新教材2023-2024学年高中物理第1章安培力与洛伦兹力专题提升1安培力的应用课件新人教版选择性必修第二册

第一章专题提升一安培力的应用重难探究·能力素养全提升目录索引

学以致用·随堂检测全达标重难探究·能力素养全提升探究点一安培力作用下导体运动方向的判断知识归纳安培力作用下导体运动方向的五个判断方法不管是电流还是磁体,对通电导线的作用都是通过磁场来实现的,因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况,然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动。在实际操作过程中,往往采用以下几种方法:电流元法把整段弯曲导线分为多段直线电流元,先用左手定则判断每段电流元受力的方向,然后判断整段导线所受合力的方向,从而确定导线的运动方向特殊位置法通电导线运动到某个便于分析的特殊位置时,判断其所受安培力的方向,从而确定其运动方向等效法环形电流可等效成小磁针,通电螺线管可等效成条形磁铁或多个环形电流,反过来等效也成立。等效后再确定相互作用情况结论法两平行直线电流在相互作用过程中,无转动趋势,同向电流互相吸引,反向电流互相排斥;两不平行的直线电流相互作用时,有转到平行且电流方向相同的趋势转换研究对象法定性分析磁体在电流的磁场作用下的运动或运动趋势的问题,可先分析电流在磁体的磁场中所受的安培力,然后由牛顿第三定律,确定磁体所受电流的磁场的作用力,从而确定磁体所受合力及运动或运动趋势特别提示

(1)判断通电线圈等在磁场中的转动情况,要寻找具有对称关系的电流元。(2)利用特殊位置法要注意利用通电导线所在位置的磁场特殊点的方向。应用体验【例1】

如图所示,两条通电导线相互垂直,但相隔一段距离。其中导线AB固定,导线CD能自由活动,当直线电流按图示方向通入两条导线时,导线CD将(从纸外向纸内看)(

)A.顺时针方向转动同时靠近导线ABB.逆时针方向转动同时离开导线ABC.顺时针方向转动同时离开导线ABD.逆时针方向转动同时靠近导线ABD解析

据电流元分析法,把导线CD等效成CO、OD两段电流元,由安培定则画出CO、OD所在位置的通电导线AB的磁场,由左手定则可判断CO、OD受力如图甲所示,可见导线CD逆时针转动。由特殊位置分析法,让导线CD逆时针转动90°,如图乙所示,并画出导线CD此时所在位置的通电导线AB的磁感线分布,据左手定则可判断导线CD受力垂直于纸面向里,可见导线CD靠近导线AB,故选D。对点演练1.如图所示,在水平放置的条形磁体S极附近悬挂一个线圈,线圈与条形磁体位于同一平面内。当线圈中电流沿图示方向流动时,将会出现(

)A.线圈向磁体方向平移B.线圈向远离磁体方向平移C.从上往下看,线圈顺时针转动,同时靠近磁体D.从上往下看,线圈逆时针转动,同时靠近磁体C解析

线圈所在处的磁场向左,由左手定则可知线圈左侧受力向外,右侧受力向里,所以从上往下看,线圈逆时针转动;将环形电流等效成小磁针,由安培定则知,转动过程中其N极向左,与条形磁体相互吸引,故转动的同时靠近磁体。2.如图所示,三段长度相等的直导线a、b、c相互平行处在同一竖直面内,a、b间的距离等于b、c间的距离,通电电流Ia<Ib<Ic,方向如图所示,则下列判断正确的是(

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

根据同向电流相互吸引、反向电流相互排斥可知,导线b受到的安培力方向向左,不可能为0,故A错误;导线a受到导线b给的向右的安培力和导线c给的向左的安培力,又因为通电电流Ia<Ib<Ic,a、c之间的距离大于a、b之间的距离,所以导线a受到的安培力可能为0,也可能向左或向右,所以导线a、b受到的安培力的方向不一定相同,故B正确,D错误;根据同向电流相互吸引、反向电流相互排斥可知,导线c受到的安培力的方向一定向右,故C错误。探究点二安培力作用下导体的平衡知识归纳1.求解安培力作用下导体棒平衡问题的基本思路

2.分析求解安培力时需要注意的两个问题(1)首先画出通电导体所在处的磁感线的方向,再根据左手定则判断安培力方向。(2)安培力大小与导体放置的角度有关,l为导体垂直于磁场方向的长度,即有效长度。应用体验【例2】

