1-1磁場對通電導(dǎo)線的作用力（人教版2019選擇性必修第二冊）（原卷版）

第一章安培力與洛倫茲力第1節(jié)磁場對通電導(dǎo)線的作用力【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念通過安培力的理解，進(jìn)一步完善場的物質(zhì)觀，并從電磁場的觀點(diǎn)認(rèn)識其物質(zhì)觀念、運(yùn)動和相互作用?？茖W(xué)思維（1）能夠定性地對安培力的方向問題進(jìn)行分析，找出規(guī)律，形成結(jié)論。（2）能夠運(yùn)用電流的磁效應(yīng)、安培力的知識對電流間相互作用進(jìn)行分析，進(jìn)一步建立電與磁的關(guān)系。科學(xué)探究經(jīng)歷探究安培力方向的實(shí)驗(yàn)過程學(xué)會設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象分析結(jié)果歸納總結(jié)的科學(xué)探究方法?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任（1）體會到相關(guān)物理量之間的方向關(guān)系是客觀存在的規(guī)律；而定則只是便于人們用以了解記憶它們之間的方向關(guān)系是主觀的應(yīng)用定則時既要嚴(yán)格統(tǒng)，又要靈活多變。（2）通過知識應(yīng)用的實(shí)例，感受物理中科學(xué)技術(shù)與社會的緊密聯(lián)系，體會科學(xué)知識的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和科學(xué)意識。知識點(diǎn)一安培力的方向【情境導(dǎo)入】按照如圖所示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．(1)僅上下交換磁極的位置以改變磁場方向，導(dǎo)線受力的方向是否改變？(2)僅改變導(dǎo)線中電流的方向，導(dǎo)線受力的方向是否改變？(3)仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合課本說明安培力的方向與磁場方向、電流方向有怎樣的關(guān)系？【知識梳理】1．安培力：在磁場中受的力．2．安培力的方向與、有關(guān)；安培力垂直于與決定的平面．3．左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)；讓磁感線從掌心垂直進(jìn)入，并使四指指向，這時所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向．【重難詮釋】1．安培力方向的特點(diǎn)安培力的方向既垂直于電流方向，也垂直于磁場方向，即垂直于電流I和磁場B所決定的平面．(1)當(dāng)電流方向跟磁場方向垂直時，安培力的方向、磁場方向和電流方向兩兩相互垂直．應(yīng)用左手定則判斷時，磁感線從掌心垂直進(jìn)入，拇指、其余四指和磁感線三者兩兩垂直．(2)當(dāng)電流方向跟磁場方向不垂直時，安培力的方向仍垂直于電流方向，也垂直于磁場方向．2．判斷安培力方向的步驟(1)明確研究對象；(2)用安培定則或根據(jù)磁體的磁場特征，畫出研究對象所在位置的磁場方向；(3)由左手定則判斷安培力方向．【典例精析】例1．(多選)圖中裝置可演示磁場對通電導(dǎo)線的作用。電磁鐵上下兩磁極之間某一水平面內(nèi)固定兩條平行金屬導(dǎo)軌，L是置于導(dǎo)軌上并與導(dǎo)軌垂直的金屬桿。當(dāng)電磁鐵線圈兩端a、b，導(dǎo)軌兩端e、f，分別接到兩個不同的直流電源上時，L便在導(dǎo)軌上滑動。下列說法正確的是()A．若a接正極，b接負(fù)極，e接正極，f接負(fù)極，則L向右滑動B．若a接正極，b接負(fù)極，e接負(fù)極，f接正極，則L向右滑動C．若a接負(fù)極，b接正極，e接正極，f接負(fù)極，則L向左滑動D．若a接負(fù)極，b接正極，e接負(fù)極，f接正極，則L向左滑動【規(guī)律方法】由右手螺旋定則判斷磁鐵上下兩磁極間的磁場方向，由左手定則判斷安培力方向。知識點(diǎn)二安培力的大小【情境導(dǎo)入】(1)在如圖甲所示的探究影響安培力大小的有關(guān)因素的實(shí)驗(yàn)中，把導(dǎo)線垂直放入磁場(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)中，得出的安培力F與導(dǎo)線長度l、電流大小I有怎樣的關(guān)系？(2)當(dāng)導(dǎo)線平行磁場方向放入時，它受到的安培力多大？(3)如圖乙，當(dāng)導(dǎo)線和磁場方向的夾角為θ時，它受到的安培力多大？