内容正文:
第一章 安培力与洛伦兹力
素养提升课一 安培力作用下的平衡和
运动问题
1.会处理安培力作用下通电导体的运动方向的判断问题。
2.会处理安培力作用下的平衡问题。
3.会处理安培力作用下的加速问题。
素养目标
提升点一 安培力作用下通电导体运动方向的判断
1
提升点二 安培力作用下的平衡问题
2
提升点三 安培力作用下的加速问题
3
课时测评
5
随堂达标演练
4
内容索引
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9
1
提升点一 安培力作用下通电导体运动方向的判断常用方法
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电流元法 分割为电流元 安培力方向→整段导体所受合力方向→运动方向
特殊位置法 在特殊位置→安培力方向→运动方向
等效法 环形电流→小磁针
多个环形电流→通电螺线管→条形磁铁
结论法 同向电流相互吸引,反向电流相互排斥;两不平行的直线电流相互作用时,有转到平行位置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磁场作用下如何运动或运动趋势的问题,可先分析电流在磁体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磁场的作用力,从而确定磁体所受合力及运动方向
常用方法
一个可以自由运动的线圈L1和一个水平固定的线圈L2互相绝缘垂直放置,且两个线圈的圆心重合,如图所示。当两线圈中通以图示方向的电流时,从左向右看,线圈L1将
A.不动 B.顺时针转动
C.逆时针转动 D.向纸面里平动
例1
√
方法1:电流元法 把线圈L1沿L2所在平面分成上下两部分,每一部分又可以看成无数段直线电流元,电流元处在L2中的电流产生的磁场中,根据安培定则可知各电流元所在处的磁场方向向上,由左手定则可得,上半部分电流元所受安培力方向均指向纸外,下半部分电流元所受安培力方向均指向纸内,因此从左向右看,线圈L1将顺时针转动,故选B。
方法2:等效法 将环形电流I1等效为小磁针,该小磁针
刚好处于环形电流I2的圆心处。由安培定则知I2产生的磁
场方向沿其竖直轴线向上,而环形电流I1等效成的小磁针
在转动前,N极指向纸内,因此小磁针的N极应由指向纸
内转为竖直向上,所以从左向右看,线圈L1将顺时针转动,故选B。
方法3:结论法 环形电流I1、I2之间不平行,则必相对转动,直到两环形电流同向平行为止,由此可知,从左向右看,线圈L1将顺时针转动,故选B。
判断安培力作用下通电导体的运动方向问题的一般思路
1.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,因此必须要弄清楚导线所在位置的磁场分布情况。
2.结合左手定则准确判断导线所受安培力的方向。
3.由导体的受力情况判定导体的运动方向。
探究归纳
针对练1.如图所示,用细弹簧把一根硬直导线ab挂在U形磁铁磁极的正上方,磁铁的左端为N极,右端为S极,开始时导线处于水平静止状态,当导线中通以由a向b的电流时,导线ab的运动情况是(从上往下看)
A.顺时针方向转动,同时上升
B.顺时针方向转动,同时下降
C.逆时针方向转动,同时上升
D.逆时针方向转动,同时下降
√
在导线两侧取两小段,左边一小段所受的安培力方向垂直
纸面向外,右侧一小段所受安培力的方向垂直纸面向里,
从上往下看,可知导线逆时针转动,当转动90°时,导线
所受的安培力方向向下,所以导线的运动情况为逆时针转
动,同时下降,故选D。
针对练2.两条导线互相垂直,如图所示,但相隔一小段距离,其中AB是固定的,CD能自由活动,当直流电流按图示方向通过两条导线时,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AB
B.逆时针方向转动,同时靠近导线AB
C.逆时针方向转动,同时远离导线AB
D.顺时针方向转动,同时远离导线AB
√
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,假设CD导线转过90°,此时两电流为同向电流,相互吸引,所以导线CD逆时针方向转动,同时靠近导线AB,故B正确,A、C、D错误。
