【創(chuàng)新設(shè)計】2020-2021學(xué)年高中物理人教版選修3-1(浙江專用)題組訓(xùn)練-第三章-磁場-3-5

第5講習(xí)題課安培力的綜合應(yīng)用(時間：60分鐘)題組一安培力作用下導(dǎo)體的運動1．把一根松軟的螺旋形彈簧豎直懸掛起來，使它的下端剛好跟杯里的水銀面相接觸，并使它組成如圖3－5－8所示的電路圖．當開關(guān)S接通后，將看到的現(xiàn)象是()圖3－5－8A．彈簧向上收縮B．彈簧被拉長C．彈簧上下跳動D．彈簧仍靜止不動答案C解析由于通電后，線圈中每一圈之間的電流是同向的，相互吸引，線圈就縮短，電路就斷開了，一斷開沒電流了，線圈就又掉下來接通電路……如此通斷通斷，就上下跳動．2．通有電流的導(dǎo)線L1、L2處在同一平面(紙面)內(nèi)，L1是固定的，L2可繞垂直紙面的固定轉(zhuǎn)軸O轉(zhuǎn)動(O為L2的中心)，各自的電流方向如圖3－5－9所示．下列哪種狀況將會發(fā)生()圖3－5－9A．因L2不受磁場力的作用，故L2不動B．因L2上、下兩部分所受的磁場力平衡，故L2不動C．L2繞軸O按順時針方向轉(zhuǎn)動D．L2繞軸O按逆時針方向轉(zhuǎn)動答案D解析由右手螺旋定則可知導(dǎo)線L1的上方的磁場的方向為垂直紙面對外，且離導(dǎo)線L1的距離越遠的地方，磁場越弱，導(dǎo)線L2上的每一小部分受到的安培力方向水平向右，由于O點的下方磁場較強，則安培力較大，因此L2繞軸O按逆時針方向轉(zhuǎn)動，D選項對．3. 始終導(dǎo)線平行于通電螺線管的軸線放置在螺線管的上方，如圖3－5－10所示，假如直導(dǎo)線可以自由地運動且通以方向為由a到b的電流，則導(dǎo)線ab受磁場力方向后的運動狀況為()圖3－5－10A．從上向下看順時針轉(zhuǎn)動并靠近螺線管B．從上向下看順時針轉(zhuǎn)動并遠離螺線管C．從上向下看逆時針轉(zhuǎn)動并遠離螺線管D．從上向下看逆時針轉(zhuǎn)動并靠近螺線管答案D解析本題考查安培定則以及左手定則，意在考查同學(xué)對安培定則以及左手定則的應(yīng)用的理解，先由安培定則推斷通電螺線管的南北兩極，找出導(dǎo)線左右兩端磁感應(yīng)強度的方向，并用左手定則推斷這兩端受到的安培力的方向，如圖(a)所示．可以推斷導(dǎo)線受磁場力后從上向下看按逆時針方向轉(zhuǎn)動，再分析此時導(dǎo)線位置的磁場方向，再次用左手定則推斷導(dǎo)線受磁場力的方向，如圖(b)所示，導(dǎo)線還要靠近螺線管，所以D正確，A、B、C錯誤．圖(a)圖(b)4．一個可以自由運動的線圈L1和一個固定的線圈L2相互絕緣垂直放置，且兩個線圈的圓心重合，當兩線圈通以如圖3－5－11所示的電流時，從左向右看，則線圈L1將()圖3－5－11A．不動 B．順時針轉(zhuǎn)動C．逆時針轉(zhuǎn)動D．向紙面內(nèi)平動答案B解析法一利用結(jié)論法．環(huán)形電流L1、L2之間不平行，則必有相對轉(zhuǎn)動，直到兩環(huán)形電流同向平行為止，據(jù)此可得L1的轉(zhuǎn)動方向應(yīng)是：從左向右看線圈L1順時針轉(zhuǎn)動．法二等效分析法．把線圈L1等效為小磁針，該小磁針剛好處于環(huán)形電流I2的中心，通電后，小磁針的N極應(yīng)指向該點環(huán)形電流I2的磁場方向，由安培定則知I2產(chǎn)生的磁場方向在其中心豎直向上，而L1等效成小磁針后轉(zhuǎn)動前，N極應(yīng)指向紙里，因此應(yīng)由向紙里轉(zhuǎn)為向上，所以從左向右看，線圈L1順時針轉(zhuǎn)動．法三直線電流元法．把線圈L1沿轉(zhuǎn)動軸分成上下兩部分，每一部分又可以看成很多直線電流元，電流元處在L2產(chǎn)生的磁場中，據(jù)安培定則可知各電流元所在處磁場方向向上，據(jù)左手定則可得，上部電流元所受安培力均指向紙外，下部電流元所受安培力均指向紙里，因此從左向右看線圈L1順時針轉(zhuǎn)動．