内容正文:
1.磁场对通电导线的作用力
第一章 安培力与洛伦兹力
1.能通过实验,得出左手定则;能熟练运用左手定则判断安培力的方向。
2.能推导出磁场与通电导线成一般夹角时的安培力的公式,并能通过演绎推理得出磁场与通电导线平行、垂直的两种特殊情况下的安培力的公式。
3.能应用安培力的知识,理解磁电式电流表的原理。
素养目标
知识点一 安培力的方向
1
知识点二 安培力的大小
2
知识点三 磁电式电流表
3
内容索引
课时测评
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知识点一 安培力的方向
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情境导入 按照如图所示的装置进行如下实验,并思考有关问题:
(1)接通电源之后,会观察到原来静止的导体棒发生了摆动,其原因是什么?
(2)仅对调磁极的位置,改变磁场的方向,
观察导体棒摆动方向是否改变?
(3)仅对调所接电源的正负极,改变导体棒中电流的方向,观察导体棒摆动方向是否改变?
提示:磁场对通电导体棒有力的作用。
提示:导体棒摆动方向改变。
提示:导体棒摆动方向改变。
(4)根据(2)(3)结果,说明磁场对通电导体棒的作用力方向与什么因素有关?
提示:与磁场方向、电流方向有关。
教材梳理 (阅读教材P2—P3,完成下列填空)
1.安培力:通电导线在______中受的力。
2.左手定则:伸开左手,使拇指与其余四个手指______,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从______垂直进入,并使四指指向____________,这时______所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。
磁场
垂直
掌心
电流的方向
拇指
课堂探究
师生互动 如图所示,两条平行直导线A和B中通入方向相反
的电流,A、B所受安培力分别为FA、FB。
任务1.利用安培定则和左手定则判断FA与FB的方向。导线A、
B之间是排斥还是吸引?
提示:导线A处在导线B的电流的磁场中,如图甲所示,根据左手定则可知,FA的方向向左;导线B处在导线A的电流的磁场中,如图乙所示,根据左手定则可知,FB的方向向右。由上述分析可知,导线A、B相互排斥。
任务2.如果导线A、B中电流方向相同,试判断FA与FB的方向。
导线A、B之间是排斥还是吸引?
任务3.请根据任务1、2分析两平行通电直导线间的相互作用有什么规律?
提示:若导线A、B中电流方向相同,同理可判定FA方
向向右,FB方向向左。导线A、B相互吸引。
提示:同向电流相互吸引,反向电流相互排斥。
左手定则与安培定则的比较
探究归纳
项目 左手定则 安培定则
用途 判断通电导线在磁场中的受力方向 判断电流产生的磁场方向
因果关系 电流和磁场是因,安培力是果 电流是因,磁场是果
例1
画出(或者说出)下列各图中磁场对通电导线安培力的方向。
答案:见解析
根据左手定则判断安培力的方向,注意无论B、I是否垂直,安培力总是垂直于B与I所决定的平面。题图中磁场对通电导线的安培力的方向如图所示。
安培力方向的特点
安培力方向与电流方向、磁感应强度的方向都垂直,即垂直于电流方向与磁场方向决定的平面。
1.当电流方向跟磁场方向垂直时,安培力方向、磁场方向和电流方向两两相互垂直。
2.当电流方向跟磁场方向不垂直时,安培力方向仍垂直于电流方向,也垂直于磁场方向。
规律总结
针对练.(2022·江苏高考)如图所示,两根固定的通电长直导线a、b相互垂直,a平行于纸面,电流方向向右,b垂直于纸面,电流方向向里,则导线a所受安培力方向
A.平行于纸面向上
B.平行于纸面向下
C.左半部分垂直纸面向外,右半部分垂直纸面向里
D.左半部分垂直纸面向里,右半部分垂直纸面向外
√
根据安培定则,可知导线a左侧部分的磁场方向斜向右上方,右侧部分的磁场方向斜向右下方,根据左手定则,可知导线a所受安培力方向在左半部分垂直纸面向外,在右半部分垂直纸面向里。故选C。
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知识点二 安培力的大小
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自主学习
情境导入 如图所示,同样一段通电导线,以三种不同的方式放置在匀强磁场中,其所受安培力的大小是否相同?
