新教材2025版高中物理第一章安培力與洛倫茲力素養(yǎng)提升課一安培力作用下的平衡和運(yùn)動(dòng)問(wèn)題學(xué)生用書(shū)新人教版選擇性必修第二冊(cè)

素養(yǎng)提升課一安培力作用下的平衡和運(yùn)動(dòng)問(wèn)題關(guān)鍵實(shí)力·合作探究——突出綜合性素養(yǎng)形成探究一安培力作用下導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向的推斷【情境探究】把盛有導(dǎo)電液體的玻璃器皿放在兩磁極中間，接通電源后，會(huì)看到液體旋轉(zhuǎn)起來(lái)．(1)通電液體為何會(huì)旋轉(zhuǎn)，液體的旋轉(zhuǎn)方向如何推斷？(2)假如增大電流，將會(huì)看到什么現(xiàn)象？【核心歸納】安培力作用下導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)狀況的推斷電流元法分割為電流元左手定則特別位置法在特別位置→安培力方向→運(yùn)動(dòng)方向等效法環(huán)形電流→小磁針條形磁鐵→通電螺線(xiàn)管→多個(gè)環(huán)形電流結(jié)論法同向電流相互吸引，反向電流相互排斥；兩不平行的直線(xiàn)電流相互作用時(shí)，有轉(zhuǎn)到平行位置且電流方向相同的趨勢(shì)轉(zhuǎn)換探討對(duì)象法定性分析磁體在電流磁場(chǎng)作用下如何運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的問(wèn)題，可先分析電流在磁體磁場(chǎng)中所受的安培力，然后由牛頓第三定律，確定磁體所受電流磁場(chǎng)的作用力，從而確定磁體所受合力及運(yùn)動(dòng)方向【應(yīng)用體驗(yàn)】例1一個(gè)可以自由運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)圈L1和一個(gè)水平固定的線(xiàn)圈L2相互絕緣垂直放置，且兩個(gè)線(xiàn)圈的圓心重合，如圖所示．當(dāng)兩線(xiàn)圈中通以圖示方向的電流時(shí)，從左向右看，線(xiàn)圈L1將(建議同學(xué)們用多種方法推斷)()A．不動(dòng) B．順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C．逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) D．向紙面里平動(dòng)[試解]【針對(duì)訓(xùn)練】1.[2024·青海海東檢測(cè)]一U形磁鐵用輕質(zhì)松軟細(xì)繩懸掛在天花板上，靜止在如圖所示的位置時(shí)繩中的張力大小為FT，現(xiàn)突然在其正下方的導(dǎo)線(xiàn)中通以向左的電流，U形磁鐵可繞輕繩自由旋轉(zhuǎn)，從上往下看，下列說(shuō)法正確的是()A．磁鐵順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且FT會(huì)變小B．磁鐵逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且FT會(huì)變小C．磁鐵順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且FT會(huì)變大D．磁鐵逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且FT會(huì)變大2.[2024·四川成都樹(shù)德中學(xué)高二期中]一條形磁鐵靜止在斜面上，固定在磁鐵中心的正上方的水平導(dǎo)線(xiàn)中通有垂直紙面對(duì)里的恒定電流，如圖所示．若將磁鐵的N極位置與S極位置對(duì)調(diào)后仍放在斜面上原來(lái)的位置，則磁鐵對(duì)斜面的壓力FN和摩擦力Ff的改變狀況分別是()A．FN增大，F(xiàn)f減小B．FN減小，F(xiàn)f增大C．FN與Ff都增大D．FN與Ff都減小【情境創(chuàng)新題】例2截面為正方形的絕緣彈性長(zhǎng)管中心有一固定長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)，長(zhǎng)管外表面固定著對(duì)稱(chēng)分布的四根平行長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)．若中心直導(dǎo)線(xiàn)通入電流I1，四根平行直導(dǎo)線(xiàn)均通入電流I2，I1?I2，電流方向如圖所示．