2024年高考物理第一轮复习课件：第十章 第1讲　磁场及其对电流的作用

这是一份2024年高考物理第一轮复习课件：第十章 第1讲　磁场及其对电流的作用，共60页。PPT课件主要包含了磁场力，磁感应强度，BIl，安培力的大小，答案D，答案A，五种常用判定方法，答案55T，答案05J等内容，欢迎下载使用。

【素养解读·评价要求】1．本章是高考命题的重点，以选择题或计算题的形式出现，选择题一般考查磁场的基础知识和基本规律，难度不大；计算题主要是考查安培力、带电粒子在磁场中的运动，以及与力学、电学、能量知识的综合应用，难度较大，较多的是高考的压轴题。核心素养方面，本章主要强调对磁场物质性的理解及磁场的描述方法，形成物理观念，强化思维方法。
2．(1)加强对磁场性质、安培力、洛伦兹力、带电粒子在磁场中的匀速圆周运动等基本概念和规律的理解；(2)加强立体空间图形的转化能力训练，不仅要熟悉常见磁场的磁感线立体分布图，也要熟悉它们的平面分布情况，还要善于将有关安培力的三维立体空间问题转化为二维平面问题；(3)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的作图训练，培养考生的数形结合能力，运用动态放缩圆、定点旋转圆、圆平移、圆对称等几何知识解决带电粒子在有界磁场中的运动及临界、多解问题。3．高考考查考生的推理论证能力和模型建构能力，有时也结合实际生活命题，考查考生利用物理知识分析现代科技应用案例的能力。
第1讲　磁场及其对电流的作用
[自主落实]一、磁场、磁感应强度1．磁场基本性质：磁场对处于其中的磁体、电流和运动电荷有______的作用。2．磁感应强度(1)物理意义：描述磁场的强弱和方向。
二、磁感线　通电直导线和通电线圈周围磁场的方向1．磁感线及其特点(1)磁感线：在磁场中画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟这点的__________的方向一致。(2)特点①磁感线上某点的____方向就是该点的磁场方向。②磁感线的____定性地表示磁场的强弱。
③磁感线是____曲线，没有起点和终点。④磁感线是假想的曲线，客观上并不存在。2．电流的磁场
三、安培力、安培力的方向　匀强磁场中的安培力1．安培力的大小(1)磁场和电流垂直时：F＝______。(2)磁场和电流平行时：F＝0。2．安培力的方向左手定则判断： (1)伸出左手，让拇指与其余四指____，并且都在同一个平面内。(2)让磁感线从掌心进入，并使四指指向____方向。(3)拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。
[自我诊断]一、判断题(1)小磁针N极所受磁场力的方向就是该处磁感应强度的方向。( )(2)磁场中的一小段通电导体在该处受力为零，此处磁感应强度一定为零。( )(3)由定义式B＝可知，电流强度I越大，导线l越长，某点的磁感应强度就越小。( )
(4)磁感线是真实存在的。( )(5)通电线圈可等效成条形磁体，它周围的磁感线起始于线圈一端，终止于线圈的另一端。( )(6)安培力的方向既跟磁感应强度方向垂直，又跟电流方向垂直。( )
二、选择题1．关于磁感应强度，下列说法正确的是(　　)
2．如图所示的磁场中垂直磁场放置两个面积相同的闭合线圈S1(左)、S2(右)，由图可知穿过线圈S1、S2的磁通量大小关系正确的是(　　)A．穿过线圈S1的磁通量比较大B．穿过线圈S2的磁通量比较大C．穿过线圈S1、S2的磁通量一样大D．不能比较解析：穿过线圈S1的磁感线条数多，故穿过线圈S1的磁通量比较大，B、C、D错误，A正确。
3． 如图所示，用天平测量匀强磁场的磁感应强度。下列各选项所示的载流线圈匝数相同，边长MN相等，将它们分别挂在天平的右臂下方。线圈中通有大小相同的电流，天平处于平衡状态。若磁场发生微小变化，天平最容易失去平衡的是(　　)
安培定则的应用和磁场的叠加
1．安培定则的理解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”。
2.解答磁场叠加问题的思路(1)确定磁场的场源，如已知磁场、通电导线等。(2)定位空间中磁感应强度待求点的位置，利用安培定则判定各个场源在这一点上产生的磁感应强度的大小和方向。M、N在c点产生的磁感应强度BM、BN如图所示。(3)应用平行四边形定则进行合成，如图中的合磁场B。