故正確答案為B.題組二通電導(dǎo)線在磁場中的平衡5．(多選)如圖3－5－12所示條形磁鐵放在水平面上，在它的上方偏右處有一根固定的垂直紙面的直導(dǎo)線，當直導(dǎo)線中通以圖示方向的電流時，磁鐵仍保持靜止．下列結(jié)論正確的是()圖3－5－12A．磁鐵對水平面的壓力減小B．磁鐵對水平面的壓力增大C．磁鐵對水平面施加向左的靜摩擦力D．磁鐵所受的合外力增加答案BC6．(多選)質(zhì)量為m的通電細桿ab置于傾角為θ的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌的寬度為d，桿ab與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)為μ.有電流時，ab恰好在導(dǎo)軌上靜止，如圖3－5－13所示．圖中的四個側(cè)視圖中，標出了四種可能的勻強磁場方向，其中桿ab與導(dǎo)軌之間的摩擦力可能為零的圖是()圖3－5－13答案AB解析選項A中，通電細桿可能受重力、安培力、導(dǎo)軌的彈力作用處于靜止狀態(tài)，如圖所示，所以桿與導(dǎo)軌間的摩擦力可能為零．當安培力變大或變小時，細桿有上滑或下滑的趨勢，于是有靜摩擦力產(chǎn)生．選項B中，通電細桿可能受重力、安培力作用處于靜止狀態(tài)，如圖所示，所以桿與導(dǎo)軌間的摩擦力可能為零．當安培力減小時，細桿受到導(dǎo)軌的彈力和沿導(dǎo)軌向上的靜摩擦力，也可能處于靜止狀態(tài)．選項C和D中，通電細桿受重力、安培力、導(dǎo)軌彈力作用具有下滑趨勢，故肯定受到沿導(dǎo)軌向上的靜摩擦力，如圖所示，所以桿與導(dǎo)軌間的摩擦力肯定不為零．7．如圖3－5－14所示，金屬棒MN兩端由等長的輕質(zhì)細線水平懸掛，處于豎直向上的勻強磁場中，棒中通以由M向N的電流，平衡時兩懸線與豎直方向夾角均為θ，假如僅轉(zhuǎn)變下列某一個條件，θ角的相應(yīng)變化狀況是()圖3－5－14A．棒中的電流變大，θ角變大B．兩懸線等長變短，θ角變小C.金屬棒質(zhì)量變大，θ角變大D．磁感應(yīng)強度變大，θ角變小答案A8．如圖3－5－15所示，掛在天平底部的矩形線圈abcd的一部分懸在勻強磁場中，當給矩形線圈通入如圖所示的電流I時，調(diào)整兩盤中的砝碼，使天平平衡．然后使電流I反向，這時要在天平的左盤上加質(zhì)量為2×10－2kg的砝碼，才能使天平重新平衡．求磁場對bc邊作用力的大?。粢阎匦尉€圈共10匝，通入的電流I＝0.1A，bc邊長度為10cm，求該磁場的磁感應(yīng)強度．(g取10m/s2圖3－5－15答案0.1N1T解析依據(jù)F＝BIL可知，電流反向前后，磁場對bc邊的作用力大小相等，設(shè)為F，但由左手定則可知它們的方向是相反的．電流反向前，磁場對bc邊的作用力向上，電流反向后，磁場對bc邊的作用力向下．因而有2F＝2×10－2×10N＝0.2N，所以F＝0.1N，即磁場對bc邊的作用力大小是0.1N．由于磁場對電流的作用力F＝NBIL，故B＝eq\f(F,NIL)＝eq\f(0.1,10×0.1×0.1)T＝1T.9.(2022·寧波高二月考)如圖3－5－16所示，兩根平行金屬導(dǎo)軌M、N，電阻不計，相距0.2m，上邊沿導(dǎo)軌垂直方向放一個質(zhì)量為m＝5×10－2kg的金屬棒ab，ab的電阻為0.5Ω.兩金屬導(dǎo)軌一端通過電阻R和電源相連．電阻R＝2Ω，電源電動勢E＝6V，電源內(nèi)阻r＝0.5Ω，假如在裝置所在的區(qū)域加一個勻強磁場，使ab對導(dǎo)軌的壓力恰好是零，并使ab處于靜止．