针对练3.(2023·山东潍坊高二期末)如图所示,条形
磁铁放在光滑斜面上,用平行于斜面的轻弹簧拉住而
平衡,A为水平放置的直导线的截面,导线中无电流
时磁铁对斜面的压力为FN1,弹簧伸长量为x1;当导线中有垂直纸面向外的电流时,磁铁对斜面的压力为FN2,弹簧伸长量为x2。则
A.FN1<FN2,x1>x2
B.FN1>FN2,x1<x2
C.FN1>FN2,x1>x2
D.FN1=FN2,x1>x2
√
磁铁的磁感线在它的外部是从N极到S极,因为长直
导线在磁铁的中心偏右位置,所以此处的磁感线是
斜向左下的,电流的方向垂直于纸面向外,根据左
手定则可知,导线受到的安培力方向斜向右下方。长直导线是固定不动的,根据物体间力的作用是相互的,则导线给磁铁的反作用力的方向斜向左上方,将这个力分解为垂直于斜面向上与平行于斜面向下的分力,因此光滑斜面对磁铁支持力减小;由于电流对磁铁的作用力沿斜面方向的分力向下,所以弹簧拉力变大,弹簧长度变长,弹簧的伸长量增大。所以FN1>FN2,x1<x2,故选B。
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提升点二 安培力作用下的平衡问题
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1.解决安培力作用下导体的平衡问题的基本思路
2.受力分析的关键——将立体图转化为平面图(常见图例)
立
体
图
平
面
图
(多选)(2023·安徽黄山高二月考)如图所示,质量为
m、长为L的金属棒MN两端用等长的轻质细线水平悬挂,
静止于方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中。已
知棒中通过的电流大小为I,两悬线与竖直方向夹角θ=60°,重力加速度为g,下列说法正确的是
A.金属棒中的电流由N流向M
B.匀强磁场的磁感应强度B=
C.若仅改变磁场的方向,其他条件不变,则磁感应强度B的最小值为
D.若仅改变磁场的方向,其他条件不变,则磁感应强度B的值可能为
例2
√
√
由左手定则可知,金属棒中的电流由M流向N,故A错
误;由平衡条件得mgtan θ=ILB,解得B= ,故
B正确;若仅改变磁场的方向,其他条件不变,棒的受
力情况如图所示,可知当安培力与拉力垂直时,安培力
最小,即磁感应强度最小,则mgsin θ=ILBmin,解得
Bmin= ,则磁感应强度范围为B≥ ,故C错误,D正确。故选BD。
针对练1.如图所示,两平行光滑金属导轨固定在绝缘斜
面上,导轨间距为L,劲度系数为k的轻质弹簧上端固定,
下端与水平直导体棒ab相连,弹簧与导轨平面平行并与ab
垂直,直导体棒垂直跨接在两导轨上,空间存在垂直导轨
平面斜向上的匀强磁场。闭合开关S后导体棒中的电流为I,导体棒平衡时,弹簧伸长量为x1;调换图中电源极性,使导体棒中电流反向,导体棒中电流仍为I,导体棒平衡时弹簧伸长量为x2。忽略回路中电流产生的磁场,则匀强磁场的磁感应强度B的大小为
A. (x1+x2) B. (x2-x1)
C. (x2+x1) D. (x2-x1)
√
由左手定则可知,导体棒ab所受的安培力沿斜面向上,
则由平衡条件可得mgsin α=kx1+ILB;调换题图中电
源极性使导体棒中电流反向,导体棒ab所受的安培力
沿斜面向下,由平衡条件可得mgsin α+ILB=kx2,联
立解得B= (x2-x1),故选D。
针对练2.(2023·北京海淀高二
校考期末)如图甲所示,金属杆ab
质量为m,长为L,通过的电流为
I,处在磁感应强度为B的匀强磁场
中,结果金属杆ab静止且紧压于水平导轨上。若磁场方向与导轨平面成θ角,重力加速度为g。求:
(1)请在乙图中画出金属杆ab的受力分析图;
答案:见解析图
导线的受力分析图如图。
(2)金属杆ab受到的摩擦力Ff的大小;
答案:ILBsin θ
由平衡条件可得
FN+F安cos θ=mg
Ff=F安sin θ
其中F安=ILB
解得FN=mg-ILBcos θ,Ff=ILBsin θ。
(3)水平导轨对金属杆ab的支持力FN的大小。
答案:mg-ILBcos θ
