课件14张PPT。1 磁现象和磁场1.了解电流的磁效应。了解电流磁效应的发现过程,体会奥斯特发现电流磁效应的重要意义。
2.知道磁场的基本特性。了解地球的磁场。
3.了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响。关注磁现象在生活和生产中的应用。1.磁现象
人们最早发现的天然磁石的主要成分是Fe3O4。天然磁石或人造磁铁都叫永磁体,它们都能吸引铁质物质,我们把这种性质叫作磁性。磁体的各部分磁性强弱不同,磁性最强的区域叫作磁极。悬挂的小磁针静止时,指南的磁极叫作南极,又叫作S极,指北的磁极叫作北极,又叫作N极。
2.电流的磁效应
(1)磁极间的相互作用:自然界中的磁体总存在着两个磁极,磁极间的相互作用规律是同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。
(2)电流的磁效应:通电导体与磁体间相互作用的现象称为电流的磁效应,电流的磁效应是丹麦物理学家奥斯特发现的。3.磁场
正像电荷之间的相互作用是通过电场发生的,磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间以及通电导体与通电导体之间的相互作用是通过磁场发生的。
磁体周围和通电导体周围存在着磁场。 (1)地球是一个大磁体:地球的地理两极与地磁两极并不重合,地磁的北极位于地理的南极附近,地磁的南极位于地理的北极附近。地磁子午线与地理子午线之间的夹角叫作地磁偏角,简称磁偏角(如图所示)。
(2)宇宙中许多天体都有磁场,太阳表面的黑子、耀斑和太阳风等活动都与太阳磁场有关。月球也曾有过磁场。火星上不像地球那样有一个全球性的磁场,因此指南针不能在火星上工作。为什么说地磁场是地球的“保护伞”?
提示:从太阳或其他星体上放射出的宇宙射线中含有大量的高能带电粒子,这些高能粒子流到达地球会给地球上的生命带来危害,但是由于地球周围存在磁场,地磁场能改变宇宙射线中带电粒子的运动方向,对地球上的生命起到保护作用。所以说地磁场是地球的“保护伞”。1.对磁场和奥斯特实验的理解
(1)磁场:
①磁场的物质性:磁场是一种特殊的物质,虽然不是由分子、原子等组成的实体,但它是客观存在的。它的物质性就是通过磁场的基本性质来体现的,即磁场对放入其中的磁体或电流有磁场力的作用。
②磁场的存在:磁体的周围和通电导体的周围都存在着磁场。磁体和磁体之间、磁体和通电导体之间、通电导体和通电导体之间的相互作用都是通过磁场来传递的。
③磁场的矢量性:磁场是有方向的。所谓磁场方向就是小磁针在磁场中其北极受力的方向,即小磁针静止时其北极所指的方向。 (2)丹麦物理学家奥斯特做了著名的电流的磁效应的实验——奥斯特实验。
①实验时,通电直导线要南北方向水平放置,磁针要与导线平行地放在导线的正下方或正上方,以保证电流的磁场与地磁场方向不同而使小磁针发生转动。
②由于地磁场使磁针指向南北方向,直导线通电后小磁针改变指向说明通电直导线周围存在磁场,也就是电流的磁效应。特别提醒(1)磁体和电流周围的磁场是同一种性质的场,具有相同的特点和基本属性。
(2)场是物质的另一种存在形式,和实物一样,也是一种客观存在物,具有质量、能量等物质的基本属性。2.对地磁场的理解
(1)地磁场特点:地磁场的方向并不是正南正北方向的,即地磁两极与地理两极并不重合。地磁南极在地理北极附近,地磁北极在地理南极附近。地磁场方向与正南正北方向间有一夹角,叫磁偏角。
(2)虽然地磁两极与地理两极并不重合,但它们的位置相对来说差别不是很大。因此,我们一般认为:
①地理南极正上方磁场方向竖直向上,地理北极正上方磁场方向竖直向下。
②在赤道正上方,地磁场方向水平向北。
(3)影响:由于磁场对运动电荷有力的作用,故射向地球的高速带电粒子的运动方向会发生变化,不能直接到达地球。因此地磁场对地球生命有保护作用。特别提醒由于地球上不同位置地磁场的方向不同,因此当涉及有关导体相对地磁场问题时,应该首先明确所处的位置,然后根据该位置地磁场的方向来求解与地磁场相关的问题。类型一类型二磁场的概念
【例1】 以下说法正确的是( )
A.磁体与磁体间的相互作用是通过磁场产生的
B.通电导体与通电导体间的相互作用是通过电场产生的
C.磁体与通电导体间的相互作用是通过电场与磁场而共同产生的
D.磁场和电场是同一种物质
点拨:本题考查磁场与电场的有关理解问题,在处理这类题目时要注意理解概念。(1)注意磁场与电场的区别;(2)理解磁体与磁体、通电导体与通电导体、磁体与通电导体之间的作用都是通过磁场产生的。类型一类型二解析:在通电导体的周围有磁场存在,无论是磁体与磁体间还是通电导体与通电导体间、磁体与通电导体间,都有相互作用的磁场力。磁场是磁现象中的一种特殊物质,它的基本特点是对放入其中的磁体、通电导体有磁场力的作用;而电场是电荷周围存在的一种特殊物质,其最基本的性质是对放入电场中的电荷有静电力的作用,因此,磁场和电场是两种不同的物质,各自具有其自身的特点。所以只有A正确。
答案:A
题后反思注意不要将通电导体之间的相互作用理解成是通过电场产生的。类型一类型二地磁场的描述
【例2】 (多选)关于地磁场,下列叙述正确的是( )
A.地球的地磁两极与地理的两极重合
B.我们用指南针确定方向,指南的一极是指南针的南极
C.地磁的北极与地理南极重合
D.地磁的北极在地理南极附近
点拨:地磁场的南极和北极与地理的南、北极相反,并且存在一个磁偏角。
解析:地球是一个大磁体,其磁北极(N极)在地理南极附近,磁南极(S极)在地理北极附近,并不重合。指南针指南的一端应该是磁针的南极(S极)。选项B、D正确。
答案:BD类型一类型二题后反思地磁场的N极在地理南极附近,S极在地理北极附近;磁轴与地轴之间的夹角叫磁偏角。课件10张PPT。2 磁感应强度1.通过实验、类比和分析,寻找描述磁场强弱和方向的物理量——磁感应强度。
2.进一步体会通过比值法定义物理量的方法。
3.知道磁感应强度的定义,知道其方向、大小、定义式和单位。
4.会用磁感应强度的定义式进行有关计算。1.磁感应强度的方向
物理学中把小磁针在磁场中静止时N极所指的方向规定为该点的磁感应强度的方向。
2.磁感应强度的大小
(1)电流元:在物理学中,把很短一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积IL叫作电流元。
(2)磁感应强度的定义:将一个电流元垂直放入磁场中的某点,电流元受到的磁场力F跟该电流元IL的比值叫作该点的磁感应强度。“一个电流元垂直放入磁场中的某点,磁感应强度与电流元受到的磁场力成正比,与电流元成反比。”这种说法是否正确?为什么?
