人教版高中物理选择性必修第二册专题提升1安培力的应用课件
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探究点一 安培力作用下导体运动方向的判断
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:
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。
【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AB
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。
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
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
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。
【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( )
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。
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
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=1.0 m的平行金属导轨。现在导轨上垂直导轨放置一质量m=0.4 kg、电阻R0=2.0 Ω、长为1.0 m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=2 T的匀强磁场中。导轨所接电源的电动势为E=12 V,内阻r=1.0 Ω,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10 m/s2,sin 37°=0.6,cs 37°=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+mgcs θ沿斜面方向F1cs θ=mgsin θ+Ffmax又Ffmax=μFN联立以上三式并代入数据可得F1=8 N
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+mgcs θ,F2cs θ+Ffmax'=mgsin θ,
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
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=IlBsin θ;(3)牛顿第二定律。
【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-Fcs θ=ma
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7.5 m,宽1.5 m,若发射质量为50 g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20 A时,最大速度可达3 km/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1×103 TD.电磁炮的加速度大小为3×105 m/s2
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1 m,导体棒ab跨放在导轨上,导体棒的质量为m=0.2 kg,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=0.3 kg,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=2 T、方向竖直向下,g取10 m/s2,为了使物体以加速度a=3 m/s2加速上升,应在棒中通入多大的电流?方向如何?
答案 2.75 A 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。
1. (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
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。
2.(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I2
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 =cs θ,故选A。
3.(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2mg
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;电流方向改变后,金属细棒ab受到的安培力竖直向下,大小等于mg,对金属细棒ab受力分析,根据平衡条件可知,每根弹簧弹力的大小为mg,弹簧形变量为 ,选项A、C正确。
4.(安培力作用下导体的平衡)如图所示为测磁感应强度大小的一种方式,边长为l、一定质量的等边三角形导线框用绝缘细线悬挂于天花板,导线框中通以逆时针方向的电流。图中虚线过ab边中点和ac边中点,在虚线的下方为垂直于导线框向里的匀强磁场,导线框中的电流大小为I。此时导线框处于静止状态,通过传感器测得细线中的拉力大小为F1;保持其他条件不变,将虚线下方的磁场移至虚线上方,此时测得细线中拉力大小为F2。则磁感应强度大小为( )
5.(安培力作用下导体的加速)如图所示,在同一水平面的两导轨相互平行,并处在竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度为0.2 T,一根质量为0.6 kg,有效长度为2 m的金属棒放在导轨上,当金属棒中的电流为5 A时,金属棒做匀速直线运动;当金属棒中的电流突然增大为8 A时,求金属棒能获得的加速度的大小。
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