浙江专用高中物理第三章磁场3_4通电导线在磁场中受到的力学案新人教版.docx

第4节通电导线在磁场中受到的力 研究学考明确要求知识内容通电导线在磁场中受到的力考试要求学考c选考d基本要求1.了解安培力的概念，知道通电导线在磁场中受到安培力的条件。2了解决定安培力方向的因素，知道安培力既与磁场方向垂直，又与导线垂直。3会用左手定则判断有关方向。4知道安培力公式FILB的适用条件，并会用公式解决简单问题。发展要求1.了解磁电式电流表的工作原理。2会用矢量分解方法，推导导线与磁场不垂直时的安培力公式。说明1.不要求计算导线与磁场不垂直时的安培力。2利用安培力公式，综合其他力学规律，求解力学与电学综合的问题只限于所受各力在一条直线或者相互垂直的情形。基 础 梳 理1安培力：通电导线在磁场中受的力。2决定安培力方向的因素(1)磁场方向；(2)电流方向。3左手定则：如图1所示，伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内：让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。图14安培力的特点：FI，FB，即F垂直于B和I决定的平面。典 例 精 析【例1】 画出下列各图中磁场中通电导线的安培力的方向。解析无论B、I是否垂直，安培力总是垂直于B与I决定的平面，且满足左手定则。答案如图所示解答这类问题的关键是理解以下两点：(1)运用左手定则时，无论B、I是否垂直，一定要让磁感线穿入手心，四指指向电流的方向，则拇指所指即为安培力的方向。(2)左手定则是判断电流在磁场中受力方向的法则，而安培定则是判断电流的磁场方向的法则，要注意两者的区别。即 学 即 练1如图直导线通入垂直纸面向里的电流，在下列匀强磁场中，直导线能静止在光滑斜面上的是()解析要使直导线能够静止在光滑斜面上，则直导线在磁场中受到的安培力必须与重力和支持力的合力为零，通过左手定则判断出A正确。答案A基 础 梳 理同一通电导线，按不同方式放在同一磁场中，受力情况不同，如图2所示。图21如图2甲，IB，此时安培力最大，FILB。2如图乙，IB，此时安培力最小，F0。3如图丙，当I与B成角时，将B分解为沿电流方向的B1Bcos 和垂直于电流方向的B2Bsin ，磁场对I的作用可用B1、B2对电流的作用等效替代。则FF1F20ILB2ILBsin 。FILBsin_，这是一般情况下安培力的表达式。典 例 精 析【例2】 将长度为20 cm、通有0.1 A电流的直导线放入一匀强磁场中，电流与磁场方向如图3所示。已知磁感应强度为1 T，试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向。图3解析由左手定则和安培力的计算公式得：甲图中因导线与磁感线平行，所以安培力为0；由左手定则知，乙图中导线所受安培力方向在纸面内垂直导线水平向右，大小FILB0.10.21 N0.02 N；丙图中安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上，大小FILB0.02 N。答案甲：0；乙：0.02 N，方向在纸面内垂直导线水平向右；丙：0.02 N，方向在纸面内垂直导线斜向上。即 学 即 练2如图4所示，导线框中电流为I，导线框垂直于磁场放置，磁感应强度为B，ab与cd相距为l，则MN所受安培力大小()图4AFIlBBFIlBsin CFDFIlBcos 解析题中磁场和电流垂直，角仅是导线框与金属杆MN间夹角，不是电流与磁场的夹角。答案C基 础 梳 理1原理：通电线圈在磁场中受到安培力而偏转。线圈偏转的角度越大，被测电流就越大。