如图所示,用两根轻细金属丝将质量为m、长为l的金属棒ab悬挂在c、d两处,置于匀强磁场内。当金属棒中通以从a到b的电流I后,两金属丝偏离竖直方向θ角而处于平衡状态。为了使金属棒在该位置上平衡,所需的磁场的最小磁感应强度的大小、方向为(

)D解析

画出题中装置从右向左看的侧视图,金属棒的受力分析如图所示。要求所加磁场的磁感应强度最小,应使金属棒平衡时所受的安培力最小。由于金属棒的重力恒定,金属丝拉力的方向不变,由画出的力的三角形可知,安培力垂直于金属丝时最小,安培力的最小值为Fmin=mgsin

θ,即方法技巧

安培力作用下导体棒平衡问题的求解关键:(1)电磁问题力学化,即把电磁问题通过受力分析,归结为力学问题。(2)立体图形平面化,想很好地分析物体受力的平衡问题,把立体图形转化为平面图形是关键。对点演练3.(2023河北石家庄期末)如图所示,一条形磁体放在水平桌面上,在条形磁体的左上方固定一根与磁场垂直的长直导线,当长直导线中通以图示方向的电流时(

)A.条形磁体对桌面的压力减小,且受到水平向左的摩擦力作用B.条形磁体对桌面的压力减小,且受到水平向右的摩擦力作用C.条形磁体对桌面的压力增大,且受到水平向左的摩擦力作用D.条形磁体对桌面的压力增大,且受到水平向右的摩擦力作用C解析

根据条形磁体磁感线分布情况得到长直导线所在位置的磁场方向,再根据左手定则判断所受安培力方向,如图所示。根据牛顿第三定律,通电长直导线对条形磁体的作用力指向右下方,根据力的分解可知,条形磁体对桌面的压力增大,且有相对桌面向右运动的趋势,故条形磁体受到桌面水平向左的摩擦力作用。故选C。4.如图所示,在倾角为θ=37°的斜面上,固定一宽为L=1.0m的平行金属导轨。现在导轨上垂直导轨放置一质量m=0.4kg、电阻R0=2.0Ω、长为1.0m的金属棒ab,它与导轨间的动摩擦因数为μ=0.5。整个装置处于方向竖直向上、磁感应强度大小为B=2T的匀强磁场中。导轨所接电源的电动势为E=12V,内阻r=1.0Ω,若最大静摩擦力等于滑动摩擦力,滑动变阻器的阻值符合要求,其他电阻不计,g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。现要保持金属棒在导轨上静止不动,求:(1)金属棒所受安培力大小的取值范围;(2)滑动变阻器接入电路中的阻值范围。解析

(1)当金属棒刚好达到向上运动的临界状态时,金属棒受到的摩擦力为最大静摩擦力,方向平行斜面向下,对金属棒受力分析,如图甲所示,此时金属棒所受安培力最大,设为F1,则有垂直斜面方向FN=F1sin

θ+mgcos

θ沿斜面方向F1cos

θ=mgsin

θ+Ffmax又Ffmax=μFN联立以上三式并代入数据可得F1=8

N甲

当金属棒刚好达到向下运动的临界状态时,金属棒受到的摩擦力为最大静摩擦力,方向平行斜面向上,其受力分析如图乙所示,此时金属棒所受安培力最小,设为F2,则有FN'=F2sin

θ+mgcos

θ,F2cos

θ+Ffmax'=mgsin

θ,乙

律,有E-I1r=I1(R0+R1)代入数据可得R1=30

Ω设电流为I2=4

A时滑动变阻器接入电路中的阻值为R2,由闭合电路欧姆定律,有E-I2r=I2(R0+R2)代入数据可得R2=0所以滑动变阻器接入电路中的阻值范围为0≤R≤30

Ω。探究点三安培力作用下导体的加速知识归纳1.解决在安培力作用下物体的加速运动问题,首先对研究对象进行受力分析,其中重要的是不要漏掉安培力,然后根据牛顿第二定律列方程求解。2.选定观察角度画好平面图,标出电流方向和磁场方向,然后利用左手定则判断安培力的方向。3.与闭合电路欧姆定律相结合的题目,主要应用以下几个知识点:(1)闭合电路欧姆定律;(2)安培力求解公式F=IlBsinθ;(3)牛顿第二定律。应用体验【例3】

