高考物理系統(tǒng)性復(fù)習(xí) (要點歸納+夯實基礎(chǔ)練) 第一節(jié) 磁場及其對電流的作用（附解析）

第一節(jié)磁場及其對電流的作用【要點歸納】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弱不同，磁性最強的區(qū)域叫做磁極．能夠自由轉(zhuǎn)動的磁體，例如懸吊著的磁針，靜止時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)的實驗——奧斯特實驗．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．實驗時，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，以保證電流的磁場與地磁場方向不同而使小磁針發(fā)生轉(zhuǎn)動．2．由于地磁場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，即電流周圍產(chǎn)生了磁場，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，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1．磁場：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發(fā)生的．2．基本性質(zhì)：對放入其中的磁體或通電導(dǎo)體有力的作用(如圖所示)．3．磁場的產(chǎn)生(1)磁體周圍有磁場．(2)電流周圍有磁場．四、磁感線1．磁場的方向規(guī)定：小磁針靜止時N極所指的方向。2．磁感線：用來形象地描述磁場的曲線，曲線上每一點的切線方向都跟這點磁場的方向一致。3．磁感線的疏密表示磁場的強弱。4．磁感線的特點(1)為形象描述磁場而引入的假想曲線，實際并不存在。(2)磁感線的疏密表示磁場的強弱，密集的地方磁場強，稀疏的地方磁場弱。(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)磁感線上某點的切線方向表示該點的磁場方向。五、地球的磁場1．地磁場：地球是一個大磁體，存在的磁場叫地磁場．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夾角，這個夾角叫做磁偏角．六、安培定則1．直線電流的磁場：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：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)線軸線上磁場的方向，如圖乙所示。3．通電螺線管的磁場：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。分子電流使每個物質(zhì)微粒都成為微小的磁體，它的兩側(cè)相當(dāng)于兩個磁極。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)線上任意點為圓心垂直于導(dǎo)線的多組同心圓，越向外越稀疏，磁場越弱環(huán)形電流內(nèi)部磁場比環(huán)外強，磁感線越向外越稀疏通電螺線管內(nèi)部為勻強磁場且比外部強，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)磁場是分布在立體空間的。(2)利用安培定則不僅可以判斷磁場的方向，還可以根據(jù)磁場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，四指所指的是導(dǎo)線之外磁場的方向；判定環(huán)形電流和通電螺線管電流時，拇指的指向是線圈軸線上磁場的方向。(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，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，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)．讓磁感線從掌心進入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向.(2)說明：安培力的方向不僅跟磁場方向垂直，還跟電流方向垂直，故安培力的方向垂直于磁場方向與電流方向所構(gòu)成的平面．在判斷安培力方向時，應(yīng)首先判定這個平面，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，即電流方向與磁感線垂直時，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，所受安培力為零．③適用條件：只有在勻強磁場中，在通電導(dǎo)線與磁場方向垂直的情況下，F(xiàn)＝BIL才成立．在非勻強磁場中，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磁場．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．電流表是測定電流強弱和方向的電學(xué)儀器．2．實驗時經(jīng)常使用的電流表是磁電式儀表，其構(gòu)造是：在一個磁性很強的蹄形永久磁鐵的兩極間有一個固定的圓柱形鐵芯，鐵芯外面套有一個可以繞軸轉(zhuǎn)動的鋁框，上面繞有線圈．它的轉(zhuǎn)軸上裝有兩個螺旋彈簧和一個指針．線圈的兩端分別接在這兩個螺旋彈簧上．如圖3．蹄形磁鐵的鐵芯間的磁場是均勻地分布的，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．磁場對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，可以知道被測電流的強弱．5．電流表的特點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：因為磁電式電流表的線圈很細(xì)，允許通過的電流很弱，所以在使用時一定注意表的量程，測量大電流時需要將表改裝．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)生磁場時，電流與其產(chǎn)生的磁場的磁感線二者方向的關(guān)系；左手定則研究通電導(dǎo)線(或運動電荷)在磁場中受力時，F(xiàn)、I、B三者方向的關(guān)系．2．在電流與磁場的關(guān)系上：安培定則中的“磁場”與“電流”密不可分，同時存在、同時消失，“磁場”就是電流的磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場；左手定則中的“磁場”與“電流”可以單獨存在，“磁場”是外加的磁場，不是通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場．3．