新教材2023-2024學年高中物理第1章安培力與洛倫茲力專題提升1安培力的應用課件新人教版選擇性必修第二冊

第一章專題提升一安培力的應用重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學以致用·隨堂檢測全達標重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點一安培力作用下導體運動方向的判斷知識歸納安培力作用下導體運動方向的五個判斷方法不管是電流還是磁體,對通電導線的作用都是通過磁場來實現(xiàn)的,因此必須要清楚導線所在位置的磁場分布情況,然后結合左手定則準確判斷導線的受力情況或將要發(fā)生的運動。在實際操作過程中,往往采用以下幾種方法:電流元法把整段彎曲導線分為多段直線電流元,先用左手定則判斷每段電流元受力的方向,然后判斷整段導線所受合力的方向,從而確定導線的運動方向特殊位置法通電導線運動到某個便于分析的特殊位置時,判斷其所受安培力的方向,從而確定其運動方向等效法環(huán)形電流可等效成小磁針,通電螺線管可等效成條形磁鐵或多個環(huán)形電流,反過來等效也成立。等效后再確定相互作用情況結論法兩平行直線電流在相互作用過程中,無轉動趨勢,同向電流互相吸引,反向電流互相排斥;兩不平行的直線電流相互作用時,有轉到平行且電流方向相同的趨勢轉換研究對象法定性分析磁體在電流的磁場作用下的運動或運動趨勢的問題,可先分析電流在磁體的磁場中所受的安培力,然后由牛頓第三定律,確定磁體所受電流的磁場的作用力,從而確定磁體所受合力及運動或運動趨勢特別提示

(1)判斷通電線圈等在磁場中的轉動情況,要尋找具有對稱關系的電流元。(2)利用特殊位置法要注意利用通電導線所在位置的磁場特殊點的方向。應用體驗【例1】

如圖所示,兩條通電導線相互垂直,但相隔一段距離。其中導線AB固定,導線CD能自由活動,當直線電流按圖示方向通入兩條導線時,導線CD將(從紙外向紙內看)(

)A.順時針方向轉動同時靠近導線ABB.逆時針方向轉動同時離開導線ABC.順時針方向轉動同時離開導線ABD.逆時針方向轉動同時靠近導線ABD解析

據(jù)電流元分析法,把導線CD等效成CO、OD兩段電流元,由安培定則畫出CO、OD所在位置的通電導線AB的磁場,由左手定則可判斷CO、OD受力如圖甲所示,可見導線CD逆時針轉動。由特殊位置分析法,讓導線CD逆時針轉動90°,如圖乙所示,并畫出導線CD此時所在位置的通電導線AB的磁感線分布,據(jù)左手定則可判斷導線CD受力垂直于紙面向里,可見導線CD靠近導線AB,故選D。對點演練1.如圖所示,在水平放置的條形磁體S極附近懸掛一個線圈,線圈與條形磁體位于同一平面內。當線圈中電流沿圖示方向流動時,將會出現(xiàn)(

)A.線圈向磁體方向平移B.線圈向遠離磁體方向平移C.從上往下看,線圈順時針轉動,同時靠近磁體D.從上往下看,線圈逆時針轉動,同時靠近磁體C解析

線圈所在處的磁場向左,由左手定則可知線圈左側受力向外,右側受力向里,所以從上往下看,線圈逆時針轉動;將環(huán)形電流等效成小磁針,由安培定則知,轉動過程中其N極向左,與條形磁體相互吸引,故轉動的同時靠近磁體。2.如圖所示,三段長度相等的直導線a、b、c相互平行處在同一豎直面內,a、b間的距離等于b、c間的距離,通電電流Ia<Ib<Ic,方向如圖所示,則下列判斷正確的是(

)A.導線b受到的安培力可能為0B.導線a受到的安培力可能為0C.導線c受到的安培力的方向一定向左D.導線a、b受到的安培力的方向一定相同B解析

根據(jù)同向電流相互吸引、反向電流相互排斥可知,導線b受到的安培力方向向左,不可能為0,故A錯誤;導線a受到導線b給的向右的安培力和導線c給的向左的安培力,又因為通電電流Ia<Ib<Ic,a、c之間的距離大于a、b之間的距離,所以導線a受到的安培力可能為0,也可能向左或向右,所以導線a、b受到的安培力的方向不一定相同,故B正確,D錯誤;根據(jù)同向電流相互吸引、反向電流相互排斥可知,導線c受到的安培力的方向一定向右,故C錯誤。探究點二安培力作用下導體的平衡知識歸納1.求解安培力作用下導體棒平衡問題的基本思路

2.分析求解安培力時需要注意的兩個問題(1)首先畫出通電導體所在處的磁感線的方向,再根據(jù)左手定則判斷安培力方向。(2)安培力大小與導體放置的角度有關,l為導體垂直于磁場方向的長度,即有效長度。應用體驗【例2】

