點(diǎn)到導(dǎo)線的垂直距離。圖中A點(diǎn)的坐標(biāo)為(a，b)，若A點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則沿y軸放置的導(dǎo)線中電流的大小和方向分別為()A.eq\f(a,b)I0，沿y軸正向 B.eq\f(a,b)I0，沿y軸負(fù)向C.eq\f(b,a)I0，沿y軸正向 D.eq\f(b,a)I0，沿y軸負(fù)向首先將運(yùn)動(dòng)的電荷等效為電流，然后根據(jù)安培定則判斷電流的磁場(chǎng)方向，最后再由小磁針N極受力方向?yàn)榇艌?chǎng)方向確定N極的轉(zhuǎn)向。3．磁場(chǎng)疊加問題的分析思路(1)確定磁場(chǎng)場(chǎng)源，如通電導(dǎo)線。(2)定位空間中需求解磁場(chǎng)的點(diǎn)，利用安培定則判定各個(gè)場(chǎng)源在這一點(diǎn)上產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小和方向，如圖所示M、N在c點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為BM、BN。(3)應(yīng)用平行四邊形定則進(jìn)行合成，如圖中c點(diǎn)的合磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。[精解詳析]1．選AB圖A為環(huán)形電流的磁場(chǎng)，符合安培定則；圖B是直線電流的磁場(chǎng)，符合安培定則；圖C是直線電流的磁場(chǎng)，不符合安培定則；圖D是通電螺線管的磁場(chǎng)，不符合安培定則。2．選B由于圓環(huán)帶負(fù)電荷，故當(dāng)圓環(huán)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，等效電流的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，由安培定則可判斷環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)方向垂直紙面向外，環(huán)外磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁場(chǎng)方向即是放在該點(diǎn)的小磁針靜止時(shí)N極的指向，所以小磁針b的N極向紙外轉(zhuǎn)，a、c的N極向紙里轉(zhuǎn)。故B正確。3．選A沿x軸方向?qū)Ь€電流在A點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為Bx＝keq\f(I0,b)，由安培定則，可知方向垂直xOy平面向外，由題知A點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則沿y軸方向?qū)Ь€電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直xOy平面向里，由安培定則知，沿y軸放置的導(dǎo)線中電流方向沿y軸正向，其在A點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小滿足By＝keq\f(I,a)＝keq\f(I0,b)，即沿y軸放置的導(dǎo)線中電流的大小I＝eq\f(a,b)I0，故A項(xiàng)正確。必備知識(shí)(三)磁場(chǎng)對(duì)電流的作用——安培力1．[安培力的方向]下面的幾個(gè)圖顯示了磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)線的作用力，其中F的方向正確的是()[系統(tǒng)歸納]安培力的方向——左手定則伸開左手，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。[注意]F⊥B且F⊥I，但I(xiàn)與B的方向可成任意夾角。2.[安培力的大小](2019·全國(guó)卷Ⅰ)如圖，等邊三角形線框LMN由三根相同的導(dǎo)體棒連接而成，固定于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線框平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，線框頂點(diǎn)M、N與直流電源兩端相接。已知導(dǎo)體棒MN受到的安培力大小為F，則線框LMN受到的安培力的大小為()A．2FB．FC．F安培力的大小：F＝BILsinθ，θ為磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流方向的夾角。(1)當(dāng)磁場(chǎng)與電流垂直時(shí)，安培力最大，F(xiàn)max＝BIL。(2)當(dāng)磁場(chǎng)與電流平行時(shí)，安培力為零。(3)應(yīng)用F＝BIL計(jì)算安培力的大小時(shí)，L一定是有效長(zhǎng)度。3.