高考物理基础知识自学磁场对电流的作用.ppt

考点考点1 1 磁磁场的概念的概念磁磁场对电流的作用流的作用几种几种电流周流周围的磁的磁场分布分布直直线电流的磁流的磁场通通电螺螺线管的磁管的磁场环形形电流的磁流的磁场特点特点无磁极、非匀无磁极、非匀强且距且距导线越越远处磁磁场越弱越弱与条形磁与条形磁铁的磁的磁场相似，管内相似，管内为匀匀强磁磁场且磁且磁场最最强，管外，管外为非匀非匀强磁磁场环形形电流的两流的两侧是是N极和极和S极极且离且离圆环中心越中心越远，磁，磁场越弱越弱安培安培定定则立体立体图横截横截面面图纵截截面面图 磁感磁感线的疏密能形象地表示磁的疏密能形象地表示磁场的的强弱，但弱，但应注意：注意：(1)只有在同一只有在同一图中才能根据磁感中才能根据磁感线的疏密判定各的疏密判定各处磁磁场的的强弱，在不同的两个弱，在不同的两个图中，不能根据磁感中，不能根据磁感线的疏密判的疏密判定没有定没有联系的两个系的两个图中磁中磁场的的强弱。弱。(2)没有画到磁感没有画到磁感线的地方并不表示那里没磁的地方并不表示那里没磁场存在。存在。对安培定安培定则的的认识【例例1】如如图所示，有一束所示，有一束电子正在子正在y轴上向上向y轴正方向移正方向移动，则在在z轴上某上某 点点A处的磁的磁场方向方向应是是()A.沿沿x轴的正方向的正方向 B.沿沿x轴的的负方向方向 C.沿沿z轴的正方向的正方向 D.沿沿z轴的的负方向方向 (1)明确明确电流的方向。流的方向。(2)建立正确的三建立正确的三维空空间观，结合坐合坐标系，根据安培定系，根据安培定则确定磁确定磁场方向。方向。B 【解析解析】电荷定向移荷定向移动形成形成电流，当流，当电子沿子沿y轴正方向运正方向运动时，相当于通以沿相当于通以沿负y方向的方向的电流，根据安培定流，根据安培定则可得，在可得，在zOy平面内平面内的的y轴上方，磁上方，磁场方向是垂直于方向是垂直于zOy平面指向平面指向x轴的的负方向。故只有方向。故只有B正确。正确。考点考点2 2 磁磁场的描述的描述 1.对磁感磁感应强度的理解度的理解 (1)磁感磁感应强度由磁度由磁场本身决定，跟在本身决定，跟在该位置放入的位置放入的导体体长度度L，电流流I的大小及的大小及受到磁受到磁场的作用力均无关，与放不放通的作用力均无关，与放不放通电导体也无关。不能根据公式体也无关。不能根据公式B=F/(IL)就就说B与与F成正比，与成正比，与IL成反比。成反比。(2)由公式由公式B=F/(IL)计算算B时，通，通电直直导线必必须垂直于磁垂直于磁场放入。如果小段通放入。如果小段通电导线平行放入磁平行放入磁场，其所受安培力，其所受安培力F为零，但不能零，但不能说该处磁感磁感应强度度B为零。零。(3)磁感磁感应强度的方向不是通度的方向不是通电导线所受磁所受磁场作用力的方向，而是与通作用力的方向，而是与通电导线受受到的作用力的方向垂直。到的作用力的方向垂直。1.在使用公式在使用公式B=F/(IL)时，必，必须注意前提条件：注意前提条件：IB。2.B=F/(IL)为磁感磁感应强度的定度的定义式，而不是决定式，磁感式，而不是决定式，磁感应强度度B的大小及方的大小及方向是由磁向是由磁场本身决定的，与磁本身决定的，与磁场中是否存在中是否存在电流无关。流无关。3.磁感磁感应强度度B是矢量，但其方向不与安培力方向一致，而是与小磁是矢量，但其方向不与安培力方向一致，而是与小磁针静止静止时N极所指的方向一致。极所指的方向一致。(2)面面积S的含的含义：S不一定是某个不一定是某个线圈的真正面圈的真正面积，而是，而是线圈在磁圈在磁场范范围内的面内的面积。如。如图(2)所示，所示，S应为线圈面圈面积的一半。的一半。(1)=BS的含的含义：=BS只适用于磁感只适用于磁感应强度度B与面与面积S垂直垂直的情况。当的情况。当S与垂直于与垂直于B的平面的平面间的的夹角角为 时，则有有=BScos。