（北京專用）2020版高考物理大一輪復習 專題十一 磁場課件.ppt

考點清單,考點一磁場、安培力 考向基礎 一、磁場的描述及特點 1.常見磁體的磁場,2.常見電流的磁場,3.磁感應強度,4.地磁場的主要特點 地球的磁場與條形磁鐵的磁場相似,其主要特點有三個: (1)地磁場的N極在地球地理南極附近,S極在地球地理北極附近。磁感線分布如圖所示。 (2)地磁場B的水平分量(Bx)總是由南指向北(地球外部);而豎直分量(By),在南半球垂直地面向上,在北半球垂直地面向下。 (3)在赤道平面上,距離地球表面高度相等的各點,磁感應強度相等,且方向水平向北。 5.磁感應強度B與電場強度E的比較,6.磁感線與電場線的比較,二、安培力 1.方向:根據(jù)左手定則判斷。,2.大小:F=BIL sin (其中為B與I之間的夾角)。 (1)若磁場和電流垂直:F=BIL; (2)若磁場和電流平行:F=0。 考向突破 考向安培力及其作用下的平衡問題 1.安培力的方向特點:無論電流是否與磁場垂直,電流所受的安培力的方向既跟磁場方向垂直,又跟電流方向垂直,所以安培力的方向總是垂直于磁感線和通電導線所確定的平面。 2.求解安培力作用下通電導體平衡問題的基本思路,3.求解關鍵 (1)電磁問題力學化。 (2)立體圖形平面化。,例1如圖所示,光滑平行導軌寬為L,軌道平面與水平面成角,放在豎直向上的勻強磁場中,磁感應強度為B,質量為m的金屬棒ab垂直于導軌放在軌道平面上。 (1)若保持棒靜止不動,棒中應通何方向多大的電流? (2)若磁場的方向改為垂直斜面向上,棒中應通何方向多大的電流?,解析(1)磁感應強度B豎直向上時,選金屬棒ab為研究對象,將三維立體圖轉化為二維平面圖,如圖1,是從b向a方向看過去的平面受力圖,注意F安B,所以安培力的方向應為水平向右 圖1 根據(jù)左手定則判定電流方向為ba F安=mg tan =BIL 則I=,(2)磁感應強度B垂直斜面向上時,選金屬棒ab為研究對象,將三維立體圖轉化為二維平面圖,如圖2,是從b往a方向看過去的平面受力圖,注意F安B,所以F安方向應為沿斜面向上 根據(jù)左手定則判定,電流方向為ba F安=mg sin =BIL 則I= 圖2,答案(1)電流方向為ba(2)電流方向為ba,考點二磁場對運動電荷的作用 考向基礎 一、洛倫茲力 1.洛倫茲力:磁場對運動電荷的作用力叫洛倫茲力。 2.洛倫茲力的方向 (1)判定方法:左手定則。 (2)方向特點:FB,Fv,即F垂直于B和v決定的平面。 3.洛倫茲力的大小 (1)vB時,洛倫茲力F=0。(=0或=180) (2)vB時,洛倫茲力F=qvB。(=90) (3)v=0時,洛倫茲力F=0。,4.洛倫茲力和安培力的關系 洛倫茲力是單個運動電荷在磁場中受到的力,而安培力是導體中所有定向移動的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。 5.洛倫茲力的推導 如圖所示,直導線長為L,橫截面積為S,單位體積內含有的自由電荷數(shù)為n,每個自由電荷的電荷量為q,運動速度為v,則,安培力F=BIL=NF洛(N是長為L的這段導線所含有的自由電荷總數(shù)) 所以洛倫茲力F洛= 因為I=nqSv 所以F洛=qvB,公式中N=nSL,故F洛=qvB,6.洛倫茲力與電場力的比較,二、帶電粒子在勻強磁場中的運動形式,三、帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動 1.條件:vB。 2.解題方法及相關公式 解題方法:洛倫茲力作為向心力 qvB=m 半徑R=。 周期T=,與v、R無關。