提示:这种说法不正确。磁感应强度的大小是由磁场本身决定的,不随电流元大小及电流元所受磁场力大小的变化而变化。(2)磁感应强度B的大小只决定于磁场本身的性质,与F、I、L无关。
(3)磁感应强度的方向是磁场中小磁针静止时N极所指的方向,其大小根据电流元的受力来计算。通电导线受力的方向不是磁感应强度的方向。
(4)磁感应强度的定义式也适用于非匀强磁场,这时L应很短,IL称为“电流元”,相当于静电场中的“试探电荷”。
(5)我们要找的是磁场中某一点磁感应强度的大小,因此要把电流元放入磁场中某一点,这就要求电流元要足够短。2.磁感应强度与电场强度的对比
电场强度是描述电场强弱的物理量,从力的角度反映了电场的性质;磁感应强度是描述磁场强弱的物理量,从力的角度反映了磁场的性质。现对比如下:特别提醒(1)电场强度、磁感应强度都是根据比值法定义的,但定义式往往不是决定式。
(2)某检验电荷在电场中受到的电场力是唯一确定的;某电流元在磁场中受到的磁场力的大小还跟导线放置的方向有关。类型一类型二对磁感应强度的理解
【例1】 关于磁感应强度,下列说法正确的是( )点拨:磁感应强度由场源本身及到场源的距离决定,与其他无关。
解析:磁场中某点的磁感应强度是客观存在的,与是否放入电流元无关,定义磁感应强度是对它的一种测量,在测量中要求电流元的放置位置,放入磁场中该电流元受力最大的位置才是正确的放置位置。前三项均错。答案:D 类型一类型二题后反思定义磁感应强度时采用的是比值定义法,这种定义物理量的方法其实质就是一种测量方法。类型一类型二磁感应强度大小的计算
【例2】 在磁场中放入一通电导线,导线与磁场垂直,导线长为1 cm,电流为0.5 A,所受的磁场力为5×10-4 N。求:
(1)该位置的磁感应强度为多大。
(2)若将该电流撤去,该位置的磁感应强度又是多大。
(3)若将通电导线跟磁场平行放置,该导体所受到的磁场力为多大。 题后反思磁场中某处的磁感应强度由磁场自身决定,与其他因素无关。课件24张PPT。3 几种常见的磁场1.知道磁感线。知道几种常见磁场磁感线的空间分布情况。
2.会用安培定则判断通电直导线和通电导线圈周围磁场的方向。
3.了解安培分子电流假说。
4.知道匀强磁场,理解并能计算磁通量。1.磁感线
(1)磁感线定义: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磁感应强度的方向一致,这样的曲线叫作磁感线。
(2)磁感线的特点:
①是为了形象地描述磁场而引入的假想的曲线,实际上并不存在。
②磁感线的疏密程度:描述磁场的强弱。
③磁感线的方向:磁体外部从N极指向S极,内部从S极指向N极,是闭合曲线。2.电流的磁场和安培定则
电流的磁效应告诉我们,电流的周围空间存在磁场,电流的磁场在周围空间的磁感线用安培定则来判断。
(1)安培定则:右手握住导线,让伸直的拇指所指的方向与电流的方向一致,弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向。这个规律也叫右手螺旋定则(如图甲)。
(2)环形电流的磁场:让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上磁感线的方向(如图乙)。(3)通电螺线管的磁场:右手握住螺线管,让弯曲的四指跟电流的方向一致,拇指所指的方向就是螺线管内部的磁场的方向或拇指指向螺线管的北极(如图丙)。3.安培分子电流假说
(1)分子电流:在原子、分子等物质微粒的内部存在着一种环形电流——分子电流。
(2)安培分子电流假说:分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体,它的两侧相当于两个磁极。
(3)磁化:一条铁棒在未被磁化时,内部分子电流的取向是杂乱无章的,它们的磁场互相抵消,对外不显示磁性。当铁棒受到外界磁场作用时,各分子电流的取向大致相同,两端显示出较强的磁性,从而形成两极,这就是磁化。
(4)条形磁铁的磁场跟通电螺线管相似:在条形磁铁的内部,分子电流的取向一致,相当于一个通电螺线管,因此二者的磁场相似。
(5)退磁:磁体受到高温或者猛烈的撞击都会失去磁性,这是因为激烈的热运动或震动使分子电流的取向变得杂乱无章。4.匀强磁场
(1)匀强磁场:强弱、方向处处相同的磁场,称为匀强磁场。
(2)磁感线的分布:一簇间距相等、彼此平行的磁感线。
(3)匀强磁场的产生:正对且距离很小的两个平行的异名磁极之间的磁场,均匀的通电螺线管内部空间的磁场。5.磁通量
(1)定义:设在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一个与磁场方向垂直的平面,面积为S,我们把B与S的乘积叫作穿过此面积的磁通量。
(2)公式:Φ=BS。
(3)单位:在国际单位制中是韦伯,简称韦,符号是Wb,1 Wb=1 T·m2。
(4)磁通密度:磁感应强度又叫磁通密度若磁场方向与我们研究的平面不垂直,平面与垂直磁场方向的夹角为θ,则Φ为多少?
提示:将面积S沿垂直于磁感线方向投影,如图所示,Φ=BScos θ。特别提醒(1)从电场和磁场的概念理解电场线和磁感线的相似点:
矢量性——切线方向表示场的方向;强弱——线的疏密;
方向的唯一性——空间任一点场线不相交。
(2)从电场线和磁感线的区别理解电场和磁场的区别:
电场线——电荷有正负——电场线有始终;
磁感线——N、S极不可分离——磁感线闭合。2.几种常见的磁场
(1)磁铁的磁场特别提醒(1)环形电流和通电螺线管的磁场具有极性,而通电直导线的磁场没有极性。
(2)放置在螺线管内的小磁针受力方向按磁感线方向判断,不能根据螺线管的极性判断。3.如何正确理解磁通量
(1)物理意义:穿过某一面积的磁感线条数,且为穿过平面的磁感线的条数。
(2)公式:Φ=BS。
①公式运用的条件:
a.匀强磁场;b.磁感线与平面垂直。
②在匀强磁场B中,若磁感线与平面不垂直,公式 Φ=BS中的S应为平面在垂直于磁感线方向上的投影面积。
Φ=BScos θ
式中Scos θ即为面积S在垂直于磁感线方向的投影,我们称为“有效面积”(如图所示)。(4)磁通量是标量,但有正、负之分。磁通量的正负既不表示大小,也不表示方向,仅是为了计算方便而引入的。
特别提醒磁通量是针对某个面来说的,与给定的线圈的匝数多少无关。类型一类型二类型三类型四磁感线的概念
【例1】 (多选)关于磁感线的性质和概念,下面说法正确的是( )
A.磁感线上各点的切线方向就是各点的磁感应强度的方向
B.磁场中任意两条磁感线均不相交
C.铁屑在磁场中的分布曲线就是磁感线
D.磁感线总是从磁体的N极指向S极类型一类型二类型三类型四解析:磁感应强度的方向就是磁场的方向,磁感线的切线方向就是磁场方向,因此选项A正确。两条磁感线相交就说明在两线相交处有两个切线方向,即两个磁感应强度方向,这是不可能的,磁场中某点磁感应强度是唯一确定的,磁感应强度的方向也只有一个,因此两条磁感线不能相交,选项B正确。磁感线是为形象描述磁场的磁感应强度分布而画出的一族曲线,不是真实存在的,而铁屑的分布曲线只能证明磁感线描述磁场的方法是正确的,而铁屑不是磁感线,选项C错误。在通电螺线管内部,在条形磁体内部的磁感线应是从S极指向N极,选项D错误。
答案:AB
题后反思准确掌握磁感线的概念和特点是解答本题的关键。类型一类型二类型三类型四安培定则的应用
【例2】 电路没接通时两个小磁针方向如图,试确定电路接通后两个小磁针的转向。
?
点拨:本题考查怎样运用安培定则确定磁场方向,解题时需注意:(1)正确画出电流的磁场;(2)小磁针N极受力的方向。类型一类型二类型三类型四解析:接通电路后,螺线管的磁场为内部从左指向右,外部从右指向左,如图,故小磁针1逆时针转动,小磁针2顺时针转动。
?
答案:小磁针1逆时针转动,小磁针2顺时针转动
题后反思本题在解题中容易根据磁极间的相互作用:同名磁极相斥,异名磁极相吸来判断,因而小磁针2会被错误判断成逆时针转。实际上在解答本题时应注意,磁感线是闭合的,在磁体外部由N极指向S极,而在磁体内部是由S极指向N极的,而小磁针的N极所指方向应该与通过该点的磁感线切线方向相同。类型一类型二类型三类型四磁通量大小的比较
【例3】 如图所示,两个同心放置的平面金属圆环,条形磁铁穿过圆心且与两环平面垂直,则通过两圆环的磁通量Φa、Φb间的大小关系是( )
A.Φa>Φb B.Φa<Φb
C.Φa=Φb D.不能确定
点拨:大小圆环都包围了所有的条形磁铁的内磁场和一小部分外磁场,磁通量是一个双向标量,要注意磁通量的正负问题。假如向上穿过线圈的磁通量为正,向下穿过则为负,正负磁通量的计算遵守代数法则。类型一类型二类型三类型四解析:通过圆环的磁通量为穿过圆环的磁感线的条数,首先明确条形磁铁的磁感线分布情况,另外要注意磁感线是闭合的曲线。条形磁铁的磁感线在磁体的内部是从S极到N极,在磁体的外部是从N极到S极,内部有多少根磁感线,外部的整个空间就有多少根磁感线同内部磁感线构成闭合曲线。对两个圆环,磁体内部的磁感线全部穿过圆环,外部的磁感线穿过多少,磁通量就抵消多少,所以面积越大,磁通量反而越小。
答案:A
题后反思有些同学看到这个题就想到公式Φ=BS,由公式判断,当S越大时,Φ越大。但在这里要考虑到磁通量的正负问题,正负磁通量是可以抵消的。类型一类型二类型三类型四触类旁通如图所示,若两个同心放置的平面金属圆环放在条形磁铁的正上方,且磁铁在圆环的轴线上,则通过两圆环的磁通量Φa、Φb间的大小关系是 。?