可理解可理解为=B(Scos)，即，即 等于等于B与与S在垂直于在垂直于B方向上分量的乘方向上分量的乘积。也可理解。也可理解为=(Bcos)S，即，即 等于等于B在垂直于在垂直于S方向上的分方向上的分量与量与S的乘的乘积。如。如图(1)所示。所示。(3)多匝多匝线圈的磁通量：多匝圈的磁通量：多匝线圈内磁通量的大小与圈内磁通量的大小与线圈匝圈匝数无关，因数无关，因为不不论线圈匝数多少，穿圈匝数多少，穿过线圈的磁感圈的磁感线条数相同，条数相同，而磁感而磁感线条数可表示磁通量的大小。条数可表示磁通量的大小。(4)合磁通量求法：合磁通量求法：若某个平面内有不同方向和若某个平面内有不同方向和强弱的磁弱的磁场共同存在，当共同存在，当计算穿算穿过这个面的磁通量个面的磁通量时，先，先规定某个方向的磁通量定某个方向的磁通量为正，反方向的磁通量正，反方向的磁通量为负，平面内各个方向的磁通量的代数和等于，平面内各个方向的磁通量的代数和等于这个平面内的合磁通量。个平面内的合磁通量。2.对磁通量的理解磁通量的理解 (1)磁通量是磁通量是标量，其正、量，其正、负值仅表示磁感表示磁感线是是正向正向还是反向穿是反向穿过线圈平面。圈平面。(2)同一同一线圈平面，如果正向穿圈平面，如果正向穿过平面的磁感平面的磁感线条数与反向穿条数与反向穿过平面的条数一平面的条数一样多，多，则=0。对磁感磁感应强度的理解度的理解【例例2】下列下列说法中正确的是法中正确的是()A.电荷在某荷在某处不受不受电场力的作用，力的作用，则该处电场强度度为零零 B.一小段通一小段通电导线在某在某处不受磁不受磁场力作用，力作用，则该处磁感磁感应强度一定度一定为零零 C.表征表征电场中某点中某点电场的的强弱，是把一个弱，是把一个试探探电荷放在荷放在该点点时受到的受到的电场力与力与 试探探电荷本身荷本身电荷量的比荷量的比值 D.表征磁表征磁场中某点磁中某点磁场的的强弱，是把一小段通弱，是把一小段通电导线放在放在该点点时受到的磁受到的磁场力力 与与该小段小段导体体长度和度和电流乘流乘积的比的比值(1)电场强度由度由电场本身决定，与本身决定，与试探探电荷无关。荷无关。(2)磁感磁感应强度由磁度由磁场本身决定，与本身决定，与试探探电流元无关。流元无关。(3)比比值定定义法定法定义的物理量具有相似的特点。的物理量具有相似的特点。【解析解析】电场和磁和磁场有一个明有一个明显的区的区别是：是：电场对放入其中的放入其中的电荷有力荷有力的作用，而磁的作用，而磁场仅对在磁在磁场中运中运动且速度方向和磁感且速度方向和磁感应强度方向不平行的度方向不平行的带电粒子有力的作用，磁粒子有力的作用，磁场对通通电导线有力的作用的条件是磁有力的作用的条件是磁场方向不能和方向不能和电流方向平行，因此流方向平行，因此A对B错。同理根据。同理根据电场强度的定度的定义式式E=F/q可知可知C答案正答案正确。而同确。而同样用比用比值定定义法定法定义的磁感的磁感应强度度则应有明确的有明确的说明，即明，即B=F/(IL)中中I和和B的方向必的方向必须垂直，故垂直，故D错，所以，所以应选A、C。AC磁通量的理解磁通量的理解【例例3】如如图所示，面所示，面积为S的矩形的矩形线圈圈abcd，处在磁感在磁感应强度度为 B的匀的匀强磁磁场中，磁中，磁场方向与方向与线框平面成框平面成 角，当角，当线框以框以ab为 轴顺时针方向方向转过90时，穿，穿过abcd面的磁通量面的磁通量变化量化量 为()A.BScos B.BS(sin+cos)C.BSsin D.BS (1)磁通量磁通量为穿穿过平面的磁感平面的磁感线的有效条数，故的有效条数，故 应为EB沿垂直于平面的分沿垂直于平面的分量与量与S的乘的乘积。(2)有正有正负之分。之分。(3)=|2-1|，即，即 总为正。正。