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高中物理 第5章 磁場(chǎng)學(xué)案 魯科版選修3-1

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1、 第5章 磁場(chǎng) 知識(shí)整合與階段檢測(cè) 專題一 用安培定則判定電流磁場(chǎng)的方向 磁場(chǎng)是一種看不見(jiàn)、摸不著、存在于電流或磁體周圍的一種特殊物質(zhì),它傳遞著磁相互作用。電流與磁體、電流與電流、磁體與磁體都是通過(guò)磁場(chǎng)相互作用的。要研究電流對(duì)磁體或電流對(duì)電流的作用,就必須依據(jù)安培定則判定電流的磁場(chǎng)方向。應(yīng)用安培定則(又稱右手螺旋定則)判定電流磁場(chǎng)時(shí)注意以下兩點(diǎn): (1)判斷直線電流的磁場(chǎng)時(shí),大拇指指電流方向,四指彎曲的方向表示磁感線的方向;判定環(huán)形電流和通電螺線管的磁場(chǎng)時(shí),四指指電流方向,而大拇指沿中心軸線指磁場(chǎng)方向。 (2)對(duì)電荷定向運(yùn)動(dòng)形成的等效電流,判斷時(shí)注意等效電流的方向與電荷定向運(yùn)動(dòng)

2、的方向不一定一致。對(duì)正電荷,定向運(yùn)動(dòng)的方向即等效電流的方向;對(duì)負(fù)電荷,等效電流方向?yàn)殡姾蛇\(yùn)動(dòng)的反方向。 [例證1] 如圖5-1所示,放在螺線管內(nèi)部中間處的小磁針,當(dāng)開(kāi)關(guān)S 閉合時(shí),小磁針應(yīng)怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)? 圖5-1    [解析] 小磁針處于螺線管內(nèi)部,能繞水平軸在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)S閉合時(shí),根據(jù)通過(guò)螺線管的電流方向,利用安培定則,可知螺線管內(nèi)部的磁感線方向自左向右,所以小磁針將沿順時(shí)針?lè)较蚶@水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°角,當(dāng)小磁針的N極與所在處磁感線方向相同后,靜止在如圖

3、5-2所示的位置。 圖5-2 [答案] 見(jiàn)解析 專題二 學(xué)習(xí)磁通量要注意的幾個(gè)問(wèn)題 在同一磁場(chǎng)中,磁感線越密的地方,也就是穿過(guò)垂直磁場(chǎng)方向的單位面積的磁感線條數(shù)越多的地方,磁感應(yīng)強(qiáng)度B越大。B越大,垂直面積S越大,則穿過(guò)這個(gè)面的磁感線條數(shù)就越多,磁通量就越大。所以磁通量反映穿過(guò)某一面積的磁感線條數(shù)的多少。在具體學(xué)習(xí)磁通量時(shí),要注意以下幾個(gè)問(wèn)題: 1.磁通量的正負(fù)問(wèn)題 磁通量是標(biāo)量,但有正負(fù)之分。磁通量的正負(fù)不代表大小,只反映磁通量是怎么穿過(guò)某一平面的,若規(guī)定向里穿過(guò)某一平面的磁通量為正,則向外為負(fù)。尤其在計(jì)算磁通量變化時(shí)更應(yīng)注意。 2.有效面積問(wèn)題 定義式Φ=BS中的面積S指的

4、是垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向的面積,如果平面跟磁場(chǎng)方向不垂直,應(yīng)取垂直磁場(chǎng)方向上的投影面積,即為有效面積。 3.凈磁通問(wèn)題 若穿過(guò)某一平面的磁感線既有穿出的又有穿入的,則穿過(guò)該平面的合磁通量為凈磁感線的條數(shù),即凈磁通。 4.多匝線圈問(wèn)題 從磁通量的定義中可以看出,穿過(guò)某一面積的磁通量是由穿過(guò)該面積的磁感線條數(shù)的多少?zèng)Q定的,所以,只要n匝線圈的面積相同,放置情況也相同,n匝線圈與單匝線圈的磁通量相同。 5.磁通量的變化ΔΦ 公式:ΔΦ=BΔScosθ=SΔBcosθ=BSΔ(cosθ)。 可見(jiàn)磁通量Φ是由B、S及角度θ共同決定的,磁通量的變化情況應(yīng)從這三個(gè)方面去考慮。 [例證2] 矩形線