【例1】　(2022·江苏苏州模拟)如图所示，两平行直导线cd和ef竖直放置，通以方向相反大小相等的电流，a、b两点位于两导线所在的平面内，则(　　)A．a点的磁感应强度可能为零B．cd导线受到的安培力方向向右C．ef导线在b点产生的磁场方向垂直纸面向外D．同时改变两导线的电流方向，两导线受到的安培力方向均改变
[解析]　根据安培定则可知，cd导线在a处产生的磁场垂直纸面向里，ef导线在a处产生的磁场垂直纸面向外，因a离cd较近，可知a点的磁场方向向里，不等于0，故A错误；根据左手定则可判断，方向相反的两个电流的安培力互相排斥，所以cd导线受到的安培力方向向左，故B错误；根据安培定则可知，ef导线在b处的磁场垂直纸面向外，故C正确；只要电流方向相反，就互相排斥，故D错误。
【例2】　(2022·江苏常州调研)特高压直流输电是我国领先世界的电力工程。正常输电时，两根导线中通有大小相等，方向相反的电流，某次故障测试中发现两根平行输电线电流IA>IC。如图，以两导线垂线中点为圆心，作一个与导线垂直的圆，a(里面)和c(外面)与输电线在同一高度，b、d为圆的最下方和最上方。忽略地磁的影响，则(　　)A．b点和d点磁场方向相同B．a点的磁感应强度可能为零C．c点的磁感应强度可能为零D．两根导线的作用力为引力
[解析]　由于电流IA>IC，根据右手定则得，从左向右看，b点磁场向左下方，d点磁场向右下方，A错误；由于两个电流在a点的磁场方向相反，但是A导线电流大，与a点近，产生的磁场强，合磁场一定不等于零，B错误；由于两个电流在c点的磁场方向相反，A导线电流大，与c点远，C导线的电流小，离c点近，合磁场可能等于零，C正确；由左手定则得，反向电流相互排斥，D错误。
1．(两直线电流的磁场叠加)(2021·全国甲卷)两足够长直导线均折成直角，按图示方式放置在同一平面内，EO与O′Q在一条直线上，PO′与OF在一条直线上，两导线相互绝缘，通有相等的电流I，电流方向如图所示。若一根无限长直导线通过电流I时，所产生的磁场在距离导线d处的磁感应强度大小为B，则图中与导线距离均为d的M、N两点处的磁感应强度大小分别为(　　)A．B、0　　　　　　　B．0、2BC．2B、2B D．B、B
解析：根据题意，利用右手螺旋定则判断可知，OF、O′Q两条导线在M点产生磁场的磁感应强度大小相等，方向相反，因此M点处的磁感应强度为0；PO′、O′Q两条导线在N点产生磁场的磁感应强度大小相等，方向相同，因此N点处的磁感应强度大小为2B，故选项B正确，A、C、D错误。
2．(匀强磁场与两直线电流的磁场叠加)(2017·全国Ⅲ卷)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、其他条件不变，则a点处磁感应强度的大小为(　　)
解析：两长直导线P和Q在a点处的磁感应强度的大小相等，设为B，方向如图甲所示，
1．安培力大小常用公式F＝BIl计算，要求两两垂直，应用时要满足：(1)B与l垂直；(2)l是有效长度，即垂直磁感应强度方向的长度。
如弯曲导线的有效长度l等于两端点所连直线的长度(如图所示)，相应的电流方向沿l由始端流向末端。因为任意形状的闭合线圈，其有效长度为零，所以闭合线圈通电后在匀强磁场中，受到的安培力的矢量和为零。2．安培力方向：用左手定则判断，注意安培力既垂直于B，也垂直于I，即垂直于B与I决定的平面。
【例3】　(2021·江苏卷)在光滑桌面上将长为πL的软导线两端固定，固定点的距离为2L，导线通有电流I，处于磁感应强度大小为B、方向竖直向下的匀强磁场中，导线中的张力为(　　)A．BIL　　 B．2BIL　　　C．πBIL　　　D．2πBIL
【例4】　(2022·江苏南通期中)长为L的导体棒a通如图所示电流，与传感器相连悬挂在天花板上，长直导体棒b固定在a的正下方，且与a平行，当b不通电时，传感器显示拉力为F1，当b通电时，传感器显示拉力为F2，则下列说法正确的是(　　)
3．(通电线框所受安培力的叠加)(2019·全国Ⅰ卷)如图，等边三角形线框LMN由三根相同的导体棒连接而成，固定于匀强磁场中，线框平面与磁感应强度方向垂直，线框顶点M、N与直流电源两端相接。已知导体棒MN受到的安培力大小为F，则线框LMN受到的安培力的大小为 (　　)A．2F　　　　　　　　　B．1.5FC．0.5F D．0
解析：设每根导体棒的电阻为R，长度为L，则电路中，上、下两支路电阻之比R1∶R2＝2R∶R＝2∶1，上、下两支路电流之比 I1∶I2＝1∶2。如图所示，由于上支路通电导体受安培力的有效长度也为L，根据安培力计算公式F＝ILB，可知F′∶F＝I1∶I2＝1∶2，得F′＝0.5F，根据左手定则可知，两力方向相同，故线框LMN所受的合力大小为F＋F′＝1.5F，选项B正确。
