2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第10章 磁場教案 新人教版.doc
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2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第10章 磁場教案 新人教版 教學(xué)目標(biāo) 1. 知道磁場、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感線 2. 能判斷通電直導(dǎo)線和通電線圈周圍磁場的方向 3. 了解安培力、安培力的方向，會(huì)計(jì)算勻強(qiáng)磁場中的安培力 重點(diǎn)：勻強(qiáng)磁場中安培力的受力分析、方向判斷以及計(jì)算 難點(diǎn)：勻強(qiáng)磁場中安培力的受力分析、方向判斷以及計(jì)算 知識(shí)梳理 一、磁場 1．磁場的方向： （1）磁感線在該點(diǎn)的切線方向; （2）規(guī)定在磁場中任意一點(diǎn)小磁針北極的受力方向（小磁針靜止時(shí)N極的指向）為該點(diǎn)處磁場方向。 （3）對磁體：外部(NS)，內(nèi)部(SN)組成閉合曲線；這點(diǎn)與靜電場電場線(不成閉合曲線)不同。 （4）電流產(chǎn)生的磁場方向用安培左手定則判斷 2．地磁場的磁感線分布特點(diǎn)： 要明確三個(gè)問題：(磁極位置? 赤道處磁場特點(diǎn)?南北半球磁場方向?) （1）地球是一個(gè)巨大的磁體、地磁的N極在地理的南極附近，地磁的S極在地理的北極附近； （2）地磁場的分布和條形磁體磁場分布近似； （3）在地球赤道平面上，地磁場方向都是由北向南且方向水平（平行于地面）； 3．磁感應(yīng)強(qiáng)度 （1）定義：在磁場中垂直于磁場方向的通電直導(dǎo)線，所受的安培力F跟電流I和導(dǎo)線長度L之乘積IL的比值叫做磁感應(yīng)強(qiáng)度， 定義式為。（條件是勻強(qiáng)磁場，或非勻強(qiáng)磁場中L很小，并且L⊥B ） 磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，其方向就是磁場方向。 單位是特斯拉，符號(hào)為T，1T=1N/(A?m)=1kg/(A?s2) （2）對定義式的理解： ①定義式中反映的F、B、I方向關(guān)系為：B⊥I，F(xiàn)⊥B，F(xiàn)⊥I，則F垂直于B和I所構(gòu)成的平面。 ②定義式可以用來量度磁場中某處磁感應(yīng)強(qiáng)度，不決定該處磁場的強(qiáng)弱，磁場中某處磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小由磁場自身性質(zhì)來決定。 ③磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，其矢量方向是小磁針在該處的北極受力方向，與安培力方向是垂直的。 ④如果空間某處磁場是由幾個(gè)磁場共同激發(fā)的，則該點(diǎn)處合磁場（實(shí)際磁場）是幾個(gè)分磁場的矢量和；某處合磁場可以依據(jù)問題求解的需要分解為兩個(gè)分磁場；磁場的分解與合成必須遵循矢量運(yùn)算法則。 二、安培力 1．安培力的大?。? （1）安培力的計(jì)算公式：F＝BIL，條件為磁場B與直導(dǎo)體L垂直。 （2）導(dǎo)體與磁場垂直時(shí)，安培力最大；當(dāng)導(dǎo)體與磁場平行時(shí)，導(dǎo)體與磁場平行，安培力為零。 （3）F＝BIL要求L上各點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度相等，故該公式一般只適用于勻強(qiáng)磁場。 2．安培力的方向： （1）安培力方向用左手定則判定：伸開左手，使大拇指和其余四指垂直，并且都跟手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，把手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，并使伸開的四指指向電流方向，那么大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)體在磁場中的受力方向。 （2）F、B、I三者間方向關(guān)系：已知B、I的方向（B、I不平行時(shí)），可用左手定則確定F的唯一方向：F⊥B，F(xiàn)⊥I，則F垂直于B和I所構(gòu)成的平面，但已知F和B的方向，不能唯一確定I的方向。由于I可在圖中平面α內(nèi)與B成任意不為零的夾角。同理，已知F和I的方向也不能唯一確定B的方向。 3. 