高考物理一轮复习第八章磁场基础学案.docx

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高考物理一轮复习第八章磁场基础学案

第八章磁场

第1节　磁场及其对电流的作用

[精题对点诊断]

1．[磁感线的特点]下列关于磁场和磁感线的描述中正确的是（　　）

A．磁感线可以形象地描述各点磁场的方向

B．磁感线是磁场中客观存在的线

C．磁感线总是从磁铁的N极出发，到S极终止

D．实验中观察到的铁屑的分布就是磁感线

【解析】　磁感线可以形象地描述磁场的强弱和方向，但它不是客观存在的线，可用细铁屑模拟；在磁铁外部磁感线由N极到S极，但内部是由S极到N极，故只有A正确．

【答案】　A

2．[认识地磁场]19世纪20年代，以塞贝克（数学家）为代表的科学家已认识到：

温度差会引起电流，安培考虑到地球自转造成了太阳照射后正面与背面的温度差，从而提出如下假设：

地球磁场是由绕地球的环形电流引起的．则该假设中的电流方向是（注：

磁子午线是地球磁场N极与S极在地球表面的连线）（　　）

A．由西向东垂直磁子午线

B．由东向西垂直磁子午线

C．由南向北沿磁子午线

D．由赤道向两极沿磁子午线

【解析】　如图所示，考虑地球的自转方向，利用安培定则可以判定磁场是由东向西的环形电流产生的，故选项B正确．

【答案】　B

3．[应用安培定则]下列四图为电流产生磁场的分布图，正确的分布图是（　　）

图8－1－1

A．①③B．②③

C．①④D．②④

【解析】　由安培定则可以判断出直线电流产生的磁场方向，①正确、②错误；③和④为环形电流，注意让弯曲的四指指向电流的方向，可判断出④正确、③错误．故正确选项为C.

【答案】　C

4．[左手定则]在图中，标出磁场B的方向，通电直导线中电流I的方向，以及通电直导线所受磁场力F的方向，其中正确的是（　　）

【解析】　根据左手定则，A错误、C正确．电流与磁感线平行时，通电直导线不受安培力，B错误．安培力的方向应和磁感线垂直，D错误．

【答案】　C

5．[磁通量与条形磁铁的磁场]如图8－1－2所示，条形磁

图8－1－2

铁竖直放置，一水平圆环从磁铁上方位置Ⅰ向下运动，到达磁铁上端位置Ⅱ，套在磁铁上到达中部Ⅲ，再到磁铁下端位置Ⅳ，再到下方Ⅴ.磁铁从Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ过程中，穿过圆环的磁通量变化情况是（　　）

A．变大，变小，变大，变小

B．变大，变大，变小，变小

C．变大，不变，不变，变小

D．变小，变小，变大，变大

【解析】　从条形磁铁磁感线的分布情况看，穿过圆环的磁通量在位置Ⅲ处最大，所以正确选项为B.

【答案】　B

[基础知识回顾]

一、磁场、磁感强度

1．磁场

（1）基本特性：

磁场对处于其中的磁体、电流和运动电荷有磁场力的作用．

（2）方向：

小磁针的N极所受磁场力的方向．

2．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该点的磁感应强度的方向一致．

3．磁体的磁场和地磁场

4．磁感应强度

（1）物理意义：

描述磁场强弱和方向．

（2）定义式：

B＝

（通电导线垂直于磁场）．

（3）方向：

小磁针静止时N极的指向．

（4）单位：

特斯拉（T）

5．匀强磁场

（1）定义：

磁感应强度的大小处处相等、方向处处相同的磁场称为匀强磁场．

（2）特点

匀强磁场中的磁感线是疏密程度相同的、方向相同的平行直线．

6．电流的磁场

通电直导线

通电螺线管

环形电流

特点

无磁极、非匀强，且距导线越远处磁场越弱

与条形磁铁的磁场相似，管内为匀强磁场且磁场最强，管外为非匀强磁场

环形电流的两侧是N极和S极，且离圆环中心越远，磁场越弱

安培定则

立体图

纵截面图

二、磁通量

1．概念

在磁感应强度为B的匀强磁场中，与磁场方向垂直的面积S和B的乘积．

2．公式：

Φ＝BS.（匀强磁场且B⊥S）

3．单位：

1Wb＝1_T·m2.