解析:此时通过圆环的磁感线只有单向的,且通过圆环b的磁感线条数多,所以Φa<Φb。
答案:Φa<Φb类型一类型二类型四类型三【例4】 如图,两根相互平行的长直导线分别通有方向相反的电流I1和I2,且I1>I2;a、b、c、d为导线某一横截面所在平面内的四点,且a、b、c与两导线共面;b点在两导线之间,b、d的连线与导线所在平面垂直。磁感应强度可能为零的点是( )
A.a点 B.b点
C.c点 D.d点
点拨:解答本题时应把握以下三点:
(1)直线电流的磁感线为以直线电流为圆心的同心圆。
(2)电流周围各点的磁感应强度的大小与电流大小和离电流的远近有关。
(3)各点的磁感应强度应为I1、I2分别产生的B的叠加。类型一类型二类型四类型三解析:磁感应强度为矢量,两导线在d处产生的磁感应强度成一定角度,则d处磁感应强度一定不为零;根据安培定则可知,两导线在b处产生的磁感应强度方向相同,则b处磁感应强度的矢量和一定不为零;两导线在a处产生的磁感应强度方向相反,由于I1>I2,可知I1在a处产生的磁感应强度大于I2在a处产生的磁感应强度,故a处磁感应强度的矢量和一定不为零;同理,两导线在c处产生的磁感应强度方向相反,由于I1>I2且I1距离c处较远,可知I1在c处产生的磁感应强度的大小可能等于I2在c处产生的磁感应强度的大小,故c处磁感应强度的矢量和可能为零,选项C正确。
答案:C
题后反思解答此类问题要做好两个方面:
(1)应用安培定则判断各电流在某点分别产生的磁感应强度的方向。
(2)应用平行四边形定则进行合成,求得合磁感应强度。课件28张PPT。4 通电导线在磁场中受到的力1.知道什么是安培力。
2.知道左手定则的内容,会用左手定则进行三个方向(电流方向、磁场方向、安培力方向)的相互判断。
3.知道一般情况下安培力的表达式:F=ILBsin θ,并会解答有关问题。
4.知道磁电式电流表的基本构造和工作原理。1.安培力的方向
(1)什么是安培力:通电导线在磁场中受到的力称为安培力。 (2)判断安培力方向的方法是左手定则。内容:伸开左手,使拇指与其余四指垂直,并与手掌在一个平面内,让磁感线从掌心进入,并使四指指向电流的方向,这时拇指所指方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向(如图所示)。安培力与磁场和通电导线的方向之间的关系是什么?
提示:安培力一定垂直于磁场和通电导线所决定的平面。2.安培力的大小 (1)通电导线跟磁场垂直时:安培力最大,F=ILB。
(2)通电导线跟磁场平行时:安培力最小,F=0。
(3)通电导线跟磁场夹角为θ时:把磁感应强度B分解为与导线垂直的分量B⊥和与导线平行的分量B∥,如图所示。则B⊥=Bsin θ,
B∥=Bcos θ。
导线所受的安培力是B⊥产生的,F=ILBsin θ。?3.磁电式电流表
(1)构造:磁铁、线圈、螺旋弹簧(又叫游丝)、指针、极靴、圆柱形铁芯等。
(2)原理:当被测电流通入线圈时,线圈受安培力作用而转动,线圈的转动使螺旋弹簧扭转形变,产生阻碍线圈转动的力矩。当安培力产生的转动与螺旋弹簧形变产生的阻碍达到平衡时,指针停留在某一刻度。电流越大,安培力就越大,指针偏角就越大。什么叫电流表的灵敏度?它与哪些因素有关系?
提示:所谓电流表的灵敏度,是指在通入相同电流的情况下,指针偏转角度的大小,偏角越大,灵敏度越高。如果要提高磁电式电流表的灵敏度,就要使在相同电流下导线所受的安培力增大,可通过增加线圈的匝数、增大永磁铁的磁感应强度、增加线圈的面积和减小转轴处摩擦等方法实现。1.安培力方向、磁场方向、电流方向之间的关系
(1)安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面。在判断时首先要确定磁场与电流所决定的平面,从而判断出安培力的方向在哪一条直线上,然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向。磁场方向与电流方向并不一定垂直(当电流方向跟磁场方向不垂直时,安培力的方向仍垂直电流与磁场所决定的平面,所以仍可以用左手定则来判断安培力的方向,只是磁感线不再垂直穿过掌心)。(2)注意区别安培力的方向和电场力的方向与场的方向的关系:安培力的方向总是与磁场的方向垂直,而电场力的方向与电场的方向平行。现把安培力和电场力做如下比较:特别提醒若已知B、I方向,则由左手定则得F安的方向被唯一确定,但若已知B(或I)、F安的方向,由于B只要穿过掌心即可,则I(或B)的方向不唯一。2.安培力的大小
(1)对安培力F=ILBsin θ的理解:
①当B与I垂直,即sin 90°=1时,F=ILB;当B与I成θ角时,F=ILBsin θ,θ是B与I的夹角。
②公式F=ILBsin θ中:
a.B对放入的通电导线来说是外磁场的磁感应强度,不必考虑导线自身产生的磁场的影响。
b.L是有效长度,匀强磁场中弯曲导线的有效长度L,等于连接两端点直线的长度(如图);相应的电流沿L由始端流向末端。(2)F=ILBsin θ的适用条件:导线所处的磁场应为匀强磁场;在非匀强磁场中,公式仅适用于很短的通电导线。特别提醒(1)电流在磁场中不一定受安培力作用。当电流方向与磁场方向平行时,电流不受安培力作用。
(2)公式F=ILBsin θ中的Lsin θ也可以理解为L在垂直于磁场方向上的“有效长度”。3.安培力作用下导体运动方向的判断
不管是通电导体还是磁体,对通电导线的作用都是通过磁场来实现的,因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况,然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动,在实际操作过程中,往往采用以下几种方法:特别提醒(1)导体处于非匀强磁场中时,通常用电流元法判断其受力情况。
(2)判断条形磁铁(或小磁针)与环形电流间的相互作用时,通常选择等效法。4.安培力作用下的物体平衡
(1)有安培力参与的物体平衡,此平衡与前面所讲的物体平衡一样,也是利用物体平衡条件解题。只是在分析时多了一个安培力而已。
(2)与闭合电路欧姆定律相结合的题目。主要应用:
①闭合电路欧姆定律;
②求安培力公式F=BIL;
③物体平衡条件。
(3)在安培力作用下的物体平衡的解题步骤和前面我们学习的共点力平衡相似,一般也是先进行受力分析,再根据共点力平衡的条件列出平衡方程。其中重要的是在受力分析过程中不要漏掉了安培力。类型一类型二类型三类型四安培力方向的判断
【例1】 (多选)如图所示,一金属直杆MN两端接有导线,悬挂于线圈上方,MN与线圈轴线均处于竖直平面内,为使MN垂直纸面向外运动,可以( )
A.将A、C端接在电源正极,B、D端接在电源负极
B.将B、D端接在电源正极,A、C端接在电源负极
C.将A、D端接在电源正极,B、C端接在电源负极
D.将A、C端接在交流电源的一端,B、D端接在交流电源的另一端类型一类型二类型三类型四点拨:磁场的方向、电流的方向、安培力的方向遵守左手定则,电流的磁场用安培定则判断。
解析:要求直杆MN垂直纸面向外运动,把直杆所在处的磁场方向和直杆中电流画出来,得A、B正确;若使A、C两端(或B、D两端)的电势相对于另一端B、D(或A、C)的电势的高低做同步变化,线圈磁场与电流方向的关系跟上述两种情况一样,故D也正确。
答案:ABD
题后反思安培定则、左手定则往往同时应用。应特别注意,安培定则用来判断电流的磁场方向,又称右手螺旋定则,而左手定则是利用左手来判断电流的受力情况。类型一类型二类型三类型四安培力大小的计算
【例2】 如图所示,导线ABC为垂直折线,其中电流为I,AB=BC=L,导线所在的平面与匀强磁场垂直,匀强磁场的磁感应强度为B,求导线ABC所受安培力的大小和方向。点拨:利用F=ILB可以计算安培力的大小。 类型一类型二类型三类型四类型一类型二类型三类型四题后反思对安培力公式F=BILsin θ的正确理解是分析问题的关键。本题中既可分段求解,然后求合力,又可采用等效方法进行计算。类型一类型二类型三类型四触类旁通
?
