浙江專用高中物理第三章磁場3_4通電導線在磁場中受到的力學案新人教版選修.docx

第4節(jié)通電導線在磁場中受到的力 研究學考明確要求知識內容通電導線在磁場中受到的力考試要求學考c選考d基本要求1.了解安培力的概念，知道通電導線在磁場中受到安培力的條件。2了解決定安培力方向的因素，知道安培力既與磁場方向垂直，又與導線垂直。3會用左手定則判斷有關方向。4知道安培力公式FILB的適用條件，并會用公式解決簡單問題。發(fā)展要求1.了解磁電式電流表的工作原理。2會用矢量分解方法，推導導線與磁場不垂直時的安培力公式。說明1.不要求計算導線與磁場不垂直時的安培力。2利用安培力公式，綜合其他力學規(guī)律，求解力學與電學綜合的問題只限于所受各力在一條直線或者相互垂直的情形?；?礎 梳 理1安培力：通電導線在磁場中受的力。2決定安培力方向的因素(1)磁場方向；(2)電流方向。3左手定則：如圖1所示，伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內：讓磁感線從掌心進入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向。圖14安培力的特點：FI，F(xiàn)B，即F垂直于B和I決定的平面。典 例 精 析【例1】 畫出下列各圖中磁場中通電導線的安培力的方向。解析無論B、I是否垂直，安培力總是垂直于B與I決定的平面，且滿足左手定則。答案如圖所示解答這類問題的關鍵是理解以下兩點：(1)運用左手定則時，無論B、I是否垂直，一定要讓磁感線穿入手心，四指指向電流的方向，則拇指所指即為安培力的方向。(2)左手定則是判斷電流在磁場中受力方向的法則，而安培定則是判斷電流的磁場方向的法則，要注意兩者的區(qū)別。即 學 即 練1如圖直導線通入垂直紙面向里的電流，在下列勻強磁場中，直導線能靜止在光滑斜面上的是()解析要使直導線能夠靜止在光滑斜面上，則直導線在磁場中受到的安培力必須與重力和支持力的合力為零，通過左手定則判斷出A正確。答案A基 礎 梳 理同一通電導線，按不同方式放在同一磁場中，受力情況不同，如圖2所示。圖21如圖2甲，IB，此時安培力最大，F(xiàn)ILB。2如圖乙，IB，此時安培力最小，F(xiàn)0。3如圖丙，當I與B成角時，將B分解為沿電流方向的B1Bcos 和垂直于電流方向的B2Bsin ，磁場對I的作用可用B1、B2對電流的作用等效替代。則FF1F20ILB2ILBsin 。FILBsin_，這是一般情況下安培力的表達式。典 例 精 析【例2】 將長度為20 cm、通有0.1 A電流的直導線放入一勻強磁場中，電流與磁場方向如圖3所示。已知磁感應強度為1 T，試求出下列各圖中導線所受安培力的大小和方向。圖3解析由左手定則和安培力的計算公式得：甲圖中因導線與磁感線平行，所以安培力為0；由左手定則知，乙圖中導線所受安培力方向在紙面內垂直導線水平向右，大小FILB0.10.21 N0.02 N；丙圖中安培力的方向在紙面內垂直導線斜向上，大小FILB0.02 N。答案甲：0；乙：0.02 N，方向在紙面內垂直導線水平向右；丙：0.02 N，方向在紙面內垂直導線斜向上。即 學 即 練2如圖4所示，導線框中電流為I，導線框垂直于磁場放置，磁感應強度為B，ab與cd相距為l，則MN所受安培力大小()圖4AFIlBBFIlBsin CFDFIlBcos 解析題中磁場和電流垂直，角僅是導線框與金屬桿MN間夾角，不是電流與磁場的夾角。答案C基 礎 梳 理1原理：通電線圈在磁場中受到安培力而偏轉。