高中物理 第3章 打開(kāi)電磁學(xué)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(kāi)電磁學(xué)的大門 [自我校對(duì)] 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(dǎo)線或線圈在安培力作用下的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)環(huán)形電流或小磁鐵． 3．特殊位置分析法 把通電導(dǎo)體轉(zhuǎn)到一個(gè)便于分析的特殊位置后判斷其安培力方向，從而確定運(yùn)動(dòng)方向． 4．轉(zhuǎn)換研究對(duì)象法 因?yàn)殡娏髦g、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(chǎng)作用下如何運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，可先分析電流在磁體磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)方向． 　如圖31所示，把一重力不計(jì)的通電直導(dǎo)線水平放在蹄形磁鐵兩極的正上方，導(dǎo)線可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)線通入圖示方向電流I時(shí)，導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)情況(從上往下看)(　　) 圖31 A．順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)下降 B．順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)上升 C．逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)下降 D．逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)上升 【解析】　特殊位置法：作出通電瞬間直導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)分布如圖甲所示，由左手定則得N極正上方導(dǎo)線受到的安培力垂直紙面向外，S極正上方導(dǎo)線受到的安培力垂直紙面向里．可見(jiàn)從上往下看，導(dǎo)線在兩安培力作用下按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到導(dǎo)線與紙面垂直時(shí)，如圖乙所示，導(dǎo)線受到的安培力方向豎直向下，導(dǎo)線繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，故導(dǎo)線在安培力作用下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(從上往下看)，同時(shí)下降． 甲　　　　　　　　乙 【答案】　C 帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 1.若v∥B，帶電粒子以v做勻速直線運(yùn)動(dòng)．此時(shí)粒子受的洛倫茲力為零． 2．若v⊥B，帶電粒子在垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)以v做勻速圓周運(yùn)動(dòng)． (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(dòng)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(cè)有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里，磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)區(qū)域，最后到達(dá)平板的P點(diǎn)．已知B、v以及P到O的距離l，不計(jì)重力，求此粒子的電荷q與質(zhì)量m之比． 圖32 【解析】　粒子初速度v垂直于磁場(chǎng)，粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)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(jīng)O點(diǎn)時(shí)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(cè)評(píng)(三)　打開(kāi)電磁學(xué)的大門 (分值：100分　時(shí)間：60分鐘) 一、選擇題(本題共8個(gè)小題，每小題6分，共48分．在每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，有的小題只有一個(gè)選項(xiàng)正確，有的小題有多個(gè)選項(xiàng)正確．全部選對(duì)的得6分，選不全的得3分，有選錯(cuò)或不答的得0分．) 1．發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的發(fā)明使人類步入電氣化時(shí)代．其中電動(dòng)機(jī)依據(jù)的物理原理是(　　) A．磁場(chǎng)對(duì)電流的作用　　　 B．磁鐵間的相互作用 C．慣性定律 D．萬(wàn)有引力定律 【解析】　電動(dòng)機(jī)依據(jù)的物理原理是磁場(chǎng)對(duì)電流的作用． 【答案】　A 2．關(guān)于洛倫茲力的特點(diǎn)下列說(shuō)法正確的是(　　) A．洛倫茲力既垂直磁場(chǎng)方向又垂直電荷運(yùn)動(dòng)方向 B．洛倫茲力是運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力，靜止的電荷不會(huì)受到洛倫茲力 C．當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向相同或相反的時(shí)候，電荷不受洛倫茲力 D．只要電荷放在磁場(chǎng)中，就一定受到洛倫茲力 【解析】　靜止的電荷在磁場(chǎng)中不受洛倫茲力，當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，也不受洛倫茲力，故只有D錯(cuò)誤． 【答案】　ABC 3．來(lái)自宇宙的質(zhì)子流，以與地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一點(diǎn)，則這些質(zhì)子在進(jìn)入地球周圍的空間時(shí)，將(　　) A．豎直向下沿直線射向地面 B．相對(duì)于預(yù)定地點(diǎn)，稍向東偏轉(zhuǎn) C．相對(duì)于預(yù)定地點(diǎn)，稍向西偏轉(zhuǎn) D．相對(duì)于預(yù)定地點(diǎn)，稍向北偏轉(zhuǎn) 【解析】　地球表面地磁場(chǎng)方向由南向北，質(zhì)子是氫原子核，帶正電．根據(jù)左手定則可判定，質(zhì)子自赤道上空豎直下落過(guò)程中受洛倫茲力方向向東． 【答案】　B 4．如圖所示的四個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中，不能表明電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)的是(　　) 甲　　 　乙　　 　丙　　丁 A．