1．判断导体运动情况的基本思路(1)弄清楚导体所在位置的磁感线分布情况。(2)利用左手定则准确判定导体的受力情况。(3)确定导体的运动方向或运动趋势的方向。
安培力作用下导体运动的判断
【例5】　如图所示，在固定放置的条形磁体S极附近悬挂一个金属线圈，线圈与水平磁体位于同一竖直平面内，当在线圈中通入沿图示方向流动的电流时，将会看到(　　)A．线圈向左平移B．线圈向右平移C．从上往下看，线圈顺时针转动，同时靠近磁体D．从上往下看，线圈逆时针转动，同时靠近磁体
[解析]　把通电线圈等效成小磁针，等效小磁针的N极垂直于纸面向外，根据同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引可知：从上往下看，线圈顺时针转动，同时靠近磁体，C正确。
【例6】　如图所示，把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁体两极的正上方，导线可以自由转动，当导线通入图示方向电流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
[解析]　如图甲所示，把直线电流等效为无数小段，中间的点为O点，选择O点左侧S极右上方的一小段为研究对象，该处的磁场方向指向左下方，由左手定则判断，该小段受到的安培力的方向垂直纸面向里，在O点左侧的各段电流元都受到垂直纸面向里的安培力，把各段电流元受到的力合成，则O点左侧导线受到垂直纸面向里的安培力；同理判断出O点右侧的导线受到垂直纸面向外的安培力。因此，由上向下看，导线沿顺时针方向转动。
5．(转换研究对象法的应用)如图所示，台秤上放一光滑平板，其左边固定一挡板，一轻质弹簧将挡板和一条形磁体连接起来，此时台秤示数为F1，现在磁体上方中心偏左位置固定一导体棒，当导体棒中通以如图所示方向的电流后，台秤示数为F2，则以下说法正确的是(　　)A．弹簧长度将变长B．弹簧长度将变短C．F1与F2的关系不能确定D．F1解析：如图甲所示，导体棒处的磁场方向指向右上方，根据左手定则可知，导体棒受到的安培力方向垂直于磁场方向指向右下方，根据牛顿第三定律，对条形磁体受力分析，如图乙所示，所以台秤对条形磁体的支持力减小，即台秤示数F1>F2，在水平方向上，由于F′有水平向左的分力，使条形磁体压缩弹簧，所以弹簧长度变短。
6．(结论法)(2021·广东卷)截面为正方形的绝缘弹性长管中心有一固定长直导线，长管外表面固定着对称分布的四根平行长直导线。若中心直导线通入电流I1，四根平行直导线均通入电流I2，I1≫I2，电流方向如图所示。下列截面图中可能正确表示通电后长管发生形变的是(　　)
解析：左右两侧电流与中心电流为同向电流，上下两侧电流与中心电流为反向电流，由同向电流相互吸引、异向电流相互排斥这一结论，可知弹性长管左右两侧受到向里的吸引力，上下两侧受到向外的排斥力，则只有C项正确。
分析通电导体在磁场中的平衡、加速问题的思路(1)选定研究对象。一般为某段导体棒(线框)。(2)受力分析时，变三维图为二维图，如侧视图、剖面图或俯视图等，并画出平面受力分析图，其中安培力的方向要注意F安⊥B、F安⊥I。如图所示：
安培力作用下导体的平衡、加速问题
(3)列平衡方程或牛顿第二定律方程进行求解。
【例7】　如图所示，U形平行金属导轨与水平面成37°角，金属杆ab横跨放在导轨上，其有效长度为0.5 m，质量为0.2 kg，与导轨间的动摩擦因数为0.1。空间存在竖直向上的磁感应强度为2 T的匀强磁场。要使ab杆在导轨上保持静止，则ab中的电流大小应在什么范围？(设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等，g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8)
[解析]　先画出金属杆受力的侧面图，由于安培力的大小与电流有关，因此改变电流的大小，可以改变安培力的大小，也可以使金属杆所受的摩擦力方向发生变化。由平衡条件可知，当电流较小时，金属杆所受的摩擦力方向沿斜面向上，如图甲所示，
[答案]　1.21 A≤I≤1.84 A