提示:所受安培力的大小不同。
教材梳理 (阅读教材P4完成下列填空)
1.通电导线的方向与磁场的方向垂直时:F=_______。
2.通电导线的方向与磁场的方向平行时:F=___。
3.电流的方向与磁场方向夹角为θ时(如图所示)
(1)把磁感应强度B分解:
①与导线垂直的分量B⊥=__________;
②与导线平行的分量B∥=__________。
(2)导线所受的安培力只是B⊥产生的,即F=IlB⊥=_____________。
IlB
0
Bsin θ
Bcos θ
IlBsin θ
课堂探究
师生互动 如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B,导线ab=bc=L,通电电流为I。
任务1.试分析整个导线abc所受安培力的大小和方向。
提示:将导线分成ab和bc两段,根据安培力公式和左
手定则可知,ab段受到的安培力大小F1=ILB,方向
垂直于ab向右;bc段受到的安培力大小F2=ILB,方向垂直于bc向上。导线abc所受安培力大小等于F1和F2的合力大小,即F=ILB,方向垂直于ac向上。
任务2.将导线abc换成导线ac,通电电流也为I,电流方向为a→c,试分析导线ac所受安培力的大小和方向,与通电导线abc所受安培力进行比较,可以得到什么结论?
任务3.将导线abc换成闭合三角形导线abc,通电电流也为I,电流方向为a→b→c→a,试分析通电闭合三角形导线abc所受安培力的大小和方向。
提示:通电导线ac受到的安培力大小F=ILB,方向垂
直于ac向上,与通电导线abc所受安培力大小、方向均相
同,即abc受到的安培力可用ac受到的安培力代替。
提示:根据任务1、2的分析结果可知通电闭合三角形abc所受安培力的大小为零。
探究归纳
F=IlBsin θ的理解
1.有效长度:公式F=IlBsin θ中l指的是导线在磁场中的“有效长度”,弯曲导线的有效长度l等于连接两端点直线的长度,相应的电流沿l由始端流向末端,如图甲所示。
探究归纳
2.推论:在匀强磁场中,任意形状的闭合共面通电线圈,当线圈平面与磁场方向垂直时,线圈的有效长度l=0,整个通电线圈所受安培力F=0,如图乙所示。
例2
如图所示,在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线,电流为I,磁感应强度为B,求各导线受到的安培力的大小(用图中字母表示)。
答案: F甲=ILB F乙=ILBcos α F丙=2IRB F丁=0
题图甲中,导线在纸平面内,因此B⊥I,故F甲=ILB;题图乙中,F乙=ILBcos α;题图丙中是半圆形通电导线,电流方向为a→b,半径为R,其有效长度为ab,则F丙=2IRB;题图丁中,用导线将abc接通形成闭合线圈,线圈受力的矢量和为零,故合力为零,所以闭合的通电导线所受安培力为零,即F丁=0。
针对练1.(2025·湖北黄冈高二期中)如图所示,平行长直金属导轨AB、CD水平放置,间距为d,电阻值不计。左侧接电动势为E、内阻为r的电源。导体棒MN静止放在导轨上,与轨道CD间的夹角θ=30°,MN间电阻为2R且与轨道接触良好。导轨所在区域有垂直纸面向下的匀强磁场,磁感应强度为B。则以下说法中正确的是
A.导体棒所受安培力的方向垂直于AC边向右
B.导体棒所受安培力大小为
C.导体棒所受安培力的方向垂直于MN向下
D.导体棒所受安培力大小为
√
导体棒中电流方向由M指向N,且与磁场方向垂直,根据左手定则可知,导体棒所受安培力的方向垂直于MN向下,故A错误,C正确;导体棒连入电路的阻值为2R,由闭合电路的欧姆定律可知电路中的电流I=,导体棒MN的长度L==2d,故导体棒所受安培力大小F安=ILB=·2dB=,故B、D错误。故选C。
针对练2.(多选)(2024·广东广州高二月考)如图所示,等腰梯形线框abcd是由相同材料、相同横截面积的导线制成,梯形上底和腰的长度均为L,且腰与下底成60°角。整个线框处在与线框平面垂直的匀强磁场中。现给线框通入图示电流,若下底cd受到的安培力大小为F,则
A.上底ab受到的安培力大小为F
B.腰ad受到的安培力大小为F
C.线框受到的安培力大小为2F
D.线框受到的安培力大小为F
√
√
√
梯形上底和腰的长度均为L,且腰与下底成60°角,
由几何关系可知,梯形的下底cd长为2L,由电阻的决
定式R=ρ可知,梯形的上底ab和两腰ad、bc的电阻之