圖甲中，導(dǎo)線通電后磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn) B．圖乙中，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到力的作用 C．圖丙中，當(dāng)電流方向相同時(shí)，導(dǎo)線相互靠近 D．圖丁中，當(dāng)電流方向相反時(shí)，導(dǎo)線相互遠(yuǎn)離 【解析】　圖甲中導(dǎo)線通電后小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)是導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)所至，圖丙、圖丁中兩通電導(dǎo)線間的相互作用，也是一導(dǎo)線電流形成的磁場(chǎng)對(duì)另一通電導(dǎo)線產(chǎn)生作用所至，圖乙是通電導(dǎo)線在永磁體的磁場(chǎng)中受安培力作用產(chǎn)生偏離，故選B. 【答案】　B 5．關(guān)于回旋加速器，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．回旋加速器是利用磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)能與加速電壓成正比 C．回旋加速器是通過(guò)多次電場(chǎng)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(yùn)動(dòng)一周所用的時(shí)間越來(lái)越短 【解析】　回旋加速器是利用電場(chǎng)加速，磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與運(yùn)動(dòng)速度的大小無(wú)關(guān)，由R＝得vm＝所以 Ekm＝mv＝，即粒子獲得的最大動(dòng)能與加速電壓無(wú)關(guān)，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(dǎo)線，當(dāng)導(dǎo)線中通入指向紙內(nèi)的電流時(shí)(　　) 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(duì)水平桌面的壓力將變大 D．磁鐵對(duì)水平桌面的壓力將不變 【解析】　如圖所示，畫出一條通過(guò)導(dǎo)線所在處的磁感線，磁場(chǎng)方向水平向左，由左手定則知，導(dǎo)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(cuò)；根據(jù)牛頓第三定律可知，通電導(dǎo)線對(duì)磁鐵的作用力方向豎直向下，所以磁鐵對(duì)桌面壓力增大，C對(duì)D錯(cuò)． 【答案】　C 7．如圖2所示，一根有質(zhì)量的金屬棒MN，兩端用細(xì)軟導(dǎo)線連接后懸掛于a、b兩點(diǎn)．棒的中部處于方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，棒中通有電流，方向從M流向N，此時(shí)是線上有拉力．為了使拉力等于零，可以(　　) 圖2 A．適當(dāng)減小磁感應(yīng)強(qiáng)度 B．使磁場(chǎng)反向 C．適當(dāng)增大電流強(qiáng)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(shí)線上有拉力說(shuō)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(zhǎng)方形金屬塊放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，將金屬塊通以電流，磁場(chǎng)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(dòng)形成電流，所以圖中的電流可以看成是相反方向運(yùn)動(dòng)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(gè)小題，共52分，解答應(yīng)寫出必要的文字說(shuō)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(shù)值計(jì)算的題，答案中應(yīng)明確寫出數(shù)值和單位．) 9．(10分)通電直導(dǎo)線A與圓形通電導(dǎo)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(shí)，通電直導(dǎo)線A受到水平向________的安培力作用．當(dāng)A、B中電流大小保持不變，但同時(shí)改變方向時(shí)，通電直導(dǎo)線A所受到的安培力方向水平向________． 圖4 【解析】　由圖可知，直導(dǎo)線A位于導(dǎo)線環(huán)B產(chǎn)生的垂直向里的磁場(chǎng)中，根據(jù)左手定則，可判斷導(dǎo)線A受到的安培力方向向右．當(dāng)A、B中的電流方向改變時(shí)，A導(dǎo)線處于導(dǎo)線B產(chǎn)生的垂直向外的磁場(chǎng)中，同時(shí)導(dǎo)線A的電流方向改變，依據(jù)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(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.5 T，方向 圖5 垂直紙面向外，在紙面內(nèi)放置長(zhǎng)L＝0.5 m的直導(dǎo)線ab，當(dāng)通以I＝2 A的電流(b→a)時(shí)，導(dǎo)線受到的安培力大小為_(kāi)_________，方向?yàn)開(kāi)_______． 【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(dǎo)線ab、磁場(chǎng)方向向右． 【答案】　0.5 N　垂直導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向向右 11．(16分)一初速度為v的帶電粒子，垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，已知帶電粒子的質(zhì)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?。? 【解析】　因?yàn)锽與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(jiàn)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(guó)立大學(xué)制成了能把2.2 g的彈體(包括金屬桿EF的質(zhì)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(zhǎng)為100 m，通過(guò)的電流為10 A，試問(wèn)軌道間所加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是多大？(軌道摩擦不計(jì)) 圖6 【解析】　由于彈體做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)學(xué)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