如圖所示,用兩根輕細金屬絲將質量為m、長為l的金屬棒ab懸掛在c、d兩處,置于勻強磁場內。當金屬棒中通以從a到b的電流I后,兩金屬絲偏離豎直方向θ角而處于平衡狀態(tài)。為了使金屬棒在該位置上平衡,所需的磁場的最小磁感應強度的大小、方向為(

)D解析

畫出題中裝置從右向左看的側視圖,金屬棒的受力分析如圖所示。要求所加磁場的磁感應強度最小,應使金屬棒平衡時所受的安培力最小。由于金屬棒的重力恒定,金屬絲拉力的方向不變,由畫出的力的三角形可知,安培力垂直于金屬絲時最小,安培力的最小值為Fmin=mgsin

θ,即方法技巧

安培力作用下導體棒平衡問題的求解關鍵:(1)電磁問題力學化,即把電磁問題通過受力分析,歸結為力學問題。(2)立體圖形平面化,想很好地分析物體受力的平衡問題,把立體圖形轉化為平面圖形是關鍵。對點演練3.(2023河北石家莊期末)如圖所示,一條形磁體放在水平桌面上,在條形磁體的左上方固定一根與磁場垂直的長直導線,當長直導線中通以圖示方向的電流時(

)A.條形磁體對桌面的壓力減小,且受到水平向左的摩擦力作用B.條形磁體對桌面的壓力減小,且受到水平向右的摩擦力作用C.條形磁體對桌面的壓力增大,且受到水平向左的摩擦力作用D.條形磁體對桌面的壓力增大,且受到水平向右的摩擦力作用C解析

根據(jù)條形磁體磁感線分布情況得到長直導線所在位置的磁場方向,再根據(jù)左手定則判斷所受安培力方向,如圖所示。根據(jù)牛頓第三定律,通電長直導線對條形磁體的作用力指向右下方,根據(jù)力的分解可知,條形磁體對桌面的壓力增大,且有相對桌面向右運動的趨勢,故條形磁體受到桌面水平向左的摩擦力作用。故選C。4.如圖所示,在傾角為θ=37°的斜面上,固定一寬為L=1.0m的平行金屬導軌?，F(xiàn)在導軌上垂直導軌放置一質量m=0.4kg、電阻R0=2.0Ω、長為1.0m的金屬棒ab,它與導軌間的動摩擦因數(shù)為μ=0.5。整個裝置處于方向豎直向上、磁感應強度大小為B=2T的勻強磁場中。導軌所接電源的電動勢為E=12V,內阻r=1.0Ω,若最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,滑動變阻器的阻值符合要求,其他電阻不計,g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。現(xiàn)要保持金屬棒在導軌上靜止不動,求:(1)金屬棒所受安培力大小的取值范圍;(2)滑動變阻器接入電路中的阻值范圍。解析

(1)當金屬棒剛好達到向上運動的臨界狀態(tài)時,金屬棒受到的摩擦力為最大靜摩擦力,方向平行斜面向下,對金屬棒受力分析,如圖甲所示,此時金屬棒所受安培力最大,設為F1,則有垂直斜面方向FN=F1sin

θ+mgcos

θ沿斜面方向F1cos

θ=mgsin

θ+Ffmax又Ffmax=μFN聯(lián)立以上三式并代入數(shù)據(jù)可得F1=8

N甲

當金屬棒剛好達到向下運動的臨界狀態(tài)時,金屬棒受到的摩擦力為最大靜摩擦力,方向平行斜面向上,其受力分析如圖乙所示,此時金屬棒所受安培力最小,設為F2,則有FN'=F2sin

θ+mgcos

θ,F2cos

θ+Ffmax'=mgsin

θ,乙

律,有E-I1r=I1(R0+R1)代入數(shù)據(jù)可得R1=30

Ω設電流為I2=4

A時滑動變阻器接入電路中的阻值為R2,由閉合電路歐姆定律,有E-I2r=I2(R0+R2)代入數(shù)據(jù)可得R2=0所以滑動變阻器接入電路中的阻值范圍為0≤R≤30

Ω。探究點三安培力作用下導體的加速知識歸納1.解決在安培力作用下物體的加速運動問題,首先對研究對象進行受力分析,其中重要的是不要漏掉安培力,然后根據(jù)牛頓第二定律列方程求解。2.選定觀察角度畫好平面圖,標出電流方向和磁場方向,然后利用左手定則判斷安培力的方向。3.與閉合電路歐姆定律相結合的題目,主要應用以下幾個知識點:(1)閉合電路歐姆定律;(2)安培力求解公式F=IlBsinθ;(3)牛頓第二定律。應用體驗【例3】

