高中物理4 通电导线在磁场中受到的力课堂检测

这是一份高中物理4 通电导线在磁场中受到的力课堂检测，共19页。

第三章　磁场
4　通电导线在磁场中受到的力
基础过关练
题组一　安培力的方向
1.一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、水平向右及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.(2020江苏普通高中高二上学业水平模拟)(多选)如图所示,F是磁场对通电直导线的作用力,其中正确的示意图是 (　　)

3.在赤道上空,水平放置一根通以由西向东的电流的直导线,则此导线 (　　)
A.受到竖直向上的安培力
B.受到竖直向下的安培力
C.受到由南向北的安培力
D.受到由西向东的安培力
题组二　安培力的大小
4.(2021河北邢台高二上期中)关于磁场对通电导线的作用力,下列说法正确的是 (　　)
A.磁场对放置在其中的通电导线一定有力的作用
B.放置在磁场中的导线越长,其所受的磁场力越大
C.放置在磁场中的导线通过的电流越大,其所受的磁场力越大
D.通电导线在磁场中所受的磁场力的方向一定与磁场方向垂直
5.长度为L、通有电流为I的直导线放入一匀强磁场中,电流方向与磁场方向如图所示,已知磁感应强度为B,对于下列各图中,导线所受安培力的大小计算正确的是　 (　　)

6.(2021湖北荆州松滋第一中学高二上月考)如图所示,在与磁感应强度为B的匀强磁场垂直的平面内,有一根长为s的导线,量得导线的两个端点间的距离ab=d,导线中通过的电流为I,则下列有关导线所受安培力大小和方向的正确表述是 (　　)

A.大小为BIs,方向沿ab指向b
B.大小为BIs,方向垂直于ab
C.大小为BId,方向沿ab指向a
D.大小为BId,方向垂直于ab

题组三　安培力作用下导体的运动
7.(2020北京丰台高三上期末)某同学在利用如图所示装置“探究影响通电导线受力的因素”实验中,把三块相同的蹄形磁体并排放在桌面上,用细导线将一根铜质导体棒水平悬挂在磁体的两极间,导体棒的方向与磁场方向垂直,当导体棒中有电流通过时,导体棒带动细导线偏离竖直方向,离开竖直方向的最大角度称为摆动角。该同学在保持电流大小不变的条件下,通过两组实验作对比研究。实验Ⅰ:电流从细导线2流入、细导线3流出;实验Ⅱ:电流从细导线1流入、细导线4流出。关于两组实验现象,下列说法正确的是 (　　)

A.实验Ⅰ中细导线向外摆动,摆动角小于实验Ⅱ摆动角
B.实验Ⅰ中细导线向外摆动,摆动角大于实验Ⅱ摆动角
C.实验Ⅰ中细导线向里摆动,摆动角小于实验Ⅱ摆动角
D.实验Ⅰ中细导线向里摆动,摆动角大于实验Ⅱ摆动角
8.用两根细线把两个完全相同的圆形导线环悬挂起来,让二者等高平行放置,如图所示,当两导线环中通入方向相同的电流I1、I2时,则有 (　　)

A.两导线环相互吸引
B.两导线环相互排斥
C.两导线环无相互作用
D.两导线环先相互吸引后相互排斥
9.直导线AB与圆线圈的平面垂直且隔有一小段距离,直导线固定,线圈可以自由运动。当通过如图所示的电流时(同时通电),从左向右看,线圈将 (　　)

A.顺时针转动,同时靠近直导线AB
B.顺时针转动,同时离开直导线AB
C.逆时针转动,同时靠近直导线AB
D.不动
题组四　安培力作用下导体的平衡
10.(2021甘肃天水实验中学高二上期中)(多选)如图所示,一根质量为m,长度为L的金属棒用细金属丝水平悬挂在匀强磁场中。当通以如图所示的电流I时,金属丝对棒的拉力刚好为零,则关于磁感应强度的大小和方向判断正确的是 (　　)

A.磁感应强度的大小B=ILmg
B.磁感应强度的大小B=mgIL
C.磁感应强度的方向垂直纸面向里
D.磁感应强度的方向垂直纸面向外
11.(2021江苏镇江大港中学高二上学情检测)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,如图所示,当B方向竖直向上,电流为I1时导线处于平衡状态,若B方向改为垂直斜面向上,则电流为I2时导线处于平衡状态。电流比值I1I2应为 (　　)

A.1cosθ　　　　　　　　 B.cos θ
C.sin θ　　　　　　　　 D.1sinθ
题组五　磁电式电流表的工作原理
12.关于磁电式电流表,以下说法错误的是 (　　)
A.指针稳定后,螺旋弹簧形变产生的阻碍效果与线圈受到的安培力的转动效果方向是相反的
B.通电线圈中的电流越大,电流表指针偏转角度也越大
C.在线圈转动的范围内,各处的磁场都是匀强磁场
D.在线圈转动的范围内,线圈所受安培力大小与电流大小有关,而与所处位置无关
13.如图甲所示为某磁电式电流表的原理图,蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的。当线圈通以如图乙所示的恒定电流时(b端电流方向垂直纸面向内),下列说法正确的是 (　　)

