第11章 第1讲 磁场及其对电流的作用-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版2019）

第1讲　磁场及其对电流的作用 第十一章　磁场 基础知识 自主梳理 核心知识 典例研析 分层训练 巩固提高 考点一　安培定则的应用和磁场的叠加 考点二　安培力的大小和方向 考点三　安培力作用下导体运动的判断 内容索引 考点四　安培力作用下导体的平衡、加速问题 基础知识 自主梳理 一 3 一、磁场、磁感应强度 1．磁场 (1)方向：小磁针的________所受磁场力的方向，即小磁针静止时________所指的方向。 (2)基本性质：磁场对处于其中的磁体、电流和运动电荷有________的作用。 2．磁感应强度 (1)物理意义：描述磁场的强弱和方向。 N极 N极 磁场力 二、磁感线　几种常见的磁场 1．磁感线的特点 (1)磁感线上某点的________方向就是该点的磁场方向。 (2)磁感线的________定性地表示磁场的强弱。 (3)磁感线是________曲线，不________、不相切，没有起点和终点。 (4)磁感线是假想的曲线，客观上并不存在。 切线 疏密 闭合 相交 2．几种常见的磁场 (1)条形磁体和蹄形磁体的磁场(如图所示) (2)电流的磁场 (3)匀强磁场 磁场中各点的磁感应强度的大小________、方向________，磁感线是疏密程度相同、方向相同的平行直线。 (4)地磁场 ①地磁的N极在地理________附近，S极在地理________附近，磁感线分布如图所示。 相等 相同 南极 北极 ②在赤道平面上，距离地球表面高度相等的各点，磁感应强度________，且方向水平____________。 ③地磁场在南半球有竖直向上的分量，在北半球有竖直向下的分量。 相等 向北 三、安培力、安培力的方向　匀强磁场中的安培力 1．安培力的大小 (1)磁场和电流垂直时：F＝________。 (2)磁场和电流平行时：F＝0。 BIl 2．安培力的方向 左手定则判断： (1)伸出左手，让拇指与其余四指________，并且都在同一个平面内。 (2)让磁感线从掌心进入，并使四指指向______方向。 (3)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。 垂直 电流 二 核心知识 典例研析 12 考点一　安培定则的应用和磁场的叠加 基础考点 1．安培定则的理解 在运用安培定则判定直线电流和环形电流的磁场时应分清“因”和“果”。 项目 原因(电流方向) 结果(磁场方向) 直线电流的磁场 大拇指 四指 环形电流的磁场 四指 大拇指 2.解答磁场叠加问题的思路 (1)确定磁场的场源，如已知磁场、通电导线等。 (2)定位空间中磁感应强度待求点的位置，利用安培定则判定各个场源在这一点上产生的磁感应强度的大小和方向。M、N在c点产生的磁感应强度BM、BN如图所示。 (3)应用平行四边形定则进行合成，如图中的合磁场B。 [典例1]　如图所示，直导线AB、螺线管E、电磁铁D三者相距较远，其磁场互不影响，当开关S闭合后，则小磁针北极N(黑色一端)指示磁场方向正确的是(　　) A．a　　　　　　　 B．b C．c D．d C 根据安培定则可判断出电流的磁场方向，再根据小磁针静止时N极的指向为磁场的方向可知C正确。 [典例2]　(2024·四川南充高级中学高三诊断)如图所示，矩形abcd的边长bc是ab的2倍，两细长直导线通有大小相等、方向相反的电流，垂直穿过矩形平面，与平面交于e、f两点，其中e、f分别为ad、bc的中点。下列说法正确的是(　　) A．两导线间相互吸引 B．e、f的中点磁感应强度为0 C．d点与b点的磁感应强度相同 D．d点与c点的磁感应强度相同 C 考点二　安培力的大小和方向 基础考点 1．安培力的大小： F＝IlB sin θ(其中θ为B与I之间的夹角，如图所示)。 (1)两种特殊情况 ①磁场和电流垂直时：F＝BIl。 ②磁场和电流平行时：F＝0。 (2)l是指有效长度 弯曲通电导线的有效长度l等于连接导线两端点的直线的长度，相应的电流方向沿两端点连线由始端流向末端，如图所示。 