和等于下底cd的电阻的1.5倍,导线dabc与导线dc为并联关系,设cd中的电流大小为I',则根据欧姆定律可知dabc中的电流为I',由题意知F=I'·2LB=2I'LB,所以ab、ad边所受安培力大小均为F'=I'LB=F,故A、B正确;线框受到的安培力大小为F″=I'·2LB+F=F,故C错误,D正确。故选ABD。
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知识点三 磁电式电流表
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自主学习
情境导入 磁电式电流表是利用通电线圈在磁场中受到安培力作用而发生转动的原理工作的。如图为通电线圈在磁场中某时刻的所在位置。
(1)该时刻线圈所受安培力方向如何?
(2)线圈将怎样转动?
提示:线圈左边导线所受安培力方向向上,线圈右边导线所受安培力方向向下。
提示:线圈将沿顺时针方向转动。
教材梳理 (阅读教材P5完成下列填空)
1.构造及特点
(1)构造:磁体、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴、铁质圆柱。(如图甲所示)
(2)特点:两极间的极靴和极靴中间的铁质圆柱,使极靴与圆柱间的磁场都沿______方向,如图乙所示。线圈无论转到什么位置,它的平面都跟磁感线______,线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都______。
半径
平行
相等
2.原理
(1)通电线圈在磁场中因受________作用发生______。螺旋弹簧变形,以______线圈的转动。
(2)电流越大,安培力就越大,线圈偏转的______也越大,所以从线圈偏转的角度就能判断通过电流的______;根据指针的偏转______,可以知道被测电流的方向。
3.优缺点:优点是灵敏度高,可以测出______的电流;缺点是线圈的导线很细,允许通过的电流很弱(几十微安到几毫安)。
安培力
转动
反抗
角度
大小
方向
很弱
课堂探究
师生互动 磁电式电流表中磁场分布如图所示。
任务1.通入不同方向的电流,线圈转动方向相同吗?
任务2.线圈转动过程中,所受安培力的方向与线圈平面平行还是垂直?
任务3.给线圈通入某一恒定电流,转动过程中线圈经过不同位置时所受安培力大小是否相等?
提示:不相同。
提示:垂直。
提示:相等。
1.电流表的灵敏度:指在通入相同电流的情况下,指针偏转角度的大小。偏转的角度越大,灵敏度越高。
2.提高电流表灵敏度的方法
(1)增加线圈的匝数。
(2)增大永磁体的磁感应强度。
(3)增加线圈的面积。
(4)减小转轴处的摩擦。
探究归纳
例3
磁电式电流表的构造如图甲所示,在蹄形磁体的两极间有一个可以绕轴转动的线圈,转轴上装有螺旋弹簧和指针。极靴和铁芯间的磁场均匀辐向分布,如图乙所示。当电流通过线圈时,线圈在安培力的作用下转动,螺旋弹簧被扭动,线圈停止
√
转动时满足NBIS=kθ,式中N为线圈的匝数,S为线圈的面积,I为通过线圈的电流,B为磁感应强度,θ为线圈(指针)偏角,k是与螺旋弹簧有关的常量。不考虑电磁感应现象,由题中的信息可知
A.线圈中间的铁芯内也是有磁场的,且也呈现辐向分布
B.若线圈中通以如图乙所示的电流时,线圈将沿逆时针方向转动
C.线圈(指针)偏角θ与通过线圈的电流I成正比
D.电流表的灵敏度定义为,更换k值更大的螺
旋弹簧,可以增大电流表的灵敏度3
蹄形磁体和铁芯间的磁场均匀辐向分布,
铁芯内有磁场,但分布并不是辐向分布的,
故A错误;若线圈中通以题图乙所示的电流
时,根据左手定则可知,左侧导线所受安培
力方向向上,右侧导线所受安培力方向向下,线圈将沿顺时针方向转动,故B错误;根据题意可知,线圈停止转动时满足NBIS=kθ,解得θ=I,可知线圈(指针)偏角θ与通过线圈的电流I成正比,故C正确;电流表的灵敏度定义为,根据C项分析,可得=,可知更换k值更大的螺旋弹簧,电流表的灵敏度减小,故D错误。故选C。
针对练1.(2024·辽宁大连高二期中)如图为高中物理实验室常用的磁电式电流表的内部结构,基本组成部分是磁体和放在磁体两极之间的线圈,其原理就是通电线圈因受安培力而转动。电流表的两磁极装有极靴,极靴中间还有一个用软铁制成的圆柱。关于磁电式电流表,下列说法正确的是
A.铁质圆柱内部磁感应强度为零
B.如图所示的电流表指针只能顺时针转动