三、磁场对电流的作用——安培力

1．安培力的大小

（1）当磁场B与电流垂直时：

F＝BIL.

（2）当磁场B与电流平行时：

F＝0.

2．安培力的方向

（1）用左手定则判定：

伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内．让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时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．

（2）安培力的方向特点：

F⊥B，F⊥I，即F垂直于B和I决定的平面．

[基本能力提升]

一、判断题

（1）磁场中某点磁感应强度的大小，跟放在该点的试探电流元的情况有关.（×）

（2）磁场中某点磁感应强度的方向，跟放在该点的试探电流元所受磁场力的方向一致.（×）

（3）垂直磁场放置的线圈面积减小时，穿过线圈的磁通量一定减小．（×）

（4）磁感线越密，磁场越强.（√）

（5）通电导线放入磁场中，若不受安培力，说明该处磁感应强度为零.（×）

（6）安培力一定不做功．（×）

二、非选择题

如图8－1－3所示，光滑的平行导轨倾角为θ，处在磁感应强度为B的匀强磁场中，导轨中接入电动势为E、内阻为r的直流电源，电路中有一阻值为R的电阻，其余电阻不计，将质量为m、长度为L的导体棒呈水平放于导轨上，并将导体棒由静止释放，求导体棒在释放的瞬间加速度的大小．

图8－1－3

【解析】　从b向a看，画出侧视

图受力如图所示，导体棒受重力mg、支持力FN和安培力F，由牛顿第二定律：

mgsinθ－Fcosθ＝ma　①

F＝BIL　②

I＝

　③

由①②③式可解得a＝gsinθ－

【答案】　gsinθ－

第2节　磁场对运动电荷的作用

[精题对点诊断]

1．[洛伦兹力的理解]带电荷量为＋q的粒子在匀强磁场中运动，下列说法中正确的是（　　）

A．只要速度大小相同，所受洛伦兹力就相同

B．如果把＋q改为－q，且速度反向，大小不变，则洛伦兹力的大小、方向均不变

C．洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直，磁场方向一定与电荷运动方向垂直

D．粒子在只受到洛伦兹力作用下运动的动能、速度均不变

【解析】　因为洛伦兹力的大小不但与粒子速度大小有关，而且与粒子速度的方向有关，如当粒子速度与磁场垂直时F＝qvB，当粒子速度与磁场平行时F＝0.又由于洛伦兹力的方向永远与粒子的速度方向垂直，因而速度方向不同时，洛伦兹力的方向也不同，所以A项错误；因为＋q改为－q且速度反向，由左手定则可知洛伦兹力方向不变，再由F＝qvB知大小不变，所以B项正确；因为电荷进入磁场时的速度方向可以与磁场方向成任意夹角，所以C项错误；因为洛伦兹力总与速度方向垂直，因此洛伦兹力不做功，粒子动能不变，但洛伦兹力可改变粒子的运动方向，使粒子速度的方向不断改变，所以D项错误．

【答案】　B

2．[洛伦兹力的方向判断]（多选）如下图所示，对应的四种情况中，对各粒子所受洛伦兹力的方向的描述，其中正确的是（　　）

A．垂直于v向右下方

B．垂直于纸面向里

C．垂直于纸面向外

D．垂直于纸面向外

【解析】　由左手定则可判断：

A图中洛伦兹力方向垂直于v向左上方，B图中洛伦兹力垂直于纸面向里，C图中垂直于纸面向里，D图中洛沦兹力垂直于纸面向外，故选项B、D正确，选项A、C错误．

【答案】　BD

3．[洛伦兹力的做功特点]带电粒子垂直匀强磁场方向运动时，会受到洛伦兹力的作用．下列表述正确的是（　　）

A．洛伦兹力对带电粒子做功

B．洛伦兹力不改变带电粒子的动能

C．洛伦兹力的大小与速度无关

D．洛伦兹力不改变带电粒子的速度方向

【解析】　根据洛伦兹力的特点，洛伦兹力对带电粒子不做功，选项A错、选项B正确．根据F＝qvB，可知洛伦兹力的大小与速度有关，C错误；洛伦兹力的效果就是改变物体的运动方向，不改变速度的大小，选项D错误．