[安培力作用下的平衡](2021年1月新高考8省聯(lián)考·湖南卷)如圖，力傳感器固定在天花板上，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形勻質(zhì)導(dǎo)線框abcd用不可伸長(zhǎng)的輕質(zhì)絕緣細(xì)線懸掛于力傳感器的測(cè)力端，導(dǎo)線框與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，線框的bcd部分處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，b、d兩點(diǎn)位于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的水平邊界線上。若在導(dǎo)線框中通以大小為I、方向如圖所示的恒定電流，導(dǎo)線框處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，力傳感器的示數(shù)為F1，只改變電流方向，其它條件不變，力傳感器的示數(shù)為F2，該勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為()A.eq\f(F2－F1,4IL) B.eq\f(F1－F2,4IL)C.eq\f(\r(2)F2－F1,4IL) D.eq\f(\r(2)F1－F2,4IL)(1)基本思路①選定研究對(duì)象：通電導(dǎo)線或?qū)w棒。②變?nèi)S為二維：畫出平面受力分析圖，其中安培力的方向要用左手定則來判斷。[注意]安培力垂直于電流和磁場(chǎng)方向決定的平面。③列方程求解：根據(jù)力的平衡條件列方程。(2)求解關(guān)鍵①電磁問題力學(xué)化。②立體圖形平面化。③求解極值數(shù)學(xué)化。[精解詳析]1．選C根據(jù)左手定則判斷可知，A中F方向向右，B中F方向向下，C中F方向向下，D中磁場(chǎng)與電流平行，F(xiàn)＝0，故只有C正確。2．選B設(shè)每根導(dǎo)體棒的電阻為R，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則電路中，上下兩路電阻之比為R1∶R2＝2R∶R＝2∶1，上下兩路電流之比I1∶I2＝1∶2。如圖所示，由于上路通電的導(dǎo)體受安培力的有效長(zhǎng)度也為L(zhǎng)，根據(jù)安培力計(jì)算公式F＝ILB，可知F′∶F＝I1∶I2＝1∶2，得F′＝eq\f(1,2)F，根據(jù)左手定則可知，兩力方向相同，故線框LMN所受的合力大小為F＋F′＝1.5F，選項(xiàng)B正確。3.選C線框在磁場(chǎng)中受到安培力的等效長(zhǎng)度為bd＝eq\r(2)L，當(dāng)電流方向?yàn)閳D示方向時(shí)，由左手定則可知導(dǎo)線框受到的安培力豎直向上，大小為F＝eq\r(2)BIL，因此對(duì)導(dǎo)線框受力平衡可得F1＋F＝mg，當(dāng)導(dǎo)線框中的電流反向，則安培力方向豎直向下，此時(shí)有mg＋F＝F2，聯(lián)立可得B＝eq\f(\r(2)F2－F1,4IL)，故C正確。必備知識(shí)(四)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)情況的判定1．判定導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)情況的基本思路判定通電導(dǎo)體在安培力作用下的運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，首先必須弄清楚導(dǎo)體所在位置的磁感線分布情況，然后利用左手定則準(zhǔn)確判定導(dǎo)體的受力情況，進(jìn)而確定導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向。2．五種常用判定方法等效法環(huán)形電流→小磁針通電螺線管→條形磁鐵(如第1題中通電線圈等效成小磁針)結(jié)論法同向電流互相吸引，異向電流互相排斥；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)電流元法分割為電流元eq\o(→,\s\up7(左手定則),\s\do5())安培力方向→整段導(dǎo)體所受合力方向→運(yùn)動(dòng)方向特殊位置法在特殊位置→安培力方向→運(yùn)動(dòng)方向(如第4題中當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)過90°時(shí)判斷吸引還是排斥)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)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)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[集訓(xùn)沖關(guān)]1．[等效法]如圖所示，在固定放置的條形磁鐵S極附近懸掛一個(gè)金屬線圈，線圈與水平磁鐵位于同一豎直平面內(nèi)，當(dāng)在線圈中通入沿圖示方向流動(dòng)的電流時(shí)，將會(huì)看到()A．線圈向左平移B．線圈向右平移C．