若把两段导线折成半圆形(如图所示),则导线ABC所受的安培力是多少?
解析:把导线ABC等效成直导线AC,则等效长度AC为半圆的直径,类型一类型二类型三类型四通电导体运动方向的判断
【例3】 如图所示,把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近,磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面,当线圈内通入如图方向的电流后,则线圈( )
A.向左运动 B.向右运动
C.静止不动 D.无法确定
点拨:此题可以采用电流元法,也可采用等效法。类型一类型二类型三类型四解析:方法一:等效法。把通电线圈等效成小磁针。由安培定则,线圈等效成小磁针后,左端是S极,右端是N极,异名磁极相吸引,线圈向左运动。
?
方法二:电流元法。如图所示,取其中的上、下两小段分析,根据其中心对称性,线圈所受安培力的合力水平向左,故线圈向左运动。
答案:A
题后反思在用电流元法分析问题时,要在对称的特殊位置选取电流元。类型一类型二类型三类型四安培力作用下导体的平衡问题
【例4】 质量为m=0.02 kg的通电细杆AB置于倾角为θ=37°的平行放置的导轨上,导轨的宽度d=0.2 m,杆AB与导轨间的动摩擦因数μ=0.4(可认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力),磁感应强度B=2 T的匀强磁场与导轨平面垂直且方向向下,如图所示。现调节滑动变阻器的滑片,试求出为使杆AB静止不动,通过AB杆的电流范围为多少?点拨:先对AB进行正确受力分析,根据平衡条件求安培力的最大值、最小值,可确定电流的范围。类型一类型二类型三类型四解析:杆AB中的电流为从A到B,所受的安培力方向平行于导轨向上。当电流较大时,导体有向上的运动趋势,所受静摩擦力向下;当静摩擦力达到最大时,磁场力为最大值F1,此时通过AB的电流最大为Imax;同理,当电流最小时,应该是导体受向上的静摩擦力,此时的安培力为F2,电流为Imin。
正确地画出两种情况下的受力图,由平衡条件列方程求解。类型一类型二类型三类型四根据第一幅受力图列式如下:
F1-mgsin θ-Ff1=0
FN-mgcos θ=0,Ff1=μFN
F1=BImaxd
解上述方程得Imax=0.46 A
根据第二幅受力图,得F2+Ff2-mgsin θ=0,FN-mgcos θ=0,
Ff2=μFN,F2=BImind
解上述方程得Imin=0.14 A。
答案:0.14 A≤I≤0.46 A类型一类型二类型三类型四题后反思(1)必须先将立体图转换为平面图,然后对物体进行受力分析,要注意安培力方向的确定。最后根据平衡条件或物体的运动状态列出方程。
(2)注意静摩擦力可以有不同的方向,因而求解结果不是一个确定值,而是一个范围。课件23张PPT。5 运动电荷在磁场中受到的力1.经历实验探究洛伦兹力方向的过程,知道洛伦兹力的方向与电荷的运动方向和磁感应强度的方向都垂直,会用左手定则判断洛伦兹力的方向。
2.经历由安培力公式推导出洛伦兹力公式的过程,由此体会磁场中通电导线所受的安培力实际上是运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。会计算洛伦兹力的大小。
3.知道电视显像管的基本构造以及它工作的基本原理。1.洛伦兹力的大小和方向
(1)洛伦兹力:运动电荷在磁场中受到的力称为洛伦兹力。实际上通电导线在磁场中受到的安培力就是洛伦兹力的宏观表现。
(2)洛伦兹力的方向:用左手定则来判断。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平面内;让磁感线从手心进入,并使四指指向正电荷运动的方向,这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。(3)洛伦兹力的大小:
①如果速度方向与磁感应强度的方向垂直,运动电荷所受的洛伦兹力为F=qvB;
②如果运动方向与磁场平行,运动电荷所受的洛伦兹力为F=0;
③如果电荷运动的方向与磁场的夹角为θ,电荷所受的洛伦兹力为F=qvBsin θ。2.电视显像管的工作原理
(1)构造:如图所示,实际上是一个阴极射线管和偏转线圈的组合。阴极射线管内有电子枪和荧光屏。(2)原理:显像管应用了电子束磁偏转的道理。没有磁场时电子束打在荧光屏的正中点,要使电子束按图示的方向偏转,偏转磁场应垂直纸面向外(选填“向里”或“向外”)。
(3)扫描:在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场,垂直纸面水平方向上的磁场可使电子束上、下偏转,沿纸面竖直方向的磁场使电子束左、右偏转。偏转磁场的强弱和方向都在不断变化,因此电子束打在荧光屏上的光点便从上向下、从左向右不断地移动,这种技术叫作扫描。
(4)偏转线圈:使电子束偏转的磁场是由两对线圈产生的叫作偏转线圈。显像管工作时,电子束是依次扫描荧光屏上各点,可为什么我们觉察不到荧光屏的闪烁?
提示:这是由于眼睛的视觉暂留现象,当电子束扫描频率超过人眼的临界闪烁频率时,由于视觉暂留的原因,人眼就感觉不到荧光屏的闪烁。1.对洛伦兹力的理解和认识
(1)对洛伦兹力方向的认识。
①决定洛伦兹力方向的因素有三个:电荷的电性(正、负)、速度方向、磁感应强度的方向。当电荷电性一定时,其他两个因素中,如果只让一个因素相反,则洛伦兹力方向必定相反;如果同时让两个因素相反,则洛伦兹力方向将不变。
②在研究电荷的运动方向与磁场方向垂直的情况时,由左手定则可知,洛伦兹力的方向既与磁场方向垂直,又与电荷的运动方向垂直,即洛伦兹力垂直于v和B两者所决定的平面。
③由于洛伦兹力的方向总是跟运动电荷的速度方向垂直,所以洛伦兹力对运动电荷不做功,洛伦兹力只能改变电荷速度的方向,不能改变速度的大小。(3)洛伦兹力与电场力的比较。 特别提醒(1)只有相对于磁场运动的电荷才受洛伦兹力,相对磁场静止的电荷不受洛伦兹力。
(2)电荷垂直于磁场运动时所受的洛伦兹力最大;电荷平行于磁场运动时,不受洛伦兹力。2.洛伦兹力与现代科技
(1)磁流体发电机
磁流体发电机的发电原理如图所示:将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量带正电和带负电的微粒,而从整体上来说呈电中性)喷射入磁场,磁场中有两块金属板A、B,则高速射入的离子在洛伦兹力的作用下向A、B两板聚集,使两板间产生电势差,若平行金属板间距为d,匀强磁场的磁感应强度为B,等离子体流速为v,气体从一侧面垂直磁场射入板间,不计气体电阻,外电路电阻为R,则可求出两板间最大电压和可能达到的最大电流。类型一类型二类型三洛伦兹力的大小和方向问题
【例1】 如图所示的各图中,匀强磁场的磁感应强度均为B,带电粒子的速率均为v,电荷量均为q。试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小,并指出洛伦兹力的方向。类型一类型二类型三点拨:应用左手定则判断洛伦兹力方向,根据公式F=qv⊥B求洛伦兹力大小。
解析:(1)因v⊥B,所以F=qvB,方向与v垂直向左上方。答案:(1)qvB 垂直v向左上方 类型一类型二类型三题后反思(1)用左手定则判断洛伦兹力方向时,要特别注意运动电荷的正负,四指应指向正电荷运动的方向,指向负电荷运动的反方向。
(2)计算洛伦兹力的大小时,应注意弄清v与磁感应强度B的方向关系。当v⊥B时,洛伦兹力F=qvB;当v∥B时,F=0;当v与B成θ角(0°<θ<90°)时,应将v(或B)进行分解取它们垂直的分量计算。类型一类型二类型三洛伦兹力与静电力的比较
【例2】 (多选)如图所示,在图中虚线所围的区域内,存在电场强度为E的匀强电场和磁感应强度为B的匀强磁场,已知从左方水平射入的电子,通过该区域时未发生偏转,假设其重力可忽略不计,则在该区域中的E和B的方向可能是( )
A.E竖直向上,B垂直纸面向外
B.E竖直向上,B垂直纸面向里
C.E和B都沿水平方向,并与电子运动方向相同
D.E和B都沿水平方向,并与电子运动方向相反
点拨:电子所受静电力与电场的方向相反,所受洛伦兹力的方向与电子的速度方向垂直,用左手定则判断,电子不偏转则静电力与洛伦兹力平衡。类型一类型二类型三解析:如果E竖直向上,B垂直纸面向外,电子沿图中方向射入后,静电力向下,洛伦兹力向上,二力可能平衡,电子可能沿直线通过E、B共存区域,故A对;同理B不对;如果E、B沿水平方向且与电子运动方向相同,电子不受洛伦兹力作用,但电子受到与E反方向的静电力作用,电子做匀减速直线运动,也不偏转,故C对;如果E、B沿水平方向,且与电子运动方向相反,电子仍不受洛伦兹力,静电力与E反向,即与速度同方向,故电子做匀加速直线运动,也不偏转,故D对。