線圈偏轉的角度越大，被測電流就越大。根據線圈偏轉的方向，可以知道被測電流的方向。2構造：磁鐵、線圈、螺旋彈簧、指針、極靴。圖53特點：兩極間的極靴中間的鐵質圓柱，使極靴與圓柱間的磁場都沿半徑方向，保持線圈轉動時，安培力的大小不受磁場影響，電流所受安培力的方向總與線圈平面垂直。使線圈平面都與磁場方向平行，使表盤刻度均勻，如圖5所示。4優(yōu)點：靈敏度高，可以測出很弱的電流。缺點：線圈導線很細，允許通過的電流很弱。典 例 精 析【例3】 關于磁電式電流表內的磁鐵和鐵芯之間的均勻輻向分布的磁場，下列說法中正確的是()A該磁場的磁感應強度大小處處相等，方向相同B該磁場的磁感應強度的方向處處相同，大小不等C使線圈平面始終與磁感線平行D線圈所處位置的磁感應強度大小不等解析兩磁極之間裝有極靴，極靴中間又有一個鐵質圓柱，極靴與鐵質圓柱之間有一不大的縫隙，根據磁感線與磁極表面垂直的特點，磁化了的鐵質圓柱與極靴間的縫隙處就形成了輻向分布的磁場。這樣做的目的就是讓通電線圈所在處能有一個等大的磁場，并且磁感線始終與線圈平面平行。故C正確。答案C即 學 即 練3(2018紹興教學質量檢測)如圖6所示，取一柔軟的鋁箔條，把它折成天橋狀并用膠紙粘牢兩端，使蹄形磁鐵橫跨過“天橋”。當電池與鋁箔接通過()圖6A鋁箔條中部向磁鐵S極運動B鋁箔條中部向磁鐵N極運動C鋁箔條中部向下方運動D鋁箔條中部向上方運動答案D1把一小段通電直導線放入磁場中，導線受到安培力的作用，關于安培力的方向，下列說法中正確的是()A安培力的方向一定跟磁感應強度的方向相同B安培力的方向一定跟磁感應強度的方向垂直，但不一定跟電流方向垂直C安培力的方向一定跟電流方向垂直，但不一定跟磁感應強度方向垂直D安培力的方向既跟磁感應強度方向垂直，又跟電流方向垂直解析安培力的方向既垂直于磁場方向，又垂直于電流方向，即垂直于磁場與電流所決定的平面，但電流方向與磁場方向不一定垂直。答案D2關于通電導線所受安培力F的方向、磁感應強度B的方向和電流I的方向之間的關系，下列說法正確的是()AF、B、I三者必須保持相互垂直BF必須垂直B、I，但B、I可以不相互垂直CB必須垂直F、I，但F、I可以不相互垂直DI必須垂直F、B，但F、B可以不相互垂直解析安培力F總是與磁感應強度B和電流I決定的平面垂直，但B與I(即導線)可以垂直，也可以不垂直，故A、C、D均錯誤，B正確。答案B3(2018杭州教學質量檢測)教師在課堂上做了個小實驗，叫做“振動的彈簧”，如圖7所示把一根柔軟的彈簧懸掛起來，下端剛好跟槽中的水銀接觸，通電后發(fā)現(xiàn)彈簧不斷上下振動，關于這個實驗下列說法正確的是()圖7A彈簧開始振動時是先收縮后伸長，然后不停地振動B彈簧開始振動是因為受到了水銀的作用力C若將彈簧下端直接與柔軟導線相連，通電后彈簧會伸長D若改變電源的正負極，將不能夠觀察到振動現(xiàn)象解析當有電流通過彈簧時，構成彈簧的每一圈導線周圍都產生了磁場，根據安培定則知，各圈導線之間都產生了相互吸引作用，彈簧縮短，當彈簧的下端離開水銀后，電路斷開，彈簧中沒有了電流，各圈導線之間失去了相互吸引力，彈簧又恢復原長，使得彈簧下端又與水銀接觸，彈簧中又有了電流，開始重復上述過程，A正確，B錯誤；若將彈簧下端直接與柔軟導線相連，通電后彈簧會縮短，C錯誤；若改變電源的正負極，通電后仍會產生上述現(xiàn)象，D錯誤。答案A4如圖8是“探究影響通電導體在磁場中受力因素”的實驗示意圖。三塊相同馬蹄形磁鐵并列放置在水平桌面上，導體棒用圖中輕而柔軟的細導線1、2、3、4懸掛起來，它們之中的任意兩根與導體棒和電源構成回路。