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

第4節(jié)通電導(dǎo)線在磁場中受到的力 研究學(xué)考明確要求知識內(nèi)容通電導(dǎo)線在磁場中受到的力考試要求學(xué)考c選考d基本要求1.了解安培力的概念，知道通電導(dǎo)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(dǎo)線垂直。3會(huì)用左手定則判斷有關(guān)方向。4知道安培力公式FILB的適用條件，并會(huì)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(huì)用矢量分解方法，推導(dǎo)導(dǎo)線與磁場不垂直時(shí)的安培力公式。說明1.不要求計(jì)算導(dǎo)線與磁場不垂直時(shí)的安培力。2利用安培力公式，綜合其他力學(xué)規(guī)律，求解力學(xué)與電學(xué)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(chǔ) 梳 理1安培力：通電導(dǎo)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(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)：讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向。圖14安培力的特點(diǎn)：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(dǎo)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(guān)鍵是理解以下兩點(diǎn)：(1)運(yùn)用左手定則時(shí)，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(xué) 即 練1如圖直導(dǎo)線通入垂直紙面向里的電流，在下列勻強(qiáng)磁場中，直導(dǎo)線能靜止在光滑斜面上的是()解析要使直導(dǎo)線能夠靜止在光滑斜面上，則直導(dǎo)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(chǔ) 梳 理同一通電導(dǎo)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(shí)安培力最大，F(xiàn)ILB。2如圖乙，IB，此時(shí)安培力最小，F(xiàn)0。3如圖丙，當(dāng)I與B成角時(shí)，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(dá)式。典 例 精 析【例2】 將長度為20 cm、通有0.1 A電流的直導(dǎo)線放入一勻強(qiáng)磁場中，電流與磁場方向如圖3所示。已知磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T，試求出下列各圖中導(dǎo)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(jì)算公式得：甲圖中因?qū)Ь€與磁感線平行，所以安培力為0；由左手定則知，乙圖中導(dǎo)線所受安培力方向在紙面內(nèi)垂直導(dǎo)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(nèi)垂直導(dǎo)線斜向上，大小FILB0.02 N。答案甲：0；乙：0.02 N，方向在紙面內(nèi)垂直導(dǎo)線水平向右；丙：0.02 N，方向在紙面內(nèi)垂直導(dǎo)線斜向上。即 學(xué) 即 練2如圖4所示，導(dǎo)線框中電流為I，導(dǎo)線框垂直于磁場放置，磁感應(yīng)強(qiáng)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(dǎo)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(chǔ) 梳 理1原理：通電線圈在磁場中受到安培力而偏轉(zhuǎn)。線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大，被測電流就越大。根據(jù)線圈偏轉(zhuǎn)的方向，可以知道被測電流的方向。2構(gòu)造：磁鐵、線圈、螺旋彈簧、指針、極靴。圖53特點(diǎn)：兩極間的極靴中間的鐵質(zhì)圓柱，使極靴與圓柱間的磁場都沿半徑方向，保持線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(diǎn)：靈敏度高，可以測出很弱的電流。缺點(diǎn)：線圈導(dǎo)線很細(xì)，允許通過的電流很弱。典 例 精 析【例3】 關(guān)于磁電式電流表內(nèi)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(yīng)強(qiáng)度大小處處相等，方向相同B該磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度大小不等解析兩磁極之間裝有極靴，極靴中間又有一個(gè)鐵質(zhì)圓柱，極靴與鐵質(zhì)圓柱之間有一不大的縫隙，根據(jù)磁感線與磁極表面垂直的特點(diǎn)，磁化了的鐵質(zhì)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(gè)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(xué) 即 練3(2018紹興教學(xué)質(zhì)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(dāng)電池與鋁箔接通過()圖6A鋁箔條中部向磁鐵S極運(yùn)動(dòng)B鋁箔條中部向磁鐵N極運(yùn)動(dòng)C鋁箔條中部向下方運(yùn)動(dòng)D鋁箔條中部向上方運(yùn)動(dòng)答案D1把一小段通電直導(dǎo)線放入磁場中，導(dǎo)線受到安培力的作用，關(guān)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(yīng)強(qiáng)度的方向相同B安培力的方向一定跟磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度方向垂直D安培力的方向既跟磁感應(yīng)強(qiáng)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(guān)于通電導(dǎo)線所受安培力F的方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向和電流I的方向之間的關(guān)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(yīng)強(qiáng)度B和電流I決定的平面垂直，但B與I(即導(dǎo)線)可以垂直，也可以不垂直，故A、C、D均錯(cuò)誤，B正確。