C.线圈转动时,螺旋弹簧变形,反抗线圈转动
D.电流不为零,线圈停止转动后不再受到安培力
√
铁质圆柱没有将磁场屏蔽,内部有磁场,即铁质圆
柱内部磁感应强度不为零,故A错误;当没有通入
电流时,电流表指针不转动,停在中间,当通入方
向不同的电流时,指针顺时针转动或逆时针转动,
故B错误;线圈中通电流时,线圈受到安培力的作用使线圈转动,螺旋弹簧被扭动,反抗线圈转动,随着弹簧弹力的增加,当弹簧弹力与安培力平衡时线圈停止转动,故C正确,D错误。故选C。
针对练2.(多选)(2024·北京市第一六一中学高二月考)实验室经常使用的电流表是磁电式电流表。这种电流表的构造如图甲所示。极靴和铁芯间的磁场均匀辐向分布。当线圈通以如图乙所示的电流时,下列说法正确的是
A.线圈转动时,在电流确定的情况下,它所受的
安培力大小不变
B.线圈转动时,螺旋弹簧被扭动,反抗线圈转动
C.当线圈在如图乙所示的位置时,b端受到的安培
力方向向上
D.当线圈在如图乙所示的位置时,安培力的作用使线圈沿顺时针方向转动
√
√
√
极靴和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的,所以线
圈转动时,在电流确定的情况下,它两边所受
的安培力大小均为F=IlB、方向相反,所以所受
的安培力大小不变,故A正确;线圈转动时,
螺旋弹簧被扭动产生弹力,弹力方向与扭动方向相反,反抗线圈转动,故B正确;当线圈在如题图乙所示的位置时,根据左手定则可知,b端受到的安培力方向向下,a端受到的安培力方向向上,安培力的作用使线圈沿顺时针方向转动,故C错误,D正确。故选ABD。
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课堂回眸
课时测评
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1.下列各选项图中,电流I和磁感应强度B的方向均已标出,F是磁场对通电直导线的作用力,其中正确的示意图是
√
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根据左手定则,可知选项图A中通电直导线所受安培力的方向垂直导线斜向上,选项图B中通电直导线所受安培力的方向水平向右,选项图C中通电直导线所受安培力的方向竖直向下,选项图D中通电直导线所受安培力的方向水平向左。故选B。
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根据左手定则可判断出选项图A中导线所受安培力为零,选项图B中导线所受安培力垂直纸面向里,选项图C、D中导线所受安培力向右,由导线受力以后的弯曲方向与受力方向的关系可知,选项图D正确。故选D。
2.一根容易形变的弹性导线,两端固定,导线中通有电流,方向如图中箭头所示。当没有磁场时,导线呈直线状态;当分别加上方向竖直向上、水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时,下列描述导线状态的四个图示中正确的是
√
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赤道正上方的磁场方向沿着水平方向由南向北,由左手定则可知,通电导线受到地磁场的安培力的方向竖直向上。故选C。
3.在赤道正上方有一根沿东西方向水平放置的通电导线,导线中电流的方向向东,它受到地磁场的安培力的方向为
A.水平向东 B.水平向西 C.竖直向上 D.竖直向下
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4. (多选)如图所示的四幅图中,导体棒的长度均为L,匀强磁场的磁感应强度大小均为B,在各导体棒中通有相同的电流I,则下列选项正确的是
A.图甲中导体棒所受的安培力大小为ILB
B.图乙中导体棒所受的安培力大小为ILB
√
√
C.图丙中导体棒所受的安培力大小为ILB
D.图丁中导体棒所受的安培力大小为ILB
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题图甲中,电流方向与磁场方向平行,所以导体棒所受安培力为零;题图乙中,电流方向与磁场方向垂直,则导体棒所受安培力的大小为F乙=ILB;题图丙中,电流方向与磁场方向垂直,则导体棒所受安培力的大小为F丙=ILB;题图丁中,电流方向与磁场方向成60°角,则导体棒所受安培力的大小为F丁=ILBsin 60°=ILB。故选BD。