2．安培力方向：用左手定则判断，注意安培力既垂直于B，也垂直于I，即垂直于B与I决定的平面，B与I不一定垂直。 C 考向2　安培力的方向 [典例4]　(2021·广东卷)截面为正方形的绝缘弹性长管中心有一固定长直导线，长管外表面固定着对称分布的四根平行长直导线。若中心直导线通入电流I1，四根平行直导线均通入电流I2，I1≫I2，电流方向如图所示。下列截面图中可能正确表示通电后长管发生形变的是(　　) C 左右两侧电流与中心电流为同向电流，上下两侧电流与中心电流为反向电流，由同向电流相互吸引、异向电流相互排斥这一结论，可知弹性长管左右两侧受到向里的吸引力，上下两侧受到向外的斥力，则只有C项正确。 考点三　安培力作用下导体运动的判断 基础考点 1．判断导体运动情况的基本思路 (1)弄清楚导体所在位置的磁感线分布情况。 (2)利用左手定则准确判定导体的受力情况。 (3)确定导体的运动方向或运动趋势的方向。 2．五种常用判定方法 结论法 同向平行电流互相吸引，异向平行电流互相排斥；两不平行的直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势 转换研究对象法 定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动或运动趋势的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向 [典例5]　一个可以沿过圆心的水平轴自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合，如图所示。当两线圈中通以图示方向的电流时，从左向右看，线圈L1将(　　) A．不动　　　　　　　 B．顺时针转动 C．逆时针转动 D．在纸面内平动 B 方法一　电流元法 把线圈L1沿水平转动轴分成上、下两部分，每一部分又可以看成无数段直线电流元，电流元处在L2产生的磁场中，根据安培定则可知各电流元所在处的磁场方向向上，由左手定则可知，上半部分电流元所受安培力方向均指向纸外，下半部分电流元所受安培力方向均指向纸内，因此从左向右看，线圈L1将顺时针转动，B正确。 方法二　等效法 把线圈L1等效为小磁针，该小磁针刚好处于环形电流I2的中心，小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向，由安培定则知I2产生的磁场方向在其中心处竖直向上，而L1等效成小磁针后，转动前，N极指向纸内，因此小磁针的N极应由指向纸内转为向上，所以从左向右看，线圈L1将顺时针转动，B正确。 方法三　结论法 环形电流I1、I2不平行，则一定有相对转动，直到两环形电流同向平行为止。据此可知，从左向右看，线圈L1将顺时针转动，B正确。 [典例6]　(2022·江苏卷)如图所示，两根固定的通电长直导线a、b相互垂直，a平行于纸面，电流方向向右，b垂直于纸面，电流方向向里，则导线a所受安培力方向(　　) A．平行于纸面向上 B．平行于纸面向下 C.左半部分垂直纸面向外，右半部分垂直纸面向里 D．左半部分垂直纸面向里，右半部分垂直纸面向外 C 根据安培定则，可判断出导线a左侧部分所在处磁场方向斜向右上方，右侧部分的磁场方向斜向右下方，根据左手定则可判断出左半部分所受安培力垂直纸面向外，右半部分所受安培力垂直纸面向里，故C正确，A、B、D错误。 考点四　安培力作用下导体的平衡、加速问题 能力考点 分析通电导体在磁场中的平衡、加速问题的思路 (1)选定研究对象。一般为某段导体棒(线框)。 (2)受力分析时，变三维图为二维图，如侧视图、剖面图或俯视图等，并画出平面受力分析图，其中安培力的方向要注意F安⊥B、F安⊥I，如图所示。 (3)列平衡方程或牛顿第二定律方程进行求解。 考向1　安培力作用下的平衡问题 [典例7]　(2023·浙江衢州一中期中)如图所示，电阻不计的水平导轨间距为0.5 m，导轨处于方向与水平面成53°角斜向右上方的磁感应强度为5 T的匀强磁场中。