答案:ACD
题后反思解答此题不仅要想到静电力和洛伦兹力相平衡的情况,也要想到电子不受洛伦兹力只受静电力的匀加(减)速直线运动的情况。类型一类型二类型三洛伦兹力作用下带电体的直线运动
【例3】 在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中,有一倾角为θ、足够长的光滑绝缘斜面,磁感应强度为B,方向垂直纸面向外,电场方向竖直向上,有一质量为m、电荷量为+q的小球静止在斜面上,这时小球对斜面的正压力恰好为零,如图所示。若迅速把电场方向反转为竖直向下,小球能在斜面上连续滑行多远?所用时间是多少?点拨:本题是带电体受洛伦兹力与力学知识的综合问题,在分析物体受力的基础上,分清物理过程,根据隐含的临界条件求解本题。类型一类型二类型三题后反思(1)电荷只要处在静电场中就一定受到静电力的作用,即静电力与电荷的运动状态无关。
(2)当洛伦兹力是变力时,力产生的效果比较复杂。解决此类问题要从受力分析入手,查找临界状态,从而得出正确结论。类型一类型二类型三触类旁通若空间只有垂直纸面向外的磁场,没有竖直向上的电场,则小球由静止开始运动,在斜面上获得的最大速度是多少?所用时间是多少?课件27张PPT。6 带电粒子在匀强磁场中的运动1.通过实验知道带电粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场会做圆周运动,圆周运动的半径与磁感应强度的大小和入射速度的大小有关。
2.通过理论分析知道带电粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场会在磁场中做匀速圆周运动,并能用学过的知识推导出匀速圆周运动的半径公式和周期公式。
3.能够用学过的知识分析、计算有关带电粒子在匀强磁场中受力、运动的问题,了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。1.带电粒子在匀强磁场中的运动
(1)洛伦兹力演示仪:阴极射线管处在两个线圈之间,两个线圈通电后它们之间能产生匀强磁场,磁场的方向跟线圈的轴线平行。
观察电子运动的情况:不加磁场时,阴极射线管内的电子枪发出的电子束是一条直线;加上磁场后,电子运动的轨迹是一个圆环。
(2)洛伦兹力不做功:洛伦兹力总是与粒子的速度方向垂直,所以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。
(3)粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动:垂直射入匀强磁场的带电粒子,洛伦兹力总是与速度垂直,不改变速度的大小,只改变速度的方向,起到了向心力的作用。所以,沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子,在匀强磁场中做匀速圆周运动。 2.回旋加速器
(1)电场使带电粒子加速:静电力对带电粒子做功,使粒子的动能增加,所以加速器必定要有电场。
(2)直线型加速器:又称为多级加速器,粒子运动的径迹是直线,加速装置要做得很长很长。
(3)回旋加速器:它由两个正对的D形盒组成,两D形盒之间有一定的电势差U,垂直于D形盒平面加匀强磁场。如图所示。1.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动问题的分析
在研究带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的规律时,着重把握“一找圆心,二找半径,三找周期或时间”的规律。
(1)运动轨迹及轨迹半径和周期的分析。
①垂直进入匀强磁场的带电粒子,它的初速度和所受洛伦兹力的方向都在跟磁场垂直的平面内,没有任何作用使粒子离开这个平面,所以粒子只能在这个平面内运动。
②垂直射入匀强磁场的带电粒子,受到的洛伦兹力总跟粒子的运动方向垂直,所以带电粒子做匀速圆周运动。
③质量为m、电荷量为q、速率为v的带电粒子,在磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,由此可知带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟速率v和半径r无关。(2)圆心和半径的确定。
①圆心的确定:
带电粒子进入一个有界磁场后的轨迹是一段圆弧,如何确定圆心是解决此类问题的前提,也是解题的关键。一个最基本的思路是圆心一定在与速度方向垂直的直线上,举例如下:
a.已知入射方向和出射方向时,可通过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线,两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图甲所示,图中P为入射点,M为出射点)。
b.已知入射方向和出射点的位置时,可以通过入射点作入射方向的垂线,连接入射点和出射点,作其中垂线,这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图乙所示,P为入射点,M为出射点)。特别提醒只有当带电粒子以垂直于磁场的方向射入匀强磁场中时,带电粒子才能做匀速圆周运动,两个条件缺一不可。2.对回旋加速器的正确认识
(1)回旋加速器的原理。
回旋加速器的工作原理如图所示。放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子,它以某一速率v0垂直进入匀强磁场中,在磁场中做匀速圆周运动。经过半个周期,当它沿着半圆A0A1时,我们在A1A1'处设置一个向上的电场,使这个带电粒子在A1A1'处受到一次电场的加速,速率由v0增加到v1,然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动。我们知道,粒子的轨道半径跟它的速率成正比,因而粒子将沿着增大了的圆周运动。又经过半个周期,当它沿着半圆弧A1'A2'到达A2'时,我们在A2'A2处设置一个向下的电场,使粒子又一次受到电场的加速,速率增加到v2。如此继续下去,每当粒子运动到A1A1'、A3A3'等处时都使它受到一个向上电场的加速,每当粒子运动到A2'A2、A4'A4等处时都使它受到一个向下电场的加速,那么,粒子将沿着图示的螺旋线回旋下去,速率将一步一步地增大。特别提醒(1)回旋加速器所加的匀强磁场应垂直于金属盒。
(2)带电粒子每次过缝隙时均进行加速。
(3)带电粒子最终获得的动能与加速电压U无关,加速电压的大小只影响粒子在回旋加速器中运动的时间。3.带电粒子在复合场中的运动
(1)复合场:一般是指电场、磁场和重力场并存或分区域存在,或其中某两种场并存或分区域存在。
(2)三种场力的比较:(3)分析方法:
①弄清复合场的组成。如磁场、电场的复合,磁场、重力场的复合,磁场、电场、重力场三者的复合等。
②正确受力分析,除重力、弹力、摩擦力外要特别注意静电力和磁场力的分析。
③确定带电粒子的运动状态,注意运动情况和受力情况的结合。
④对于粒子连续通过几个不同区域、不同种类的场时,要分阶段进行处理。
⑤画出粒子运动轨迹,灵活选择不同的运动规律。
a.当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时,根据受力平衡列方程求解。
b.当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时,应用牛顿定律结合圆周运动规律求解。
c.当带电粒子做复杂曲线运动时,一般用动能定理或能量守恒定律求解。
⑥对于临界问题,注意挖掘隐含条件。特别提醒(1)电子、质子、α粒子等一般不计重力,带电小球、尘埃、液滴等带电颗粒一般要考虑重力的作用。
(2)注意重力、电场力做功与路径无关,洛伦兹力始终和运动方向垂直、永不做功的特点。类型一类型二类型三类型四半径、周期公式的应用
【例1】 已知氢核与氦核的质量之比m1∶m2=1∶4,电荷量之比q1∶q2=1∶2,当氢核与氦核以v1∶v2=4∶1的速度垂直于磁场方向射入磁场后,分别做匀速圆周运动,则氢核与氦核半径之比r1∶r2= ,周期之比T1∶T2= 。?