從上往下看，線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)靠近磁鐵D．從上往下看，線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)靠近磁鐵解析：選C把通電線圈等效成小磁針，等效小磁針的N極垂直于紙面向外，根據(jù)同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引可知：從上往下看，線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)靠近磁鐵，C正確。2．[結(jié)論法](2018·浙江11月選考)電流天平是一種測(cè)量磁場(chǎng)力的裝置，如圖所示，兩相距很近的通電平行線圈Ⅰ和Ⅱ，線圈Ⅰ固定，線圈Ⅱ置于天平托盤上。當(dāng)兩線圈均無電流通過時(shí)，天平示數(shù)恰好為零。下列說法正確的是()A．當(dāng)天平示數(shù)為負(fù)時(shí)，兩線圈電流方向相同B．當(dāng)天平示數(shù)為正時(shí)，兩線圈電流方向相同C．線圈Ⅰ對(duì)線圈Ⅱ的作用力大于線圈Ⅱ?qū)€圈Ⅰ的作用力D．線圈Ⅰ對(duì)線圈Ⅱ的作用力與托盤對(duì)線圈Ⅱ的作用力是一對(duì)相互作用力解析：選A通電線圈相當(dāng)于條形磁鐵，兩線圈電流方向相同時(shí)，相當(dāng)于異性磁極相對(duì)，則相互吸引，天平示數(shù)為負(fù)，A正確、B錯(cuò)誤；線圈Ⅰ對(duì)線圈Ⅱ的作用力跟線圈Ⅱ?qū)€圈Ⅰ的作用力是一對(duì)作用力與反作用力，大小相等，C錯(cuò)誤；線圈Ⅰ對(duì)線圈Ⅱ的作用力與托盤對(duì)線圈Ⅱ的作用力都是線圈Ⅱ受到的力，不是一對(duì)相互作用力，D錯(cuò)誤。3．[電流元法]通有電流的導(dǎo)線L1、L2處在同一平面(紙面)內(nèi)，L1是固定的，L2可繞垂直紙面的固定轉(zhuǎn)軸O轉(zhuǎn)動(dòng)(O為L(zhǎng)2的中心)，各自的電流方向如圖所示。下列哪種情況將會(huì)發(fā)生()A．因L2不受磁場(chǎng)力的作用，故L2不動(dòng)B．因L2上、下兩部分所受的磁場(chǎng)力平衡，故L2不動(dòng)C．L2繞軸O按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)D．L2繞軸O按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)解析：選D由右手螺旋定則可知導(dǎo)線L1上方的磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?，且離導(dǎo)線L1越遠(yuǎn)的地方，磁場(chǎng)越弱，將導(dǎo)線L2分成很多小段，可以判斷導(dǎo)線L2上的每一小部分受到的安培力方向均為水平向右，由于O點(diǎn)下方的磁場(chǎng)較強(qiáng)，則所受安培力較大，因此L2繞軸O按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，D正確。4．[電流元法與特殊位置法的結(jié)合]如圖所示，把一重力不計(jì)的通電直導(dǎo)線水平放在蹄形磁鐵兩極的正上方，導(dǎo)線可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)線通入圖示方向電流I時(shí)，導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)情況是(從上往下看)()A．順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)下降B．順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)上升C．逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)下降D．逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)上升解析：選A如圖甲所示，把直線電流等效為無數(shù)小段，中間的點(diǎn)為O點(diǎn)，選擇在O點(diǎn)左側(cè)S極右上方的一小段為研究對(duì)象，該處的磁場(chǎng)方向指向左下方，由左手定則判斷，該小段受到的安培力的方向垂直紙面向里，在O點(diǎn)左側(cè)的各段電流元都受到垂直紙面向里的安培力，把各段電流元受到的力合成，則O點(diǎn)左側(cè)導(dǎo)線受到垂直紙面向里的安培力；同理判斷出O點(diǎn)右側(cè)的導(dǎo)線受到垂直紙面向外的安培力。因此，由上向下看，導(dǎo)線沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。分析導(dǎo)線轉(zhuǎn)過90°時(shí)的情形，如圖乙所示。導(dǎo)線中的電流向外，由左手定則可知，導(dǎo)線受到向下的安培力。由以上分析可知，導(dǎo)線在順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)。選項(xiàng)A正確。5．[轉(zhuǎn)換研究對(duì)象法](多選)