高中物理人教版1第三章磁場(chǎng)第4節(jié)通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受到的力 名師獲獎(jiǎng)

通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受到的力【考綱要求】1．知道什么是安培力，知道電流方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，電流受的安培力為零；電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，電流受安培力的大小F=BIL

。2．知道左手定則的內(nèi)容，會(huì)用左手定則熟練地判定安培力方向。3．會(huì)用安培力公式F=BIL解答有關(guān)問(wèn)題。4．了解磁電式電流表的工作原理?！咀灾鲗W(xué)習(xí)】1．安培力和靜電力有什么區(qū)別？請(qǐng)列表說(shuō)明。靜電力安培力研究對(duì)象受力特點(diǎn)判斷方法2．左手定則的內(nèi)容是什么？怎么運(yùn)用？3．“安培定則”和“左手定則”有何區(qū)別和聯(lián)系？請(qǐng)列表說(shuō)明。靜電力安培力適用對(duì)象電流與磁場(chǎng)的關(guān)系電與磁的因果關(guān)系適用條件4．應(yīng)用公式F＝BIL求安培力大小應(yīng)注意哪些問(wèn)題？5．當(dāng)電流的方向與磁場(chǎng)的方向不垂直時(shí)，如何確定安培力的方向？試總結(jié)安培力的方向有何特點(diǎn)？【考點(diǎn)突破】典型例題1如圖所示，在同一水平面的兩導(dǎo)軌相互平行，并在豎直向上的磁場(chǎng)中，一根質(zhì)量為3.6kg、有效長(zhǎng)度為2m的金屬棒放在導(dǎo)軌上，當(dāng)金屬棒中的電流為5A時(shí)，金屬棒做勻速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)金屬棒中的電流增大到8A時(shí)，金屬棒能獲得2m/s2的加速度．則磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多少？思考：導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中受到幾個(gè)力的作用？當(dāng)金屬棒中的電流為5A時(shí)，金屬棒做勻速運(yùn)動(dòng)，可以得到什么結(jié)論？什么力產(chǎn)生了加速度？解析對(duì)金屬棒進(jìn)行受力分析，利用牛頓第二定律可得：當(dāng)金屬棒中的電流為5A時(shí)BI1L－F阻當(dāng)金屬棒中的電流為8A時(shí)BI2L－F阻＝ma由①②整理方程組可得：B＝eq\f(ma,(I2－I1)L)＝eq\f×2,(8－5)×2)T＝T答案T反饋訓(xùn)練1如圖所示，原來(lái)靜止的圓形線(xiàn)圈通以逆時(shí)針?lè)较虻碾娏鱅在其直徑AB上靠近B點(diǎn)放置一根垂直于線(xiàn)圈平面的固定不動(dòng)的長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)，并通以電流I′，方向如圖所示。在磁場(chǎng)力作用下，圓形線(xiàn)圈將怎樣運(yùn)動(dòng)？注意：①通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中的受力的大小由電流的大小、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小、導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度以及導(dǎo)線(xiàn)和磁場(chǎng)方向的夾角幾個(gè)方面的因素決定。②通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受到的安培力的方向用左手定則來(lái)進(jìn)行判斷。典型例題2如圖所示一邊長(zhǎng)為h的正方形線(xiàn)圈A，其中電流I大小和方向(逆時(shí)針)均保持不變，用兩條長(zhǎng)度恒為h的絕緣細(xì)繩靜止懸掛于水平長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)CD的正下方．當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)CD中無(wú)電流時(shí)，兩細(xì)繩中張力均為FT；當(dāng)通過(guò)CD的電流為i時(shí)，兩細(xì)繩中張力均降到αFT(0<α<1)；而當(dāng)CD上的電流為i′時(shí)，兩細(xì)繩中張力恰好為零．