5、框abcd的邊長(zhǎng)分別為l1、l2,可繞它的一條對(duì)稱軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng),勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向與OO′垂直,初位置時(shí)線圈平面與B平行,如圖5-3所示。 圖5-3 (1)初位置時(shí)穿過(guò)線框的磁通量Φ0為多少? (2)當(dāng)線框沿圖5-3所示方向繞過(guò)60°時(shí),磁通量Φ2為多少?這一過(guò)程中磁通量的變化ΔΦ1為多少? (3)當(dāng)線框繞軸沿圖示方向由(2)中的位置再轉(zhuǎn)過(guò)60°位置時(shí),磁通量Φ3為多少?這一過(guò)程中ΔΦ2=Φ3-Φ2為多少? [解析] (1)當(dāng)處于圖5-3

6、所示位置時(shí),從俯視圖可看出沒(méi)有磁感線穿過(guò)矩形線框,故Φ0=0。 (2)當(dāng)繞軸(從上往下看)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)60°到a′d′位置時(shí),線框與B的夾角θ=60°。   所以Φ2=B·Ssin 60°=BS ΔΦ1=Φ2-Φ0=BS。 (3)當(dāng)再由a′d′位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)60°時(shí),到a″d″,這時(shí)線框與B方向成120°角。 所以Φ3=B·Ssin 120°=BS, ΔΦ2=Φ3-Φ2=BS-BS=0。 注意:a′d′位置和a″b″位置時(shí),穿過(guò)線框磁通量的方向沒(méi)有發(fā)生變化。 [答案] 見(jiàn)解析 [例證3] 一橫截面積為S、匝數(shù)為100匝的直螺線管,放置在平行于螺線管軸線的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁感應(yīng)

7、強(qiáng)度為B,則穿過(guò)此螺線管的磁通量是多少?若拆除50匝,穿過(guò)此螺線管的磁通量又是多少? [解析] 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,當(dāng)直螺線管的橫截面與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),各線圈的面積相同,放置情況也相同,則100匝、50匝的螺線管和單匝線圈的磁通量相同,都為BS。 [答案] BS BS 1.如圖5-4所示為通電螺線管的縱截面,“?” “⊙”分別表示導(dǎo)線中電流垂直紙面流進(jìn)、流出,則螺線管內(nèi)部和外部a、b、c三個(gè)位置上小磁針靜止時(shí)N極指向是(  ) 圖5-4 A.均向右       B.均向左 C.a(chǎn)、b向左,c

8、向右 D.a(chǎn)、c向右,b向左 解析:根據(jù)安培定則,可判知a、b處的磁場(chǎng)方向都向左,c處磁場(chǎng)方向向右,所以a、b處小磁針靜止時(shí)N極都指向左,c處小磁針靜止時(shí)N極指向右,故A、B、D錯(cuò),C對(duì)。 答案:C 2.如圖5-5所示,一個(gè)單匝線圈abcd水平放置,面積為S,有一半面積處在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。當(dāng)線圈以ab邊為軸轉(zhuǎn)過(guò)30°和60°時(shí),穿過(guò)線圈的磁通量分別是多少? 圖5-5 解析:當(dāng)線圈分別轉(zhuǎn)過(guò)30°和60°時(shí),線圈平面在垂直于磁場(chǎng)方向的有效面積相同,所以磁通量也相同,都等于BS。 答案:BS BS 一、選擇題(

9、本題共9小題,每小題8分,共72分,每小題至少有一個(gè)選項(xiàng)符合題意,多選、錯(cuò)選不得分,選對(duì)但選不全得4分) 1.下列說(shuō)法正確的是(  ) A. 磁感線從磁體的S極出發(fā),終止于磁體的N極 B.磁感線可以表示磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱 C.磁鐵能產(chǎn)生磁場(chǎng),電流也能產(chǎn)生磁場(chǎng) D.放入通電螺線管內(nèi)的小磁針,根據(jù)異名磁極相吸的原則,小磁針的N極一定指向通電螺線管的S極 解析: 磁感線是閉合曲線,可以表示磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱;磁鐵和電流都能產(chǎn)生磁場(chǎng);在通電螺線管內(nèi)部,磁感線方向從S極指向N極,則小磁針的N極指向通電螺線管的N極。正確選項(xiàng)為B、C。 答案:BC 2.關(guān)于磁通量、磁通密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度,下列說(shuō)法

