江苏省江阴市成化高级中学高考物理 磁场对电流的作用复习学案.doc

学案40 磁场对电流的作用一、概念规律题组1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2(2010苏北高二教学质量联合调研)下面的几个图显示了磁场对通电直导线的作用力，其中正确的是()3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4一根长为0.2 m、电流为2 a的通电导线，放在磁感应强度为0.5 t的匀强磁场中，受到磁场力的大小可能是()a0.4 n b0.2 n c0.1 n d0 n二、思想方法题组5.图1一个可以自由运动的线圈l1和一个固定的线圈l2互相绝缘，垂直放置，且两个线圈的圆心重合当两线圈都通过如图1所示方向的电流时，则从左向右看，线圈l1将()a不动b顺时针转动c逆时针转动d向纸外平动6.图2质量为m的导体棒mn静止于宽度为l的水平导轨上，通过mn的电流为i，匀强磁场的磁感应强度为b，方向与导轨平面成角斜向下，如图2所示，求mn所受的支持力和摩擦力的大小一、安培力大小的计算及其方向的判断1安培力大小(1)当ib时，fbil(2)当ib时，f0注意：(1)当导线弯曲时，l是导线两端的有效直线长度(如图3所示)图3(2)对于任意形状的闭合线圈，其有效长度均为零，所以通电后在匀强磁场中受到的安培力的矢量和为零2安培力方向：用左手定则判断，注意安培力既垂直于b，也垂直于i，即垂直于b与i决定的平面【例1】 (2009全国鄂湘赣陕17)图4如图4所示，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()a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规范思维【例2】图5 (2011新课标18)电磁轨道炮工作原理如图5所示待发射弹体可在两平行轨道之间自由移动，并与轨道保持良好接触电流i从一条轨道流入，通过导电弹体后从另一条轨道流回轨道电流可形成在弹体处垂直于轨道面的磁场(可视为匀强磁场)，磁感应强度的大小与i成正比通电的弹体在轨道上受到安培力的作用而高速射出现欲使弹体的出射速度增加至原来的2倍，理论上可采用的办法是()a只将轨道长度l变为原来的2倍b只将电流i增加至原来的2倍c只将弹体质量减至原来的一半d将弹体质量减至原来的一半，轨道长度l变为原来的2倍，其他量不变规范思维二、安培力作用下导体运动方向的判定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，从而确定导线运动的方向特殊位置法通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置，然后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，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流，反过来等效也成立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磁场作用下如何运动的问题，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【例3】图6 如图6所示，把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁铁n极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心，且垂直于线圈平面，当线圈中通入如图方向的电流后，判断线圈如何运动？规范思维三、安培力作用下通电导体的平衡问题1解决有关通电导体在磁场中的平衡问题，关键是受力分析，只不过比纯力学中的平衡问题要多考虑一个安培力2画好辅助图(如斜面)，标明辅助方向(如b的方向、i的方向等)是画好受力分析图的关键3由于安培力、电流i、磁感应强度b的方向之间涉及到三维空间，所以在受力分析时要善于把立体图转化成平面图【例4】 (2010泉州模拟)图7如图7所示，两平行金属导轨间的距离l0.40 m，金属导轨所在平面与水平面夹角37，在导轨所在的平面内，分布着磁感应强度b0.50 t、方向垂直于导轨所在平面的匀强磁场金属导轨的一端接有电动势e4.5 v、内阻r0.50 的直流电源现把一个质量m0.040 kg的导体棒ab放在金属导轨上，导体棒恰好静止导体棒与金属导轨垂直且接触良好，导体棒与金属导轨接触的两点间的电阻r02.5 ，金属导轨电阻不计，g取10 m/s2.已知sin 370.60，cos 370.80，求：(1)通过导体棒的电流；(2)导体棒受到的安培力大小；(3)导体棒受到的摩擦力规范思维【基础演练】1(2009海南卷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，描述导线状态的四个图示中正确的是()2.