安培力的綜合運(yùn)用 （1）從能的轉(zhuǎn)化看，安培力做了多少正功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他能量（如動(dòng)能），安培力做了多少負(fù)功，表明就有多少機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。 （2）安培力的力矩：勻強(qiáng)磁場中 題型講解 1. 磁場、磁感應(yīng)強(qiáng)度 有一小段通電導(dǎo)線，長為1cm，電流強(qiáng)度為5A，把它置于磁場中某點(diǎn)，受到的磁場力為0.1 N，則該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定是 A．B=2 T B．B≤2 T C．B≥2 T D．以上情況都有可能 【答案】C 2. 受力分析 B F I SS vS （1）如圖所示，條形磁鐵放在水平桌面上，在其正中央的上方固定一根長直導(dǎo)線，導(dǎo)線與磁鐵垂直，給導(dǎo)線通以垂直紙面向里的電流。用N表示磁鐵對桌面的壓力，用f表示桌面對磁鐵的摩擦力，導(dǎo)線中通電后與通電前相比較 (A)N減小，f = 0 (B)N減小，f0 (C)N增大，f = 0 (D) N增大，f 0 【解析】 如圖1畫出一條通過電流I處的磁感線，電流I處的磁場方向水平向左，由左手定則知電流I受安培力方向豎直向上，根據(jù)牛頓第三定律知，電流對磁鐵的作用力F’方向豎直向下，所以磁鐵對桌面壓力增大，而桌面對磁鐵無摩擦力作用。故選 (C)。 【答案】 點(diǎn)評(píng)：此題若直接由直線電流的磁場對條形磁鐵的作用來分析，將很難得出結(jié)論。而先分析我們所熟悉的磁鐵對電流的作用，再由牛頓第三定律變換研究對象，過渡到條形磁鐵受力，就較容易得出結(jié)論。 θ θ b a ε （2）如圖所示，兩根平行放置的導(dǎo)電軌道，間距為L，傾角為q，軌道間接有電動(dòng)勢為E(內(nèi)阻不計(jì))的電源，現(xiàn)將一根質(zhì)量為m、電阻為R的金屬桿ab與軌道垂直放于導(dǎo)電軌道上，軌道的摩擦和電阻均不計(jì)，要使ab桿靜止，所加勻強(qiáng)磁場的磁感強(qiáng)度至少多大？什么方向？ 【解析】 以金屬桿為研究對象，受力情況如下圖所示，當(dāng)安培力平行于軌道向上時(shí)F安最小。 則mgsinq - F安= 0，F(xiàn)安=BIL， I= 。 mg θ B F安 θ 解得 所以要使ab桿靜止至少加一個(gè)磁感強(qiáng)度大小為、方向垂直于軌道平面向上的勻強(qiáng)磁場。 3. 安培力的運(yùn)用 s h S a b M N C E B （1）如圖所示，金屬棒MN質(zhì)量為m=5g，放在寬度為L=1m的光滑水平金屬導(dǎo)軌上，勻強(qiáng)磁場豎直向上穿過導(dǎo)軌平面，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T，電容器的電容C=200μF，電源電動(dòng)勢E=16V，導(dǎo)軌距離地面的高度為h=0.8m。將單刀雙擲開關(guān)S先擲向位置a，使電容器充電到穩(wěn)定狀態(tài)；然后將開關(guān)S擲向位置b，金屬棒MN被水平拋出，落到距軌道末端水平距離s=6.4cm的位置。設(shè)在金屬棒通電的極短時(shí)間內(nèi)電流不變，取g=10m/s2，求金屬棒離開導(dǎo)軌后電容器兩極間的電壓。 【解析】 當(dāng)將單刀雙擲開關(guān)S先擲向位置a時(shí)，電容器充電電荷量為C，當(dāng)開關(guān)S擲向位置b時(shí)，電容器放電，電流流經(jīng)金屬棒MN，在此極短時(shí)間內(nèi)流經(jīng)金屬棒的電荷量為，棒拋出時(shí)的速度為v0，則由結(jié)論有：；棒平拋時(shí)滿足：，；最后電容器兩極板間的電壓U2滿足：。聯(lián)立以上各式并代入數(shù)據(jù)解得：V。 M N B （2）根據(jù)磁場對電流會(huì)產(chǎn)生作用力的原理，人們研制出一種新型的發(fā)射炮彈的裝置——電磁炮，它的基本原理如圖所示。把待發(fā)射的炮彈(導(dǎo)體)放置在強(qiáng)磁場中的兩平行導(dǎo)軌上，給導(dǎo)軌通以大電流，使炮彈作為一個(gè)截流導(dǎo)體在磁場作用下沿導(dǎo)軌加速運(yùn)動(dòng)，并以某一速度發(fā)射出去，則( ) A．要使炮彈沿導(dǎo)軌向右發(fā)射，必須通以自M向N的電流 B．要想提高炮彈的發(fā)射速度，可適當(dāng)增大電流 C．要想提高炮彈的發(fā)射速度，可適當(dāng)增大磁感應(yīng)強(qiáng)度 D．使電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向同時(shí)反向，炮彈的發(fā)射方向也隨之反向。 