【答案】　B

[基础知识回顾]

一、洛伦兹力

1．洛伦兹力的方向

（1）判断方法：

左手定则

（2）方向特点：

F⊥B，F⊥v.即F垂直于B和v决定的平面．（注意：

B和v不一定垂直）．

2．洛伦兹力的大小

（1）v∥B时，洛伦兹力F＝0.

（2）v⊥B时，洛伦兹力F＝qvB.

（3）v＝0时，洛伦兹力F＝0.

3．洛伦兹力的特点

洛伦兹力不改变带电粒子速度的大小，或者说，洛伦兹力对带电粒子不做功．

二、带电粒子在匀强磁场中的运动

1．粒子的运动性质

（1）若v0∥B，则粒子不受洛伦兹力，在磁场中做匀速直线运动．

（2）若v0⊥B，则带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动．

2．半径和周期公式

[基本能力提升]

一、判断题

（1）带电粒子在磁场中一定会受到磁场力的作用.（×）

（2）洛伦兹力的方向在特殊情况下可能与带电粒子的速度方向不垂直．（×）

（3）根据公式T＝

，可知带电粒子在匀强磁场中的运动周期T与v成反比．（×）

（4）带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，其运动半径与带电粒子的比荷有关．（√）

二、选择题

（多选）如右图8－2－1所示，在匀强磁场中，磁感应强度B1＝2B2，当不计重力的带电粒子从B1磁场区运动到B2磁场区域时，粒子的（　　）

图8－2－1

A．速率将加倍

B．轨迹半径加倍

C．周期将加倍

D．做圆运动的角速度将加倍

【解析】　因为洛伦兹力不做功，所以粒子速率不会改变．

据r＝

，B减半，r加倍；

据T＝

，B减半，T加倍；

据ω＝

，T加倍，ω减半．

【答案】　BC

第3节　带电粒子在复合场中的运动

[精题对点诊断]

1．[电子在复合场中的直线运动]一个电子穿过某一空间而未发生偏转，则（　　）

A．此空间一定不存在磁场

B．此空间一定不存在电场

C．此空间可能只有匀强磁场，方向与电子速度方向垂直

D．此空间可能同时有电场和磁场

【解析】　当空间只有匀强磁场且电子的运动方向与磁场方向垂直时，电子受洛伦兹力作用，会发生偏转，选项C错误；当电子的运动方向与磁场平行时，不受洛伦兹力，不发生偏转，选项A错误；当空间既有电场又有磁场，且两种场力相互平衡时，电子不会发生偏转，选项D正确；当空间只有匀强电场，电子运动方向与电场线平行时，运动方向不变化，选项B错误．

【答案】　D

2．[速度选择器]（多选）图8－3－1为一“滤速器”装置的示意图．a、b为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b两板之间．为了选取具有某种特定速率的电子，可在a、b间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选电子仍能沿水平直线OO′运动，由O′射出．不计重力作用．可能达到上述目的的办法是（　　）

图8－3－1

A．使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里

B．使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里

C．使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外

D．使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外

【解析】　电子能沿水平直线运动，则电子所受的电场力与洛伦兹力大小相等方向相反，当a板电势高于b板时，根据左手定则判断，磁场方向应垂直纸面向里，所以选项A正确、选项C错误；当a板电势低于b板时，根据左手定则判断，磁场方向应垂直纸面向外，所以选项D正确、选项B错误．