导体棒ab垂直于导轨放置且处于静止状态，其质量m＝1 kg，电阻R＝0.9 Ω，与导轨间的动摩擦因数μ＝0.5，电源电动势E＝10 V，其内阻r＝0.1 Ω，定值电阻的阻值R0＝4 Ω。不计定滑轮的摩擦，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，细绳对ab的拉力沿水平方向，重力加速度g取10 m/s2，sin 53°＝0.8，cos 53° ＝0.6，则(　　) A．导体棒ab受到的摩擦力方向一定向右 B．导体棒ab受到的安培力大小为5 N，方向水平向左 C.重物重力G最小值是1.5 N D．重物重力G最大值是7.5 N [答案]　D 考向2　安培力作用下的加速问题 [典例8]　(2023·北京卷)2022年，我国阶段性建成并成功运行 了“电磁撬”，创造了大质量电磁推进技术的世界最高速度 纪录。一种两级导轨式电磁推进的原理如图所示。两平行长 直金属导轨固定在水平面，导轨间垂直安放金属棒。金属棒 可沿导轨无摩擦滑行，且始终与导轨接触良好，电流从一导 轨流入，经过金属棒，再从另一导轨流回，图中电源未画出。 导轨电流在两导轨间产生的磁场可视为匀强磁场，磁感应强度B与电流i的关系式为B＝ki(k为常量)，金属棒被该磁场力推动。当金属棒由第一级区域进入第二级区域时，回路中的电流由I变为2I。已知两导轨内侧间距为L，每一级区域中金属棒被推进的距离均为s，金属棒的质量为m。求： (1)金属棒经过第一级区域时受到安培力的大小； [答案]　(1)kI2L　 (1)由题意可知第一级区域中磁感应强度大小为B1＝kI， 金属棒经过第一级区域时受到安培力的大小为F＝B1IL＝kI2L。 (2)金属棒经过第一、二级区域的加速度大小之比a1∶a2； [答案]　(2)1∶4　 (3)金属棒从静止开始经过两级区域推进后的速度大小。 三 分层训练 巩固提高 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 【A级　夯实基础】 1．(多选)(2023·福建卷)地球本身是一个大磁体，其磁场分布示意图如图所示。学术界对于地磁场的形成机制尚无共识，一种理论认为地磁场主要源于地表电荷随地球自转产生的环形电流。基于此理论，下列判断正确的是(　　) A．地表电荷为负电荷 B．环形电流方向与地球自转方向相同 C．若地表电荷的电量增加，则地磁场强度增大 D．若地球自转角速度减小，则地磁场强度增大 AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 根据右手螺旋定则可知，地表电荷为负电荷，故A正确；由于地表电荷为负电荷，则环形电流方向与地球自转方向相反，故B错误；若地表电荷的电量增加，则等效电流增大，地磁场强度增大，故C正确；若地球自转角速度减小，则等效电流减小，地磁场强度减小，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 4．(多选)(2021·重庆卷)某同学设计了一种天平，其装置如图所示。两相同的同轴圆线圈M、N水平固定，圆线圈P与M、N共轴且平行等距。初始时，线圈M、N通以等大反向的电流后，在线圈P处产生沿半径方向的磁场，线圈P内无电流且天平平衡。设从上往下看顺时针方向为正向。当左托盘放入重物后，要使线圈P仍在原位置且天平平衡，可能的办法是(　　) A．若P处磁场方向沿半径向外，则在P中通入正向电流 B．若P处磁场方向沿半径向外，则在P中通入负向电流 C．若P处磁场方向沿半径向内，则在P中通入正向电流 D．若P处磁场方向沿半径向内，则在P中通入负向电流 BC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 当左托盘放入重物后，要使线圈P仍在原位置且天平平衡，则线圈P需要受到竖直向下的安培力。若P处磁场方向沿半径向外，由左手定则可知，可在P中通入负向电流，选项A错误，B正确；若P处磁场方向沿半径向内，由左手定则可知，可在P中通入正向电流，选项C正确，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 5．