【解析】 要使炮彈沿導(dǎo)軌向右發(fā)射，必須使其受到向右的安培力，根據(jù)左手定則，通以電流的方向應(yīng)是從M到N。若使電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向同時(shí)反向，則發(fā)射方向不變。由F=IlB可知，增大電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度都能增大安培力，從而提高發(fā)射速度。應(yīng)選ABC， 【答案】ABC 第26講 磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用 教學(xué)目標(biāo) 1. 知道質(zhì)譜儀，回旋加速器工作原理；知道回旋加速器中各物理量之間的關(guān)系. 2. 掌握帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)規(guī)律，了解質(zhì)譜儀，回旋加速器等裝置的其本原理. 重點(diǎn)：帶電粒子在磁場電場中的運(yùn)動(dòng) 難點(diǎn)：帶電粒子在復(fù)合場中的應(yīng)用 知識(shí)梳理 一、洛倫茲力 1．洛侖茲力的大小。 （1）洛侖茲力計(jì)算式為F＝qvB，條件為磁場B與帶電粒子運(yùn)動(dòng)的速度v垂直。 （2）當(dāng)v∥B，F(xiàn)＝0；當(dāng)v⊥B，F(xiàn)最大。 2．洛侖茲力的方向。 （1）洛侖茲力的方向用左手定則判定：伸開左手，使大拇指和其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面內(nèi)，把手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入掌心，四指指向正電荷的運(yùn)動(dòng)方向，那么，大拇指所指的方向就是正電荷所受洛侖茲力的方向；如果運(yùn)動(dòng)電荷為負(fù)電荷，則四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向。 （2）F、v、B三者方向間的關(guān)系。已知v、B的方向，可以由左手定則確定F的唯一方向：F⊥v、F⊥B、則F垂直于v和B所構(gòu)成的平面；但已知F和B的方向，不能唯一確定v的方向，由于v可以在v和B所確定的平面內(nèi)與B成不為零的任意夾角，同理已知F和v的方向，也不能唯一確定B的方向。 3．洛侖茲力的特性 （1）安培力是大量運(yùn)動(dòng)電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。 （2）無論電荷的速度方向與磁場方向間的關(guān)系如何，洛侖茲力的方向永遠(yuǎn)與電荷的速度方向垂直，因此洛侖茲力只改變運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向，不對運(yùn)動(dòng)電荷作功，也不改變運(yùn)動(dòng)電荷的速率和動(dòng)能。所以運(yùn)動(dòng)電荷垂直磁感線進(jìn)入勻強(qiáng)磁場僅受洛侖磁力作用時(shí)，一定作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 （3）洛侖茲力是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的力，這與重力、電場力有較大的區(qū)別，在勻強(qiáng)電場中，電荷所受的電場力是一個(gè)恒力，但在勻強(qiáng)磁場中，若運(yùn)動(dòng)電荷的速度大小或方向發(fā)生改變，洛侖茲力是一個(gè)變力。 二、電場力和洛侖茲力的比較 電場力 洛侖茲力 存在 條件 作用于電場中所有電荷 僅對運(yùn)動(dòng)著的且速度不跟磁場平行的電荷有洛侖茲力作用 大小 F=qE與電荷運(yùn)動(dòng)速度無關(guān) F=Bqv與電荷的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān) 方向 力的方向與電場方向相同或相反，但總在同一直線上 力的方向始終和磁場方向垂直 對速度的改變 可改變電荷運(yùn)動(dòng)速度大小和方向 只改變電荷速度的方向，不改變速度的大小 做功 可以對電荷做功，改變電荷的動(dòng)能 不對電荷做功、不改變電荷的動(dòng)能 偏轉(zhuǎn)軌跡 在勻強(qiáng)電場中偏轉(zhuǎn)，軌跡為拋物線 在勻強(qiáng)磁場中偏轉(zhuǎn)、軌跡為圓弧 三、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng) 可見，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的轉(zhuǎn)動(dòng)周期T與帶電粒子的質(zhì)量和電量有關(guān)，與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，而與帶電粒子的速度大小無關(guān)． 