A.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
B.当线圈在如图乙所示的位置时,线圈的磁通量一定为0
C.线圈通过的电流越大,指针偏转角度越小
D.线圈转动的方向,由螺旋弹簧的形变决定

能力提升练
题组一　安培力的方向
1.(2020江苏镇江一中高二上期中,)如图所示,矩形abcd线框与竖直放置的长直导线MN在同一竖直平面内,ab边与MN平行,MN和线框中通有的电流分别是I和I',则MN受到的安培力的方向为 (　　)

A.水平向右　　　　　　　　B.水平向左
C.竖直向上　　　　　　　　D.竖直向下
2.(2021湖北荆州松滋第一中学高二上月考,)如图所示,地面上的平行轨道MN和PQ上有一辆平板小车,车上有一个通电线框。图中虚线框1、2、3、4、5等表示磁感应强度大小相等的匀强磁场区域,内有垂直地面向上或向下的磁场,要使小车在图示位置时受到向右的力,则1、2部分的磁场方向对应下图中的 (　　)



3.(2021湖北黄冈麻城实验中学高二上月考,)如图所示,在等边三角形的三个顶点a、b、c处各有一条长直导线垂直穿过纸面,导线中通有大小相等的恒定电流,方向垂直纸面向里。过c点的导线所受安培力的方向 (　　)

A.与ab边垂直,指向左边　　　　　　　　 B.与ab边垂直,指向右边
C.与ab边平行,竖直向上　　　　　　　　 D.与ab边平行,竖直向下
题组二　安培力的大小
4.(2021江苏扬州高邮高二上期中联考,)如图所示,长为2l的直导线折成边长相等、夹角为60°的V形,并置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中,磁感应强度为B。当在该导线中通以大小为I的电流时,导线受到的安培力大小和方向(平行于纸面)为 (　　)

A.BIl　竖直向下　　　　　　　　 B.BIl　竖直向上
C.2BIl　竖直向下　　　　　　　　 D.2BIl　竖直向上
5.(2021浙江杭州高二上期中,)如图所示,四边形通电闭合线框abcd处在垂直线框平面的匀强磁场中,它受到安培力的合力 (　　)

A.为零　　　　　　　　 B.竖直向上
C.垂直于ad斜向上　　　　　　　　 D.垂直于bc斜向下
6.(2020湖北武汉华中师大一附中高三上期末,)一个半径为R的均匀导电金属圆环放置在粗糙的水平绝缘桌面上,现加上一方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场,如图所示(俯视图)。将金属圆环接入电路中,干路电流为I,接入点a、b是圆环直径上的两个端点。金属圆环始终处于静止状态,则 (　　)

A.当电流为I时,金属圆环上半部分受到的安培力大小为πBIR
B.当电流为I时,金属圆环受到的安培力大小为BIR
C.增大干路电流,金属圆环对桌面的压力增大
D.增大干路电流,金属圆环对桌面的摩擦力增大
题组三　安培力作用下导体的运动
7.(2021江苏镇江大港中学高二上学情检测,)两条直导线互相垂直,如图所示,但相隔一段距离,其中的一条AB是固定的,另一条CD能自由移动。当两导线分别通入如图所示的电流时,CD导线将 (　　)

A.顺时针转动,同时靠近AB
B.逆时针转动,同时离开AB
C.顺时针转动,同时离开AB
D.逆时针转动,同时靠近AB
8.()如图所示,把一重力不计的通电直导线AB水平放在蹄形磁铁磁极的正上方,导线可以在空间自由运动,当导线通以图示方向电流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
9.(2020湖南长沙一中、湖南师大附中高二上期末联考,)(多选)用细绳悬挂一矩形导线框,导线框通有逆时针方向的电流(从右侧观察)。在导线框的正下方、垂直于导线框平面有一直导线PQ,开始时PQ中无电流,现通以水平向右的电流,在短时间内 (　　)

A.从上往下观察导线框顺时针转动
B.从上往下观察导线框向右平移
C.细绳受力会变得比导线框重力大
D.导线框中心的磁感应强度变大
题组四　安培力作用下导体的平衡
10.(2021江苏泰州中学高二上质量检测,)如图所示,PQ、MN是放置在水平面内的光滑导轨,GH是长度为L、电阻为r的导体棒,其中点与一端固定的轻弹簧连接,轻弹簧的劲度系数为k。导体棒处在方向向下、磁感应强度为B的匀强磁场中,电源电动势为E、内阻不计,电容器的电容为C。闭合开关,待电路稳定后,下列说法正确的是 (　　)