一直导线平行于通电螺线管的轴线放置在螺线管的上方，如图所示，如果直导线可以自由地运动且通以方向为由a到b的电流，则导线ab受磁场力后的运动情况为(　　) A．从上向下看顺时针转动并靠近螺线管 B．从上向下看顺时针转动并远离螺线管 C．从上向下看逆时针转动并远离螺线管 D．从上向下看逆时针转动并靠近螺线管 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 先由安培定则判断出通电螺线管的N、S极，确定导线左、右两端磁感应强度的方向，并用左手定则判断这两端受到的安培力的方向，如图甲所示。可以判断导线受磁场力后从上向下看逆时针转动。当导线转过90°时，再分析导线位置的磁场方向，再次用左手定则判断导线所受磁场力的方向，如图乙所示，可知导线还要靠近螺线管，所以D正确，A、B、C错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 6．(多选)实验室经常使用的电流表是磁电式电流表，这种电流表的构造如图甲所示，蹄形磁体和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的。若线圈中通以如图乙所示的电流，则下列说法中正确的是(　　 ) A．在量程内指针转至任一角度，线圈平面 都跟磁感线平行 B．线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线 圈转动 C．当线圈在如图乙所示的位置时，b端受到的安培力方向向上 D．当线圈在如图乙所示的位置时，安培力的作用使线圈沿顺时针方向转动 ABD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 指针在量程内线圈一定处于磁场之中，由于线圈与铁芯共轴，线圈平面总是与磁感线平行，A正确；电表的调零使得当指针处于“0”刻线时，螺旋弹簧处于自然状态，所以无论线圈向哪一方向转动都会使螺旋弹簧产生阻碍线圈转动的力，B正确；由左手定则知，b端受到的安培力方向向下，a端受到的安培力方向向上，安培力将使线圈沿顺时针方向转动，C错误，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 7.(2023·广东深圳高三期末)反亥姆霍兹线圈是冷原子实验室中的科研装置，结构如图所示。一对完全相同的圆形线圈，共轴放置。已知O为装置中心点，a、b、c、d点到O点距离相等，直线dOb与线圈轴线重合，直线cOa与轴线垂直。现两线圈内通入大小相等且方向相反的电流，则(　　) A．两线圈间为匀强磁场 B．O点的磁感应强度为零 C．a、c两点的磁感应强度相同 D．b、d两点的磁感应强度相同 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 根据安培定则，左侧线圈产生的磁场在b、d点处的磁感应强度方向整体向右，右侧线圈产生的磁场在b、d点处的磁感应强度方向整体向左，由于两线圈内通入的电流大小相等，根据对称性可知，两线圈在O点产生的磁场的磁感应强度大小相等，方向相反，则O点的磁感应强度为零，B正确；根据上述O点的磁感应强度为零，可知两线圈间的磁场不是匀强磁场，A错误；根据环形电流磁场的磁感线分布规律可知，左侧线圈在a点的磁场方向斜向右下方，在c点的磁场方向斜向右上方，右侧线圈在a点的磁场方向斜向左下方，在c点的磁场方向斜向左上方，根据对称性结合磁场叠加可知，两线圈在a、c两点的磁感应强度大小相等，方向相反，即a、c两点的磁感应强度不相同，C错误；根据环形电流磁场的磁感线分布规律可知，左侧线圈在b、d两点的磁场方向均向右，右侧线圈在b、 d两点的磁场方向均向左，根据对称性结合磁场叠加可知，b、d两 点的磁感应强度大小相等，方向相反，即b、d两点的磁感应强度不 相同，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 8.(2023·四川眉山高三期末诊断)如图所示，两个完全相同、互相垂直的导体圆环Q、P(Q平行于纸面，P垂直于纸面)中间用绝缘细线连接，通过另一绝缘细线悬挂在天花板下，当Q有垂直纸面往里看逆时针方向的电流、同时P有从右往左看逆时针方向的电流时，关于两圆环的转动(从上向下看)以及细线中拉力的变化，下列说法中正确的是(　　) A．