B 【解析解析】磁通量由磁感磁通量由磁感应强度矢量在垂直于度矢量在垂直于线框方向上的分量决定，开始框方向上的分量决定，开始时B与与线框平面成框平面成 角，磁通量角，磁通量 1=BSsin，线框平面按框平面按题意方向意方向转动时，磁，磁通量先减小再反向增大，当通量先减小再反向增大，当转过90时，磁通量，磁通量为负值，2=-BScos，可，可见，磁通量的磁通量的变化量化量为 =|2-1|=|-BScos-BSsin|=BS(cos+sin)。判定通判定通电导体在安培力作用下的运体在安培力作用下的运动或运或运动趋势，首先必，首先必须弄清楚弄清楚导体所在位体所在位置的磁置的磁场分布情况，然后利用左手定分布情况，然后利用左手定则准确判定准确判定导体的受力情况，体的受力情况，进而确定而确定导体的体的运运动方向或运方向或运动趋势的方向。的方向。现对几种常用的方法列表比几种常用的方法列表比较如下：如下：电流元法流元法把整段弯曲把整段弯曲导线分分为多段直流多段直流电流元，先用左手定流元，先用左手定则判断每段判断每段电流元受力流元受力的方向，然后判断整段的方向，然后判断整段导线所受合力的方向，从而确定所受合力的方向，从而确定导线运运动的方向的方向特殊位置法特殊位置法通通电导线转动到某个便于分析的特殊位置到某个便于分析的特殊位置时，判断其所受安培力的方向，判断其所受安培力的方向，从而确定其运从而确定其运动方向方向等效法等效法环形形电流可等效成小磁流可等效成小磁针，通，通电螺螺线管可以等效成条形磁管可以等效成条形磁铁或多个或多个环形形电流，反流，反过来等效也成立。等效后再确定相互作用情况来等效也成立。等效后再确定相互作用情况结论法法两平行直两平行直线电流在相互作用流在相互作用过程中，无程中，无转动趋势，同向，同向电流互相吸引，反流互相吸引，反向向电流互相排斥；两不平行的直流互相排斥；两不平行的直线电流相互作用流相互作用时，有，有转到平行且到平行且电流方流方向相同的向相同的趋势转换研究研究对象法象法定性分析磁体在定性分析磁体在电流磁流磁场作用下如何运作用下如何运动或运或运动趋势的的问题,可先分析可先分析电流在磁体磁流在磁体磁场中所受的安培力中所受的安培力,然后由牛然后由牛顿第三定律第三定律,确定磁体所受确定磁体所受电流磁流磁场的作用力的作用力,从而确定磁体所受合力及运从而确定磁体所受合力及运动方向方向考点考点3 3 安培力安培力1.通通电导体在安培力作用下运体在安培力作用下运动的判断方法的判断方法 安培力的方向与磁感安培力的方向与磁感应强度的方向垂直，度的方向垂直，而不是相同或相反，而不是相同或相反，这跟跟电场力与力与电场强度度方向之方向之间的关系是不同的。的关系是不同的。(1)安培力的大小安培力的大小 安培力常用公式安培力常用公式F=BIL，要求两两垂直，要求两两垂直，应用用时要要满足：足：B与与L垂直；垂直；L是有效是有效长度，即垂直磁感度，即垂直磁感应强度方向的度方向的长度；度；如弯曲如弯曲导线的有效的有效长度度L等于两端点所等于两端点所连直直线的的长度度(如如图所示所示)，相，相应的的电流方向沿流方向沿L由始端流向末由始端流向末端。因端。因为任意形状的任意形状的闭合合线圈，其有效圈，其有效长度度为零，所零，所以以闭合合线圈通圈通电后在匀后在匀强磁磁场中，受到的安培力的矢量和中，受到的安培力的矢量和为零。零。B并非一定是匀并非一定是匀强磁磁场，但一定是，但一定是导线所在所在处的磁感的磁感应强度度值。(2)通通电导线在磁在磁场中的平衡和加速中的平衡和加速 选定研究定研究对象；象；变三三维为二二维，画出平面受力分析，画出平面受力分析图，其中安培力的方向切忌，其中安培力的方向切忌跟着感跟着感觉走，要用左手定走，要用左手定则来判断，注意来判断，注意F安安B、F安安I。列平衡方程、牛列平衡方程、牛顿第二定律的方程式第二定律的方程式进行求解。行求解。2.