已知通電長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)的磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與該點(diǎn)到導(dǎo)線(xiàn)的距離r成反比．由此可知，CD中的電流方向、CD中兩次通入的電流大小之比eq\f(i,i′)分別為()A．電流方向向左B．電流方向向右C．電流大小之比eq\f(i,i′)＝1＋αD．電流大小之比eq\f(i,i′)＝1－α思考：當(dāng)無(wú)電流時(shí)，線(xiàn)框受力情況如何？當(dāng)通過(guò)電流之后，上下兩條邊受到的安培力的關(guān)系是什么？受到的安培力的大小和CD中電流的大小有什么關(guān)系？怎樣用公式表示這三種情況？解析當(dāng)無(wú)電流時(shí)，繩子的拉力等于線(xiàn)圈重力的eq\f(1,2)，當(dāng)通過(guò)電流i時(shí)，繩子受力減小說(shuō)明受到的安培力的方向向上，可判斷CD中的電流方向向左；由于線(xiàn)圈的上邊是下邊距離導(dǎo)線(xiàn)CD的距離的一半，所以受到的力是下邊的二倍，設(shè)下邊受力為F，則F＋2αFT＝mg，當(dāng)通過(guò)的電流為i′時(shí)，繩子沒(méi)有張力，設(shè)此時(shí)下邊受力為F′，則此時(shí)F′＝mg，整理可得結(jié)論．答案AD反饋訓(xùn)練2如圖所示，在傾角為α的光滑斜面上，垂直紙面放置一根長(zhǎng)為L(zhǎng)，質(zhì)量為m的直導(dǎo)體棒．當(dāng)導(dǎo)體棒中的電流I垂直紙面向里時(shí)，欲使導(dǎo)體棒靜止在斜面上，可將導(dǎo)體棒置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)外加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向在紙面內(nèi)由豎直向上逆時(shí)針至水平向左的過(guò)程中，關(guān)于B的大小的變化，正確的說(shuō)法是()A．逐漸增大B．逐漸減小C．先減小后增大D．先增大后減小小結(jié)：通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中的平衡問(wèn)題的解決方法：①分析通電導(dǎo)線(xiàn)的受力．②分析受到的磁場(chǎng)力的方向和大小。③根據(jù)受力平衡列方程式．④根據(jù)平衡條件找出各個(gè)力之間的關(guān)系，求出相關(guān)的物理量。【考點(diǎn)鞏固】一、選擇題1．如圖所示，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，一根粗細(xì)均勻的通電導(dǎo)線(xiàn)置于水平桌面上，此時(shí)導(dǎo)線(xiàn)對(duì)桌面有壓力作用，要使導(dǎo)線(xiàn)對(duì)桌面的壓力為零，下列措施中可行的是()A．增大電流強(qiáng)度B．減小磁感應(yīng)強(qiáng)度C．使電流反向D．使磁場(chǎng)反向2．如圖所示，A為一水平放置的橡膠盤(pán)，帶有大量均勻分布的負(fù)電荷，在圓盤(pán)正上方水平放置一通電直導(dǎo)線(xiàn)，電流方向如圖中所示，當(dāng)圓盤(pán)沿圖中所示方向高速繞中心軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通電直導(dǎo)線(xiàn)所受磁場(chǎng)力的方向是()A．豎直向上B．豎直向下C．水平向里D．水平向外3．如下所示的四個(gè)圖中，磁感線(xiàn)方向或平行紙面或垂直紙面，平行于紙面的導(dǎo)體ab中通有a→b的電流，當(dāng)將ab導(dǎo)體以a端為軸，從圖示位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°角(始終在紙面內(nèi))的過(guò)程中，通電導(dǎo)體所受安培力方向不發(fā)生變化的是()4．如圖所示，兩個(gè)完全相同的線(xiàn)圈套在一水平光滑絕緣圓柱上，但能自由移動(dòng)，若兩線(xiàn)圈內(nèi)通以大小不等的同向電流，則它們的運(yùn)動(dòng)情況是()A．都繞圓柱轉(zhuǎn)動(dòng)B．以不等的加速度相向運(yùn)動(dòng)C．以相等的加速度相向運(yùn)動(dòng)D．以相等的加速度相背運(yùn)動(dòng)5．把一根柔軟的螺旋形彈簧豎直懸掛起來(lái)，使它下端剛好跟杯中的水銀面接觸，并使它組成如圖8所示的電路．當(dāng)開(kāi)關(guān)S接通后將看到的現(xiàn)象是()A．彈簧向上收縮B．彈簧被拉長(zhǎng)C．彈簧上下跳動(dòng)D．彈簧仍靜止不動(dòng)6．如圖中①②③所示，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有三個(gè)通電線(xiàn)圈處于如下圖中所示的位置，則()A．