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5.长为4l的直导线等分成四等份,折成如图所示的形状,各段之间的夹角已在图中标注,整个图形置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中,磁场的磁感应强度为B,当在该导线中通以大小为I的电流时,该通电导线受到的安培力大小为
A.IlB B.2IlB C.3IlB D.4IlB
V形导线在磁场中的有效长度为 2lsin 30°=l,故该V形通电导线受到的安培力大小为F=IlB,整个通电导线受到的安培力大小为3IlB。故选C。
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6.(2023·江苏高考)如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B。L形导线通以恒定电流I,放置在磁场中。已知ab边长为2l,与磁场方向垂直,bc边长为l,与磁场方向平行。该导线受到的安培力为
A.0
B.IlB
C.2IlB
D.IlB
因bc段与磁场方向平行,则不受安培力;ab段与磁场方向垂直,则所受安培力为Fab=I·2lB=2IlB,则该导线受到的安培力为2IlB。故选C。
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7.如图甲是磁电式电流表的结构示意图。极靴和铁质圆柱间的磁场均匀辐向分布,如图乙所示,边长为l的正方形线圈中通以电流I,线圈中的a导线电流方向垂直纸面向外,b导线电流方向垂直纸面向里,a、b两条导线所在处的磁感应强度大小均为B。则
A.该磁场是匀强磁场
B.穿过该线圈的磁通量为Bl2
C.a导线受到的安培力方向向下
D.b导线受到的安培力大小为IlB
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匀强磁场的磁感线应该是平行的,方向相同,A错误;由题图乙可知穿过该线圈的磁通量为零,B错误;根据左手定则可知,a导线受到的安培力方向向上,C错误;b导线始终与磁感线垂直,故受到的安培力大小一直为IlB,D正确。故选D。
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8.在匀强磁场中有粗细均匀的同种导线制成的等边三角形线框abc,磁场方向垂直于线框平面,a、c两点间接一直流电源,电流方向如图所示,则
A.导线ab受到的安培力大于导线ac受到的安培力
B.导线abc受到的安培力大于导线ac受到的安培力
C.线框受到的安培力的合力为零
D.线框受到的安培力的合力方向垂直于ac向下
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设等边三角形的边长为l,导线abc与导线ac并联,流过导
线abc的电流I1与流过导线ac的电流I2的关系为I1=I2,导
线ab受到的安培力大小为Fab=I1lB=I2lB,导线ac受到
的安培力大小为Fac=I2lB=2Fab,故A错误;导线abc在磁
场中的有效长度为l,受到的安培力大小为Fabc=I1lB=I2lB=Fac,故B错误;根据左手定则可知,导线abc受到的安培力垂直于ac向下,导线ac受到的安培力也垂直于ac向下,故线框受到的安培力的合力垂直于ac向下,合力不为零,故C错误,D正确。故选D。
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9.(2024·浙江温州高二期中)如图所示,三根长为L的通电直导线在空间构成以导线A为顶点的等腰直角三角形,其中导线A、B电流的方向垂直纸面向里,导线C电流的方向垂直纸面向外,导线B、C电流的大小为I,在A处产生的磁场的磁感应强度的大小均为B0,导线A中通过的电流大小为2I,则导线A受到的安培力是
A.2ILB0,方向竖直向上
B.2ILB0,方向水平向右
C.2ILB0,方向竖直向上
D.2ILB0,方向水平向右
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导线B、C在导线A处产生的磁场的磁感应强度的大小均为B0,根据磁感应强度的叠加,导线A处的磁感应强度大小为BA=B0,方向水平向左,由左手定则可知,导线A受到的安培力的方向竖直向上,大小为F=2IL×B0=2ILB0。故选C。