与安培力有关的力学的与安培力有关的力学的综合合问题 涉及安培力的运涉及安培力的运动及平衡及平衡问题，分析的，分析的方法是在分析了其他力的基方法是在分析了其他力的基础上又多加上了上又多加上了一个安培力。一个安培力。该类问题用用动能定理或能量守能定理或能量守恒定律有恒定律有时会比会比较方便。方便。【例例4】如如图所示，把一重力不所示，把一重力不计的通的通电直直导线水平放在蹄形磁水平放在蹄形磁 铁两极的正上方，两极的正上方，导线可以自由可以自由转动，当，当导线通入通入图示方示方 向向电流流 I时，导线的运的运动情况是情况是(从上往下看从上往下看)()A.顺时针方向方向转动，同，同时下降下降 B.顺时针方向方向转动，同，同时上升上升 C.逆逆时针方向方向转动，同，同时下降下降 D.逆逆时针方向方向转动，同，同时上升上升安培力作用下安培力作用下导体运体运动情况的判定情况的判定 判断通判断通电导线在安培力作用下的运在安培力作用下的运动时方法很多。关方法很多。关键在于根据不同的在于根据不同的情况情况选择不同的解法。解决本不同的解法。解决本题时应明确明确转动和下降是同和下降是同时进行，不要因行，不要因为用了两种方法而用了两种方法而认为是两个是两个过程。程。A 【解析解析】(1)电流元法：流元法：设导线中心中心为O点，把直点，把直线电流等效流等效为AO、OB两段两段电流元，由左手定流元，由左手定则可以判断出可以判断出AO段受力方向垂直段受力方向垂直纸面向外，面向外，OB段受段受力方向垂直力方向垂直纸面向内，因此，从上向下看面向内，因此，从上向下看AB将以中心将以中心O为轴顺时针转动。(2)特殊位置法：用特殊位置法：用导线转过90的特殊位置来分析，根据左手定的特殊位置来分析，根据左手定则判得判得安培力的方向向下，故安培力的方向向下，故导线在在顺时针转动的同的同时向下运向下运动。故。故选A。【例例5】如如图所示，在所示，在倾角角=30的斜面的斜面 上，固定一金属框架，上，固定一金属框架，宽L=0.25 m，接入接入电动势E=12 V、内阻不、内阻不计的的电 池。在框架上放有一根池。在框架上放有一根质量量m=0.2 kg 的金属棒的金属棒ab，它与框架的，它与框架的动摩擦因数摩擦因数 =，整个装置放在磁感，整个装置放在磁感应强度度B=0.8 T、垂直框架、垂直框架 向上的匀向上的匀强磁磁场中。当中。当调节滑滑动变阻器阻器R的阻的阻值在什么在什么范范 围内内时，可使金属棒静止在框架上？框架与棒的，可使金属棒静止在框架上？框架与棒的电阻不阻不 计，g取取10 m/s2。安培力作用下物体的平衡安培力作用下物体的平衡 有关安培力的平衡有关安培力的平衡问题往往涉及到三往往涉及到三维立体空立体空间问题，处理相关安理相关安培力培力问题时，画出，画出导体棒的横截面受力体棒的横截面受力图，变三三维为二二维便可便可变难为易，易，迅速解迅速解题。【解析解析】(1)当当变阻器阻器R取取值较小小时，I较大，安大，安培力培力F较大，会使金属棒大，会使金属棒产生沿框架上滑的生沿框架上滑的趋势，因此，框架因此，框架对棒的摩擦力沿框架向下，如棒的摩擦力沿框架向下，如图(1)所示。所示。金属棒金属棒刚好不上滑好不上滑时满足平衡条件足平衡条件 B(E/R1)L-mgcos-mgsin=0，R1=BEL/mg(sin+cos)=1.6 。(2)当当变阻器阻器R取取值较大大时，I较小，安培力小，安培力F较小，在金属棒重力小，在金属棒重力分力分力mgsin 作用下，使棒有沿框架下滑的作用下，使棒有沿框架下滑的趋势，框架，框架对棒的摩擦力棒的摩擦力沿框架向上，如沿框架向上，如图(2)所示。所示。金属棒金属棒刚好不下滑好不下滑时满足平衡条件足平衡条件 B(E/R2)L+mgcos-mgsin=0，得，得 R2=BEL/mg(sin-cos)=0.8120.25/0.210(0.5-)=4.8 所以所以R的取的取值范范围应为1.6 R4.8 。