三個(gè)線(xiàn)圈都可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)B．只有②中的線(xiàn)圈可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)C．只有①②中的線(xiàn)圈可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)D．只有②③中的線(xiàn)圈可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)二、計(jì)算論述題7．在傾角為α的光滑斜面上，置一通有電流I，長(zhǎng)為L(zhǎng)，質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒，如圖11所示，試問(wèn)：(1)欲使棒靜止在斜面上，外加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的最小值和方向。(2)欲使棒靜止在斜面上且對(duì)斜面無(wú)壓力，外加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小和方向。8．如圖所示，導(dǎo)軌間的距離L＝0.5m，B＝2T，ab棒的質(zhì)量m＝1kg，物塊重G＝3N，ab棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝，電源的電動(dòng)勢(shì)E＝10V，r＝Ω，導(dǎo)軌的電阻不計(jì)，ab棒電阻也不計(jì)，問(wèn)R的取值范圍怎樣時(shí)棒處于靜止?fàn)顟B(tài)？(g取10m/s2)9．如圖是導(dǎo)軌式電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。兩根平行長(zhǎng)直金屬導(dǎo)軌沿水平方向固定，其間安放金屬滑塊(即實(shí)驗(yàn)用彈丸)，滑塊可沿導(dǎo)軌無(wú)摩擦滑行，且始終與導(dǎo)軌保持良好接觸．電源提供的強(qiáng)大電流從一根導(dǎo)軌流入，經(jīng)過(guò)滑塊，再?gòu)牧硪粚?dǎo)軌流回電源，滑塊被導(dǎo)軌中的電流形成的磁場(chǎng)推動(dòng)而發(fā)射．在發(fā)射過(guò)程中，該磁場(chǎng)在滑塊所在位置始終可以簡(jiǎn)化為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向垂直于紙面，其強(qiáng)度與電流的關(guān)系為B＝kI，比例常量k＝×10－6T/A。已知兩導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)間距l(xiāng)＝1.5cm，滑塊的質(zhì)量m＝30g，滑塊沿導(dǎo)軌滑行x＝5m后獲得的發(fā)射速度v＝3.0km/s(此過(guò)程視為勻加速運(yùn)動(dòng))。(1)求發(fā)射過(guò)程中電源提供的電流是多大？(2)若電源輸出的能量有4%轉(zhuǎn)換為滑塊的動(dòng)能，則發(fā)射過(guò)程中電源的輸出功率和輸出電壓各是多大？

參考答案自主學(xué)習(xí)1靜電力安培力研究對(duì)象點(diǎn)電荷電流元受力特點(diǎn)正電荷受力方向與電場(chǎng)方向相同，負(fù)電荷相反安培力方向與磁場(chǎng)方向和電流方向都垂直判斷方法結(jié)合電場(chǎng)線(xiàn)方向和電荷正、負(fù)判斷用左手定則判斷2.(1)在適用對(duì)象上：安培定則研究電流(直流電流、環(huán)形電流、通電螺線(xiàn)管電流)產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，電流與其產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感線(xiàn)二者方向的關(guān)系；左手定則研究通電導(dǎo)線(xiàn)(或運(yùn)動(dòng)電荷)在磁場(chǎng)中受力時(shí)，F(xiàn)、I、B三者方向的關(guān)系。(2)在電流與磁場(chǎng)的關(guān)系上：安培定則中的“磁場(chǎng)”與“電流”密不可分，同時(shí)存在、同時(shí)消失，“磁場(chǎng)”就是電流的磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)；左手定則中的“磁場(chǎng)”與“電流”可以單獨(dú)存在，“磁場(chǎng)”是外加的磁場(chǎng)，不是通電導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。