Q逆时针转动，P顺时针转动，Q、P间细线拉力变小 B．Q逆时针转动，P顺时针转动，Q、P间细线拉力变大 C．Q顺时针转动，P逆时针转动，Q、P间细线拉力变小 D．Q顺时针转动，P逆时针转动，Q、P间细线拉力变大 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 根据安培定则，Q产生的磁场的方向垂直于纸面向外，P产生的磁场方向水平向右，将Q等效成S极在里、N极在外的小磁针，P等效成左侧S极、右侧N极的小磁针，根据同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引的特点，P将逆时针转动，Q顺时针转动；转动后P、Q两环相互靠近处的电流的方向相同，所以两个线圈相互吸引，细线张力减小，故C正确，A、B、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 10.(2023·江苏镇江模拟)如图甲，两根长度和质量都相同的金属直导线ab、cd用绝缘丝线连接，再用绝缘丝线将ab悬挂在水平细杆上，细杆、直导线均水平，ab、cd中通有相同大小的电流，方向如图所示，两根导线的质量均为m，重力加速度为g，不考虑两导线之间的安培力作用。现在两导线所在空间施加与导线垂直斜向上的匀强磁场，磁场方向与竖直方向间夹角为30°，其截面图如图乙。 下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 由左手定则和安培力公式可知，磁场对ab的安培力与对cd的安培力等大反向，将导线ab、cd(含两者间丝线)看作一个整体，则悬挂导线ab的丝线拉力与整体的重力方向在一条直线上，如图(a)，故应保持竖直，故A错误； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 由整体法可知，上方丝线拉力大小等于整体的重力大小2mg，故B错误；增大磁感应强度，磁场对ab的安培力与对cd的安培力仍然等大反向，上面丝线上的拉力大小与整体重力相等，等于2mg，故C错误；增大匀强磁场的磁感应强度大小，则cd导线所受安培力方向不变，大小增大，由三角形定则[如图(b)]可知，拉力方向与竖直方向夹角增大，所以下面丝线与竖直方向间夹角增大，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 11．(2023·重庆北碚高三期末)如图甲所示为安装在某特高压输电线路上的一个六分导线间隔棒，图乙为其截面图。间隔棒将6条输电导线分别固定在一个正六边形的顶点a、b、c、d、e、f上，O为正六边形的中心。已知通电导线在周围形成磁场的磁感应强度与电流大小成正比，与到导线的距离成反比。某时刻，6条输电导线中通以垂直纸面向外、大小相等的电流，其中a导线中的电流对b导线中电流的安培力大小为F，该时刻(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A．O点的磁感应强度方向垂直于cf向下 B．b、c、d、e、f处5根导线在a处产生磁场磁感应强度方向沿aO，由a指向O C．c导线所受安培力方向沿Oc指向c D．a导线所受安培力为2.5F 答案：D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 根据安培定则，a、d 两条导线在O点的磁感应强度等大反向，b、e两条导线在O点的磁感应强度等大反向， c、f两条导线在O点的磁感应强度等大反向，所以O点的磁感应强度为零，A错误；根据安培定则，b、c、d、e、f处5根导线在a处产生磁场磁感应强度方向如图所示，设b在a处产生的磁感应强度大小为B，则f在a处产生的磁感 应强度大小为B，c、e在a处产生的磁感应强度大小 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 $$