由平衡条件可得
FN+F安cos θ=mg
Ff=F安sin θ
其中F安=ILB
解得FN=mg-ILBcos θ,Ff=ILBsin θ。
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提升点三 安培力作用下的加速问题
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求解安培力作用下的加速问题的基本思路
电磁炮的基本原理如图所示,把待发射的炮弹
(导体)放置在匀强磁场中的两条平行导轨(导轨与水
平方向成α角)上,若给导轨通以很大的恒定电流,
使炮弹作为一个载流导体在磁场的作用下由静止沿
导轨做加速运动,以某一速度发射出去。已知匀强
磁场的磁感应强度为B,方向垂直两平行导轨向上。两导轨间的距离为L,磁场中导轨的长度为s,炮弹的质量为m,炮弹和导轨间的摩擦力恒为Ff,当地重力加速度为g。求:
(1)炮弹在导轨上运动时加速度的大小;
例3
由左手定则可知,炮弹所受安培力方向沿导轨向
上,则根据牛顿第二定律可得F-mgsin α-Ff=
ma,其中F=ILB
解得a= -gsin α。
(2)炮弹在导轨末端发射出去时速度的大小。
由公式v2=2as结合(1),解得 v= 。
针对练1.电磁炮通过给导轨回路通以很大的电流,
使抛射体在导轨电流产生的磁场的安培力作用下沿
导轨加速运动,最终将抛射体以很高的速度发射出
去。电磁炮的原理示意图如图所示,图中电源可提
供恒定的电流,抛射体处于垂直导轨向下的匀强磁
场中,磁感应强度与回路中的电流成正比,要使抛射体离开轨道时的速度增大一倍,下列措施可行的是
A.仅使抛射体的质量减半
B.仅使导轨长度变为原来的两倍
C.仅使两导轨间距变为原来的两倍
D.仅使回路中的电流变为原来的两倍
√
设导轨的长度为x,导轨的间距为d,回路中的电流
为I,磁感应强度与回路中的电流的比例系数为k,
则抛射体受到的安培力为F=IdB=kI2 d,根据动能
定理有Fx= mv2,联立解得抛射体离开轨道时的
速度为v= ,仅使抛射体的质量减半,抛射体离开轨道时的
速度变为原来的 倍,故A错误;仅使导轨长度变为原来的两倍,抛射体离开轨道时的速度变为原来的 倍,故B错误;仅使两导轨间距变为原来的两倍,抛射体离开轨道时的速度变为原来的 倍,故C错误;仅使回路中的电流变为原来的两倍,抛射体离开轨道时的速度变为原来的两倍,即抛射体离开轨道时的速度增大一倍,故D正确。故选D。
针对练2.(多选)(2023·甘肃武威高二月考)如图所示,
光滑的金属导轨分为水平段和圆弧段两部分,O点为
圆弧段导轨的圆心,N为导轨交点。两导轨之间的宽
度为0.5 m,导轨所在空间存在方向竖直向上、磁感
应强度大小为0.5 T的匀强磁场。质量为0.05 kg的金
属细杆置于轨道上的M处。当在金属细杆内通以电流为2 A的恒定电流时,金属细杆沿导轨由静止开始向右运动。已知MN=OP=1.0 m,金属细杆始终垂直于导轨且与导轨接触良好,OP沿水平方向,取g=10 m/s2。则
A.金属细杆在水平段运动的加速度大小为10 m/s2
B.金属细杆运动至P处时的向心加速度大小为10 m/s2
C.金属细杆运动至P处时的速度大小为0
D.金属细杆运动至P处时对每条导轨的作用力大小均为0.75 N
√
√
在水平段运动时,安培力提供加速度,由牛顿第二
定律可知ILB=ma,解得a=10 m/s2,故A正确;由
于导轨光滑,在整个运动过程中由动能定理可得ILB
(LMN+LOP)-mgLON= ,解得vP=2 m/s,
则a向P= m/s2=20 m/s2,故B、C错误;设在P点时每条
轨道对细杆的作用力为F,此时轨道对细杆的作用力和安培力的合力提供向心加速度,即2F-ILB=ma向P,解得F=0.75 N,由牛顿第三定律可知金属细杆运动经P处时对每条导轨的作用力大小均为0.75 N,故D正确。故选AD。
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随堂达标演练
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1.如图所示,把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁体的