(3)在因果關(guān)系上：安培定則中的“電流”是因，“磁場(chǎng)”為果，正是有了電流(直流電流、環(huán)形電流、螺線(xiàn)管電流)才出現(xiàn)了由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)；左手定則中的“磁場(chǎng)”和“電流”都是“因”，磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線(xiàn)的作用力是“果”，有因才有果，而此時(shí)的兩個(gè)“因”對(duì)產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的作用力來(lái)說(shuō)缺一不可。(4)判斷電流方向選取定則的原則：當(dāng)已知磁感線(xiàn)的方向，要判斷產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流方向時(shí)，選用安培定則判斷電流的方向；當(dāng)已知導(dǎo)體所受安培力的方向時(shí)，用左手定則判斷電流的方向。反饋訓(xùn)練1.答案繞直徑AB轉(zhuǎn)動(dòng)解析如右圖所示，先用安培定則確定由I′產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在圓環(huán)電流上找出對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)點(diǎn)M、N，由左手定則，M受安培力方向垂直于紙面向里，N受到的安培力方向垂直于紙面向外，圓形線(xiàn)圈上的其他對(duì)稱(chēng)點(diǎn)受力情況相似，故圓形線(xiàn)圈繞直徑AB轉(zhuǎn)動(dòng)．2.答案C解析通電導(dǎo)線(xiàn)在斜面上受到重力、支持力和磁場(chǎng)力，當(dāng)磁場(chǎng)方向豎直向上時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)受到的磁場(chǎng)力方向水平向右．當(dāng)磁場(chǎng)方向水平向左時(shí)，磁場(chǎng)力的方向豎直向上，把重力、支持力和磁場(chǎng)力放在一個(gè)三角形中進(jìn)行研究，可知磁場(chǎng)力先減小后增大，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度先減小后增大．考點(diǎn)鞏固2.答案C解析根據(jù)圓盤(pán)帶電性質(zhì)和旋轉(zhuǎn)方向，可知圓盤(pán)上方磁場(chǎng)向上，根據(jù)左手定則可知導(dǎo)線(xiàn)受力水平向里．4.答案C解析同向環(huán)形電流間相互吸引，雖然兩電流大小不等，但據(jù)牛頓第三定律知兩線(xiàn)圈間相互作用力必大小相等，所以選C項(xiàng)。5.答案C解析當(dāng)彈簧在重力作用下與液面接觸后構(gòu)成回路，開(kāi)關(guān)S接通螺線(xiàn)管每一環(huán)中電流方向同向，相互吸引而收縮，收縮后電路斷路，彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)，電路又重新接通，如此往復(fù)．6.答案B解析①線(xiàn)圈中導(dǎo)線(xiàn)受力在水平方向；②線(xiàn)圈中導(dǎo)線(xiàn)受一轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；③線(xiàn)圈中導(dǎo)線(xiàn)不受力。7.答案(1)eq\f(mgsinα,IL)垂直斜面向上(2)eq\f(mg,IL)水平向左解析(1)棒在斜面上處于靜止?fàn)顟B(tài)，故受力平衡．棒共受三個(gè)力作用：重力大小為mg，方向豎直向下；彈力垂直于斜面，大小隨磁場(chǎng)力的變化而變化；磁場(chǎng)力始終與磁場(chǎng)方向及電流方向垂直，大小隨磁場(chǎng)方向不同而改變，但由平衡條件知：斜面彈力與磁場(chǎng)力的合力必與重力mg等大反向，故當(dāng)磁場(chǎng)力方向與彈力方向垂直即沿斜面向上時(shí)，安培力最小Fmin＝mgsinα，故B＝eq\f(mgsinα,IL)，由左手定則知B的方向應(yīng)垂直于斜面向上．(2)棒靜止在斜面上，又對(duì)斜面無(wú)壓力，則棒只受兩個(gè)力作用，即豎直向下的重力mg和磁場(chǎng)力F，由平衡條件知F＝mg，且磁場(chǎng)力F豎直向上，所以BIL＝mg，故B＝eq\f(mg,IL)，由左手定則知B的方向水平向左．8.答案Ω≤R≤Ω解析依據(jù)物體平衡條件可得：恰不右滑時(shí)：G－μmg－BLI1＝0①恰不左滑時(shí)：G＋μmg－BLI2＝0②依據(jù)全電路歐姆定律可得：E＝I1(R1＋r)③E＝I2(R2＋r)④聯(lián)立①③得：R1＝eq\f(BLE,G－mgμ)－r＝Ω聯(lián)立②④得：R2＝eq\f(BLE,G＋mgμ)－r＝Ω所以R的取值范圍為：Ω≤R≤Ω9.答案(1)×105A(2)×109W×10解析(1)由