点拨:粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,一般情况下,半径公式不要直接使用,特别是做计算题时,应先列出洛伦兹力充当向心力的方程。类型一类型二类型三类型四题后反思(1)掌握粒子在匀强磁场中做圆周运动的轨道半径和周期公式是解决此题的关键。
(2)比例法是求解物理问题的有效方法之一。使用时先根据研究对象的运动过程确定相应的物理规律,再根据题意确定运动过程中的恒量,分析剩余物理量之间的函数关系,建立比例式求解。类型一类型二类型三类型四带电粒子在有界磁场中的运动
【例2】 如图所示,一束电子(电荷量为e)以速度v垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀强磁场中,穿过磁场时速度方向与原来入射方向的夹角是30°,则电子的质量是 ,穿过磁场的时间是 。点拨:由于洛伦兹力总是垂直于速度方向,若已知带电粒子的任意两个速度方向,就可以通过作出两速度的垂线,找出两垂线的交点即为带电粒子做圆周运动的圆心。类型一类型二类型三类型四题后反思带电粒子做匀速圆周运动问题的求解关键是通过进、出磁场两点速度方向画出匀速圆周运动的轨迹,利用几何知识确定圆心及相应的半径,从而找到圆弧所对应的圆心角,根据圆心角和圆周角的关系确定带电粒子在磁场中的运动时间。类型一类型二类型三类型四触类旁通 若磁场为单边界磁场,磁感应强度为B,如图所示,一电荷质量为m,电荷量为-q,不计重力,以某一速度射入磁场,速度方向与磁场边界的夹角为θ(如图所示),求电荷在磁场中运动的时间。类型一类型二类型三类型四回旋加速器问题
【例3】 回旋加速器D形盒中央为质子流,D形盒的交流电压为U,静止质子经电场加速后,进入D形盒,其最大轨道半径为R,磁场的磁感应强度为B,质子质量为m、电荷量为e。求:
(1)质子最初进入D形盒的动能为多大。
(2)质子经回旋加速器最后得到的动能为多大。
(3)交流电源的周期是多少。
点拨:质子在D形盒中运动的动能取决于加速的次数,而粒子最终获得的动能由回旋加速器的半径决定,而交流电源的周期与质子在D形盒中做圆周运动的周期相同。类型一类型二类型三类型四类型一类型二类型四类型三带电粒子在复合场中的运动
【例4】 如图所示,直角坐标系xOy位于竖直平面内,在水平的x轴下方存在匀强磁场和匀强电场,磁场的磁感应强度为B,方向垂直xOy平面向里,电场线平行于y轴。一质量为m、电荷量为q的带正电的小球,从y轴上的A点水平向右抛出,经x轴上M点进入电场和磁场,恰能做匀速圆周运动,从x轴上的N点第一次离开电场和磁场,MN之间的距离为L,小球过M点时的速度方向与x轴正方向夹角为θ。不计空气阻力,重力加速度为g,求:
?
(1)电场强度E的大小和方向;
(2)小球从A点抛出时初速度v0的大小;
(3)A点到x轴的高度h。类型一类型二类型四类型三点拨:解答本题可按以下思路分析:
小球在第一象限做平抛运动→明确小球做匀速圆周运动的条件→据几何知识求小球的轨道半径解析:(1)小球在电场、磁场中恰能做匀速圆周运动,其所受电场力必须与重力平衡,有重力的方向是竖直向下的,电场力的方向则应为竖直向上,由于小球带正电,所以电场强度方向竖直向上。类型一类型二类型四类型三类型一类型二类型四类型三答案:见解析 题后反思解决该类问题时应把握以下几个方面:
(1)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,关键是画轨迹、找圆心、定半径及寻找几何关系。
(2)带电粒子在匀强电场中的运动是类平抛运动,关键是处理两个方向的分运动。
(3)处理好粒子在两种场中运动的衔接关系。课件20张PPT。本章整合?专题一专题二专题三专题四专题一 三个点电荷的平衡问题
三个相关点电荷都处于平衡状态,称为三个点电荷平衡问题。此时,三个点电荷中的每一个点电荷受到的其他两点电荷的库仑力必然大小相等、方向相反。该类问题规律总结如下:
1.三点共线:三个点电荷一定分布在一条直线上。
2.两同夹异:两侧的点电荷电性相同,中间的点电荷的电性一定与两侧的相反。
3.两大夹小:处于中间的点电荷的电荷量一定较小。
4.近小远大:三个点电荷中电荷量较小的两个点电荷离得较近。专题一专题二专题三专题四A.-9 C、4 C、-36 C B.4 C、9 C、36 C
C.-3 C、2 C、8 C D.3 C、-2 C、6 C
解析:对中间小球B,FAB=FCB,故由库仑定律知QA和QB、QC和QB必须为异种电荷,B、C错误。以A球(C球也可以)为研究对象知FCA=FBA,如图所示。
专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四2.匀强电场中的电势分布特点
(1)在匀强电场中,同一直线上的距离相同的两点间的电势差相等,相互平行的相等线段的两端点电势差也相等。
(2)电场线和等势线之间的关系最主要的特点是相互垂直。在匀强电场中,电场线为一簇等间距的平行线,而等差等势线也是一簇等间距的平行线,因此可以根据此特点进行相互判定和定量计算。专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四专题三 电场中的功能关系
1.功能关系
(1)若只有电场力做功,电势能与动能之和保持不变;
(2)若只有电场力和重力做功,电势能、重力势能、动能之和保持不变;
(3)除重力和弹力之外,其他各力对物体做的功等于物体机械能的变化;
(4)所有力对物体所做的功等于物体动能的变化量。专题一专题二专题三专题四2.电场力做功的计算方法
(1)由公式W=Flcos θ计算,此公式只适合于匀强电场,可变形为W=qElcos θ。
(2)由W=qU来计算,此公式适用于任何形式的静电场。
(3)由动能定理来计算:W电场力+W其他力=ΔEk。
(4)由电势能的变化计算:W=Ep1-Ep2。
3.带电粒子在电场中做曲线运动时正负功的判断
(1)粒子速度方向一定沿轨迹的切线方向,粒子受力方向一定沿电场线指向轨迹凹侧。
(2)电场力与速度方向间夹角小于90°,电场力做正功;夹角大于90°,电场力做负功。专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四解析:由于不知道重力和电场力大小关系,所以不能确定电场力方向,不能确定微粒电性,也不能确定电场力对微粒做功的正负,故选项A、B、D错误;根据微粒偏转方向可知微粒所受合外力一定是竖直向下,则合外力对微粒做正功,由动能定理知微粒的动能一定增加,选项C正确。
答案:C专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四2.研究带电粒子在电场中运动的两种方法
带电粒子在电场中的运动,是一个涉及电场力、电势能的力学问题,研究的方法与质点动力学相同,它同样遵循运动的合成与分解、牛顿运动定律、动能定理等力学规律,处理问题的要点是要注意区分不同的物理过程,弄清在不同的物理过程中物体的受力情况及运动性质,并选用相应的物理规律。在解题时,主要可以选用下面两种方法。
(1)力和运动关系——牛顿第二定律:根据带电粒子受到电场力,用牛顿第二定律找出加速度,结合运动学公式确定带电粒子的速度、位移等,这种方法通常适用于在恒力作用下做匀变速运动的情况。
(2)功和能的关系——动能定理:根据电场力对带电粒子所做的功,引起带电粒子的能量发生变化,利用动能定理研究全过程中能量的转化,研究带电粒子的速度变化、经历的位移等。这种方法同样也适用于不均匀的电场。专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四?专题一专题二专题三专题四课件29张PPT。本章整合专题一专题二专题三专题四专题五专题一 含电容器电路的分析与计算
在直流电路中,当电容器充、放电时,电路里有充、放电电流。一旦电路达到稳定状态,电容器在电路中就相当于一个阻值无限大(只考虑电容器是理想的不漏电的情况)的元件,在电容器处电路可看作是断路,简化电路时可去掉它。简化后若要求电容器所带电荷量时,可再接在相应的位置上。分析和计算含有电容器的直流电路时,需注意以下几点:专题一专题二专题三专题四专题五1.电路稳定后,由于电容器所在支路无电流通过,所以在此支路中的电阻上无电压降,因此电容器两极板间的电压就等于该支路两端的电压。