根据线圈偏转的方向，可以知道被测电流的方向。2构造：磁铁、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴。图53特点：两极间的极靴中间的铁质圆柱，使极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，保持线圈转动时，安培力的大小不受磁场影响，电流所受安培力的方向总与线圈平面垂直。使线圈平面都与磁场方向平行，使表盘刻度均匀，如图5所示。4优点：灵敏度高，可以测出很弱的电流。缺点：线圈导线很细，允许通过的电流很弱。典 例 精 析【例3】 关于磁电式电流表内的磁铁和铁芯之间的均匀辐向分布的磁场，下列说法中正确的是()A该磁场的磁感应强度大小处处相等，方向相同B该磁场的磁感应强度的方向处处相同，大小不等C使线圈平面始终与磁感线平行D线圈所处位置的磁感应强度大小不等解析两磁极之间装有极靴，极靴中间又有一个铁质圆柱，极靴与铁质圆柱之间有一不大的缝隙，根据磁感线与磁极表面垂直的特点，磁化了的铁质圆柱与极靴间的缝隙处就形成了辐向分布的磁场。这样做的目的就是让通电线圈所在处能有一个等大的磁场，并且磁感线始终与线圈平面平行。故C正确。答案C即 学 即 练3(2018绍兴教学质量检测)如图6所示，取一柔软的铝箔条，把它折成天桥状并用胶纸粘牢两端，使蹄形磁铁横跨过“天桥”。当电池与铝箔接通过()图6A铝箔条中部向磁铁S极运动B铝箔条中部向磁铁N极运动C铝箔条中部向下方运动D铝箔条中部向上方运动答案D1把一小段通电直导线放入磁场中，导线受到安培力的作用，关于安培力的方向，下列说法中正确的是()A安培力的方向一定跟磁感应强度的方向相同B安培力的方向一定跟磁感应强度的方向垂直，但不一定跟电流方向垂直C安培力的方向一定跟电流方向垂直，但不一定跟磁感应强度方向垂直D安培力的方向既跟磁感应强度方向垂直，又跟电流方向垂直解析安培力的方向既垂直于磁场方向，又垂直于电流方向，即垂直于磁场与电流所决定的平面，但电流方向与磁场方向不一定垂直。答案D2关于通电导线所受安培力F的方向、磁感应强度B的方向和电流I的方向之间的关系，下列说法正确的是()AF、B、I三者必须保持相互垂直BF必须垂直B、I，但B、I可以不相互垂直CB必须垂直F、I，但F、I可以不相互垂直DI必须垂直F、B，但F、B可以不相互垂直解析安培力F总是与磁感应强度B和电流I决定的平面垂直，但B与I(即导线)可以垂直，也可以不垂直，故A、C、D均错误，B正确。答案B3(2018杭州教学质量检测)教师在课堂上做了个小实验，叫做“振动的弹簧”，如图7所示把一根柔软的弹簧悬挂起来，下端刚好跟槽中的水银接触，通电后发现弹簧不断上下振动，关于这个实验下列说法正确的是()图7A弹簧开始振动时是先收缩后伸长，然后不停地振动B弹簧开始振动是因为受到了水银的作用力C若将弹簧下端直接与柔软导线相连，通电后弹簧会伸长D若改变电源的正负极，将不能够观察到振动现象解析当有电流通过弹簧时，构成弹簧的每一圈导线周围都产生了磁场，根据安培定则知，各圈导线之间都产生了相互吸引作用，弹簧缩短，当弹簧的下端离开水银后，电路断开，弹簧中没有了电流，各圈导线之间失去了相互吸引力，弹簧又恢复原长，使得弹簧下端又与水银接触，弹簧中又有了电流，开始重复上述过程，A正确，B错误；若将弹簧下端直接与柔软导线相连，通电后弹簧会缩短，C错误；若改变电源的正负极，通电后仍会产生上述现象，D错误。答案A4如图8是“探究影响通电导体在磁场中受力因素”的实验示意图。三块相同马蹄形磁铁并列放置在水平桌面上，导体棒用图中轻而柔软的细导线1、2、3、4悬挂起来，它们之中的任意两根与导体棒和电源构成回路。