10、正確的是 (  ) A.磁感應(yīng)強(qiáng)度越大的地方,磁通量越大 B.穿過(guò)某線圈的磁通量為零時(shí),由B=可知磁通密度為零 C.磁通密度越大,磁感應(yīng)強(qiáng)度越大 D.磁感應(yīng)強(qiáng)度在數(shù)值上等于1 m2的面積上穿過(guò)的磁通量 解析:引起磁通量變化有三個(gè)方面的因素,包括磁感應(yīng)強(qiáng)度B,橫截面積S,還有磁感應(yīng)強(qiáng)度和橫截面積S的夾角θ。因此看磁通量的變化一定要考慮全面,所以A、B都是錯(cuò)誤的,而磁通密度就是磁感應(yīng)強(qiáng)度,所以C項(xiàng)正確。對(duì)于一個(gè)確定的磁場(chǎng)B,穿過(guò)1 m2面積的最大磁通量就是在數(shù)值上等于磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小,所以D項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案:C 3.一根長(zhǎng)直導(dǎo)線中有穩(wěn)恒電流,下列說(shuō)法中正確的是(  ) A.此直線電流

11、周圍的磁場(chǎng)不是勻強(qiáng)磁場(chǎng) B.此磁場(chǎng)的磁感線是一些以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓,磁感線的疏密程度一樣 C.直線電流的方向與它的磁感線的方向之間的關(guān)系可以用安培定則來(lái)判定 D.直線電流周圍的磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng) 解析:直線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感線是一些以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓,磁感線的疏密程度不同。故A、C項(xiàng)正確。 答案:AC 4. 如圖1所示,假設(shè)將一個(gè)小磁針?lè)旁诘厍虻谋睒O點(diǎn)上,那么小磁針的N極將(  ) A.指北       B.指南 圖1 C.豎直向上 D.豎直向下 解析:地球的地理北極點(diǎn)可以近似地認(rèn)為與地磁的南極重合,根據(jù)磁體的同性相斥,

12、異性相吸,所以地磁的南極(地理北極)點(diǎn)吸引小磁針的N極,排斥小磁針的S極,所以小磁針的N極將豎直向下,故A、B、C錯(cuò),D正確。 答案:D 5. 在圖2中,已標(biāo)出電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向,其中符合安培定則的是(  ) 圖2 解析:根據(jù)安培定則可知A中電流應(yīng)向里,故A錯(cuò)。D中內(nèi)部磁感線方向應(yīng)向右,故D錯(cuò)。B、C項(xiàng)正確。 答案:BC 6. 如圖3所示,通有恒定電流的導(dǎo)線MN與閉合金屬框共面,第一次將金屬框由Ⅰ平移到Ⅱ,第二次將金屬框繞cd邊翻轉(zhuǎn)到Ⅱ,設(shè)先后兩次通過(guò)金屬框的磁通量變化分別為ΔΦ1和ΔΦ2,則(  ) 圖3 A.ΔΦ1>ΔΦ

13、2 B.ΔΦ1=ΔΦ2 C.ΔΦ1<ΔΦ2 D.不能判斷 解析:導(dǎo)體MN周圍的磁場(chǎng)并非勻強(qiáng)磁場(chǎng),靠近MN處的磁場(chǎng)強(qiáng)些,磁感線密一些,遠(yuǎn)離MN處的磁感線疏一些。當(dāng)線框在Ⅰ位置時(shí),穿過(guò)平面的磁通量為ΦⅠ,當(dāng)線圈平移至Ⅱ位置時(shí),磁通量為ΦⅡ,則磁通量的變化量ΔΦ1=|ΦⅡ-ΦⅠ|=ΦⅠ-ΦⅡ,當(dāng)線框翻轉(zhuǎn)到Ⅱ位置時(shí),磁感線相當(dāng)于從反面穿過(guò)原平面,則磁通量為-ΦⅡ,則磁通量的變化量是ΔΦ2=|-ΦⅡ-ΦⅠ|=ΦⅠ+ΦⅡ,所以ΔΦ1<ΔΦ2。 答案:C 7. 如圖4所示為電視機(jī)顯像管偏轉(zhuǎn)的示意圖,磁環(huán)上的偏轉(zhuǎn)線圈通以圖示方向的電流時(shí),圓環(huán)的圓心O處的磁場(chǎng)方向?yàn)?  ) A.向上