下列截面圖中可能正確表示通電后長(zhǎng)管發(fā)生形變的是()教你解決問(wèn)題[試解]探究二安培力作用下導(dǎo)體的平衡【情境探究】一通電導(dǎo)線(xiàn)放置于光滑的斜面上，分別施加如圖甲、乙、丙、丁四種狀況的磁場(chǎng)，請(qǐng)指出哪些狀況導(dǎo)體棒可能保持靜止不動(dòng)，并指出安培力的方向．【核心歸納】1.求解安培力作用下導(dǎo)體棒平衡問(wèn)題的基本思路2．分析求解安培力時(shí)須要留意的兩個(gè)問(wèn)題(1)首先畫(huà)出通電導(dǎo)體所在處的磁感線(xiàn)的方向，再依據(jù)左手定則推斷安培力方向．(2)安培力大小與導(dǎo)體放置的角度有關(guān)，l為導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)方向的長(zhǎng)度，即有效長(zhǎng)度．【應(yīng)用體驗(yàn)】例3質(zhì)量為0.5kg的金屬桿在相距1m的水平軌道上與軌道垂直放置，金屬桿上通以I＝4A的恒定電流，方向如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)B垂直軌道平面豎直向上，金屬桿與軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2.設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，重力加速度g取10m/s2.金屬桿恰好不發(fā)生移動(dòng)，則勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為()A．2.0T B．1.0TC．0.50T D．0.25T教你解決問(wèn)題[試解]【針對(duì)訓(xùn)練】3.[2024·安徽六安一中高二檢測(cè)]如圖所示，在傾角為30°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，導(dǎo)體棒中電流為I.要使導(dǎo)體棒靜止在斜面上，須要外加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的最小值為()A．mg3IL B．C．mgIL D．4.[2024·山東聊城高二檢測(cè)]如圖所示，邊長(zhǎng)為l、質(zhì)量為m的等邊三角形導(dǎo)線(xiàn)框abc用絕緣細(xì)線(xiàn)懸掛于天花板，導(dǎo)線(xiàn)框中通以恒定電流I，圖中虛線(xiàn)過(guò)ab邊、ac邊的中點(diǎn)，在虛線(xiàn)的下方有一垂直于導(dǎo)線(xiàn)框平面對(duì)里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，此時(shí)導(dǎo)線(xiàn)框處于靜止?fàn)顟B(tài)；保持其他條件不變，只將虛線(xiàn)下方的磁場(chǎng)移至虛線(xiàn)上方，導(dǎo)線(xiàn)框仍處于靜止?fàn)顟B(tài)．則移動(dòng)磁場(chǎng)前后細(xì)線(xiàn)中的拉力差為()A．2IlB B．IlB C．0 D．12探究三安培力作用下導(dǎo)體棒的加速【核心歸納】1.解決在安培力作用下物體的加速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，首先對(duì)探討對(duì)象進(jìn)行受力分析，其中重要的是不要漏掉安培力，然后依據(jù)牛頓其次定律列方程求解．2．選定視察角度畫(huà)好平面圖，標(biāo)出電流方向和磁場(chǎng)方向，然后利用左手定則推斷安培力的方向．3．與閉合電路歐姆定律相結(jié)合的題目，主要應(yīng)用以下幾個(gè)學(xué)問(wèn)點(diǎn)：(1)閉合電路歐姆定律，(2)安培力求解公式F＝IlBsinθ，(3)牛頓其次定律．【應(yīng)用體驗(yàn)】例4電磁炮是利用電磁放射技術(shù)制成的一種先進(jìn)的動(dòng)能殺傷武器．如圖所示為某款電磁炮的軌道，該軌道長(zhǎng)10m，寬2m．若放射質(zhì)量為100g的炮彈，從軌道左端以初速度為零起先加速，當(dāng)回路中的電流恒為100A時(shí)，最大速度可達(dá)2km/s，假設(shè)軌道間磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，不計(jì)空氣及摩擦阻力．下列說(shuō)法正確的是()A．磁場(chǎng)方向豎直向下B．磁場(chǎng)方向?yàn)樗较蛴褻．電磁炮的加速度大小為4×105m/s2D．磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為100T[試解]【針對(duì)訓(xùn)練】5．中國(guó)工程院院士、海軍工程高校教授馬偉明是我國(guó)“國(guó)寶級(jí)”專(zhuān)家，他帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)僅用幾年時(shí)間，在電磁放射技術(shù)上取得集群式突破，全面推動(dòng)了我國(guó)武器發(fā)展從化學(xué)能到電磁能的放射革命．電磁炮的基本原理如圖所示，把待放射的炮彈(導(dǎo)體)放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的兩條平行導(dǎo)軌(導(dǎo)軌與水平方向成α角)上，若給導(dǎo)軌通以很大的恒定電流，使炮彈作為一個(gè)載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)的作用下，由靜止沿導(dǎo)軌做加速運(yùn)動(dòng)，以某一速度放射出去．已知?jiǎng)驈?qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直兩平行導(dǎo)軌向上．兩導(dǎo)軌間的距離為L(zhǎng)，磁場(chǎng)中導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為s，炮彈的質(zhì)量為m，炮彈和導(dǎo)軌間摩擦力恒為Ff，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間.求：(1)炮彈在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度大小；(2)炮彈在導(dǎo)軌末端放射出去時(shí)速度大?。S堂演練·達(dá)標(biāo)自測(cè)——突出創(chuàng)新性素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.[2024·浙江柯橋高二檢測(cè)]小明在課后用銅絲自制了一個(gè)“心”形的線(xiàn)圈，他把一節(jié)干電池的正極朝上放在一個(gè)強(qiáng)磁鐵上，強(qiáng)磁鐵的N極朝上，S極朝下，然后把制成的線(xiàn)圈如圖所示放在電池上，頂端與電池的正極接觸，下部分和磁鐵接觸，忽視各接觸面上的摩擦力，從上往下看，則()A．線(xiàn)圈不會(huì)轉(zhuǎn) B．線(xiàn)圈做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C．線(xiàn)圈做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) D．轉(zhuǎn)動(dòng)方向無(wú)法推斷2.如圖所示，用絕緣細(xì)線(xiàn)懸掛一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)框，導(dǎo)線(xiàn)框是由兩個(gè)同心半圓弧導(dǎo)線(xiàn)和直導(dǎo)線(xiàn)ab、cd連接而成的閉合回路，ab、cd段在同一條水平直線(xiàn)上，導(dǎo)線(xiàn)框中通有圖示方向的電流，處于靜止?fàn)顟B(tài)．在半圓弧導(dǎo)線(xiàn)的圓心處沿垂直于導(dǎo)線(xiàn)框平面的方向放置一根長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)P.當(dāng)P中通以方向向外的電流時(shí)()A．導(dǎo)線(xiàn)框?qū)⑾蜃髶u擺B．導(dǎo)線(xiàn)框?qū)⑾蛴覔u擺C．從上往下看，導(dǎo)線(xiàn)框?qū)㈨槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)D．從上往下看，導(dǎo)線(xiàn)框?qū)⒛鏁r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)3.[2024·廣東惠州高二檢測(cè)]質(zhì)量為m、長(zhǎng)為L(zhǎng)的直導(dǎo)體棒放置于四分之一光滑圓弧軌道上，整個(gè)裝置處于豎直向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，直導(dǎo)體棒中通有恒定電流，平衡時(shí)導(dǎo)體棒與圓弧圓心的連線(xiàn)與豎直方向成30°角，其截面圖如圖所示，則導(dǎo)體棒中電流的方向、大小分別為()A．