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)過圓弧對應(yīng)的圓心角越大，運(yùn)動(dòng)時(shí)間就越長，時(shí)間與圓心角成正比． T或、的兩個(gè)特點(diǎn)： T、和的大小與軌道半徑（R）和運(yùn)行速率（）無關(guān)，只與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）和粒子的荷質(zhì)比（）有關(guān)．荷質(zhì)比（）相同的帶電粒子，在同樣的勻強(qiáng)磁場中，、和相同． 3． 若速度方向與磁感線成任意角度，則帶電粒子在與磁感線平行的方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在與磁感線垂直的方向上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，它們的合運(yùn)動(dòng)是螺線運(yùn)動(dòng)． 與B成（角，，則粒子做等距螺旋運(yùn)動(dòng)． 4．解題思路及方法 （1）圓心的確定：因?yàn)槁鍌惼澚指向圓心，根據(jù)F⊥v，畫出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡中任意兩點(diǎn)（一般是射入和射出磁場的兩點(diǎn)）的F的方向，沿兩個(gè)洛倫茲力F畫出延長線，兩延長線的交點(diǎn)即為圓心．或利用圓心位置必定在圓中一根弦的中垂線上，作出圓心位置． （2）半徑的確定和計(jì)算：利用平面幾何關(guān)系，求出該圓的可能半徑（或圓心角）．并注意以下兩個(gè)重要的幾何特點(diǎn)（如圖所示）： ①粒子速度的偏向角等于回旋角，并等于AB線與切線的夾角（弦切角φ）的2倍，即：； ②相對的弦切角θ相等，與相鄰的弦切角互補(bǔ)，即：． （3）粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定：利用回旋角（即圓心角α）與弦切角的關(guān)系，或者利用四邊形內(nèi)角和等于360計(jì)算出圓心角α的大小，由公式可求出粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間． （4）解析帶電粒子穿過圓形區(qū)域磁場問題?？捎玫揭韵峦普摚? ①沿半徑方向入射的粒子一定沿另一半徑方向射出． ②同種帶電粒子以相同的速率從同一點(diǎn)垂直射入圓形區(qū)域的勻強(qiáng)磁場時(shí)，若射出方向與射入方向在同一直徑上，則軌跡的弧長最長，偏轉(zhuǎn)角有最大值且為α＝2arcsin＝2arcsin． ③在圓形區(qū)域邊緣的某點(diǎn)向各方向以相同速率射出的某種帶電粒子，如果粒子的軌跡半徑與區(qū)域圓的半徑相同，則穿過磁場后粒子的射出方向均平行(反之，平行入射的粒子也將匯聚于邊緣一點(diǎn))． 四、帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng) 1．高中階段所涉及的復(fù)合場有四種組合形式，即： （1）電場與磁場的復(fù)合場； （2）磁場與重力場的復(fù)合場； （3）電場與重力場的復(fù)合場； （4）電場、磁場與重力場的復(fù)合場． 2．帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)取決于帶電粒子所受的合外力及初速度，因此應(yīng)把帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況和受力情況結(jié)合起來進(jìn)行分析．當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場中所受的合外力為零時(shí)，帶電粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)(如速度選擇器)；當(dāng)帶電粒子所受的重力與電場力等值、反向，由洛倫茲力提供向心力時(shí)，帶電粒子在垂直磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；當(dāng)帶電粒子所受的合外力是變力，且與初速度的方向不在一條直線上時(shí)，粒子做非勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡也隨之不規(guī)范地變化．