答案B3(2018杭州教學(xué)質(zhì)量檢測)教師在課堂上做了個(gè)小實(shí)驗(yàn)，叫做“振動(dòng)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(dòng)，關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)下列說法正確的是()圖7A彈簧開始振動(dòng)時(shí)是先收縮后伸長，然后不停地振動(dòng)B彈簧開始振動(dòng)是因?yàn)槭艿搅怂y的作用力C若將彈簧下端直接與柔軟導(dǎo)線相連，通電后彈簧會(huì)伸長D若改變電源的正負(fù)極，將不能夠觀察到振動(dòng)現(xiàn)象解析當(dāng)有電流通過彈簧時(shí)，構(gòu)成彈簧的每一圈導(dǎo)線周圍都產(chǎn)生了磁場，根據(jù)安培定則知，各圈導(dǎo)線之間都產(chǎn)生了相互吸引作用，彈簧縮短，當(dāng)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(dǎo)線之間失去了相互吸引力，彈簧又恢復(fù)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(fù)上述過程，A正確，B錯(cuò)誤；若將彈簧下端直接與柔軟導(dǎo)線相連，通電后彈簧會(huì)縮短，C錯(cuò)誤；若改變電源的正負(fù)極，通電后仍會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象，D錯(cuò)誤。答案A4如圖8是“探究影響通電導(dǎo)體在磁場中受力因素”的實(shí)驗(yàn)示意圖。三塊相同馬蹄形磁鐵并列放置在水平桌面上，導(dǎo)體棒用圖中輕而柔軟的細(xì)導(dǎo)線1、2、3、4懸掛起來，它們之中的任意兩根與導(dǎo)體棒和電源構(gòu)成回路。認(rèn)為導(dǎo)體棒所在位置附近為勻強(qiáng)磁場，最初導(dǎo)線1、4接在直流電源上，電源沒有在圖中畫出。關(guān)于接通電源時(shí)可能出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，下列敘述正確的是()圖8A同時(shí)改變磁場方向和電流方向，導(dǎo)體棒擺動(dòng)方向?qū)?huì)改變B僅改變電流方向或磁場方向，導(dǎo)體棒擺動(dòng)方向一定改變C增大電流同時(shí)改變接入導(dǎo)體棒上的細(xì)導(dǎo)線長度，導(dǎo)體棒擺動(dòng)幅度一定增大D僅拿掉中間的磁鐵，導(dǎo)體棒擺動(dòng)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(dǎo)體棒擺動(dòng)方向一定改變，而兩者同時(shí)改變時(shí)，F(xiàn)方向不變，則導(dǎo)體棒擺動(dòng)方向不變，故B正確，A錯(cuò)誤；當(dāng)I增大，但L減小時(shí)，F(xiàn)大小不一定改變，C錯(cuò)誤；僅拿掉中間的磁鐵，意味著導(dǎo)體棒受力長度減小，F(xiàn)應(yīng)減小，則導(dǎo)體棒擺動(dòng)幅度一定改變，D錯(cuò)誤。答案B5如圖9所示，傾斜導(dǎo)軌寬為L，與水平面成角，處在方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，金屬桿ab水平放在導(dǎo)軌上。當(dāng)回路電流強(qiáng)度為I時(shí)，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(jù)左手定則可知安培力水平向右，由安培力計(jì)算公式可得FILB，故選項(xiàng)B正確。答案B1下面的四個(gè)圖顯示了磁場對通電直導(dǎo)線的作用力，其中正確的是()解析由左手定則可知，A項(xiàng)安培力方向向右；B項(xiàng)安培力方向向下；D項(xiàng)通電導(dǎo)線與磁場方向平行；C項(xiàng)正確。答案C2(2017浙江德清中學(xué)模擬)一段通電直導(dǎo)線平行于磁場方向放入勻強(qiáng)磁場中，如圖1所示，導(dǎo)線中電流方向由左指向右。當(dāng)導(dǎo)線以其中點(diǎn)O為軸轉(zhuǎn)過90的過程中，導(dǎo)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(shí)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(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)前，電流方向與磁感線方向相同，導(dǎo)線不受安培力；當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)過一個(gè)小角度，電流方向與磁感線不再平行，于是導(dǎo)線受到安培力；當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)過90時(shí)，電流方向與磁感線垂直，此時(shí)導(dǎo)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(xiàng)D正確。答案D3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)磁場中，棒中通有電流，方向從M流向N，此時(shí)懸線上有拉力，為了使拉力等于零，可以()圖2A適當(dāng)減小磁感應(yīng)強(qiáng)度B使磁場反向C適當(dāng)增大電流D使電流反向解析首先對MN進(jìn)行受力分析：其受豎直向下的重力、兩根軟導(dǎo)線的豎直向上的拉力和安培力。當(dāng)其處于平衡狀態(tài)時(shí)：2FBILmg，重力mg恒定不變，欲使拉力F減小到0，應(yīng)增大安培力BIL，所以可增大磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或增大通過金屬棒中的電流I，或二者同時(shí)增大，使磁場反向或電流反向，所受安培力反向?yàn)樨Q直向下，所以只有C項(xiàng)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(qiáng)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(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度是5105 T。