认为导体棒所在位置附近为匀强磁场，最初导线1、4接在直流电源上，电源没有在图中画出。关于接通电源时可能出现的实验现象，下列叙述正确的是()图8A同时改变磁场方向和电流方向，导体棒摆动方向将会改变B仅改变电流方向或磁场方向，导体棒摆动方向一定改变C增大电流同时改变接入导体棒上的细导线长度，导体棒摆动幅度一定增大D仅拿掉中间的磁铁，导体棒摆动幅度不变解析由FILB和左手定则可知，仅改变电流方向或者仅改变磁场方向，F的方向一定改变，即导体棒摆动方向一定改变，而两者同时改变时，F方向不变，则导体棒摆动方向不变，故B正确，A错误；当I增大，但L减小时，F大小不一定改变，C错误；仅拿掉中间的磁铁，意味着导体棒受力长度减小，F应减小，则导体棒摆动幅度一定改变，D错误。答案B5如图9所示，倾斜导轨宽为L，与水平面成角，处在方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中，金属杆ab水平放在导轨上。当回路电流强度为I时，金属杆ab所受安培力F()图9A方向垂直ab杆沿斜面向上B方向垂直ab杆水平向右CFILBcos DFILBsin 解析由题图知电流方向由ba且与磁场方向垂直，根据左手定则可知安培力水平向右，由安培力计算公式可得FILB，故选项B正确。答案B1下面的四个图显示了磁场对通电直导线的作用力，其中正确的是()解析由左手定则可知，A项安培力方向向右；B项安培力方向向下；D项通电导线与磁场方向平行；C项正确。答案C2(2017浙江德清中学模拟)一段通电直导线平行于磁场方向放入匀强磁场中，如图1所示，导线中电流方向由左指向右。当导线以其中点O为轴转过90的过程中，导线受到的安培力()图1A大小不变，方向不变B由0增至最大，方向时刻变C由最大减小至0，方向不变D由0增至最大，方向不变解析导线转动前，电流方向与磁感线方向相同，导线不受安培力；当导线转过一个小角度，电流方向与磁感线不再平行，于是导线受到安培力；当导线转过90时，电流方向与磁感线垂直，此时导线受的安培力最大。用左手定则可以判断安培力的方向始终不变。所以选项D正确。答案D3如图2所示，一根有质量的金属棒MN，两端用细软导线连接后悬于a、b两点，棒的中部处于方向垂直纸面向里的匀强磁场中，棒中通有电流，方向从M流向N，此时悬线上有拉力，为了使拉力等于零，可以()图2A适当减小磁感应强度B使磁场反向C适当增大电流D使电流反向解析首先对MN进行受力分析：其受竖直向下的重力、两根软导线的竖直向上的拉力和安培力。当其处于平衡状态时：2FBILmg，重力mg恒定不变，欲使拉力F减小到0，应增大安培力BIL，所以可增大磁场的磁感应强度B或增大通过金属棒中的电流I，或二者同时增大，使磁场反向或电流反向，所受安培力反向为竖直向下，所以只有C项正确。答案C4如图3所示，四边形的通电闭合线框abcd处在垂直线框平面的匀强磁场中，它受到的磁场力的合力()图3A竖直向上B方向垂直于ad斜向上C方向垂直于bc斜向上D为零答案D5在赤道上，地磁场可以看作是沿南北方向并且与地面平行的匀强磁场，磁感应强度是5105 T。如果赤道上有一条沿东西方向的直导线，长40 m，载有20 A的电流，地磁场对这根导线的作用力大小是()A4108 N B2.5105 NC9104 N D4102 N解析磁场方向是南北方向，电流方向是东西方向，它们相互垂直，可以利用公式FBIL来计算此安培力的大小，其大小为FBIL51052040 N4102 N。答案D6(201610月浙江选考)如图4所示，把一根通电的硬直导线ab，用轻绳悬挂在通电螺线管正上方，直导线中的电流方向由a向b。