N极附近,磁体的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平
面。当线圈内通以图示方向的电流(从右向左看沿逆时针方向)后,线圈的运动情况是
A.线圈向左运动
B.线圈向右运动
C.从上往下看顺时针转动
D.从上往下看逆时针转动
√
将环形电流等效成小磁针,如图所示,根据异名磁极相互
吸引知,线圈将向左运动,选故A。
2.(多选)(2023·湖北孝感高二质检)质量为m的金属细杆置于倾角为θ的光滑导轨上,导轨的宽度为d,若给细杆通以如图所示的电流时,可能使杆静止在导轨上的是
√
√
题图A中杆受重力、沿斜面向上的安培力和垂直斜面向上的支持力,若重力沿斜面向下的分力与安培力大小相等,则杆静止,故A正确;题图B中杆可能受重力、竖直向上的安培力和垂直斜面向上的支持力,若重力与安培力大小相等,则二力平衡,即杆不受支持力即可静止,故B正确;题图C中杆受重力、水平向左的安培力和垂直斜面向上的支持力,三个力不可能平衡,故C错误;题图D中杆受重力和斜面的支持力,不受安培力,则二力不可能平衡,故D错误。
3.如图所示,质量为m、长为L的导体棒电阻为R,初始时静止于光滑的水平轨道上,电源电动势为E,内阻为r,匀强磁场的磁感应强度为B,其方向与轨道平面成θ角斜向上方,开关闭合后导体棒开始运动,则
A.导体棒向左运动
B.开关闭合瞬间导体棒MN所受安培力为
C.开关闭合瞬间导体棒MN所受安培力为
D.开关闭合瞬间导体棒的加速度为
√
当开关闭合后,由左手定则可知,安培力垂直磁感线
向右,则导体棒向右运动,故A错误;当开关闭合后,
根据安培力公式F=ILB,闭合电路欧姆定律I= ,
可得F= ,故B、C错误;当开关闭合后,安培力的方向与导轨成90°-θ的夹角,由牛顿第二定律可知ma= ,解得a=
,故D正确。故选D。
4.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的导体棒由静止释放,导体棒
沿导轨向下运动,导体棒与导轨垂直且接触良好,重力加速度为g,导体棒在释放瞬间的加速度的大小为
√
画出题图中装置的侧视图,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,又F=IlB,I= ,
联立可得a=gsin θ- ,故选B。
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课 时 测 评
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1.如图所示,固定直导线c垂直于纸面,可动导线ab通以图示方向的电流,用弹簧测力计悬挂在导线c的上方,若导线c中通以垂直于纸面向外的电流,以下判断正确的是
A.可动导线a端转向纸外,同时弹簧测力计读数减小
B.可动导线a端转向纸外,同时弹簧测力计读数增大
C.可动导线b端转向纸外,同时弹簧测力计读数减小
D.可动导线b端转向纸外,同时弹簧测力计读数增大
√
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b端处的磁场方向斜向左上方,根据左手定则可得b端受
到的安培力方向指向纸内,a端处的磁场方向斜向左下
方,根据左手定则可得a端受到的安培力方向指向纸外,
故a端转向纸外,b端转向纸内;当导线ab转过90°后,
两导线电流为同向电流,相互吸引,导致弹簧测力计的
读数变大,选项B正确,A、C、D错误。
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2.电流天平原理的示意图如图所示,它的右臂挂着矩形线圈,匝数为n,线圈的水平边长为l,处于匀强磁场内,磁感应强度大小为B、方向与线圈平面垂直。当线圈中通有方向如图所示的电流I时,调节砝码使两臂达到平衡。然后使电流反向,大小不变。这时为使天平两臂达到新的平衡,则需
√
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由左手定则可知,电流方向反向后,安培力的方向由竖
