高考物理模型全归纳 第75讲 安培力作用下的运动

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高考物理全归纳——模型专题在高中物理教学中，引导学生认识、理解和建立“物理模型”，是培养学生创造性思维和创新能力的有效途径。一、什么是物理模型自然界中事物与事物之间总是存在着千丝万缕的联系，并都处在不断的变化之中。面对复杂多变的自然界，进行科学研究时，总是遵循这样一条重要的原则，即从简到繁，先易后难，循序渐进，逐次深入。物理模型有三个类型：（1）物理研究对象的理想化（对象模型）；（2）物理条件的理想化（条件模型）；（3）物理过程的理想化（过程模型）二、为什么要建立物理模型1、帮助学生掌握学习方法      2、落实“过程与方法”的教学目标3、提高学生解决问题能力三、如何帮助学生的建立物理模型（一）提高认识，重视过程：对研究对象建立理想的物理模型和在研究物理过程中选择最简单的物理模型，在教学中是经常涉及到的，但学生总不能从中得到启示。（二）概括总结，触类旁通：新课程提出高中阶段应给学生更多的空间，让学生较独立地进行科学探究，培养学生的自主探究、自主学习、自已解决问题的能力。  第75讲 安培力作用下的运动1．（浙江）小明同学设计了一个“电磁天平”，如图1所示，等臂天平的左臂为挂盘，右臂挂有矩形线圈，两臂平衡，线圈的水平边长L＝0.1m，竖直边长H＝0.3m，匝数为N1，线圈的下边处于匀强磁场内，磁感应强度B0＝1.0T，方向垂直线圈平面向里，线圈中通有可在0～2.0A范围内调节的电流I，挂盘放上待测物体后，调节线圈中电流使天平平衡，测出电流即可测得物体的质量（重力加速度取g＝10m/s2）（1）为使电磁天平的量程达到0.5kg，线圈的匝数N1至少为多少？（2）进一步探究电磁感应现象，另选N2＝100匝、形状相同的线圈，总电阻R＝10Ω，不接外电流，两臂平衡，如图2所示，保持B0不变，在线圈上部另加垂直纸面向外的匀强磁场，且磁感应强度B随时间均匀变大，磁场区域宽度d＝0.1m，当挂盘中放质量为0.01kg的物体时，天平平衡，求此时磁感应强度的变化率．【解答】解：（1）线圈受到安培力F＝N1B0IL，天平平衡有：mg＝N1B0IL，代入数据解得N1＝25匝（2）由电磁感应定律得，E，则E，由欧姆定律得，，线圈受到安培力F′＝N2B0I′L，天平平衡有：，
代入数据解得．答：（1）线圈的匝数N1至少为25匝；（2）此时磁感应强度的变化率为0.1T/s．  一.知识回顾1．方法概述判断通电导体在安培力作用下的运动或运动趋势，首先要弄清导体所在位置的磁场分布情况，然后利用左手定则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．常用判断方法(1)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的受力方向，然后判断整段导线所受合力的方向，从而确定导线运动方向。(2)特殊位置法：通电导线转动到某个便于分析的特殊位置时，判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向。(3)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体或多个环形电流。然后根据同极相斥、异极相吸判断相互作用情况。(4)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。(5)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时，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后根据牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的作用力，从而确定磁体受力及运动情况。3．解题思路确定研究对象→判断其所在处合磁场情况→根据左手定则判断受力→确定运动情况。 