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10.(多选)(2024·湖北武汉高二期中)如图所示,天花板下方用绝缘细线系着长直导线,水平桌面有一条形磁体放在导线的正下方,磁铁正上方吊着的导线与磁体垂直,当导线中通入垂直纸面向里的电流时,则
A.悬线上的拉力变大
B.悬线上的拉力变小
C.条形磁体对桌面的压力不变
D.条形磁体对桌面的压力变小
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以导线为研究对象,导线所在位置的磁场方向水平向右,导线中电流方向垂直纸面向里,由左手定则可知,导线所受安培力的方向竖直向下,悬线上的拉力变大,故A正确,B错误;由牛顿第三定律知,导线对磁体的力方向竖直向上,则磁体对桌面的压力变小,故C错误,D正确。故选AD。
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11.电流天平是一种测量磁场力的装置,其原理如图所示。两相距很近的多匝通电平行线圈Ⅰ和Ⅱ,线圈Ⅰ固定,线圈Ⅱ置于天平托盘上。当两线圈均无电流通过时,天平示数恰好为零。下列说法正确的是
A.两线圈电流方向相同时,天平示数为正数
B.两线圈电流方向相反时,天平示数为负数
C.线圈Ⅰ的匝数越少,天平越灵敏
D.线圈Ⅱ的匝数越多,天平越灵敏
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两线圈电流方向相同时,两线圈相互吸引,天平示数为负数;两线圈电流方向相反时,两线圈相互排斥,天平示数为正数,故A、B错误。多匝通电平行线圈之间的安培力与匝数有关,匝数越多,安培力越大,由于线圈Ⅱ放在天平托盘上,所以线圈Ⅱ的匝数越多,相同情况下受到的安培力越大,则天平越灵敏,故C错误,D正确。故选D。
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12.一正方形的中心O和四个顶点均固定着平行长直导线,若所有平行长直导线均通入大小相等的恒定电流,电流方向如截面图所示,下列截面图中中心长直导线所受安培力最大的是
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根据“同向电流相互吸引,异向电流相互排斥”,则各中心长直导线所受安培力分别如图(a)、(b)、(c)、(d)所示,设四根导线对中间导线的作用力大小均为F,由图可知,各中心长直导线所受安培力大小分别为0、2F、2F、2F。故选D。
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13. (多选)如图是电子天平的原理简略示意图。秤盘上不放重物时弹簧处于压缩状态,弹簧的长度为l,此时外界通入线圈中的电流为0;重物放在秤盘上后,在安培力作用下弹簧长度恢复为l,可认为此时外界通入线圈的电流为I,数据处理系统可以根据I的大小计算出托盘上物体的质量M。已知线圈的匝数为N,磁极宽度为L,两极间的磁感应强度为B,重力加速度为g,则以下说法正确的是
A.电流从C端流入线圈,从D端流出
B.线圈所受的安培力方向向下
C.重物的质量为
D.在其他条件都不变的情况下,增加线圈的匝数,可以扩大电子天平的量程
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秤盘和线圈向上恢复到未放重物时的位置并静止,说
明线圈所受的安培力方向向上,由左手定则可判断出
电流的方向是逆时针方向(从上向下看),电流从C端流
出,从D端流入,故A、B错误;两极间的磁感应强度
大小均为B,磁极宽度均为L,线圈匝数为N,左、右两侧受到的安培力大小相等,有Mg=2NILB,可得M=,在其他条件都不变的情况下,当N增大时,M也随之增大,所以增加线圈的匝数,可以扩大电子天平的量程,故C、D正确。故选CD。
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第一章 安培力与洛伦兹力
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