直向上变为竖直向下,故要使天平达到新的平衡,需要
在天平的左盘中增加砝码,A、B错误;由于天平是等
臂杠杆,故左盘增加砝码的重力大小应等于右盘增加的
安培力大小,而右盘安培力由竖直向上变为竖直向下,
故右盘安培力的增加量ΔF=2nIlB,由ΔF=mg,可得
m= ,C错误,D正确。
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3.电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。如图为某款电磁炮的轨道,该轨道长10 m,宽2 m。若发射质量为100 g的炮弹,从轨道左端以初速度为零开始加速,当回路中的电流恒为100 A时,最大速度可达2 km/s,假设轨道间磁场为匀强磁场,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.电磁炮的加速度大小为4×105 m/s2
D.磁感应强度的大小为100 T
√
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回路中电流方向如题图所示,则根据安培定
则可知,磁场方向应竖直向上,故A、B错
误;由题意可知,最大速度v=2 km/s,加
速距离x=10 m,由速度和位移关系可知v2=2ax,解得加速度大小a=2×105 m/s2,由牛顿第二定律可得F=ma,又F=ILB,联立解得B=100 T,故C错误,D正确。
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4.如图所示,台秤上放一光滑平板,其左边固定一挡板,一轻质弹簧将挡板和一条形磁体连接起来,此时台秤读数为F1。现在磁体上方中心偏左位置固定一通电导线,电流方向垂直纸面向里,当加上电流后,台秤读数为F2,则以下说法正确的是
A.F1>F2
B.F1<F2
C.弹簧长度将变长
D.弹簧长度将不变
√
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选通电导线为研究对象,根据左手定则可知,通电导
线所受安培力方向为斜向右下方,根据牛顿第三定律
分析可知,磁体受到的安培力方向斜向左上方,则磁
体将向左运动,弹簧被压缩,所以长度将变短,故C、
D错误;由于磁体受到的安培力方向斜向左上方,对
台秤的压力减小,则F1>F2,故A正确,B错误。
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5.如图所示,两根相同的竖直悬挂的弹簧上端固定,
下端连接一质量为40 g的金属导体棒,部分导体棒处
于边界宽度为d=10 cm的有界匀强磁场中,磁场方向
垂直于纸面向里。导体棒通入4 A的电流后静止时,
弹簧伸长量是未通电时的1.5倍。若弹簧始终处于弹性
限度内,导体棒一直保持水平,则磁感应强度B的大小为(取重力加速度g=10 m/s2)
A.0.25 T B.0.5 T
C.0.75 T D.0.83 T
√
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未通电时,导体棒的重力与两弹簧的弹力相等,根据
平衡条件可知mg=2kx;通电后,通过导体棒的电流
方向为从右向左,根据左手定则可知安培力方向竖直
向下,根据平衡条件可知mg+IdB=2k×1.5x,两式
相比得 ,解得B=0.5 T,故B正确。
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6.(多选)(2023·湖南常德高二期中)如图所示,质量为m、
长度为l的金属棒放置在横截面为 圆弧的光滑轨道上,轨
道处在竖直平面内,整个装置处于竖直方向的匀强磁场中。
当金属棒通有垂直纸面向外的电流I时,金属棒静止于轨
道某点,该点与圆心的连线和水平方向的夹角为θ,重力加速度为g。则下列说法正确的是
A.匀强磁场的方向竖直向上
B.匀强磁场的方向竖直向下
C.磁感应强度大小为
D.磁感应强度大小为
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根据平衡条件可知,安培力的方向水平向右,根据左手定