如圖所示,光滑的平行導軌傾角為θ,處在磁感應強度為B、豎直向下的勻強磁場中,導軌中接入電動勢為E、內阻為r的直流電源。電路中有一阻值為R的電阻,其余電阻不計,將質量為m、長度為l的導體棒垂直導軌由靜止釋放,求導體棒在釋放瞬間的加速度的大小。解析

畫出題中裝置的側視圖,導體棒受力分析如圖所示,導體棒受重力mg、支持力FN和安培力F,由牛頓第二定律得mgsin

θ-Fcos

θ=ma對點演練5.電磁炮是利用電磁發(fā)射技術制成的一種先進的武器。如圖所示為試驗所采用的電磁軌道,該軌道長7.5m,寬1.5m,若發(fā)射質量為50g的炮彈,炮彈從軌道左端由靜止開始加速,當回路中的電流恒為20A時,最大速度可達3km/s。軌道間所加磁場為勻強磁場,不計空氣及摩擦阻力。下列說法正確的是(

)A.磁場方向豎直向下B.磁場方向水平向右C.磁感應強度的大小為1×103TD.電磁炮的加速度大小為3×105m/s2C解析

由左手定則,根據(jù)安培力向右可判斷磁場方向豎直向上,A、B錯誤;由動能定理得BILx=mv2,解得B=1×103

T,C正確;由牛頓第二定律得BIL=ma,解得a=6×105

m/s2,D錯誤。6.

如圖所示,PQ和MN為水平平行放置的金屬導軌,相距1m,導體棒ab跨放在導軌上,導體棒的質量為m=0.2kg,導體棒的中點用與導軌平行的細繩經(jīng)光滑滑輪與物體相連,物體的質量m0=0.3kg,導體棒與導軌間的動摩擦因數(shù)為μ=0.5,最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,勻強磁場的磁感應強度B=2T、方向豎直向下,g取10m/s2,為了使物體以加速度a=3m/s2加速上升,應在棒中通入多大的電流?方向如何?答案

2.75A

方向由a到b解析

導體棒所受的滑動摩擦力大小為Ff=μmg=1

N要使物體加速上升,則安培力方向必須水平向左,則根據(jù)左手定則知導體棒中電流的方向為由a到b對導體棒及物體整體進行受力分析,由牛頓第二定律有F安-m0g-Ff=(m+m0)aF安=BIL聯(lián)立解得I=2.75

A。學以致用·隨堂檢測全達標123451.(安培力作用下導體運動方向的判斷)如圖所示,把一重力不計的通電直導線水平放在蹄形磁鐵兩極的正上方,導線可以自由轉動,當導線通入圖示方向電流I時,導線的運動情況是(從上往下看)(

)A.順時針方向轉動,同時下降B.順時針方向轉動,同時上升C.逆時針方向轉動,同時下降D.逆時針方向轉動,同時上升C12345解析

在導線處于如圖甲所示的位置時,將導線AB從N、S極的中間O處分成兩段,AO、BO段所處的磁場方向如圖甲所示,由左手定則可得AO段受安培力的方向垂直紙面向外,BO段受安培力的方向垂直紙面向里,則從上往下看,導線AB將繞O點逆時針轉動。當導線轉過90°處于如圖乙所示的特殊位置時,由左手定則可知導線AB此時受安培力方向豎直向下,導線將向下運動。因此導線所受安培力使導線逆時針轉動的同時還要向下運動,故選C。123452.(安培力作用下導體的平衡)如圖所示,長為l的通電直導線放在傾角為θ的光滑斜面上,并處在磁感應強度為B的勻強磁場中。當磁場方向垂直斜面向上、電流為I1時,導體處于平衡狀態(tài);若磁場方向改為豎直向上,電流為I2A12345解析

當磁場方向垂直斜面向上時,根據(jù)左手定則,安培力方向沿斜面向上,根據(jù)平衡條件得BI1l=mgsin

θ;當磁場方向豎直向上時,根據(jù)左手定則,安培力方向水平向右,根據(jù)平衡條件得BI2l=mgtan

θ,解得

=cos

θ,故選A。123453.(安培力作用下導體的平衡)(多選)如圖所示,金屬細棒ab質量為m,用兩根相同輕彈簧吊放在水平方向的勻強磁場中,彈簧的勁度系數(shù)為k,金屬細棒ab中通有恒定電流,金屬細棒ab處于平衡狀態(tài),并且彈簧的彈力恰好為零。若電流大小不變而方向反向,則(

)A.每根彈簧彈力的大小為mgB.每根彈簧彈力的大小為2mgAC12345解析

電流方向改變前,對金屬細棒ab受力分析,根據(jù)平衡條件可知,金屬細棒ab受到的安培力豎直向上,大小等于mg;電流方向改