,粒子運動一段圓弧所對圓心角為時,所用時間t=T= (l為圓心角對應的弧長)。 考向突破 考向帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動 1.帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的分析策略,2.帶電粒子做勻速圓周運動的圓心、半徑及運動時間的確定,例2顯像管是舊式電視機的主要部件,顯像管的簡要工作原理是陰極K發(fā)射的電子束經電場加速后,進入放置在其頸部的偏轉線圈形成的偏轉磁場,發(fā)生偏轉后的電子轟擊熒光屏,使熒光粉受激發(fā)而發(fā)光,圖(a)為電視機顯像管結構簡圖。 顯像管的工作原理圖可簡化為圖(b)。其中加速電場方向、矩形偏轉磁場區(qū)域邊界MN和PQ均與OO平行,熒光屏與OO垂直。磁場可簡化為有界的勻強磁場,MN=4d,MP=2d,方向垂直紙面向里,其右邊界NQ到屏的距離為L。 若陰極K逸出的電子(其初速度可忽略不計)質量為m,電荷量為e,從O點進入電壓為U的電場,經加速后再從MP的中點射入磁場,恰好從Q點飛出,最終打在熒光屏上。,圖(a) 圖(b),(1)求電子進入磁場時的速度大小; (2)求偏轉磁場磁感應強度B的大小以及電子到達熒光屏時偏離中心O點的距離。,解析(1)由動能定理有:eU=mv2 得v= (2)如圖,確定圓心為O1,由幾何關系有: (R-d)2+(4d)2=R2 解得:R= 電子做圓周運動,由牛頓運動定律: evB= 解得:B= 由幾何關系有:=,解得:EF= 所以偏移距離為Y=d+,答案(1)(2)d+,解題思路本題考查的是電子在電場中的加速以及在磁場中的偏轉問題,分析電子在磁場中的勻速圓周運動,關鍵是找到圓心和半徑,結合洛倫茲力提供向心力列方程求解。,考點三帶電粒子在復合場中的運動 考向基礎 一、復合場基本知識 1.復合場:電場、磁場、重力場共存,或其中某兩種場共存。 2.組合場:電場與磁場各位于一定的區(qū)域內,并不重疊,或在一定區(qū)域內電場、磁場交替出現(xiàn)。 3.電子、質子、粒子、離子等微觀粒子在復合場中運動時,一般都不計重力,但質量較大的質點(如帶電塵粒、液滴、小球)在復合場中運動時,一般不能忽略重力。,二、三種場的比較,考向突破 考向一帶電粒子在復合場中的運動問題 1.帶電粒子在勻強電場和勻強磁場中偏轉的比較,2.思路方法圖,例3如圖所示,在熒光屏的左側空間存在相互垂直的勻強電場和勻強磁場,電場方向豎直向下,電場強度為E=2103 N/C,磁場方向垂直紙面向里,磁感應強度為B=0.2 T。場中A點與熒光屏的距離為L=0.4 m。一個帶正電的粒子,從A點以某一速度垂直射向熒光屏,恰好能夠做勻速直線運動,打在屏上的O點(不計粒子重力)。 (1)求粒子做勻速直線運動的速度大小v; (2)若撤去磁場,保持電場不變,粒子只在電場力的作用下運動,打在屏上的位置距O點的距離y1=0.16 m,求粒子的比荷; (3)若撤去電場,保持磁場不變,粒子只在磁場力的作用下運動,求打在屏上的位置與O點的距離y2。,解析(1)由于帶電粒子在電場和磁場中恰好做勻速直線運動,所以qvB=qE 解得v=1104 m/s (2)帶電粒子在電場中做類平拋運動, 垂直電場方向做勻速直線運動:t= 平行電場方向做勻加速直線運動: y1=at2 a= 聯(lián)立解得=1105 C/kg,(3)帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動,軌跡如圖, 洛倫茲力提供向心力qvB=m 解得R=0.5 m 由圖得,R2=L2+(R-y2)2 聯(lián)立解得y2=0.2 m,答案(1)1104 m/s(2)1105 C/kg(3)0.2 m,考向二磁場中的論證問題,例4在某項科研實驗中,需要將電離后得到的氫離子(質量為m、電荷量為+e)和氦離子(質量為4m、電荷量為+2e)的混合粒子進行分離。