二.例题精析题型一：运动情况定性判定例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，且两个线圈圆心重合，当两线圈通入如图所示的电流时，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．向纸面内平动【解答】解：由于L1和L2中的电流的方向是相同的，它们会互相吸引，由于L2是不动的，所以L1会向L2靠近，所以从左向右看，线圈L1将逆时针转动，故C正确。故选：C。题型二：定量计算（多选）例2． 2021年11月1日，央视实地报道了一种新型消防用电磁炮发射的新闻。电磁发射是一种全新的发射技术，通过电磁发射远程投送无动力的炮弹，可以实现比较高的出口速度，且它的能量是可调控的。电磁轨道炮工作原理如图所示。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．只将弹体质量减至原来的二分之一 B．只将轨道长度L变为原来的2倍 C．只将电流I增加至原来的2倍 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，其它量不变【解答】解：设弹体长为l，通电的弹体在轨道上受到安培力的作用，利用动能定理有：BIl•Lmv2，磁感应强度的大小与I成正比，所以有：B＝kI解得：v。A、只将弹体质量减至原来的二分之一，速度增大到原来的倍，故A错误；B、只将轨道长度L变为原来的2倍，弹体的出射速度增加至原来的倍，故B错误；C、只将电流I增加至原来的2倍，弹体的出射速度增加至原来的2倍，故C正确；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，弹体的出射速度增加至原来的2倍，故D正确。
故选：CD。三.举一反三，巩固练习如图所示，长度为d、质量为m的导体棒用绝缘细线悬挂并垂直纸面放置，导体棒中有方向由a指向b、大小为I的电流，导体棒处在水平向右的匀强磁场中。现改变匀强磁场方向，使其在竖直平面内逆时针缓慢转到水平向左，此过程中细线与竖直方向的最大夹角为30°，细线始终绷紧.已知重力加速度为g（安培力小于重力）。则匀强磁场的磁感应强度B大小为（　　）A． B． C． D．【解答】解：缓慢调节磁场方向时，导体棒受安培力大小不变，对导体棒受力分析，并作出安培力的旋转矢量如图所示由图可知当安培力方向与细线拉力方向垂直时，导体棒与竖直方向夹角最大，由图中几何关系可知，变形得故ACD错误，B正确；故选：B。在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极，接电源负极；沿边缘内壁放一个半径与玻璃皿内径相当的圆环形电极，接电源正极，电源电动势为E，内阻不计。在玻璃皿中加入导电液体。如果把玻璃皿放在蹄型磁铁的磁场中，液体就会旋转起来。导电液体等效电阻为R，下列说法正确的是（　　）
A．导电液体在电磁感应现象的作用下旋转 B．改变磁场方向，液体旋转方向不变 C．俯视发现液体顺时针旋转，则蹄型磁铁下端为S极，上端为N极 D．通过液体的电流等于【解答】解：AB．导电液体之所以会旋转，是因为通电液体受到了安培力作用，若磁场反向则受力反向，旋转方向改变，故AB错误；C．若磁场方向垂直纸面向下，据左手定则，液体顺时针转动，因此蹄型磁铁下端为S极，上端为N极，故C正确；D．导体开始运动后切割磁感线产生反电动势，因此电流小于，故D错误。故选：C。如图甲所示是磁电式电表内部结构示意图，蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，在铝框上绕有铜线圈。电表指针固定铁芯在线圈上，可与线圈一起转动，线圈的两端分别接在两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈。蹄形磁铁与铁芯间的磁场可看作是均匀辐射分布的，如图乙所示，无论线圈转到什么位置，线圈平面总与线圈所在磁场甲的方向平行。关于磁电式电表，下列说法不正确的是（　　）A．磁电式电表的原理是通电线圈在磁场中因受安培力而转动 B．改变线圈中电流的方向，指针会反向偏转 C．增加线圈的匝数可以提高电表的灵敏度 
