高中物理 第3章 打開電磁學的大門章末分層突破教師用書 魯科版選修1-1

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第3章 打開電磁學的大門 [自我校對] ①左手 ②B和I ③BIL ④0 ⑤相吸 ⑥相斥 ⑦左手 ⑧B和v ⑨qvB ⑩0 ?不做功 ?湯姆孫 ?原子 　 　 　 　 通電導線或線圈在安培力作用下的運動方向的判斷 1.電流元分析法 把整段電流等效為多段直線電流元，先用左手定則判斷每小段電流元所受的安培力的方向，從而判斷出整段電流所受合力方向，最后確定運動的方向． 2．等效分析法 環(huán)形電流可等效為小磁針，條形磁鐵可等效為環(huán)形電流，通電螺線管可等效為多個環(huán)形電流或小磁鐵． 3．特殊位置分析法 把通電導體轉到一個便于分析的特殊位置后判斷其安培力方向，從而確定運動方向． 4．轉換研究對象法 因為電流之間、電流與磁體之間相互作用滿足牛頓第三定律，這樣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，然后用牛頓第三定律，再確定磁體所受電流的作用力，從而確定磁體所受合力及運動方向． 　如圖31所示，把一重力不計的通電直導線水平放在蹄形磁鐵兩極的正上方，導線可以自由轉動，當導線通入圖示方向電流I時，導線的運動情況(從上往下看)(　　) 圖31 A．順時針方向轉動，同時下降 B．順時針方向轉動，同時上升 C．逆時針方向轉動，同時下降 D．逆時針方向轉動，同時上升 【解析】　特殊位置法：作出通電瞬間直導線所在處的磁場分布如圖甲所示，由左手定則得N極正上方導線受到的安培力垂直紙面向外，S極正上方導線受到的安培力垂直紙面向里．可見從上往下看，導線在兩安培力作用下按逆時針轉動．當轉動到導線與紙面垂直時，如圖乙所示，導線受到的安培力方向豎直向下，導線繼續(xù)向下運動，故導線在安培力作用下逆時針轉動(從上往下看)，同時下降． 甲　　　　　　　　乙 【答案】　C 帶電粒子在磁場中的運動 1.若v∥B，帶電粒子以v做勻速直線運動．此時粒子受的洛倫茲力為零． 2．若v⊥B，帶電粒子在垂直于磁場的平面內以v做勻速圓周運動． (1)向心力由洛倫茲力提供：qvB＝m. (2)軌道半徑公式：R＝. (3)周期公式：T＝＝. 頻率：f＝＝. 角速度：ω＝＝. (4)動能公式：Ek＝mv2＝. 　如圖32中MN表示真空室中垂直于紙面的平板，它的一側有勻強磁場，磁場方向垂直于紙面向里，磁感應強度大小為B，一帶電粒子從平板上的狹縫O處以垂直于平板的初速度v射入磁場區(qū)域，最后到達平板的P點．已知B、v以及P到O的距離l，不計重力，求此粒子的電荷q與質量m之比． 圖32 【解析】　粒子初速度v垂直于磁場，粒子在磁場中受洛倫茲力而做勻速圓周運動，設其半徑為R，由洛倫茲力公式和牛頓第二定律，有qvB＝m.① 因粒子經O點時的速度垂直于OP，故OP是直徑，l＝2R.② 由此得＝.③ 【答案】　2v/Bl 章末綜合測評(三)　打開電磁學的大門 (分值：100分　時間：60分鐘) 一、選擇題(本題共8個小題，每小題6分，共48分．在每小題給出的四個選項中，有的小題只有一個選項正確，有的小題有多個選項正確．全部選對的得6分，選不全的得3分，有選錯或不答的得0分．) 1．發(fā)電機和電動機的發(fā)明使人類步入電氣化時代．其中電動機依據的物理原理是(　　) A．磁場對電流的作用　　　 B．磁鐵間的相互作用 C．慣性定律 D．萬有引力定律 【解析】　電動機依據的物理原理是磁場對電流的作用． 【答案】　A 2．關于洛倫茲力的特點下列說法正確的是(　　) A．洛倫茲力既垂直磁場方向又垂直電荷運動方向 B．洛倫茲力是運動電荷在磁場中受到的力，靜止的電荷不會受到洛倫茲力 C．當電荷運動方向和磁場方向相同或相反的時候，電荷不受洛倫茲力 D．只要電荷放在磁場中，就一定受到洛倫茲力 【解析】　靜止的電荷在磁場中不受洛倫茲力，當電荷運動方向與磁場方向平行時，也不受洛倫茲力，故只有D錯誤． 【答案】　ABC 3．來自宇宙的質子流，以與地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一點，則這些質子在進入地球周圍的空間時，將(　　) A．豎直向下沿直線射向地面 B．相對于預定地點，稍向東偏轉 C．相對于預定地點，稍向西偏轉 D．相對于預定地點，稍向北偏轉 【解析】　地球表面地磁場方向由南向北，質子是氫原子核，帶正電．根據左手定則可判定，質子自赤道上空豎直下落過程中受洛倫茲力方向向東． 【答案】　B 4．如圖所示的四個實驗現(xiàn)象中，不能表明電流能產生磁場的是(　　) 甲　　 　乙　　 　丙　　丁 A．圖甲中，導線通電后磁針發(fā)生偏轉 B．圖乙中，通電導線在磁場中受到力的作用 C．