認為導體棒所在位置附近為勻強磁場，最初導線1、4接在直流電源上，電源沒有在圖中畫出。關于接通電源時可能出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象，下列敘述正確的是()圖8A同時改變磁場方向和電流方向，導體棒擺動方向將會改變B僅改變電流方向或磁場方向，導體棒擺動方向一定改變C增大電流同時改變接入導體棒上的細導線長度，導體棒擺動幅度一定增大D僅拿掉中間的磁鐵，導體棒擺動幅度不變解析由FILB和左手定則可知，僅改變電流方向或者僅改變磁場方向，F(xiàn)的方向一定改變，即導體棒擺動方向一定改變，而兩者同時改變時，F(xiàn)方向不變，則導體棒擺動方向不變，故B正確，A錯誤；當I增大，但L減小時，F(xiàn)大小不一定改變，C錯誤；僅拿掉中間的磁鐵，意味著導體棒受力長度減小，F(xiàn)應減小，則導體棒擺動幅度一定改變，D錯誤。答案B5如圖9所示，傾斜導軌寬為L，與水平面成角，處在方向豎直向上、磁感應強度為B的勻強磁場中，金屬桿ab水平放在導軌上。當回路電流強度為I時，金屬桿ab所受安培力F()圖9A方向垂直ab桿沿斜面向上B方向垂直ab桿水平向右CFILBcos DFILBsin 解析由題圖知電流方向由ba且與磁場方向垂直，根據左手定則可知安培力水平向右，由安培力計算公式可得FILB，故選項B正確。答案B1下面的四個圖顯示了磁場對通電直導線的作用力，其中正確的是()解析由左手定則可知，A項安培力方向向右；B項安培力方向向下；D項通電導線與磁場方向平行；C項正確。答案C2(2017浙江德清中學模擬)一段通電直導線平行于磁場方向放入勻強磁場中，如圖1所示，導線中電流方向由左指向右。當導線以其中點O為軸轉過90的過程中，導線受到的安培力()圖1A大小不變，方向不變B由0增至最大，方向時刻變C由最大減小至0，方向不變D由0增至最大，方向不變解析導線轉動前，電流方向與磁感線方向相同，導線不受安培力；當導線轉過一個小角度，電流方向與磁感線不再平行，于是導線受到安培力；當導線轉過90時，電流方向與磁感線垂直，此時導線受的安培力最大。用左手定則可以判斷安培力的方向始終不變。所以選項D正確。答案D3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，此時懸線上有拉力，為了使拉力等于零，可以()圖2A適當減小磁感應強度B使磁場反向C適當增大電流D使電流反向解析首先對MN進行受力分析：其受豎直向下的重力、兩根軟導線的豎直向上的拉力和安培力。當其處于平衡狀態(tài)時：2FBILmg，重力mg恒定不變，欲使拉力F減小到0，應增大安培力BIL，所以可增大磁場的磁感應強度B或增大通過金屬棒中的電流I，或二者同時增大，使磁場反向或電流反向，所受安培力反向為豎直向下，所以只有C項正確。答案C4如圖3所示，四邊形的通電閉合線框abcd處在垂直線框平面的勻強磁場中，它受到的磁場力的合力()圖3A豎直向上B方向垂直于ad斜向上C方向垂直于bc斜向上D為零答案D5在赤道上，地磁場可以看作是沿南北方向并且與地面平行的勻強磁場，磁感應強度是5105 T。如果赤道上有一條沿東西方向的直導線，長40 m，載有20 A的電流，地磁場對這根導線的作用力大小是()A4108 N B2.5105 NC9104 N D4102 N解析磁場方向是南北方向，電流方向是東西方向，它們相互垂直，可以利用公式FBIL來計算此安培力的大小，其大小為FBIL51052040 N4102 N。答案D6(201610月浙江選考)如圖4所示，把一根通電的硬直導線ab，用輕繩懸掛在通電螺線管正上方，直導線中的電流方向由a向b。