图8(2011霸州模拟)如图8所示，abcd四边形闭合线框，a、b、c三点坐标分别为(0，l,0)，(l，l,0)，(l,0,0)，整个空间处于沿y轴正方向的匀强磁场中，通入电流i，方向如图所示，关于四边形的四条边所受到的安培力的大小，下列叙述中正确的是()aab边与bc边受到的安培力大小相等bcd边受到的安培力最大ccd边与ad边受到的安培力大小相等dad边不受安培力作用3(2009重庆理综19)在如图9所示电路中，电池均相同，当电键s分别置于a、b两处时，导线mm与nn之间的安培力的大小为fa、fb，可判断这两段导线()图9a相互吸引，fafb b相互排斥，fafbc相互吸引，fafb d相互排斥，fafb4.图10(广东高考)如图10所示，用两根相同的细绳水平悬挂一段均匀载流直导线mn，电流i方向从m到n，绳子的拉力均为f.为使f0，可能达到要求的方法的是()a加水平向右的磁场 b加水平向左的磁场c加垂直纸面向里的磁场 d加垂直纸面向外的磁场5.图11(2010上海模拟)如图11所示，在竖直向下的匀强磁场中，有两根竖直放置的平行导轨ab、cd，导轨上放有质量为m的金属棒mn，棒与导轨间的动摩擦因数为，现从t0时刻起，给棒通以图示方向的电流，且电流强度与时间成正比，即ikt，其中k为恒量若金属棒与导轨始终垂直，则如图所示的导体棒所受的摩擦力随时间变化的四幅图中，正确的是()6.图12(2011杭州质检)如图12所示，两根间距为d的垂直光滑金属导轨间接有电源e，导轨平面与水平面间的夹角30.金属杆ab垂直导轨放置，导轨与金属杆接触良好整个装置处于磁感应强度为b的匀强磁场中当磁场方向垂直导轨平面向上时，金属杆ab刚好处于静止状态要使金属杆能沿导轨向上运动，可以采取的措施是()a增大磁感应强度bb调节滑动变阻器使电流减小c增大导轨平面与水平面间的夹角d将电源正负极对调使金属杆中的电流方向改变【能力提升】图137如图13所示，有两根长为l、质量为m的细导体棒a、b，a被水平放置在倾角为45的光滑斜面上，b被水平固定在与a在同一水平面的另一位置，且a、b平行，它们之间的距离为x.当两细棒中均通以电流强度为i的同向电流时，a恰能在斜面上保持静止，则b的电流在a处产生的磁场的磁感应强度的说法错误的是()a方向向上b大小为c要使a仍能保持静止，而减小b在a处的磁感应强度，可使b上移d若使b下移，a将不能保持静止图148(2010上海杨浦期末)如图14所示，金属杆mn水平固定于线圈上方，杆的两端接有导线，并与线圈轴线处于同一竖直平面内现将四个接线柱a、b和c、d分别与直流电源的正、负极相接，下列说法中正确的是()amn将受到平行于纸面竖直向上或向下的安培力b将a、d接电源的正极，b、c接电源的负极，mn将受到垂直于纸面向外的安培力c将a、d接电源的负极，b、c接电源的正极，mn将受到垂直于纸面向外的安培力d将a、c接电源的负极，b、d接电源的正极，mn将受到垂直于纸面向外的安培力题号12345678答案9.图15如图15所示，在倾角为37的光滑斜面上有一根长为0.4 m，质量为6102 kg的通电直导线，电流强度i1 a，方向垂直于纸面向外，导线用平行于斜面的轻绳拴住不动，整个装置放在磁感应强度每秒增加0.4 t，方向竖直向上的磁场中设t0时，b0，则需要多长时间，斜面对导线的支持力为零？(g取10 m/s2)10.图16水平面上有电阻不计的u形导轨nmpq，它们之间的宽度为l，m和p之间接入电动势为e的电源(不计内阻)现垂直于导轨搁一根质量为m，电阻为r的金属棒ab，并加一个范围较大的匀强磁场，磁感应强度大小为b，方向与水平面夹角为且指向右斜上方，如图16所示，问：(1)当ab棒静止时，受到的支持力和摩擦力各为多少？(2)若b的大小和方向均能改变，则要使ab棒所受支持力为零，b的大小至少为多少？此时b的方向如何？11.图17如图17所示，pq和mn为水平、平行放置的金属导轨，相距l1 mpm间接有一个电动势为e6 v，内阻r1 的电源和一只滑动变阻器导体棒ab跨放在导轨上，棒的质量为m0.2 kg，棒的中点用细绳经定滑轮与物体相连，物体的质量m0.3 kg.棒与导轨的动摩擦因数为0.5，匀强磁场的磁感应强度b2 t，方向竖直向下，为使物体保持静止，滑动变阻器连入电路的阻值为多大？设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等，导轨与棒的电阻不计(g取10 m/s2)学案40磁场对电流的作用【课前双基回扣】1d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决定的平面但电流方向与磁场方向不一定垂直2c3b安培力f总是与磁感应强度b和电流i决定的平面垂直，即力f与磁场及力f与导线都是垂直的，但b与i(即导线)可以垂直，也可以不垂直，故a、c、d均错，b正确4bcd据安培力的定义，当磁感应强度b与通电电流i的方向垂直时，磁场力有最大值为fbil0.520.2 n0.2 n当两方向平行时，磁场力有最小值为0 n随着二者方向夹角的不同，磁场力大小可在0.2 n与0 n之间取值5c由安培定则知，l2上的电流在线圈内部产生的磁场垂直纸面向里，再由左手定则判知l1转动的方向6ilbcos mgilbsin 解析导体棒mn处于平衡状态，作出其侧视图，对mn进行受力分析，如图所示由平衡条件有：fffsin ，fnfcos mg，其中filb解得fnilbcos mg，ffilbsin .