如图所示,光滑的平行导轨倾角为θ,处在磁感应强度为B、竖直向下的匀强磁场中,导轨中接入电动势为E、内阻为r的直流电源。电路中有一阻值为R的电阻,其余电阻不计,将质量为m、长度为l的导体棒垂直导轨由静止释放,求导体棒在释放瞬间的加速度的大小。解析

画出题中装置的侧视图,导体棒受力分析如图所示,导体棒受重力mg、支持力FN和安培力F,由牛顿第二定律得mgsin

θ-Fcos

θ=ma对点演练5.电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的武器。如图所示为试验所采用的电磁轨道,该轨道长7.5m,宽1.5m,若发射质量为50g的炮弹,炮弹从轨道左端由静止开始加速,当回路中的电流恒为20A时,最大速度可达3km/s。轨道间所加磁场为匀强磁场,不计空气及摩擦阻力。下列说法正确的是(

)A.磁场方向竖直向下B.磁场方向水平向右C.磁感应强度的大小为1×103TD.电磁炮的加速度大小为3×105m/s2C解析

由左手定则,根据安培力向右可判断磁场方向竖直向上,A、B错误;由动能定理得BILx=mv2,解得B=1×103

T,C正确;由牛顿第二定律得BIL=ma,解得a=6×105

m/s2,D错误。6.

如图所示,PQ和MN为水平平行放置的金属导轨,相距1m,导体棒ab跨放在导轨上,导体棒的质量为m=0.2kg,导体棒的中点用与导轨平行的细绳经光滑滑轮与物体相连,物体的质量m0=0.3kg,导体棒与导轨间的动摩擦因数为μ=0.5,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,匀强磁场的磁感应强度B=2T、方向竖直向下,g取10m/s2,为了使物体以加速度a=3m/s2加速上升,应在棒中通入多大的电流?方向如何?答案

2.75A

方向由a到b解析

导体棒所受的滑动摩擦力大小为Ff=μmg=1

N要使物体加速上升,则安培力方向必须水平向左,则根据左手定则知导体棒中电流的方向为由a到b对导体棒及物体整体进行受力分析,由牛顿第二定律有F安-m0g-Ff=(m+m0)aF安=BIL联立解得I=2.75

A。学以致用·随堂检测全达标123451.(安培力作用下导体运动方向的判断)如图所示,把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方,导线可以自由转动,当导线通入图示方向电流I时,导线的运动情况是(从上往下看)(

)A.顺时针方向转动,同时下降B.顺时针方向转动,同时上升C.逆时针方向转动,同时下降D.逆时针方向转动,同时上升C12345解析

在导线处于如图甲所示的位置时,将导线AB从N、S极的中间O处分成两段,AO、BO段所处的磁场方向如图甲所示,由左手定则可得AO段受安培力的方向垂直纸面向外,BO段受安培力的方向垂直纸面向里,则从上往下看,导线AB将绕O点逆时针转动。当导线转过90°处于如图乙所示的特殊位置时,由左手定则可知导线AB此时受安培力方向竖直向下,导线将向下运动。因此导线所受安培力使导线逆时针转动的同时还要向下运动,故选C。123452.(安培力作用下导体的平衡)如图所示,长为l的通电直导线放在倾角为θ的光滑斜面上,并处在磁感应强度为B的匀强磁场中。当磁场方向垂直斜面向上、电流为I1时,导体处于平衡状态;若磁场方向改为竖直向上,电流为I2A12345解析

当磁场方向垂直斜面向上时,根据左手定则,安培力方向沿斜面向上,根据平衡条件得BI1l=mgsin

θ;当磁场方向竖直向上时,根据左手定则,安培力方向水平向右,根据平衡条件得BI2l=mgtan

θ,解得

=cos

θ,故选A。123453.(安培力作用下导体的平衡)(多选)如图所示,金属细棒ab质量为m,用两根相同轻弹簧吊放在水平方向的匀强磁场中,弹簧的劲度系数为k,金属细棒ab中通有恒定电流,金属细棒ab处于平衡状态,并且弹簧的弹力恰好为零。若电流大小不变而方向反向,则(

)A.每根弹簧弹力的大小为mgB.每根弹簧弹力的大小为2mgAC12345解析

电流方向改变前,对金属细棒ab受力分析,根据平衡条件可知,金属细棒ab受到的安培力竖直向上,大小等于mg;电流方向改