因此，要確定粒子的運(yùn)動(dòng)情況，必須明確有幾種場，粒子受幾種力，重力是否可以忽略． 3．帶電粒子所受三種場力的特征 （1）洛倫茲力的大小跟速度方向與磁場方向的夾角有關(guān)．當(dāng)帶電粒子的速度方向與磁場方向平行時(shí)，f洛＝0；當(dāng)帶電粒子的速度方向與磁場方向垂直時(shí)，f洛＝qvB．當(dāng)洛倫茲力的方向垂直于速度v和磁感應(yīng)強(qiáng)度B所決定的平面時(shí)，無論帶電粒子做什么運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力都不做功． （2）電場力的大小為qE，方向與電場強(qiáng)度E的方向及帶電粒子所帶電荷的性質(zhì)有關(guān)．電場力做功與路徑無關(guān)，其數(shù)值除與帶電粒子的電荷量有關(guān)外，還與其始末位置的電勢差有關(guān)． （3）重力的大小為mg，方向豎直向下．重力做功與路徑無關(guān)，其數(shù)值除與帶電粒子的質(zhì)量有關(guān)外，還與其始末位置的高度差有關(guān)． 注意：①微觀粒子(如電子、質(zhì)子、離子)一般都不計(jì)重力；②對帶電小球、液滴、金屬塊等實(shí)際的物體沒有特殊交代時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮其重力；③對未知名的、題中又未明確交代的帶電粒子，是否考慮其重力，則應(yīng)根據(jù)題給的物理過程及隱含條件具體分析后作出符合實(shí)際的決定． 4．帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)的分析方法 （1）當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場中做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)平衡條件列方程求解． （2）當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，往往應(yīng)用牛頓第二定律和平衡條件列方程聯(lián)立求解． （3）當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場中做非勻速曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)選用動(dòng)能定理或動(dòng)量守恒定律列方程求解． 注意：如果涉及兩個(gè)帶電粒子的碰撞問題，要根據(jù)動(dòng)量守恒定律列方程，再與其他方程聯(lián)立求解． 由于帶電粒子在復(fù)合場中的受力情況復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)情況多變，往往出現(xiàn)臨界問題，這時(shí)應(yīng)以題目中的“恰好”、“最大”、“最高”、“至少”等詞語為突破口，挖掘隱含條件，并根據(jù)臨界條件列出輔助方程，再與其他方程聯(lián)立求解． 5. 運(yùn)用實(shí)例 裝置 原理圖 規(guī)律 速度選擇器 若粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng) 磁流體發(fā)電機(jī) 等離子體射入，受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)，使兩極板帶正、負(fù)電，兩極電壓為U時(shí)穩(wěn)定。 霍爾效應(yīng) 電磁流量計(jì) 質(zhì)譜儀 電子經(jīng)U加速，從A孔入射經(jīng)偏轉(zhuǎn)打到P點(diǎn)， 比荷 回旋加速器 D形盒內(nèi)分別接頻率為的高頻交流電源兩極，帶電粒子在窄縫間電場加速，在D形盒內(nèi)偏轉(zhuǎn) 五、質(zhì)譜儀： + - M S N B B E U a b 帶電粒子在電場中加速： 經(jīng)過速度選擇器：qVB=Eq 從Sˊ孔射出粒子的速度： 加速電壓 在磁場Bˊ中偏轉(zhuǎn)：L=2r 得比荷： 質(zhì)量： 因此，質(zhì)譜儀可以測帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素。在圖中一群帶正電的同位素經(jīng)電場加速后從Sˊ孔射出，打在膠片上a、b處，∵La下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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