小李同學嘗試設計了如圖甲所示的方案:首先他設計了一個加速離子的裝置,讓從離子發(fā)生器逸出的離子經過P、Q兩平行板間的電場加速獲得一定的速度,通過極板上的小孔S后進入Q板右側的勻強磁場中,經磁場偏轉到達磁場邊界的不同位置,被離子接收器D接收從而實現(xiàn)分離。P、Q間的電壓為U,磁場的磁感應強度大小為B,方向垂直于紙面向里,裝置放置在真空環(huán)境中,不計離子之間的相互作用力及所受的重力,且離子進入加速裝置時的速度可忽略不計。求:,(1)氫離子進入磁場時的速度大小; (2)氫、氦離子在磁場中運動的半徑之比,并根據(jù)計算結果說明該方案是否能將兩種離子分離; (3)小王同學設計了如圖乙所示的另一方案:在Q板右側空間中將磁場更,換為勻強電場,場強大小為E,離子垂直進入電場。請你論證該方案能否將兩種離子分離。,解析(1)氫離子在電場中加速,由動能定理有: Ue=m 解得:vH= (2)電荷量為q、質量為m的正離子在磁場中做勻速圓周運動時,洛倫茲力提供向心力,則: Bqv=m v= 解得:r= 則氫、氦離子在磁場中運動的半徑之比為r1r2=1,由此可見,離子在磁場中運動的半徑與離子的比荷有關,氫、氦離子到達離子接收器的位置不同,可以分開。 (3)電荷量為q、質量為m的正離子垂直進入勻強電場中后,在入射方向上做勻速直線運動,當在水平方向上運動位移為x時,其運動時間為t= v= 離子在電場方向做勻加速運動,加速度a= 沿電場方向的偏轉位移為:y=at2 聯(lián)立解得:y= 由此可見,氫、氦兩種離子在電場運動過程中,側向位移y與離子的比荷,無關,即兩種離子在電場中運動的軌跡相同,所以該方案不能將兩種正離子分離。,答案見解析,圖c中t=T= (2)平行邊界,粒子進出磁場通常存在臨界條件 圖a中t1=,t2= 圖b中t=,圖c中t=T= 圖d中t=T= (3)圓形有界磁場 沿徑向射入圓形磁場必沿徑向射出,運動具有對稱性 r= t=T= +=90,如圖所示為磁聚焦現(xiàn)象 2.兩種有效處理方法 (1)放縮圓法 適用條件 a.速度方向一定,大小不同 粒子源發(fā)射速度方向一定,大小不同的帶電粒子進入勻強磁場時,這些,帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的軌跡半徑隨速度的變化而變化。 b.軌跡圓圓心共線 如圖所示(圖中只畫出粒子帶正電的情景),速度v越大,運動半徑也越大?？梢园l(fā)現(xiàn)這些帶電粒子射入磁場后,它們運動軌跡的圓心在垂直初速度方向的直線PP上。,界定方法 以入射點P為定點,圓心位于PP直線上,將半徑放縮作軌跡,從而探索出臨界條件,這種方法稱為“放縮圓法”。 例1如圖所示,寬度為d的勻強有界磁場,磁感應強度為B,MM和NN是磁場左右的兩條邊界線?，F(xiàn)有一質量為m、電荷量為+q的帶電粒子沿圖示方向垂直射入磁場中,=45。要使粒子不能從右邊界NN射出,求粒子入射速率的最大值為多少?,解析用“放縮圓法”作出帶電粒子運動的軌跡如圖所示,當其運動軌跡與NN邊界線相切于P點時,這就是具有最大入射速率vmax的粒子的軌跡。由圖可知:Rmax(1-cos 45)=d,又Bqvmax=m,聯(lián)立可得vmax= 。,答案,(2)平移圓法 適用條件 a.