7．(倾斜导轨上导体棒的平衡问题)(2022·浙江杭州模拟)如图所示装置，电源的电动势E＝8 V，内阻 r1＝0.5 Ω，两光滑金属导轨平行放置，间距d＝0.2 m，导体棒 ab用等长绝缘细线悬挂并刚好与导轨接触，ab左侧为水平直轨道，右侧为半径R＝0.2 m的竖直圆弧导轨，圆心恰好为细线悬挂点，整个装置处于竖直向下的、磁感应强度B＝0.5 T的匀强磁场中。闭合开关后，导体棒沿圆弧运动，已知导体棒的质量m＝0.06 kg，电阻r2＝0.5 Ω，不考虑运动过程中产生的反电动势，则(　　)
A．导体棒ab所受的安培力方向始终与运动方向一致B．导体棒在摆动过程中所受安培力F＝8 NC．导体棒摆动过程中的最大动能为0.8 JD．导体棒ab速度最大时，细线与竖直方向的夹角θ＝53°
8．(水平导轨上导体棒的平衡问题)(2022·山东威海质检)如图所示，水平面上有电阻不计的U形导轨NMPQ，导轨的宽度为L，M和P之间接入电动势为E的电源(不计内阻)。现垂直于导轨搁一根质量为m，电阻为R的金属棒ab，并加一个范围较大的匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向与水平面夹角为θ，指向右斜上方且与金属棒ab垂直，求：(1)当ab棒静止时，受到的支持力和摩擦力各为多少？(2)若B的大小和方向均能改变，则要使ab棒所受支持力为零，B的大小至少为多少？此时B的方向如何？
解析：(1)从b向a看，如图所示。
9．如图所示，金属棒MN两端由等长的轻质细线水平悬挂，处于竖直向上的匀强磁场中，棒中通以由M流向N的电流，平衡时两悬线与竖直方向夹角均为θ。如果仅改变下列某一个条件，θ角的相应变化情况正确的是(　　)A．棒中的电流变大，θ角变大B．两悬线等长变短，θ角变小C．金属棒质量变大，θ角变大D．磁感应强度变大，θ角变小
解析：金属棒MN的侧视图及其受力分析如图所示，由平衡条件可知F安＝mg tan θ，而F安＝BIL，即BIL＝mg tan θ，则I↑⇒θ↑，m↑⇒θ↓，B↑⇒θ↑，故A正确，C、D错误。θ角与悬线长度无关，故B错误。
10．澳大利亚国立大学制成了能把2.2 g的弹体(包括金属杆EF的质量)加速到10 km/s的电磁炮(常规炮弹的速度约为2 km/s)。如图所示，若轨道宽为2 m，长为100 m，通过的电流为10 A，试求轨道间所加匀强磁场的磁感应强度(轨道摩擦不计)。
11．如图甲所示，两根光滑平行导轨水平放置，间距为L，其间有竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为B，垂直于导轨水平对称放置一根均匀金属棒。从t＝0时刻起，棒上有如图乙所示的持续交变电流I，周期为T，最大值为Im，图甲中I所示方向为电流正方向，则关于金属棒的判断错误的是(　　)
A．一直向右移动B．速度随时间周期性变化C．受到的安培力随时间周期性变化D．受到的安培力在一个周期内做正功
解析：由左手定则可知，金属棒一开始向右做匀加速运动，当电流反向以后，金属棒开始做匀减速运动，经过一个周期速度变为0，然后重复上述运动，所以选项A、B正确；安培力F＝BIL，由题图可知前半个周期安培力水平向右，后半个周期安培力水平向左，不断重复，选项C正确；一个周期内，金属棒初、末速度相同，由动能定理可知安培力在一个周期内做的总功为零，选项D错误。
12．“电磁炮”模型的原理结构示意图如图。光滑水平金属导轨M、N的间距L＝0.2 m，电阻不计，在导轨间有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度大小B＝100 T。装有弹体的导体棒ab垂直放在导轨M、N上的最左端，且始终与导轨接触良好，导体棒ab(含弹体)的质量m＝0.2 kg，在导轨M、N间部分的电阻R＝0.8 Ω，可控电源的内阻r＝0.2 Ω。在某次模拟发射时，可控电源为导体棒ab提供的电流恒为I＝4×103 A，不计空气阻力，导体棒ab由静止加速到4 km/s 后发射弹体，则(　　)
A．导体棒ab所受安培力大小为1.6×105 NB．光滑水平导轨的长度至少为15 mC．该过程系统产生的焦耳热为3.2×106 JD．该过程系统消耗的总能量为1.76×106 J
13．如图所示，在水平放置的光滑平行导轨一端架着一根质量m＝0.04 kg的金属棒ab，导轨另一端通过开关与电源相连。该装置放在高h＝20 cm的绝缘垫块上。当有竖直向下的匀强磁场时，接通开关，金属棒ab会被抛到距导轨右端水平位移s＝100 cm处。试求开关接通后安培力对金属棒做的功。(g取10 m/s2)