(導(dǎo)軌光滑，g圖3－5－16答案見解析解析題圖中ab對導(dǎo)軌壓力恰好是零且處于靜止，ab所受安培力方向肯定豎直向上且大小等于重力，由左手定則可以判定B的方向應(yīng)為水平向右，ab中的電流I＝eq\f(E,R＋r＋rab)＝eq\f(6,2＋0.5＋0.5)A＝2A.F＝ILB＝mgB＝eq\f(mg,IL)＝eq\f(5×10－2×10,2×0.2)T＝1.25T.10．如圖3－5－17所示，兩平行金屬導(dǎo)軌間的距離L＝0.40m，金屬導(dǎo)軌所在的平面與水平面夾角θ＝37°，在導(dǎo)軌所在平面內(nèi)，分布著磁感應(yīng)強度B＝0.5T、方向垂直于導(dǎo)軌所在平面的勻強磁場．金屬導(dǎo)軌的一端接有電動勢E＝4.5V、內(nèi)阻r＝0.50Ω的直流電源．現(xiàn)把一個質(zhì)量m＝0.040kg的導(dǎo)體棒ab放在金屬導(dǎo)軌上，導(dǎo)體棒恰好靜止．導(dǎo)體棒與金屬導(dǎo)軌垂直且接觸良好，導(dǎo)體棒與金屬導(dǎo)軌接觸的兩點間的電阻R0＝2.5Ω，金屬導(dǎo)軌電阻不計，g取10m/s2.已知sin37°＝0.60，cos37°＝0.80，求：圖3－5－17(1)通過導(dǎo)體棒的電流；(2)導(dǎo)體棒受到的安培力大??；(3)導(dǎo)體棒受到的摩擦力大小．答案(1)1.5A(2)0.30N(3)0.06N解析(1)依據(jù)閉合電路歐姆定律I＝eq\f(E,R0＋r)＝1.5A.(2)導(dǎo)體棒受到的安培力F安＝BIL＝0.30N.(3)導(dǎo)體棒受力如圖，將重力正交分解F1＝mgsin37°＝0.24N，F(xiàn)1＜F安，依據(jù)平衡條件，mgsin37°＋Ff＝F安，解得Ff＝0.06N.11．如圖3－5－18所示，水平放置的兩導(dǎo)軌P、Q間的距離L＝0.5m，垂直于導(dǎo)軌平面的豎直向上的勻強磁場的磁感應(yīng)強度B＝2T，垂直于導(dǎo)軌放置的ab棒的質(zhì)量m＝1kg，系在ab棒中點的水平繩跨過定滑輪與重量G＝3N的物塊相連．已知ab棒與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)μ＝0.2，電源的電動勢E＝10V、內(nèi)阻r＝0.1Ω，導(dǎo)軌的電阻及ab棒的電阻均不計．要想ab棒處于靜止狀態(tài)，R應(yīng)在哪個范圍內(nèi)取值？(g取10m/s2)圖3－5－18答案見解析解析依據(jù)物體的平衡條件可得，ab棒恰不右滑時：G－μmg－BI1Lab棒恰不左滑時：G＋μmg－BI2L依據(jù)閉合電路歐姆定律可得：E＝I1(R1＋r)E＝I2(R2＋r)由以上各式代入數(shù)據(jù)可解得：R1＝9.9Ω，R2＝1.9Ω所以R的取值范圍為：1．9Ω≤R≤9.9Ω.題組三安培力與牛頓運動定律的綜合應(yīng)用12．如圖3－5－19所示，在同一水平面的兩導(dǎo)軌相互平行，并處在豎直向上的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為0.2T，一根質(zhì)量為0.6kg，有效長度為2m的金屬棒放在導(dǎo)軌上，當金屬棒中的電流為5A時，金屬棒做勻速直線運動；當金屬棒中的電流突然增大為8A時，求金屬棒能獲得的加速度的大?。畧D3－5－19答案2m/s2解析當金屬棒中的電流為5A時，金屬棒做勻速運動，有I1BL＝f①當金屬棒中的電流為8A時，金屬棒能獲得的加速度為a，則I2BL－f＝ma②聯(lián)立①②解得a＝eq\f(BLI2－I1,m)＝2m/s213．據(jù)報道，最近已研制出一種可投入使用的電磁軌道炮，其原理如圖3－5－20所示．炮彈(可視為長方形導(dǎo)體)置于兩固定的平行導(dǎo)軌之間，并與軌道壁密接．開頭時炮彈在導(dǎo)軌的一端，通以電流后炮彈會被磁力加速，最終從位于導(dǎo)軌另一端的出口高速射出．設(shè)兩導(dǎo)軌之間的距離d＝0.10m，導(dǎo)軌長L＝5.0m，炮彈質(zhì)量m＝0.30kg.導(dǎo)軌上