2.当电容器和电阻并联后接入电路时,电容器两极间的电压与其并联电阻两端的电压相等。
3.电路的电流、电压变化时,将会引起电容器的充(放)电。如果电容器两端电压升高,电容器将充电;如果电压降低,电容器将通过与它连接的电路放电。专题一专题二专题三专题四专题五【例1】 (2016·全国理综甲)阻值相等的四个电阻、电容器C及电池E(内阻可忽略)连接成如图所示电路。开关S断开且电流稳定时,电容器所带的电荷量为Q1;闭合开关S,电流再次稳定后,电容器所带的电荷量为Q2。Q1与Q2的比值为( )专题一专题二专题三专题四专题五解析:S断开时等效电路图如图甲所示。 答案:C 专题一专题二专题三专题四专题五专题二 闭合电路的功率问题
1.用电器的目的不同:纯电阻用电器是以发热为目的,例如电炉、电熨斗、电烙铁、白炽灯泡等,它们的电功等于电热;非纯电阻用电器是以转化为热能以外的其他形式的能为目的,发热只是不可避免的热能损失,例如电动机、电解槽、日光灯等,它们的电功大于电热,有W=Q+E。
2.电源输出功率的特点
(1)外电路电阻越接近内阻,输出功率越大。
(2)可变电阻越接近包括内阻及其他电阻的总和,它消耗的功率越大。
3.非纯电阻电路问题
分清不同情况下的电能转化的方向,然后确定计算的公式,理顺热功率、输出功率、电功率、效率几个物理量之间的关系。专题一专题二专题三专题四专题五【例2】 如图所示,直流电动机和电炉并联后接在直流电源上,电源的内阻r=1 Ω,电炉的电阻 R1=19 Ω,电动机线圈的电阻R2=2 Ω,当开关S断开时,电源内电路消耗的热功率P=25 W;当S闭合时,干路中的电流I=12.6 A。求:
(1)电源的电动势E。
(2)S闭合后电动机的机械功率。专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五专题三 对电路中电流表、电压表的处理
1.电表可看作理想电表时的处理技巧
理想电流表的内阻可看作为零,理想电压表的内阻可看作无穷大。如果有理想电表接入电路,可先把该电表除去,凡电压表处除去即可(看作断路),凡电流表处用导线替代(看作短路);在进行电路结构分析或画好等效电路后,再按电表所测的对象把电表接入电路。
电路中的滑动变阻器,一般可以把它当作两个可变电阻来处理。
2.电表不能看作理想电表时的处理技巧
在这种情况下,要考虑到电表内电阻对原电路的影响,可把电流表和电压表分别看作能显示出电流值或电压值的电阻。专题一专题二专题三专题四专题五【例3】如图甲所示,电压表V1、V2串联接入电路中时,示数分别为6 V和4 V,当只有电压表V2接入电路中时,如图乙所示,示数为9 V,电源的电动势为( )
?
A.9.8 V B.10 V C.10.8 V D.11.2 V专题一专题二专题三专题四专题五解析:设V2的内阻为R2,根据闭合电路欧姆定律,答案:C 专题一专题二专题三专题四专题五专题四 电路故障的分析
1.故障特点
(1)断路特点:电路中发生断路,表现为电源电压不为零而电流为零。若外电路中无用电器的任意两点间电压不为零,则这两点间有断点,而这两点与电源连接部分无断点。
(2)短路特点:电路中发生短路,表现为有电流通过电路而电压为零。专题一专题二专题三专题四专题五2.故障的分析方法
这类题目要从已知条件出发,进行严密的推理,找出故障的原因。具体分为两种方法:
(1)仪器检测法:
①断点故障的判断:用电压表与电源并联,若有电压,再逐段与电路并联,若电压表指针偏转,则该段电路中有断点。
②短路故障的判断:用电压表与电源并联,若有电压,再逐段与电路并联,若电压表示数为零,则该电路被短路;若电压表示数不为零,则该电路没有被短路或不完全被短路。专题一专题二专题三专题四专题五 (2)假设法:
已知电路发生某种故障,寻求故障发生在何处时,可将整个电路划分为若干部分,然后假设某部分电路发生故障,运用欧姆定律进行正向推理,推理结果若与题述物理现象不符合,则故障不是发生在这部分电路。若推理结果与题述物理现象符合,则故障可能发生在这部分电路。用此方法,直到找出发生故障的全部可能为止。专题一专题二专题三专题四专题五【例4】如图所示的电路中,闭合开关S后,灯L1、L2都发光。后来由于某种故障使灯L2突然变亮(未烧坏),电压表的读数增大,由此可推断,这故障可能是( )
A.电阻R1断路
B.电阻R2短路
C.灯L1两接线柱间短路
D.电阻R2断路专题一专题二专题三专题四专题五解析:因为电压表的读数增大,所以路端电压增大,电源内阻上的电压减小,说明总电流减小,电路的总电阻增大。
若电阻R1断路,会导致总电阻增大,总电流减小,而此时灯L2两端的电压会减小,致使灯L2变暗,故选项A错。
若电阻R2短路,灯L2将不亮,选项B错。
若灯L1两接线柱间短路,电路的总电阻减小,总电流增大,电压表的读数减小,不符合题意,选项C也错。
若电阻R2断路,电路的总电阻增大,总电流减小,电压表的读数增大,符合题意。而总电流减小,导致内电压和灯L1、R1并联部分电压减小,灯L2两端电压增大,灯L2变亮。故选项D对。
答案:D专题一专题二专题三专题四专题五专题五 电路设计和仪器选择及实物图的连接
在有关恒定电流的实验中,常常要求测电阻的阻值、测导体的电阻率、测用电器的电功率、测定电源的电动势和内阻等。这些待测量的值的测定,往往都要测待测元件的电压和电流,所以对待测元件的电压和电流的测量也就成了最基本的测量。专题一专题二专题三专题四专题五1.电路设计
要完成一个测量实验,必须进行电路设计,而电路往往分供电的主电路及测量电路两部分。
(1)供电主电路。
供电主电路一般由电源和滑动变阻器按一定的连接方式组成,滑动变阻器在供电电路中有两种连接方式:限流式和分压式(如图)。限流式可省一个耗电支路,分压式电压调节范围大,应根据需要选用。请注意以下三点:专题一专题二专题三专题四专题五①要求负载上电压或电流变化范围较大,且从零开始连续可调,须用分压式接法。
②负载电阻的阻值Rx远大于变阻器的总电阻R,须用分压式接法。
③负载电阻的阻值Rx小于变阻器总电阻R或相差不多,且电压、电流变化不要求从零调节时,可采取限流式接法。专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五(3)便于操作的原则,选用滑动变阻器时应考虑对外供电电压的变化范围既能满足实验要求,又便于调节,滑动变阻调节时应可使用大部分电阻线,否则不便于操作。2.实验仪器选用
仪器的选择一般遵从以下三个原则:
(1)安全的原则,通过电源和电阻的电流不能超过其允许的最大电流。
(2)准确的原则,选用电表量程应尽可能减小测量值的相对误差,电压表、电流表在使用时,要尽可能使指针接近满刻度的中间量程,专题一专题二专题三专题四专题五选择仪器的一般步骤:
(1)根据实验要求设计合理的实验电路;
(2)根据电路选择滑动变阻器;
(3)选定电源,选择电压表和电流表以及所用的量程。专题一专题二专题三专题四专题五3.实物图的连接
(1)实物图连接的方法与步骤
①画出实验电路图。
②分析各元件连接方式,明确电表量程。
③画线连接各元件,一般先从电源正极开始,到开关,再到滑动变阻器等,按顺序以单线连接方式将主电路中要串联的元件依次串联起来,再将要并联的元件并联到电路中,即“先串后并”。
④连好实物图后,再与原电路图进行对照,检查是否有误。专题一专题二专题三专题四专题五 (2)实物图连接的注意事项
①连接过程中连线不能交叉,所有连线必须连接到接线柱上。
②连接电表应注意量程选用正确,正、负接线柱不要接错,即电压表并联、电流表串联接入电路中,且电流从电表的正接线柱流入,负接线柱流出。
③开关必须能控制整个电路,即开关断开后,电路便无电流输出,电路中电压表和电流表均应指零。专题一专题二专题三专题四专题五【例5】 有一个电阻R,其阻值大约在40~50 Ω之间,现要进一步测量其电阻,供选择的器材如图所示:专题一专题二专题三专题四专题五电源E(电动势12 V,内阻为0.5 Ω);
电压表(0~3 V、0~15 V,内阻约10 kΩ);
电流表(0~0.6 A、0~3 A,内阻约1 Ω);
滑动变阻器R1(阻值0~10 Ω,额定电流2 A);
滑动变阻器R2(阻值0~1 700 Ω,额定电流0.3 A);
开关S和导线若干。
(1)电压表的量程应选 ,电流表的量程应选 ,滑动变阻器应选用 。?