【答案】　AD

3．[电磁流量计]图8－3－2是电磁流量计的示意图．圆管由非磁性材料制成，空间有匀强磁场．当管中的导电液体流过磁场区域时，测出管壁上MN两点的电势差U，就可以知道管中液体的流量Q——单位时间内流过管道横截面的液体的体积．已知管的直径为d，磁感应强度为B，则关于Q的表达式正确的是（　　）

图8－3－2

A．Q＝

B．Q＝

C．Q＝

D．Q＝

【解析】　设液体流速为v，则有：

q＝Bvq，v＝

，液体的流量Q＝v·

πd2＝

，故选项B正确．

【答案】　B

[基础知识回顾]

一、带电粒子在复合场中的运动

1．复合场

（1）叠加场：

电场、磁场、重力场共存，或其中某两场共存．

（2）组合场：

电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠，或在同一区域，电场、磁场分时间段或分区域交替出现.

2．运动情况分类

（1）静止或匀速直线运动．

当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或匀速直线运动状态．

（2）匀速圆周运动．

当带电粒子所受的重力与电场力大小相等，方向相反时，带电粒子在洛伦兹力的作用下，在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动．

（3）较复杂的曲线运动．

当带电粒子所受合外力的大小和方向均变化，且与初速度方向不在同一条直线上时，粒子做非匀变速曲线运动，这时粒子的运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线．

（4）分阶段运动．

带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域，其运动情况随区域发生变化，其运动过程由几种不同的运动阶段组成．

二、应用实例

1．质谱仪

（1）构造：

如图8－3－3所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等组成．

图8－3－3

（2）原理：

①粒子由静止在加速电场中被加速，根据动能定理有qU＝

mv2.②粒子在磁场中受洛伦兹力偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律，qBv＝

.③由两式可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量、比荷

.

2．回旋加速器

（1）构造：

如图8－3－4所示，D1、

图8－3－4

D2是半圆金属盒，D形盒的缝隙处接交流电源．D形盒处于匀强磁场中．

（2）原理：

交变电流的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电场强度方向周期性地发生变化，粒子就会被一次一次地加速．由qvB＝

，得Ekm＝

，可见粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径R决定，与加速电压无关．

3．速度选择器

（1）原理图

图8－3－5

（2）规律

若qv0B＝qE，即v0＝

，粒子做匀速直线运动

4．磁流体发电机

（1）原理图

图8－3－6

（2）规律：

等离子体射入，受洛伦兹力偏转，使两极带电，当q

＝qv0B时，两极板间能达到最大电势差U＝Bv0d.

5．电磁流量计

（1）原理图

图8－3－7

（2）规律

当q

＝qvB时，有v＝

，流量Q＝Sv＝

.

6．霍尔效应

（1）原理图

图8－3－8

（2）规律

在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这种现象称为霍尔效应

[基本能力提升]

一、判断题

（1）带电体在复合场中运动时，必须要考虑重力．（×）

（2）带电粒子在复合场中不可能处于静止状态.（×）

（3）带电粒子在一定的条件下，在复合场中可以做匀速圆周运动．（√）

（4）当正电荷在速度选择器中做匀速直线运动时，负电荷以同样大的速度不可能做匀速直线运动．（×）

（5）电磁流量计测量的是液体的体积．（×）

（6）磁流体发电机两极板间的最大电势差为U＝Bvd，其中v为电荷定向移动的速率．（×）

二、选择题

（多选）一个带电粒子以初速度v0垂直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿出电场后接着又进入匀强磁场区域．设电场和磁场区域有明确的分界线，且分界线与电场强度方向平行，如图中的虚线所示．在下列的几种图中，可能出现的是（　　）

【解析】　根据带电粒子在电场中的偏转情况可以确定带电粒子带电的正、负．选项A、C、D中粒子带正电，选项B中粒子带负电．再根据左手定则判断粒子在磁场中偏转方向，可以确定选项A、D正确，选项B、C错误．

【答案】　AD