如果赤道上有一條沿東西方向的直導(dǎo)線，長40 m，載有20 A的電流，地磁場對這根導(dǎo)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(jì)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(dǎo)線ab，用輕繩懸掛在通電螺線管正上方，直導(dǎo)線中的電流方向由a向b。閉合開關(guān)S瞬間，導(dǎo)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(guān)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(chǎn)生的磁場方向在通電導(dǎo)線a端斜向左下方，由左手定則可知，導(dǎo)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(dǎo)線abcd位于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)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(jīng)導(dǎo)線的電流為I，方向如圖中箭頭所示導(dǎo)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(dǎo)線分為三段直導(dǎo)線，根據(jù)左手定則分別判斷出各段所受安培力的方向，根據(jù)FILB計(jì)算出安培力的大小，再求合力。導(dǎo)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(dòng)機(jī)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(fù)極與金屬桿上端相連，與電源正極連接的導(dǎo)線插入水銀中，從上往下看，金屬桿()圖6A向左擺動(dòng) B向右擺動(dòng)C順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) D逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)極，磁場沿磁感線的切線方向，根據(jù)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(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，D正確。答案D9一直導(dǎo)線平行于通電螺線管的軸線放置在螺線管的上方，如圖7所示，如果直導(dǎo)線可以自由地運(yùn)動(dòng)且通以方向?yàn)橛蒩到b的電流，則導(dǎo)線ab受到安培力的作用后的運(yùn)動(dòng)情況為()圖7A從上向下看順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并靠近螺線管B從上向下看順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并遠(yuǎn)離螺線管C從上向下看逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并遠(yuǎn)離螺線管D從上向下看逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)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(dǎo)線左、右兩端磁感應(yīng)強(qiáng)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?？梢耘袛鄬?dǎo)線受到磁場力作用后從上向下看按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，再分析此時(shí)導(dǎo)線位置的磁場方向，再次用左手定則判斷導(dǎo)線所受磁場力的方向，如圖(b)所示，導(dǎo)線還要靠近螺線管，所以D正確，A、B、C錯(cuò)誤。答案D10如圖8所示，兩根光滑平行導(dǎo)軌水平放置，間距為L，其間有豎直向下的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。垂直于導(dǎo)軌水平對稱放置一根均勻金屬棒。從t0時(shí)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?yàn)殡娏髡较颉t金屬棒() 圖8A一直向左移動(dòng)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(gè)周期內(nèi)做正功解析根據(jù)題意畫出vt圖象如圖所示，金屬棒一直向右運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)誤；據(jù)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(cuò)誤；F安在前半周期做正功，后半周期做負(fù)功，則D項(xiàng)錯(cuò)。答案B11. (2018臺州質(zhì)量評估)用一根金屬絲、一節(jié)電池和一塊磁鐵，可以做一個(gè)簡易的電動(dòng)機(jī)。先將電池的負(fù)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(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。則下列說法正確的是()圖9A線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力是電場力B從上往下看，金屬絲順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C從上往下看，金屬絲逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)D若將電池的負(fù)極與磁鐵的S極接觸，金屬絲的旋轉(zhuǎn)方向不會(huì)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(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力是安培力，