D．用塑料框代替铝框，在使用电表时可以使指针更迅速稳定在示数位置上【解答】解：A．磁电式电流表的内部，在蹄形磁铁的两极间有一个可以绕轴转动的线圈，蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布，当电流通过线圈时，线圈在安培力的作用下转动，故A正确；B．改变线圈中电流的方向，线圈受力方向相反，指针会反向偏转，故B正确；C．线圈匝数越多，受到的安培力合力越大，越容易转动，可以提高电流表的灵敏度；故C正确；D．用铝框做骨架，当线圈在磁场中转动时，导致铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动。而塑料做骨架达不到此作用，故D错误。本题选择不正确选项，故选：D。如图所示，一根长为L的金属细杆通有电流I时，水平静止在倾角为θ的光滑绝缘固定斜面上，空间存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场。若电流和磁场的方向均不变，仅将磁感应强度大小变为4B，重力加速度为g，则此时（　　）A．金属细杆中的电流方向垂直于纸面向外 B．金属细杆受到的安培力大小为4BILsinθ C．金属细杆对斜面的压力大小变为原来的4倍 D．金属细杆将沿斜面加速向上运动，加速度大小为3gsinθ【解答】解：A、直导线受重力、导轨的支持力和安培力而平衡，安培力垂直于B，只能水平向右，由左手定则可知，电流方向应垂直纸面向里，故A错误；B、根据安培力公式可得细杆受到的安培力大小为F安＝BIL，故B错误；CD、金属细杆静止于斜面上时，根据平衡条件得：FN＝mgsinθ+BILsinθBILcosθ＝mgsinθ磁感应强度大小改变时，根据受力分析和牛顿第二定律得：FN′＝mgcosθ+4BILsinθ＜4FN，加速度方向沿斜面向上，故C错误，D正确；
故选：D。如图所示，两根足够长的平行光滑金属导轨MN、PQ间距为L，与水平面成θ角，上端接入阻值为R的电阻。导轨平面区域有垂直导轨平面向上磁感应强度为B的匀强磁场，质量为m的金属棒ab由静止开始沿导轨下滑，并与两导轨始终保持垂直且接触良好。不计导轨及金属棒ab的电阻，则金属棒ab沿导轨下滑过程中（　　）A．金属棒ab将一直做加速运动 B．通过电阻R的电流方向为从Q到N C．金属棒ab的最大加速度为gsinθ D．电阻R产生的焦耳热等于金属棒ab减少的重力势能【解答】解：A、金属棒ab先做加速运动，后做匀速运动，故A错误；B、根据右手定则，通过电阻R的电流方向为从N到Q，故B错误；C、金属棒速度等于零时，加速度最大，根据牛顿第二定律mgsinθ＝ma解得：a＝gsinθ，故C正确；D、根据能量守恒定律，电阻R产生的焦耳热等于金属棒ab减少的重力势能减去增加的动能，故D错误。故选：C。如图所示，间距为1m的平行金属导轨固定在绝缘水平桌面上，导轨左端连接有电动势为E＝15V，内阻r＝1Ω的电源。质量m＝0.5kg的金属棒垂直放在导轨上，导轨处在磁感应强度大小为B＝1T的匀强磁场中，磁场与金属棒垂直，方向与导轨平面成θ＝53°斜向右上。绕过桌边光滑定滑轮的一根细线，一端系在金属棒的中点，另一端吊着一个重物，拉着金属棒的细线水平且与金属棒垂直，金属棒处于静止状态且刚好不向左滑，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度g取10m/s2，金属棒接入电路的电阻R＝2Ω，导轨电阻不计，金属棒与导轨间的动摩擦因数为μ＝0.5，sin53°＝0.8，cos53°＝0.6，求：（1）悬吊重物的质量；