在因果關(guān)系上：安培定則中的“電流”是因，“磁場”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；左手定則中的“磁場”和“電流”都是“因”，磁場對通電導(dǎo)線的作用力是“果”，有因才有果，而此時的兩個“因”對產(chǎn)生磁場對導(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)生該磁場的電流方向時，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，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，對通電導(dǎo)線的作用都是通過磁場來實現(xiàn)的，因此必須要清楚導(dǎo)線所在位置的磁場分布情況，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)生的運動，在實際操作過程中，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)線運動方向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環(huán)形電流，反過來等效也成立3．特殊位置法：通過轉(zhuǎn)動通電導(dǎo)線到某個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，從而確定其運動方向4．結(jié)論法：兩平行直線電流在相互作用過程中，無轉(zhuǎn)動趨勢，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，有轉(zhuǎn)到平行且電流方向相同的趨勢5．轉(zhuǎn)換研究對象法：定性分析磁體在電流磁場作用下如何運動的問題，可先分析電流在磁體磁場中所受的安培力，然后由牛頓第三定律，確定磁體所受電流磁場的作用力，從而確定磁體所受合力及運動方向【夯實基礎(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，與OO′距離相等位置的磁感應(yīng)強度大小相等且不隨時間變化，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，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，對導(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錯誤；BCD．由于與OO′距離相等位置的磁感應(yīng)強度大小相等且不隨時間變化，有，F(xiàn)T=mgcosθ，則可看出sinθ與電流I成正比，當(dāng)I增大時θ增大，則cosθ減小，靜止后，導(dǎo)線對懸線的拉力FT減小，BC錯誤、D正確。故選D?！敬鸢浮緿2．(多選)(2022?高考全國乙卷)安裝適當(dāng)?shù)能浖?，利用智能手機中的磁傳感器可以測量磁感應(yīng)強度B。如圖，在手機上建立直角坐標(biāo)系，手機顯示屏所在平面為xOy面。某同學(xué)在某地對地磁場進行了四次測量，每次測量時y軸指向不同方向而z軸正向保持豎直向上。根據(jù)表中測量結(jié)果可推知()測量序號Bx/μTBy/μTBz/μT1021-4520-20-463210-454-210-45A．測量地點位于南半球B．當(dāng)?shù)氐牡卮艌龃笮〖s為50μTC．第2次測量時y軸正向指向南方D．第3次測量時y軸正向指向東方【解析】A．如圖所示，地球可視為一個磁偶極，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軸的磁場豎直向下，則測量地點應(yīng)位于北半球，A錯誤；B．磁感應(yīng)強度為矢量，故由表格可看出此處的磁感應(yīng)強度大致為，計算得B≈50μT，B正確；CD．由選項A可知測量地在北半球，而北半球地磁場指向北方斜向下，則第2次測量，測量，故y軸指向南方，第3次測量，故x軸指向北方而y軸則指向西方，C正確、D錯誤。故選BC。【答案】BC3．(2022?上海交通大學(xué)附屬中學(xué)高三(下)期中)在恒定的勻強磁場中固定一根通電直導(dǎo)線，導(dǎo)線的方向與磁場方向垂直，如圖反映的是這根導(dǎo)線受到的磁場力大小F與通過導(dǎo)線的電流I之間的關(guān)系，M、N兩點各對應(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磁場中，連線與磁場分界線重合，磁場的磁感應(yīng)強度大小均為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ab邊，根據(jù)左手定則可知，安培力向上。對bc邊，根據(jù)左手定則可知，安培力向右。對cd邊，根據(jù)左手定則可知，安培力向下。對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。【答案】C5．(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)線懸掛在勻強磁場中，磁場方向平行于紙面．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．若磁場方向豎直向下，則磁感應(yīng)強度B．若磁場方向平行于細(xì)線向下，則磁感應(yīng)強度C．若磁場方向水平向左，則磁感應(yīng)強度D．磁感應(yīng)強度B的最小值為【解析】A．磁場方向豎直向下，由左手定則可知，安培力水平向左，根據(jù)平衡，解得，A錯誤；B．若磁場方向平行于細(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錯誤；D．根據(jù)三力平衡，當(dāng)安培力垂直于繩子方向時，安培力最小，磁感應(yīng)強度B的最小，根據(jù)選項B可知，最小值為，D錯誤。故選B?！敬鸢浮緽6．(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，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，c、d位于MN的中垂線上，且a、b、c、d到O點的距離均相等。關(guān)于以上幾點處的磁場，下列說法正確的是()A．O點處的磁感應(yīng)強度為零B．a(chǎn)、b兩點處的磁感應(yīng)強度大小相等、方向相同C．c、d兩點處的磁感應(yīng)強度大小相等、方向相反D．a(chǎn)、c兩點處磁感應(yīng)強度的方向相同【解析】A．根據(jù)右手螺旋定則，M處導(dǎo)線在O點產(chǎn)生的磁場方向豎直向下，N處導(dǎo)線在O點產(chǎn)生的磁場方向豎直向下，合成后磁感應(yīng)強度不等于0，故A錯誤；B．M在a處產(chǎn)生的磁場方向豎直向下，在b處產(chǎn)生的磁場方向豎直向下，N在a處產(chǎn)生的磁場方向豎直向下，b處產(chǎn)生的磁場方向豎直向下，根據(jù)場強的疊加知，a、b兩點處磁感應(yīng)強度大小相等，方向相同，故B正確；C．M在c處產(chǎn)生的磁場方向垂直于cM偏下，在d出產(chǎn)生的磁場方向垂直dM偏下，N在c處產(chǎn)生的磁場方向垂直于cN偏下，在d處產(chǎn)生的磁場方向垂直于dN偏下，根據(jù)平行四邊形定則，知c處的磁場方向豎直向下，d處的磁場方向豎直向下，且合場強大小相等，故C錯誤；D．由以上分析可知，a、b、c、d、O五點處磁感應(yīng)強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)高考備考實用性聯(lián)考(四))如圖所示，等腰直角三角形abc的三個頂點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點是bc的中點；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)強度為B，的勻強磁場后，P點的磁感應(yīng)強度為0。已知