则可知,匀强磁场的方向竖直向下,A错误,B正确;根据
平衡条件得IlBtan θ=mg,解得B= ,C正确,D错
误。
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7.如图所示,在竖直向下的匀强磁场中有两根竖直放置的平行粗糙导轨CD、EF,导轨上放一金属棒MN,金属棒静止。现从t=0时刻起,给金属棒通以图示方向的电流且电流与时间成正比,即I=kt,其中k为常量,金属棒开始运动,金属棒与导轨始终垂直且接触良好。以竖直向下为正方向,下列关于金属棒的速度v、加速度a随时间t变化的关系图像,可能正确的是
√
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从t=0时刻起,金属棒通以电流I=kt,由左手定则可
知,安培力方向垂直纸面向里,使其紧压导轨,导致
金属棒在运动过程中,所受到的摩擦力增大,所以加
速度在减小。当滑动摩擦力的大小小于重力时,速度
与加速度方向相同,所以金属棒做加速度减小的加速运动,当滑动摩擦力的大小等于重力时,加速度为零,此时速度达到最大,当安培力继续增大时导致加速度方向竖直向上,则出现加速度与速度方向相反,因此做加速度增大的减速运动,v -t图像斜率的绝对值表示加速度的大小,故C、D错误;对金属棒MN,由牛顿第二定律得mg-μFN=ma,而FN=ILB=ktLB,即mg-μktLB=ma,因此a=g- t,显然加速度a与时间t呈线性关系,故A错误,B正确。
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8.(多选)(2023·肇庆市高二期末)如图所示,间距为L的
光滑金属导轨PQ、MN相互平行,导轨平面与水平面呈θ
角,质量为m的金属棒ab垂直于导轨放置并与电源、开关
构成回路,金属棒ab与导轨接触良好,空间存在与导轨平
面垂直的匀强磁场,当通过金属棒ab的电流为I时,金属棒恰好处于静止状态,重力加速度为g,则
A.磁场方向垂直于导轨平面向上
B.金属棒受到的安培力的大小为
C.磁场的磁感应强度为
D.增大电流,导轨对金属棒的支持力也增大
√
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金属棒处于静止状态,则所受安培力的方向沿导轨平
面向上,由左手定则判断可知,磁场方向垂直于导轨
平面向上,A正确;将重力正交分解,安培力与重力
沿斜面向下的分力平衡,即有F安=mgsin θ,故B正
确;由F安=mgsin θ=ILB可得B= ,故C错误;增大电流,支持力大小不变,始终等于重力垂直斜面的分力,即FN=mgcos θ,故D错误。
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9.如图所示,两平行的粗糙金属导轨水平固定在匀强
磁场中,磁感应强度为B,导轨宽度为L,一端与电源
连接。一质量为m的金属棒ab垂直于平行导轨放置并
与导轨接触良好,金属棒与导轨间的动摩擦因数为μ= ,在安培力的作用下,金属棒以速度v0向右匀速运动,通过改变磁感应强度的方向,可使流过金属棒的电流最小,此时磁感应强度的方向与竖直方向的夹角为
A.30° B.37°
C.45° D.60°
√
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假设流过金属棒的电流最小时,安培力方向与竖直方向的
夹角为θ,对金属棒受力分析,如图所示,有ILBsin θ=
μFN,FN+ILBcos θ=mg,解得ILB= ,
而sin θ+μcos θ= ·sin (θ+φ),tan φ=μ= ,
即φ=30°,故当θ=60°时,可使流过金属棒的电流最小,此时磁感应强度的方向与竖直方向的夹角为30°,故A正确。
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第一章
安培力与洛伦兹力
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答案:-gsin α
答案:
mv
=
==
$$