速度大小一定,方向不同 粒子源發(fā)射速度大小一定、方向不同的帶電粒子進入勻強磁場時,它們在磁場中做勻速圓周運動的半徑相同,若射入初速度為v0,則圓周運動半徑為R=。如圖所示。,b.軌跡圓圓心共圓 帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的圓心在以入射點P為圓心、半徑R=的圓(這個圓在下面的敘述中稱為“軌跡圓心圓”)上。 界定方法 將一半徑為R=的圓沿著“軌跡圓心圓”平移,從而探索出臨界條 件,這種方法稱為“平移圓法”。,例2如圖,真空室內存在勻強磁場,磁場方向垂直于紙面向里,磁感應強度的大小B=0.60 T。磁場內有一塊平面感光板ab,板面與磁場方向平行。在距ab為l=16 cm處,有一個點狀的粒子放射源S,它向各個方向發(fā)射粒子,粒子的速率都是v=3.0106 m/s。已知粒子的電荷量與質量之比=5.0107 C/kg?，F(xiàn)只考慮在紙面內運動的粒子,求ab板上被粒 子打中區(qū)域的長度。,解析 粒子帶正電,故在磁場中沿逆時針方向做勻速圓周運動。用R表示軌跡半徑,有qvB=m, 由此得R=, 代入數(shù)值得R=10 cm,可見2RlR。 因朝不同方向發(fā)射的 粒子的圓軌跡都過S,由此可知,某一圓軌跡在圖中N左側與ab相切,則此切點P1就是 粒子能打中的左側最遠點。為確定P1點的位置,可作平行于ab的直線cd,cd到ab的距離為R,以S為圓心,R為半徑,作圓弧交cd于Q點,過Q作ab的垂線,它與ab的交點即P1。則NP1=。,再考慮N的右側。任何 粒子在運動中離S的距離不可能超過2R,以2R為半徑、S為圓心作圓弧,交ab于N右側的P2點,此即右側能打到的最遠點。 由圖中幾何關系得 NP2=,所求長度為P1P2=NP1+NP2, 代入數(shù)值得 P1P2=20 cm。,答案20 cm,方法2巧用qE=qvB分析帶電粒子在復合場中的應用實例 1.速度選擇器 如圖所示,當帶正電粒子從左側平行于極板射入時,帶電粒子同時受到電場力F電和洛倫茲力F洛作用,當兩者等大反向時,粒子不偏轉而是沿直線做勻速運動,qE=qvB, 所以粒子以v=的速度沿垂直于磁場和電場的 方向射入正交的電場、磁場中就不發(fā)生偏轉。速度選擇器只選擇某一特定速度的粒子,與粒子的電性、電荷量、質量無關(不計重力)。,2.磁流體發(fā)電機(如圖所示),磁流體發(fā)電機的原理是:等離子氣體噴入磁場,正、負離子在洛倫茲力的作用下發(fā)生上下偏轉而聚集到A、B板上,產生電勢差,設A、B平行金屬板的面積為S,相距為L,等離子體的電阻率為,噴入氣體速度為v,板間磁場的磁感應強度為B,板外電阻為R,當?shù)入x子氣體勻速通過A、B板間時,A、B板上聚集的電荷最多,板間電勢差最大,即電源電動勢,此時離子,受力平衡,E場q=qvB,E場=vB,電動勢E=E場L=BLv,電源內電阻r=,所以R 中電流I=。 3.電磁流量計 電磁流量計原理可解釋為:如圖所示,一圓柱形導管直徑為d,用非磁性材料制成,其中有可以導電的液體向左流動,導電液體中的自由電荷(正負離子)在洛倫茲力作用下偏轉,a、b間出現(xiàn)電勢差,當自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時,a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定,由qBv=qE=q,可得 v=,流量Q=Sv=,即流量QU,將電壓表表盤相應地換 成流量計表盤則制成流量計。,4.