垂直紙面對(duì)外，3mg3BL B．垂直紙面對(duì)里，C．垂直紙面對(duì)外，3mg2BL D．垂直紙面對(duì)里，4.[2024·廣東廣州三校高二聯(lián)考]電流天平是一種測(cè)量磁場(chǎng)力的裝置，如圖所示．兩相距很近的通電平行線(xiàn)圈Ⅰ和Ⅱ，線(xiàn)圈Ⅰ固定，線(xiàn)圈Ⅱ置于天平托盤(pán)上．當(dāng)兩線(xiàn)圈中均無(wú)電流通過(guò)時(shí)，天平示數(shù)恰好為零，下列說(shuō)法正確的是()A．當(dāng)天平示數(shù)為負(fù)時(shí)，兩線(xiàn)圈中電流方向相同B．當(dāng)天平示數(shù)為正時(shí)，兩線(xiàn)圈中電流方向相同C．線(xiàn)圈Ⅰ對(duì)線(xiàn)圈Ⅱ的作用力大于線(xiàn)圈Ⅱ?qū)€(xiàn)圈Ⅰ的作用力D．線(xiàn)圈Ⅱ的匝數(shù)越少，天平越靈敏5.如圖所示，質(zhì)量為0.2kg、長(zhǎng)度為0.5m的直導(dǎo)線(xiàn)用兩絕緣細(xì)線(xiàn)懸掛于E、F兩點(diǎn)，并處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，導(dǎo)線(xiàn)中通以2A的電流，方向如圖所示，懸線(xiàn)與豎直方向的夾角為30°，導(dǎo)線(xiàn)保持靜止．(重力加速度g取10m/s2)(1)若勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向豎直向上，則磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為多少？(2)若導(dǎo)線(xiàn)中的電流大小不變，方向相反，要使導(dǎo)線(xiàn)依舊靜止在此位置，求所加勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最小值及方向．素養(yǎng)提升課(一)安培力作用下的平衡和運(yùn)動(dòng)問(wèn)題關(guān)鍵實(shí)力·合作探究探究一情境探究提示：(1)通電液體之所以旋轉(zhuǎn)是因?yàn)槭艿搅Φ淖饔?，其旋轉(zhuǎn)方向可以用左手定則推斷．(2)電流增大，液體旋轉(zhuǎn)加快，說(shuō)明通電的液體受力變大．應(yīng)用體驗(yàn)[例1]解析：方法一(電流元法)把線(xiàn)圈L1沿L2所在平面分成上下兩部分，每一部分又可以看成多數(shù)段直線(xiàn)電流元，電流元處在L2中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，依據(jù)安培定則可知各電流元所在處的磁場(chǎng)方向向上，由左手定則可得，上半部分電流元所受安培力方向均指向紙外，下半部分電流元所受安培力方向均指向紙內(nèi)，因此從左向右看線(xiàn)圈L1將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．方法二(等效法)將環(huán)形電流I1等效為小磁針，該小磁針剛好處于環(huán)形電流I2的圓心處．由安培定則知I2產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向沿其豎直軸線(xiàn)向上，而環(huán)形電流I1等效成的小磁針在轉(zhuǎn)動(dòng)前，N極指向紙內(nèi)．因此小磁針的N極應(yīng)由指向紙內(nèi)轉(zhuǎn)為豎直向上，所以從左向右看，線(xiàn)圈L1將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．方法三(結(jié)論法)環(huán)形電流I1、I2之間不平行，則必有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到兩環(huán)形電流同向平行為止，據(jù)此可知，從左向右看，線(xiàn)圈L1將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．答案：B針對(duì)訓(xùn)練1．解析：由左手定則可知，導(dǎo)線(xiàn)左端受到垂直紙面對(duì)外的安培力的作用，而導(dǎo)線(xiàn)右端受到垂直紙面對(duì)里的安培力的作用，由牛頓第三定律可知磁鐵N極受到導(dǎo)線(xiàn)垂直紙面對(duì)里的力，磁鐵S極受到導(dǎo)線(xiàn)垂直紙面對(duì)外的力，所以磁鐵順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度后，由左手定則可知，導(dǎo)線(xiàn)受到向上的安培力，由牛頓第三定律可知，磁鐵受到導(dǎo)線(xiàn)向下的力，則繩子的張力FT變大，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤．答案：C2．解析：在磁鐵的N極位置與S極位置對(duì)調(diào)前，依據(jù)左手定則可知，導(dǎo)線(xiàn)所受的安培力方向斜向左下，由牛頓第三定律可知，磁鐵所受導(dǎo)線(xiàn)的作用力方向斜向右上，設(shè)其大小為F，F(xiàn)沿斜面方向的分力大小為F1，垂直斜面方向的分力大小為F2，斜面的傾角為α，磁鐵的重力為G，由磁鐵受力平衡可得磁鐵對(duì)斜面的壓力FN＝Gcosα－F2，摩擦力Ff＝Gsinα－F1，在磁鐵的N極位置與S極位置對(duì)調(diào)后，磁鐵受到導(dǎo)線(xiàn)的作用力反向，則磁鐵對(duì)斜面的壓力FN＝Gcosα＋F2，摩擦力Ff＝Gsinα＋F1，則FN、Ff都增大，故A、B、D錯(cuò)誤，C正確．答案：C視野拓展[例2]解析：因I1?I2，則可不考慮四個(gè)邊上的直導(dǎo)線(xiàn)之間的相互作用；依據(jù)兩通電直導(dǎo)線(xiàn)間的安培力作用滿(mǎn)意“同向電流相互吸引，異向電流相互排斥”，則正方形左右兩側(cè)的直導(dǎo)線(xiàn)要受到中心直導(dǎo)線(xiàn)吸引的安培力，形成凹形，正方形上下兩邊的直導(dǎo)線(xiàn)要受到中心直導(dǎo)線(xiàn)排斥的安培力，形成凸形，故發(fā)生形變后的形態(tài)如圖C.答案：C探究二情境探究提示：甲圖可能，安培力的方向水平向右；乙圖可能，安培力的方向豎直向上；丙圖不行能，安培力的方向豎直向下；丁圖可能，安培力的方向沿斜面對(duì)上．應(yīng)用體驗(yàn)[例3]解析：由左手定則推斷安培力方向向左，對(duì)金屬桿受力分析如圖：依據(jù)平衡條件可得IlB＝μmg，解得B＝0.25T，故D項(xiàng)正確．答案：D針對(duì)訓(xùn)練3．解析：對(duì)導(dǎo)體棒分析可知，導(dǎo)體棒受重力、支持力和安培力保持平衡狀態(tài)，其中支持力的方向不變，重力的大小和方向均不變，作出一系列可能的矢量三角形如圖所示，可知當(dāng)安培力方向與支持力方向垂直時(shí)安培力最小，為Fmin＝ILBmin＝mgsin30°＝12mg，所以須要外加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最小值為Bmin＝FminIL答案：B4．解析：將虛線(xiàn)下方的磁場(chǎng)移至虛線(xiàn)上方時(shí)，設(shè)細(xì)線(xiàn)中拉力為F2，線(xiàn)框處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，受力如圖甲所示，則各邊受到的安培力大小均為12IlB，依據(jù)左手定則可知安培力夾角為120°，因此導(dǎo)線(xiàn)框受到的合安培力大小為F安＝12IlB，方向豎直向下，則有F2＝mg＋12IlB；磁場(chǎng)在虛線(xiàn)下方時(shí)，設(shè)細(xì)線(xiàn)中的拉力為F1，依據(jù)左手定則，各邊所受安培力如圖乙所示，結(jié)合矢量的合成法則及幾何學(xué)問(wèn)可知，導(dǎo)線(xiàn)框所受合安培力大小F′安＝12IlB，方向豎直向上，依據(jù)平衡條件，則有F1＋12IlB＝mg，則F2－答案：B探究三應(yīng)用體驗(yàn)[例4]解析：回路中電流方向如題圖所示，則依據(jù)安培定則可知，磁場(chǎng)方向應(yīng)豎直向上，故A、B錯(cuò)誤；由題意可知，最大速度v＝2km/s，加速距離x＝10m，由速度和位移關(guān)系可知v2＝2ax，解得加速度大小a＝2×105m/s2，由牛頓其次定律可得F＝ma，又F＝IlB，聯(lián)立解得B＝100T，故C錯(cuò)誤，D正確．答案：D針對(duì)訓(xùn)練5．解析：(1)依據(jù)牛頓其次定律ILB－mgsinα－Ff＝ma，解得a＝ILB-Ffm－(2)由公式v2＝2as解得v＝2ILB答案：(1)ILB-Ffm－(2)2隨堂演練·達(dá)標(biāo)自測(cè)1．解析：“心”形的線(xiàn)圈，左半部分電流由上到下，磁場(chǎng)的方向有向左的重量，依據(jù)左手定則可知，安培力是向內(nèi)的；“心”形的線(xiàn)圈，右半部分電流也是由上到下，磁場(chǎng)的方向有向右的重量，依據(jù)左手定則可知，安培力是向外的，則從上往下看，線(xiàn)圈做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，