圖丙中，當電流方向相同時，導線相互靠近 D．圖丁中，當電流方向相反時，導線相互遠離 【解析】　圖甲中導線通電后小磁針發(fā)生偏轉是導線中電流產生的磁場所至，圖丙、圖丁中兩通電導線間的相互作用，也是一導線電流形成的磁場對另一通電導線產生作用所至，圖乙是通電導線在永磁體的磁場中受安培力作用產生偏離，故選B. 【答案】　B 5．關于回旋加速器，下列說法正確的是(　　) A．回旋加速器是利用磁場對運動電荷的作用使帶電粒子的速度增大的 B．回旋加速器使粒子獲得的最大動能與加速電壓成正比 C．回旋加速器是通過多次電場加速使帶電粒子獲得高能量的 D．帶電粒子在回旋加速器中不斷被加速，因而它做圓周運動一周所用的時間越來越短 【解析】　回旋加速器是利用電場加速，磁場偏轉的，粒子在磁場中運動的時間與運動速度的大小無關，由R＝得vm＝所以 Ekm＝mv＝，即粒子獲得的最大動能與加速電壓無關，故只有C正確． 【答案】　C 6．如圖1所示，水平桌面上放一根條形磁鐵，磁鐵正中央上方吊著跟磁鐵垂直的導線，當導線中通入指向紙內的電流時(　　) 圖1 A．懸線上的拉力將變大 B．懸線上的拉力將不變 C．磁鐵對水平桌面的壓力將變大 D．磁鐵對水平桌面的壓力將不變 【解析】　如圖所示，畫出一條通過導線所在處的磁感線，磁場方向水平向左，由左手定則知，導線受安培力方向豎直向上，所以懸線的拉力將變小，A、B均錯；根據牛頓第三定律可知，通電導線對磁鐵的作用力方向豎直向下，所以磁鐵對桌面壓力增大，C對D錯． 【答案】　C 7．如圖2所示，一根有質量的金屬棒MN，兩端用細軟導線連接后懸掛于a、b兩點．棒的中部處于方向垂直紙面向里的勻強磁場中，棒中通有電流，方向從M流向N，此時是線上有拉力．為了使拉力等于零，可以(　　) 圖2 A．適當減小磁感應強度 B．使磁場反向 C．適當增大電流強度 D．使電流反向 【解析】　由左手定則可知棒MN所受安培力方向豎直向上，此時線上有拉力說明安培力大小小于棒的重力，要使拉力等于零，必須保持安培力的方向不變，增大安培力的大小，所以只有C可能． 【答案】　C 8．一長方形金屬塊放在勻強磁場中，將金屬塊通以電流，磁場方向和電流方向如圖3所示，則在金屬塊兩表面M、N上 (　　) 圖3 A．M集聚了電子 B．M集聚了正電荷 C．N集聚了電子 D．N集聚了正電荷 【解析】　在金屬中自由電子的定向移動形成電流，所以圖中的電流可以看成是相反方向運動的電子流，由左手定則可知電子受洛倫茲力向上，所以M面上聚集了電子． 【答案】　AD 二、非選擇題(本題共4個小題，共52分，解答應寫出必要的文字說明、方程式和重要的演算步驟，只寫出最后答案的不得分．有數值計算的題，答案中應明確寫出數值和單位．) 9．(10分)通電直導線A與圓形通電導線環(huán)B固定放置在同一水平面上，通有如圖4所示的電流時，通電直導線A受到水平向________的安培力作用．當A、B中電流大小保持不變，但同時改變方向時，通電直導線A所受到的安培力方向水平向________． 圖4 【解析】　由圖可知，直導線A位于導線環(huán)B產生的垂直向里的磁場中，根據左手定則，可判斷導線A受到的安培力方向向右．當A、B中的電流方向改變時，A導線處于導線B產生的垂直向外的磁場中，同時導線A的電流方向改變，依據左手定則可以判定，A受安培力仍水平向右． 【答案】　右　右 10．(10分)如圖5所示，勻強磁場的磁感應強度B＝0.5 T，方向 圖5 垂直紙面向外，在紙面內放置長L＝0.5 m的直導線ab，當通以I＝2 A的電流(b→a)時，導線受到的安培力大小為__________，方向為________． 【解析】　由安培力F＝BIL得：F＝0.520.5 N＝0.5 N；再由左手定則可確定方向是垂直導線ab、磁場方向向右． 【答案】　0.5 N　垂直導線和磁場方向向右 11．(16分)一初速度為v的帶電粒子，垂直進入磁感應強度為B的勻強磁場中，已知帶電粒子的質量是m，電量是q，求帶電粒子所受的洛倫茲力和軌道半徑的大小． 【解析】　因為B與v垂直，所以帶電粒子所受的洛倫茲力F＝qvB 由洛倫茲力提供向心力，則qvB＝m 所以r＝. 【答案】　見解析 12．(16分)電磁炮是一種理想的兵器，它的主要原理如圖6所示.1982年澳大利亞國立大學制成了能把2.2 g的彈體(包括金屬桿EF的質量)加速到10 km/s的電磁炮(常規(guī)炮彈的速度約為2 km/s)，若軌道寬2 m，長為100 m，通過的電流為10 A，試問軌道間所加勻強磁場的磁感應強度是多大？(軌道摩擦不計) 圖6 【解析】　由于彈體做勻加速直線運動，由運動學公式v2＝2as 得a＝＝m/s2＝5105 m/s2 由牛頓第二定律得F安＝ma 得F安＝2.210－35105N＝1.1103N 由安培力公式F安＝BIl 得B＝＝T＝55 T. 【答案】　55 T