甲乙答案(1)F＝BIl(2)0(3)將磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿平行導(dǎo)線方向和垂直導(dǎo)線方向進(jìn)行分解，如圖所示，則B⊥＝Bsinθ，F(xiàn)＝B⊥Il＝IlBsinθ.【知識梳理】如圖甲、乙所示，導(dǎo)線電流為I，長度為l，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.1．如圖甲，通電導(dǎo)線與磁場方向垂直，此時安培力F＝2．如圖乙，通電導(dǎo)線與磁場方向平行，此時安培力F＝3．如圖丙，當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場不垂直時，此時安培力F＝【重難詮釋】對公式F＝IlBsinθ的理解1．公式F＝IlBsinθ中B對放入的通電導(dǎo)線來說是外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，不必考慮導(dǎo)線自身產(chǎn)生的磁場對外加磁場的影響．2．公式F＝IlBsinθ中θ是B和I方向的夾角(1)當(dāng)θ＝90°時，即B⊥I，sinθ＝1，公式變?yōu)镕＝IlB.(2)當(dāng)θ＝0時，即B∥I，F(xiàn)＝0.3．公式F＝IlBsinθ中l(wèi)指的是導(dǎo)線在磁場中的“有效長度”，彎曲導(dǎo)線的有效長度l等于連接兩端點(diǎn)直線段的長度(如圖虛線所示)；相應(yīng)的電流沿導(dǎo)線由始端流向末端．推論：對任意形狀的閉合平面線圈，當(dāng)線圈平面與磁場方向垂直時，線圈的有效長度l＝0，故通電后線圈在勻強(qiáng)磁場中所受安培力的矢量和一定為零，如圖所示．【典例精析】例2．如圖所示，一段導(dǎo)線abcd位于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場中，且與磁場方向(垂直于紙面向里)垂直。線段ab、bc和cd的長度均為L，且∠abc＝∠bcd＝135°。流經(jīng)導(dǎo)線的電流為I，方向如圖中箭頭所示。導(dǎo)線段abcd所受到的磁場的作用力的合力()A．方向沿紙面向上，大小為(eq\r(2)＋1)ILBB．方向沿紙面向上，大小為(eq\r(2)－1)ILBC．方向沿紙面向下，大小為(eq\r(2)＋1)ILBD．方向沿紙面向下，大小為(eq\r(2)－1)ILB【規(guī)律方法】公式F＝ILBsinθ中L是有效長度，勻強(qiáng)磁場中彎曲導(dǎo)線的有效長度L，等于連接兩端點(diǎn)直線的長度，利用左手定則可以確定導(dǎo)線所受合力方向。知識點(diǎn)三磁電式電流表【知識梳理】1.構(gòu)造：圖中磁電式電流表各部件分別為：①永磁鐵，②，③鐵質(zhì)圓柱，④，⑤線圈，⑥指針．2．原理：安培力與電流的關(guān)系．通電線圈在磁場中受到而偏轉(zhuǎn)，線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大，被測電流就．根據(jù)指針的，可以知道被測電流的方向．3．特點(diǎn)：極靴與鐵質(zhì)圓柱間的磁場都沿方向，線圈無論轉(zhuǎn)到什么位置，它的平面都跟磁感線，且線圈左右兩邊所在之處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小都．4．優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可以測出的電流．缺點(diǎn)：線圈的導(dǎo)線很細(xì)，允許通過的電流．【重難詮釋】1．磁電式電流表的工作原理通電線圈在磁場中受到安培力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的方向不同，被測電流的方向不同．2．磁電式電流表的磁場特點(diǎn)兩磁極間裝有極靴，極靴中有鐵質(zhì)圓柱，使極靴與圓柱間的磁場都沿半徑方向，保持線圈轉(zhuǎn)動時，所受安培力的方向總與線圈平面垂直，使表盤刻度均勻．3．磁電式電流表的靈敏度(1)電流表的靈敏度：是指在通入相同電流的情況下，指針偏轉(zhuǎn)角度的大小，偏角越大，靈敏度越高．(2)提高靈敏度的方法：如果要提高磁電式電流表的靈敏度，就要使在相同電流下線圈所受的安培力增大，可通過增加線圈的匝數(shù)、增大永磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度、增加線圈的面積和減小轉(zhuǎn)軸處摩擦等方法實(shí)現(xiàn)．【典例精析】例3．