閉合開關S瞬間，導線a端所受安培力的方向是()圖4A向上B向下C垂直紙面向外D垂直紙面向里解析閉合開關S瞬間，由右手定則知螺線管右端為N極，左端為S極，螺線管產生的磁場方向在通電導線a端斜向左下方，由左手定則可知，導線a端所受安培力的方向垂直紙面向里，D正確。答案D7如圖5，一段導線abcd位于磁感應強度大小為B的勻強磁場中，且與磁場方向(垂直于紙面向里)垂直。線段ab、bc和cd的長度均為L，且abcbcd135。流經導線的電流為I，方向如圖中箭頭所示導線段abcd所受到的磁場的作用力的合力()圖5A方向沿紙面向上，大小為(1)ILBB方向沿紙面向上，大小為(1)ILBC方向沿紙面向下，大小為(1)ILBD方向沿紙面向下，大小為(1)ILB解析將導線分為三段直導線，根據左手定則分別判斷出各段所受安培力的方向，根據FILB計算出安培力的大小，再求合力。導線所受合力F合ILB2BILsin 45(1)ILB，方向沿紙面向上。答案A8(20164月浙江選考，9)法拉第電動機原理如圖6所示。條形磁鐵豎直固定在圓形水銀槽中心，N極向上，一根金屬桿斜插在水銀中，桿的上端與固定在水銀槽圓心正上方的鉸鏈相連，電源負極與金屬桿上端相連，與電源正極連接的導線插入水銀中，從上往下看，金屬桿()圖6A向左擺動 B向右擺動C順時針轉動 D逆時針轉動解析由題目中的電路圖可以看出，電流方向從正極流出，沿金屬桿向上流向負極，磁場沿磁感線的切線方向，根據左手定則，可以判斷出安培力方向垂直于紙面向里，從上往下看，金屬桿逆時針方向轉動，D正確。答案D9一直導線平行于通電螺線管的軸線放置在螺線管的上方，如圖7所示，如果直導線可以自由地運動且通以方向為由a到b的電流，則導線ab受到安培力的作用后的運動情況為()圖7A從上向下看順時針轉動并靠近螺線管B從上向下看順時針轉動并遠離螺線管C從上向下看逆時針轉動并遠離螺線管D從上向下看逆時針轉動并靠近螺線管解析先由安培定則判斷通電螺線管的N、S兩極，找出導線左、右兩端磁感應強度的方向，并用左手定則判斷這兩端受到的安培力的方向，如圖(a)圖示。可以判斷導線受到磁場力作用后從上向下看按逆時針方向轉動，再分析此時導線位置的磁場方向，再次用左手定則判斷導線所受磁場力的方向，如圖(b)所示，導線還要靠近螺線管，所以D正確，A、B、C錯誤。答案D10如圖8所示，兩根光滑平行導軌水平放置，間距為L，其間有豎直向下的勻強磁場，磁感應強度為B。垂直于導軌水平對稱放置一根均勻金屬棒。從t0時刻起，棒上有如圖乙所示的持續(xù)交變電流I，周期為T，最大值為Im，圖甲中I所示方向為電流正方向。則金屬棒() 圖8A一直向左移動B受到的安培力大小不變，方向變化C受到的安培力大小變化，方向不變D受到的安培力在一個周期內做正功解析根據題意畫出vt圖象如圖所示，金屬棒一直向右運動，A錯誤；據F安BIL及左手定則可判定，F(xiàn)安大小不變，方向做周期性變化，則B正確，C錯誤；F安在前半周期做正功，后半周期做負功，則D項錯。答案B11. (2018臺州質量評估)用一根金屬絲、一節(jié)電池和一塊磁鐵，可以做一個簡易的電動機。先將電池的負極和磁鐵的N極接觸，再將金屬絲架在電池的正極上，金屬絲的下部分與磁鐵接觸，如圖9所示。放開金屬絲，金屬絲就會轉動。則下列說法正確的是()圖9A線圈轉動的動力是電場力B從上往下看，金屬絲順時針轉動C從上往下看，金屬絲逆時針轉動D若將電池的負極與磁鐵的S極接觸，金屬絲的旋轉方向不會變解析由題意知，金屬絲組成了閉合回路，有電流流過，又處于磁場中，所以線圈轉動的動力是安培力，