闭合开关S瞬间，导线a端所受安培力的方向是()图4A向上B向下C垂直纸面向外D垂直纸面向里解析闭合开关S瞬间，由右手定则知螺线管右端为N极，左端为S极，螺线管产生的磁场方向在通电导线a端斜向左下方，由左手定则可知，导线a端所受安培力的方向垂直纸面向里，D正确。答案D7如图5，一段导线abcd位于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，且与磁场方向(垂直于纸面向里)垂直。线段ab、bc和cd的长度均为L，且abcbcd135。流经导线的电流为I，方向如图中箭头所示导线段abcd所受到的磁场的作用力的合力()图5A方向沿纸面向上，大小为(1)ILBB方向沿纸面向上，大小为(1)ILBC方向沿纸面向下，大小为(1)ILBD方向沿纸面向下，大小为(1)ILB解析将导线分为三段直导线，根据左手定则分别判断出各段所受安培力的方向，根据FILB计算出安培力的大小，再求合力。导线所受合力F合ILB2BILsin 45(1)ILB，方向沿纸面向上。答案A8(20164月浙江选考，9)法拉第电动机原理如图6所示。条形磁铁竖直固定在圆形水银槽中心，N极向上，一根金属杆斜插在水银中，杆的上端与固定在水银槽圆心正上方的铰链相连，电源负极与金属杆上端相连，与电源正极连接的导线插入水银中，从上往下看，金属杆()图6A向左摆动 B向右摆动C顺时针转动 D逆时针转动解析由题目中的电路图可以看出，电流方向从正极流出，沿金属杆向上流向负极，磁场沿磁感线的切线方向，根据左手定则，可以判断出安培力方向垂直于纸面向里，从上往下看，金属杆逆时针方向转动，D正确。答案D9一直导线平行于通电螺线管的轴线放置在螺线管的上方，如图7所示，如果直导线可以自由地运动且通以方向为由a到b的电流，则导线ab受到安培力的作用后的运动情况为()图7A从上向下看顺时针转动并靠近螺线管B从上向下看顺时针转动并远离螺线管C从上向下看逆时针转动并远离螺线管D从上向下看逆时针转动并靠近螺线管解析先由安培定则判断通电螺线管的N、S两极，找出导线左、右两端磁感应强度的方向，并用左手定则判断这两端受到的安培力的方向，如图(a)图示。可以判断导线受到磁场力作用后从上向下看按逆时针方向转动，再分析此时导线位置的磁场方向，再次用左手定则判断导线所受磁场力的方向，如图(b)所示，导线还要靠近螺线管，所以D正确，A、B、C错误。答案D10如图8所示，两根光滑平行导轨水平放置，间距为L，其间有竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为B。垂直于导轨水平对称放置一根均匀金属棒。从t0时刻起，棒上有如图乙所示的持续交变电流I，周期为T，最大值为Im，图甲中I所示方向为电流正方向。则金属棒() 图8A一直向左移动B受到的安培力大小不变，方向变化C受到的安培力大小变化，方向不变D受到的安培力在一个周期内做正功解析根据题意画出vt图象如图所示，金属棒一直向右运动，A错误；据F安BIL及左手定则可判定，F安大小不变，方向做周期性变化，则B正确，C错误；F安在前半周期做正功，后半周期做负功，则D项错。答案B11. (2018台州质量评估)用一根金属丝、一节电池和一块磁铁，可以做一个简易的电动机。先将电池的负极和磁铁的N极接触，再将金属丝架在电池的正极上，金属丝的下部分与磁铁接触，如图9所示。放开金属丝，金属丝就会转动。则下列说法正确的是()图9A线圈转动的动力是电场力B从上往下看，金属丝顺时针转动C从上往下看，金属丝逆时针转动D若将电池的负极与磁铁的S极接触，金属丝的旋转方向不会变解析由题意知，金属丝组成了闭合回路，有电流流过，又处于磁场中，所以线圈转动的动力是安培力，