磁電式電流表的結(jié)構(gòu)圖如圖甲所示，磁極間的磁場分布圖如圖乙所示，以下選項(xiàng)正確的是()①指針穩(wěn)定后，線圈受到螺旋彈簧的力矩與線圈受到的磁力矩方向是相反的②通電線圈中的電流越大，電流表指針偏轉(zhuǎn)的角度也越大③在線圈轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)，各處的磁場都是勻強(qiáng)磁場④在線圈轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)，線圈所受磁力矩與電流有關(guān)，而與所處位置無關(guān)A．①② B．③④C．①②④ D．①②③④針對訓(xùn)練1．關(guān)于通電直導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場中所受的安培力，下列說法正確的是（）A．安培力的方向必定與直導(dǎo)線垂直B．安培力的方向可以不垂直于磁場的方向C．安培力的大小與通電直導(dǎo)線和磁場方向的夾角無關(guān)D．將直導(dǎo)線彎成半圓形，安培力的大小將變?yōu)樵瓉淼谋?．如圖所示的物理情景分析正確的是（）A．圖甲中，通以圖示方向電流，則導(dǎo)線相互排斥B．圖乙中，導(dǎo)線向右側(cè)擺動，則通以如圖所示電流C．圖丙中，小磁針靜止時南北極指向如圖，導(dǎo)線中電流方向豎直向上D．圖丁中，由安培假設(shè)：地磁場是由繞過地心的軸的環(huán)形電流引起，電流方向如圖3．如圖所示，水平金屬棒長為L，兩端支持在支座a、b上，a、b分別于電源正負(fù)兩極接通，垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場處在棒的中間位置，磁感強(qiáng)度為B，寬度為d。接通電源后通過棒的電流為I，此時金屬棒對支座的總壓力將（）A．增大BLI B．增大BdI C．減小BLI D．減小BdI4．如圖所示的邊長為L的正方形線框，置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中通以電流I，線端a為正極，b為負(fù)極，線框受到安培力的合力為（）A．3ILB，方向向右 B．ILB，方向向右C．ILB，方向向左 D．2ILB，方向向左5．如圖所示，兩平行光滑無限長導(dǎo)軌所在的平面與水平面夾角為，導(dǎo)軌的一端接有電動勢為E、內(nèi)阻不計(jì)的直流電源，兩導(dǎo)軌間的距離為L，在導(dǎo)軌所在空間內(nèi)分布著方向垂直于導(dǎo)軌所在平面向上的勻強(qiáng)磁場，一個質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒ab恰好靜止在金屬導(dǎo)軌上，導(dǎo)體棒與金屬導(dǎo)軌垂直且接觸良好，導(dǎo)體棒的電阻為R，金屬導(dǎo)軌電阻不計(jì)，則下面正確的有（）A．磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B．磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為C．導(dǎo)體棒受到軌道的支持力為mgtanθD．導(dǎo)體棒受到軌道的支持力為mgsinθ6．電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)武器。如圖所示是導(dǎo)軌式電磁炮的原理結(jié)構(gòu)示意圖。一對足夠長的光滑水平金屬加速導(dǎo)軌M、N與可控電源相連，M、N導(dǎo)軌的間距為L且電阻不計(jì)，在導(dǎo)軌間有豎直向上的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。裝有“電磁炮”彈體的導(dǎo)體棒ab垂直放在導(dǎo)軌M、N上，且始終與導(dǎo)軌接觸良好，導(dǎo)體棒（含彈體）的總質(zhì)量為m。在某次試驗(yàn)發(fā)射時，若接通電源瞬間為導(dǎo)體棒ab提供的電流為I，不計(jì)空氣阻力，則（）A．若要導(dǎo)體棒向右加速，則電流需從a端流向b端B．在接通電源瞬間，導(dǎo)體棒的加速度為C．若電源輸出電壓恒定，則導(dǎo)體棒可做勻加速直線運(yùn)動D．若電源輸出電壓恒定，則導(dǎo)體棒所受的安培力將隨著速度的增大而增大7．如圖，在“研究影響通電導(dǎo)體所受磁場力的因素”的實(shí)驗(yàn)中，要使導(dǎo)體棒的懸線向右的擺角增大，以下操作中可行的是（）A．減少導(dǎo)體棒中的電流 B．增大磁鐵的數(shù)量C．顛倒磁鐵磁極的上、下位置 D．改變導(dǎo)體棒中的電流方向8．如圖所示的下列各圖中，表示通電直導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場中所受磁場力的情況，其中磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流I、磁場力F三者之間的方向關(guān)系不正確的是（）A． B．