14、B.向下 圖4 C.向左 D.向右 解析:由安培定則知螺線管上端為N極,下端為S極,兩個(gè)螺線管在O點(diǎn)磁場(chǎng)方向均向下,合磁場(chǎng)方向仍向下,故B正確。 答案:B 8.如圖5所示是等腰直角三棱柱,其中正方形ABCD的邊長(zhǎng)為L(zhǎng),按圖示位置放置在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,下列說(shuō)法中正確的是(  ) 圖5 A.通過(guò)ABCD平面的磁通量為BL2 B.通過(guò)BCFE平面的磁通量為BL2 C.通過(guò)ADFE平面的磁通量為零 D.通過(guò)整個(gè)

15、三棱柱的磁通量為零 解析:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向和ABCD平面不垂直,故A項(xiàng)錯(cuò);磁感應(yīng)強(qiáng)度B和BCFE平面垂直,故B項(xiàng)對(duì);磁感應(yīng)強(qiáng)度B和ADFE平面平行, 故通過(guò)平面ADFE的磁通量為零,C項(xiàng)對(duì);而磁感線從ABCD平面穿入,進(jìn)入三棱柱后不終止,從BCFE平面穿出,若穿入磁通量為正, 則穿出磁通量為負(fù),故穿過(guò)整個(gè)三棱柱的磁通量為零,D項(xiàng)對(duì)。 答案:BCD 9.如圖6所示,彈簧秤下掛一條形磁棒,其中條形磁棒N極的一部分位于未通電的螺線管內(nèi),下列說(shuō)法正確的是(  ) A.若將a接電源正極,b接負(fù)極,彈簧秤的示數(shù)將不變 圖6 B.若將a接電源正極,b接負(fù)極,彈簧秤的示數(shù)

16、將增大 C.若將b接電源正極,a接負(fù)極,彈簧秤的示數(shù)將增大 D.若將b接電源正極,a接負(fù)極,彈簧秤的示數(shù)將減小 解析:原磁棒跟螺線管間無(wú)相互作用,當(dāng)a接電源正極,b接負(fù)極時(shí),根據(jù)線圈的纏繞方向,由安培定則可知通電螺線管內(nèi)部磁感線方向是自下而上,其上端相當(dāng)于一個(gè)條形磁體的N極。因同名磁極相互排斥,所以磁棒受螺線管向上的斥力,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;同理,當(dāng)b接電源正極,a接負(fù)極時(shí),通電螺線管上端相當(dāng)于條形磁體的S極,異名磁極相互吸引,所以磁棒受向下的吸引力,選項(xiàng)C正確。 答案:C 二、計(jì)算題(本題共3小題,共28分,要有必要的文字說(shuō)明和解題步驟,有數(shù)值計(jì)算的要注明單位) 10. (8分)一

17、般來(lái)說(shuō)通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng)。某螺線管的橫截面積是5×10-4 m2,當(dāng)通過(guò)它的磁通量為2.5×10-6 Wb時(shí),則: (1)該螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)方向與螺線管的軸線有什么關(guān)系? (2)該螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多大? 解析:(1)根據(jù)安培定則知,通電螺線管內(nèi)部的磁感線與螺線管的軸線方向平行,故內(nèi)部的磁場(chǎng)方向與軸線平行。 (2)由公式Φ=BS得 B==T=5×10-3 T 即螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-3 T。 答案:(1)平行 (2)5×10-3 T 11.(10分)地球上某地地磁感應(yīng)強(qiáng)度B的水平分量Bx= 0.18×10-4 T,豎直分量By=0.54×10-4

18、 T。求: (1)地磁場(chǎng)B的大小及它與水平方向的夾角α; (2)在水平面2.0 m2的面積內(nèi)地磁場(chǎng)的磁通量Φ。 解析:(1)由矢量合成法則可知 B= = T =0.57×10-4 T, tanα==3,則α=arctan 3。 (2)Φ=By·S =0.54×10-4×2.0 Wb =1.08×10-4 Wb 答案:(1)0.57×10-4 T arctan3 (2)1.08×10-4 Wb 12.(10分)如圖7所示,有一矩形線圈,一半放在有界的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T,線圈可繞ab邊或繞cd邊轉(zhuǎn)動(dòng)。已知ab=10 cm,bc=20 cm,求: 圖7 (1)在圖示位置的磁通量; (2)由圖示位置繞ab轉(zhuǎn)過(guò)60°位置時(shí)的磁通量。 解析:(1)由公式:Φ=BS, 得Φ=0.2×0.1×0.1 Wb=2×10-3 Wb。 (2)繞ab轉(zhuǎn)過(guò)60°時(shí),cd恰好跟磁場(chǎng)邊界重合,所以磁通量不變。 答案:(1)2×10-3 Wb (2)2×10-3 Wb 7

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