思维提升1安培力的计算公式fbil的前提是bi，l是导线的有效长度2安培力的方向：fb、fi，即f垂直于b与i决定的平面，但b与i不一定垂直3磁电式电流表的磁场方向总沿径向均匀辐射分布，在距轴线等距离处的磁感应强度的大小总是相等的，且安培力方向总与线圈平面垂直【核心考点突破】例1 aad间通电电流的有效长度为下图中的虚线l(1)l，电流的方向等效为由a沿直线流向d，所以安培力的大小fbil(1)ilb.根据左手定则可以判断，安培力方向沿纸面向上，选项a正确规范思维对于弯曲导线所受安培力的分析要先找出“等效长度”及“等效电流方向”例2bd通电的弹体在安培力作用下加速运动，f安bid，bki，故f 安i2，根据动能定理f安lmv2得vi，故选项b、d正确，选项a、c错误或根据运动学公式v22al，也可得出vi.规范思维根据题意和题给情境所满足的物理规律，写出所求物理量与其它物理量间的关系式，然后结合选项逐个分析，是解决这类题型的有效方法例3线圈向左运动解析解法一电流元法首先将圆形线圈分成很多小段，每小段可看做一直线电流，取其中上、下两小段分析，其截面图和受安培力情况如图甲所示根据对称性可知，线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向左运动解法二等效法将环形电流等效成一条形磁铁，如图乙所示，据异名磁极相吸引知，线圈将向左运动同时，也可将左侧条形磁铁等效成一环形电流，根据结论“同向电流相吸引，异向电流相排斥”，又可得到相同的答案规范思维(1)解决问题的基本思路判定通电导体在安培力作用下的运动或运动趋势，首先必须弄清楚导体所在位置的磁场磁感线分布情况，然后利用左手定则准确判定导体的受力情况，进而确定导体的运动方向或运动趋势的方向(2)解决问题的基本方法有：电流元法、特殊位置法、等效法、结论法、转换研究对象法，要根据题目灵活选用例4(1)1.5 a(2)0.30 n(3)0.06 n解析(1)根据闭合电路欧姆定律i1.5 a(2)导体棒受到的安培力f安bil0.30 n(3)导体棒受力如图所示，将重力正交分解f1mgsin 370.24 nf1f安，根据平衡条件mgsin 37fff安解得ff0.06 n规范思维解决安培力与力学综合问题的关键：(1)首先正确画出通电导体受力的平面图(或侧视图)，注意正确画出电流和磁场的方向(2)受力分析时安培力的方向必须用左手定则正确判定，注意安培力方向既跟磁感应强度的方向垂直又和电流方向垂直思想方法总结1应用公式fbil时需要注意(1)b与l垂直(2)l是有效长度，如图曲线acb中，如果通电电流为i，则其受水平向左的安培力fbil.(3)b并非一定是匀强磁场，但一定是导线所在处的磁感应强度2安培力做功的实质：能量的转化(1)安培力做正功：是将电源的能量转化为导线的动能或其他形式的能(2)安培力做负功：是将其他形式的能转化为电能，储存或再转化为其他形式的能3(1)有安培力参与的物体平衡，此平衡与前面所讲的物体平衡一样，也是利用物体平衡条件解题其中安培力是众多受力中的一个(2)在安培力作用下的物体平衡的解决步骤和前面我们学习的共点力平衡相似，一般也是先进行受力分析，再根据共点力平衡的条件列出平衡方程其中重要的是在受力分析过程中不要漏掉了安培力【课时效果检测】1d通电导线在磁场中受安培力时，用左手定则判断安培力的方向2b根据左手定则，ab边受到的安培力大小为fabbiab，bc边平行于磁场方向受力为零，故a错；ad边受到安培力大小为fadbiod，故d错；cd边受到的安培力大小为fcdbicd，故b正确，c错3d解法一由题图可知，无论电键是置于a还是b.导线中的电流均为mm和nn，由安培定则mm在nn处产生的磁场为垂直板平面向上，由左手定则可知nn受到的力向外即这两段导线相互排斥；电键置于a、b两处时，b的电流较大，所以有fafb.故d正确解法二同向电流相互吸引，异向电流相互排斥，所以a、c错误，再有开关置于b处时有两个电池，它的电压较大、电流较大，相互作用力也较大，所以b错误，d正确4c要使f0，则导线受安培力向上，且f安mg，由左手定则可知，选项c正确5c当ffbilblktmg时，棒沿导轨向下减速；在棒停止运动前，所受摩擦力为滑动摩擦力，大小为：ffblkt；当棒停止运动时，摩擦力立即变为静摩擦力，大小为：ffmg，故选项c正确6a对金属杆受力分析，沿导轨方向：mgsin 0，若想让金属杆向上运动，则增大，a项正确，b项错误；若增大，则mgsin 增大，c项错误；若电流反向，则金属杆受到的安培力反向，d项错误7b由安培定则可知a正确由mgsin 45bilcos 45知b，b错误若要使b最小，b应在垂直斜面向上的方向上，所以c、d正确8d由安培定则和左手定则