C． D．9．（多選）如圖甲所示，在水平面內(nèi)放置有一個超導(dǎo)平板，在處有一質(zhì)量為m、半徑為r、環(huán)心在z軸上的水平勻質(zhì)金屬圓環(huán)，且。在圓環(huán)內(nèi)通入電流，在圓環(huán)磁場的作用下超導(dǎo)平板內(nèi)形成感應(yīng)電流，產(chǎn)生附加磁場。可以證明，超導(dǎo)平板內(nèi)感應(yīng)電流在區(qū)域產(chǎn)生的附加磁場，相當(dāng)于在處對稱地放置一個半徑也為r的鏡像圓環(huán)電流所產(chǎn)生的磁場，鏡像圓環(huán)內(nèi)的電流與原圓環(huán)電流大小相等方向相反。已知長直通電導(dǎo)線在空間中某點(diǎn)激發(fā)的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足下列關(guān)系式：，k為常數(shù)，I為通過直導(dǎo)線的電流，x為此點(diǎn)與直導(dǎo)線的垂直距離。設(shè)重力加速度為g。當(dāng)環(huán)內(nèi)電流達(dá)到恒定值時，圓環(huán)剛好能懸浮在處，此時（）A．圓環(huán)對超導(dǎo)平板的作用力大小為B．超導(dǎo)平板在圓環(huán)處產(chǎn)生的附加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度C．圓環(huán)內(nèi)的電流D．圓環(huán)內(nèi)的電流10．（多選）在等邊三角形的三個頂點(diǎn)a、b、c處，各有一條長直導(dǎo)線垂直穿過紙面，導(dǎo)線中通有大小相等的恒定電流，方向如圖所示，則下列關(guān)于過c點(diǎn)的導(dǎo)線所受安培力的方向表述不正確的是（）A．與ab邊平行，豎直向上B．與ab邊平行，豎直向下C．與ab邊垂直，指向左邊D．與ab邊垂直，指向右邊11．在傾角的絕緣斜面上，固定一光滑金屬框，寬，接入電動勢、內(nèi)阻的電源，垂直框面放置一根質(zhì)量的金屬棒ab，金屬棒接入電路的電阻的阻值為，整個裝置放在磁感應(yīng)強(qiáng)度、方向垂直于框面向上的勻強(qiáng)磁場中，調(diào)節(jié)滑動變阻器R的阻值使金屬棒靜止在框架上，如圖所示。則下列說法正確的是（框架的電阻與摩擦不計(jì)，框架與金屬棒接觸良好，g取10m/s2）（）A．金屬棒受到的安培力的大小為1NB．通過金屬棒的電流I的大小為4AC．滑動變阻器R接入電路的阻值為0.8ΩD．電源的輸出功率為12．（多選）如圖所示，磁單極子會在其周圍形成均勻輻射磁場。質(zhì)量為m、半徑為R的圓環(huán)當(dāng)通有恒定的電流I時，恰好能水平靜止在N極正上方的H處。已知與磁單極子N極相距r處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，其中k為常數(shù)，重力加速度為g。則（）A．靜止時圓環(huán)受到的安培力大小等于圓環(huán)的重力B．靜止時圓環(huán)沿其半徑方向有擴(kuò)大的趨勢C．靜止時圓環(huán)的電流D．靜止時圓環(huán)的電流13．如圖所示，PQ和MN為水平放置的平行金屬導(dǎo)軌，相距，PM間接有一個電動勢、內(nèi)阻的電源，在導(dǎo)軌上放置一個電阻、質(zhì)量的導(dǎo)體棒ab，其與導(dǎo)軌末端QN相距1m，棒的中點(diǎn)跨過位于QN右邊的定滑輪與物體相連，物體的質(zhì)量，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，方向豎直向下，此時ab棒恰好沒有滑動，認(rèn)為最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，不計(jì)導(dǎo)軌電阻和定滑輪摩擦，取，求：（1）求導(dǎo)軌與ab棒之間的動摩擦因數(shù)：（2）若磁場方向不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小變?yōu)?，求ab棒運(yùn)動到QN離開導(dǎo)軌所需的時間。（不考慮ab棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢）14．某電子天平原理如圖所示，E形磁鐵的兩側(cè)為N極，中心為S極，兩極間磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小均為B，磁極寬度均為L。忽略邊緣效應(yīng)，一正方形線圈套于中心磁極，其骨架與秤盤連為一體，線圈兩端C、D與外電路連接、當(dāng)質(zhì)量為m的重物放在秤盤上時，彈簧被壓縮，秤盤和線圈一起向下運(yùn)動（骨架與磁極不接觸），隨后外電路對線圈供電，秤盤和線圈恢復(fù)到未放重物時的位置并靜止