（2）保持磁感应强度大小不变，将磁场方向迅速改为竖直向上，则磁场方向改为竖直向上的一瞬间，重物的加速度（不考虑电磁感应现象）。【解答】解：（1）根据闭合电路欧姆定律E＝I（R+r）解得：I＝5A对金属棒研究：BILsinθ＝f+TBILcosθ+N＝mgf＝μN对重物研究：T＝Mg解得M＝0.3kg（2）对金属棒研究，金属棒受到的安培力大小F＝BIL＝1×5×1N＝5N由于F＞Mg，因此金属棒有向左运动的趋势由于F﹣Mg＜μmg，因此金属棒不会滑动，即加速度为0答：（1）悬挂重物的质量为0.3kg；（2）重物的加速度为0。（多选）如图所示，两平行导轨在同一水平面内。一导体棒垂直放在导轨上，棒与导轨间的动摩擦因数恒定。整个装置置于匀强磁场中，磁感应强度大小恒定，方向与金属棒垂直、与水平向右方向的夹角θ可调。导体棒沿导轨向右运动，现给导体棒通以图示方向的恒定电流，适当调整磁场方向，可以使导体棒沿导轨做匀加速运动或匀减速运动。已知导体棒加速时，加速度的最大值为g；减速时，加速度的最大值为g，其中g为重力加速度大小。下列说法正确的是（　　）
A．棒与导轨间的动摩擦因数为 B．棒与导轨间的动摩擦因数为 C．加速阶段加速度大小最大时，磁场方向斜向下，θ＝60° D．减速阶段加速度大小最大时，磁场方向斜向上，θ＝150°【解答】解：设磁场方向与水平方向的夹角为θ1，θ1＜90°；当导体棒加速且加速度最大时，合力向右最大，根据左手定则和受力分析可知安培力应该斜向右上方，磁场方向斜向右下方，此时有Fsinθ1﹣μ（mg﹣Fcosθ1）＝ma1令 sinα根据数学知识可得： 则有同理磁场方向与水平方向夹角为θ2，θ2＜90°，当导体棒减速，且加速度最大时，合力向左最大，根据左手定则和受力分析可知安培力应该斜向左下方，磁场方向斜向左上方，此时有Fsinθ2+μ（mg+Fcosθ2）＝ma2有 所以有 当加速或减速加速度分别最大时，不等式均取等于，联立可得： 代入数据得： 可得α＝30°，此时
θ1＝θ2＝60°加速阶段加速度大小最小时，磁场方向斜向右下方，有θ＝θ1＝60°减速阶段加速度大小最大时，磁场方向斜向左上方，有θ＝π﹣θ2＝120°，故BC正确，AD错误；故选：BC。如图所示，质量为m的铜棒长为a，棒的两端与长为L的细软铜线相连，吊在磁感应强度大小为B、方向竖直向上的匀强磁场中当棒中通过恒定电流I后，铜棒向上摆动，最大偏角＝60°，重力加速度为g，以下说法不正确的是（　　）A．铜棒中电流的大小 B．铜棒从开始摆至最大摆角的过程中，速度先增大后减小 C．铜棒在摆动过程中的最大速率 D．铜棒达到最大摆角处时每根细线上的拉力为Tmg【解答】解：A、铜棒上摆的过程，根据动能定理得：FBLsin60°﹣mgL（1﹣cos60°）＝0，又安培力为：FB＝BIa代入解得：，故A正确；B、根据运动过程可知，铜棒从开始摆至最大摆角的过程中，速度先增大后减小，达到摆角为60°时速度为零，故B正确；C、由题意，铜棒向上摆动的最大偏角θ＝60°，根据对称性可知，偏角是30°时是其平衡位置，铜棒受力如图所示，则有G＝mg＝FBcot30°FB，当铜棒偏角是30°时，速度最大，动能最大，由动能定理可得：FBLsin30°﹣mgL（1﹣cos30°）
代入解得铜棒在摆动过程中的最大速率为：，故C不正确；D、铜棒达到最大摆角处时每根细线上的拉力为T，此时细线的拉力等于重力和安培力沿绳方向的分力之和，则mgcos60°+FBsin60°＝2T，则T，故D正确。本题选不正确的，故选：C。如图所示为电流天平，可以用来测量匀强磁场的磁感应强度，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，匀强磁场的方向与线圈平面垂直．当线圈中通过电流I时，调节砝码使两臂达到平衡，然后使电流反向，大小不变，这时需要在左盘中增加质量为m的砝码，才能使两臂再达到新的平衡．（1）若线圈串联一个电阻连接到电压为U的稳定电源上，已知线圈电阻为r，当线圈中通过电流I时，请用题给的物理量符号表示出电阻的大小．（2）请用重力加速度g和n、m、L、I导出B的表达式．【解答】解：（1）根据闭合电路的欧姆定律可得I（R+r）＝U解得（2）解：（1）根据平衡条件：有：mg＝2nBIL，得：B．答：（1）电阻大小为（2）B的表达式为