(2)请画出实验电路图。
(3)用笔画线代替导线,在实物图上连好实验电路。专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五在实物图上连线应按下列顺序,如图,从电源正极开始,依次画线①②③,然后再依次画线④⑤⑥,最后画线⑦⑧。即按照“先串后并”的原则进行。答案:(1)0~15 V 0~0.6 A R1 (2)(3)见解析课件25张PPT。本章整合磁
场专题一专题二专题三专题四专题五专题一 安培力作用下导体的状态分析
通电导体在安培力的作用下可以处于平衡状态,也可以处于运动状态。正确对导体受力分析,是解决力学问题的关键。受力分析的一般思路:
1.明确研究对象,这里的研究对象一般是通电导体。
2.受力分析的顺序:按重力、弹力、摩擦力的顺序进行,最后分析安培力。
3.分析安培力时要注意磁场方向、电流方向,正确使用左手定则。
4.正确画出导体的受力分析图,必要时画出侧视图、俯视图等。
5.用平衡条件或动力学知识列式求解。专题一专题二专题三专题四专题五【例1】 如图所示,质量m=0.1 kg的导体棒静止于倾角为30°的斜面上,导体棒长度L=0.5 m。通入垂直纸面向里的电流,电流大小I=2 A,整个装置处于磁感应强度B=0.5 T、方向竖直向上的匀强磁场中。求:(g取10 m/s2)
(1)导体棒所受安培力的大小和方向。
(2)导体棒所受静摩擦力的大小和方向。专题一专题二专题三专题四专题五解析:解决此题的关键是分析导体棒的受力情况,明确各力的方向和大小。
(1)安培力F安=ILB=2×0.5×0.5 N=0.5 N
由左手定则可知安培力的方向水平向右。(2)建立如图所示的坐标系,分解重力和安培力。在x轴方向上,设导体棒受的静摩擦力大小为Ff,方向沿斜面向下。在x轴方向上有
mgsin θ+Ff=F安·cos θ
解得Ff=-0.067 N,负号说明静摩擦力的方向与假设的方向相反,即沿斜面向上。
答案:(1)0.5 N 水平向右 (2)0.067 N 沿斜面向上专题一专题二专题三专题四专题五专题二 磁偏转和电偏转的比较
电场和磁场都能对运动电荷施加力的作用,从而使运动电荷的轨迹发生偏转,我们分别称之为“电偏转”和“磁偏转”。由于电场和磁场对电荷的作用具有不同的特征,就会使得两种偏转存在着差别。
1.受力特征
(1)在电偏转中,质量为m、电荷量为q的粒子以速度v0垂直射入电场强度为E的匀强电场中时,所受的电场力F电=qE与粒子的速度v0无关,F电是恒力。
(2)在磁偏转中,质量为m、电荷量为q的粒子以速度v垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中时,所受的洛伦兹力F洛=qvB与粒子的速度v有关。洛伦兹力所产生的加速度使粒子的速度方向发生变化,而速度方向的变化反过来又导致F洛的方向变化,故F洛是变力。专题一专题二专题三专题四专题五3.动能变化的差别
在电偏转中,电场力F电对粒子做功,使粒子的动能发生变化。而在磁偏转中,磁场力F洛与粒子运动方向始终垂直,不对粒子做功,所以其动能的数值保持不变。专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五【例2】 如图所示,在第一象限有一匀强电场,电场强度大小为E,方向与y轴平行。在x轴下方有一匀强磁场,磁场方向与纸面垂直。一质量为m、电荷量为-q的粒子以平行于x轴的速度从y轴上的P点处射入电场,在x轴上的Q点处进入磁场,并从坐标原点O离开磁场。粒子在磁场中的运动轨迹与y轴交于M点。
(1)M点与坐标原点O间的距离。
(2)粒子从P点运动到M点所用的时间。专题一专题二专题三专题四专题五解析: 专题一专题二专题三专题四专题五答案:见解析 专题一专题二专题三专题四专题五专题三 洛伦兹力多解问题
1.带电粒子电性不确定形成多解
受洛伦兹力作用的带电粒子,可能带正电荷,也可能带负电荷,在相同的初速度下,正、负粒子在磁场中运动轨迹不同,导致有多解。
2.磁场方向不确定形成多解
有些题目只告诉了磁感应强度大小,而未具体指出磁感应强度方向。此时必须要考虑磁感应强度方向不确定而形成的多解。
3.临界状态不唯一形成多解
带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时,由于粒子运动轨迹是圆弧状,因此,它可能穿过去了,也可能转过180°从入射界面这边反向飞出,于是形成多解。
4.运动的重复性形成多解
带电粒子在部分是电场,部分是磁场的空间中运动时,运动往往具有往复性,因而形成多解。专题一专题二专题三专题四专题五【例3】 如图所示,一半径为R的绝缘圆筒中有沿轴线方向的匀强磁场,磁感应强度为B,一质量为m、电荷量为q的正粒子(不计重力)以速度v从筒壁的A孔沿半径方向进入筒内,设粒子和筒壁的碰撞无电荷量和能量的损失,那么要使粒子与筒壁连续碰撞,绕筒壁一周后恰好又从A孔射出,问:
(1)磁感应强度B的大小必须满足什么条件?
(2)粒子在筒中运动的时间为多少?专题一专题二专题三专题四专题五解析:(1)粒子射入圆筒后受洛伦兹力作用而偏转,设第一次与B点碰撞,碰后速度方向又指向O点,假设粒子与筒壁撞(n-1)次,运动轨迹是n段相等的圆弧,再从A孔射出。专题一专题二专题三专题四专题五答案:见解析 专题一专题二专题三专题四专题五专题四 带电粒子在复合场中的两种运动
1.带电粒子做直线运动
(1)带电粒子的速度v与磁感应强度B的方向相同或相反时,带电粒子不受洛伦兹力,若其他力可以忽略或其他力的合力等于零,粒子将做匀速直线运动。
(2)带电粒子的速度v与磁感应强度B的方向垂直时,带电粒子受到洛伦兹力的大小F=qvB,方向与速度的方向垂直,若带电粒子做直线运动,则粒子一定受到了其他力,并且在垂直于速度v的方向上,洛伦兹力与其他力的合力为零。专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五答案:见解析 专题一专题二专题三专题四专题五2.洛伦兹力参与下的匀速圆周运动
洛伦兹力参与下的匀速圆周运动,由于洛伦兹力永不做功,所以除洛伦兹力外其他力做功的代数和也必须为零,才能保证动能不变而做匀速圆周运动,若除洛伦兹力外其他力为恒定的力,则其他力的矢量和必为零,若其他力为变力,则变力做功的代数和为零。专题一专题二专题三专题四专题五【例5】 已知质量为m的带电液滴,以速度v射入互相垂直的匀强电场E和匀强磁场B中,液滴在此空间刚好能在竖直平面内做匀速圆周运动,如图所示。求:
(1)液滴在空间受到几个力的作用。
(2)液滴所带电荷量及电性。
(3)液滴做匀速圆周运动的半径为多大。专题一专题二专题三专题四专题五专题五 带电粒子在交变场中的运动
带电粒子在交变场中的运动问题的基本思路:专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五答案:见解析