霍爾效應 (1)如圖,厚度為h,寬度為d的導體板放在垂直于它的磁感應強度為B的勻強磁場中,當電流通過導體板時,在導體板的上側面A和下側面A之間會產生電勢差,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應,實驗表明,當磁場不太強時,電勢差U、電流I和B的關系為U=k,式中的比例系數(shù)k稱為霍爾系數(shù),霍爾效 應可解釋為外部磁場使運動的電子受洛倫茲力聚集在導體板的一側,在,導體板的另一側會出現(xiàn)正電荷,從而形成電場,電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力,當靜電力與洛倫茲力達到平衡時,導體板上下兩側之間會形成穩(wěn)定的電勢差。 (2)磁強計是利用霍爾效應來測量磁感應強度B的儀器。其原理可解釋為:如圖所示,一塊導體接上a、b、e、f四個電極,將導體放在勻強磁場,之中,a、b間通以電流I,e、f間就會出現(xiàn)電勢差,只要測出e、f間的電勢差U,就可測得B。 設e、f間電勢差已達穩(wěn)定,則U=EL。 此時導電的自由電荷受到的電場力與洛倫茲力相平衡 Bqv=Eq,式中v為自由電荷的定向移動速度。由此可知,B= 設導體中單位體積內的自由電荷數(shù)為n,則電流I=nqSv, 式中S為導體橫截面積,S=Ld, 因此v=,得B= 由此可知BU。這樣只要將裝置先在已知磁場中定出標度,就可通過測定U來確定B的大小了。,例3在如圖所示的平行板器件中,電場強度E和磁感應強度B相互垂直,兩平行板水平放置。具有不同水平速度的帶電粒子射入后發(fā)生偏轉的情況不同。這種裝置能把具有某一特定速度的粒子選擇出來,所以叫做速度選擇器?，F(xiàn)有一束帶電粒子以速度v0從左端水平射入,不計粒子重力。下列判斷正確的是() A.若粒子帶正電且速度v0=,則粒子將沿圖中虛線方向通過速度選擇,器 B.若粒子帶負電且速度v0=,則粒子將偏離虛線方向向上做曲線運動 C.若粒子帶正電且速度v0,則粒子將偏離虛線方向向上做曲線運動,解析不計重力,帶正電粒子受豎直向下的電場力Eq,豎直向上的洛倫茲力Bqv0。當Eq=Bqv0時,即v0=時,粒子沿直線通過速度選擇器,A正 確。帶負電粒子如果以v0=進入速度選擇器,所受豎直向上的電場力 與豎直向下的洛倫茲力平衡,粒子沿直線通過速度選擇器,B錯。如果v0Bqv0,帶正電粒子向下偏轉,帶負電粒子向上偏轉;如果v0, 即Eq<Bqv0,帶正電粒子向上偏轉,帶負電粒子向下偏轉。C、D錯誤。,答案A,例4如圖所示是磁流體發(fā)電機的示意圖,兩平行金屬板P、Q之間有一個很強的磁場。一束等離子體(即高溫下電離的氣體,含有大量正、負帶電粒子,不計粒子重力)沿垂直于磁場的方向噴入磁場,把P、Q與電阻R相連接,忽略其他元件阻值。下列說法正確的是(),A.Q板的電勢高于P板的電勢 B.R中有由b向a方向的電流 C.若只改變磁場強弱,R中電流保持不變 D.若只增大粒子入射速度,R中電流增大,解析等離子體進入磁場,根據(jù)左手定則,正電荷向上偏,打在P板上,負電荷向下偏,打在Q板上,所以P板帶正電,Q板帶負電,則P板的電勢高于Q板的電勢,流過電阻的電流方向為由a到b,故A、B錯誤;依據(jù)P、Q間電壓最大時電場力等于洛倫茲力,即q=qvB,則有U=Bdv,再由歐姆定律, 有I=,R中電流與磁感應強度成正比,故C錯誤;由以上分析可知, 若只增大粒子入射速度,R中電流也會增大,故D正確。,答案D,思路點撥等離子體垂直于磁場方向進入磁場,受到洛倫茲力作用,發(fā)生偏轉,打到極板上,使兩極板間形成電勢差,不計重力,當粒子所受電場力與洛倫茲力相等時,等離子體受力平衡,不再發(fā)生偏轉。根據(jù)極板的正負判斷電勢的高低以及電流的流向。,