A.导体棒中电流为ER1+R2+r
B.轻弹簧的长度增加ELBk(R1+r)
C.轻弹簧的长度减少ELBk(R1+r)
D.电容器带电荷量为ECR2R1+r
11.(2021河南洛阳第一中学高二上月考,)如图所示,长为L、质量为m的细导体棒a被水平放置在倾角为45°的光滑斜面上,无限长直导线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a、b中均通以大小为I的同向电流时,a恰能在斜面上保持静止。已知无限长直导线周围磁场的磁感线为一系列的同心圆,周围某点的磁感应强度与该点到导线的距离成反比。则下列说法正确的是 (　　)

A.a、b中电流必垂直纸面向里
B.b中的电流在a处产生的磁场的磁感应强度大小为2mg2IL
C.若将b适当上移以增大x,则导体棒a仍可能静止
D.无论将b上移还是下移,导体棒a都可能处于静止状态
12.(2021湖北荆州松滋第一中学高二上月考,)如图所示,在倾角为θ=30°的斜面上,固定一宽L=0.25 m的平行金属导轨,在导轨上端接入电源和滑动变阻器R。电源电动势E=12 V,内阻r=1 Ω,一质量m=40 g的金属棒ab与两导轨垂直并接触良好。整个装置处于磁感应强度B=0.80 T、垂直于斜面向上的匀强磁场中,金属棒的有效电阻R1=1 Ω(导轨电阻不计)。金属导轨与金属棒之间的最大静摩擦力为0.1 N,取g=10 m/s2。
(1)调节滑动变阻器的阻值,金属棒恰好无相对运动的趋势,求金属棒受到的安培力;
(2)要保持金属棒在导轨上静止,求滑动变阻器R接入电路中的阻值范围。


答案全解全析
基础过关练
1.D　根据左手定则可判断出A图中导线所受安培力为零,B图中导线所受安培力垂直纸面向里,C、D图中导线所受安培力水平向右,由导线受力以后的弯曲方向与受力方向的关系可知,D图正确。
2.AD　由左手定则可判断,选项B中安培力的方向向左,选项C中安培力的方向向下;选项A、D中安培力的方向如题图所示,选项A、D是正确的。
3.A　赤道上空的地磁场方向是由南向北的,电流方向由西向东,画出此处磁场和电流的方向图如图所示,由左手定则可判断出导线受到的安培力的方向是竖直向上的,选项A正确。

4.D　当通电导线与磁场方向平行时,无论导线长度、通过的电流大小如何,通电导线都不受磁场力,A、B、C错误;通电导线在磁场中所受的磁场力的方向一定与磁场方向垂直,D正确。
5.A　A图中,导线不和磁场垂直,故将导线投影到垂直磁场方向上,F=BIL cos θ,A正确;B图中,导线和磁场方向垂直,故F=BIL,B错误;C图中导线和磁场方向垂直,故F=BIL,C错误;D图中导线和磁场方向垂直,故F=BIL,D错误。
6.D　由题图知,导线的有效长度为d,所受的安培力大小F=BId,由左手定则可知方向垂直于ab,故选D。
7.A　两个实验的电流方向都是从左到右,电流大小相等,磁场方向从下往上,根据左手定则知安培力方向向外;实验Ⅰ中通电导线的有效长度小于实验Ⅱ中通电导线的有效长度,由F=BIL知,实验Ⅰ的安培力比实验Ⅱ的安培力小,实验Ⅰ的摆动角比实验Ⅱ的摆动角小,故A正确。
8.A　通电的导线环周围能够产生磁场,磁场的基本性质是对放入其中的磁体或电流产生力的作用。由于导线环中通入的电流方向相同,二者同位置处的电流方向完全相同,相当于通入同向电流的直导线,据同向电流相互吸引的规律,判知两导线环应相互吸引,故A正确。
9.C　先用安培定则判断出AB导线右侧的磁场向里,因此,环形电流内侧受力向下、外侧受力向上,从左向右看应逆时针方向转动,当转到与AB共面时,AB与环左侧相互吸引,与环右侧相互排斥,由于左侧离AB较近,则引力大于斥力,所以环靠近导线AB,故选项C正确。
10.BC　因为金属丝对棒的拉力刚好为零,所以安培力方向竖直向上,由左手定则可知,磁感应强度的方向垂直纸面向里,由平衡条件有mg=BIL,可得B=mgIL,故选B、C。
11.A　当磁感应强度竖直向上时,根据左手定则,安培力水平向右,则mg tan θ=BI1L;当磁感应强度垂直斜面向上时,安培力沿斜面向上,则mg sin θ=BI2L,所以I1I2=tanθsinθ=1cosθ,A正确。
12.C　螺旋弹簧形变产生的阻碍效果与线圈受到的安培力的转动效果方向相反,线圈才能停止转动,使指针稳定。电流表内磁场是均匀辐射磁场,在线圈转动的范围内,不管线圈转到什么角度,它的平面都跟磁感线平行,线圈所在各处的磁场大小相等方向不同,所以安培力与电流大小有关而与所处位置无关,电流越大,安培力越大,指针转过的角度越大,故只有C错。
13.B　线圈在题图乙所示的位置时,由左手定则可知a端所受安培力向上,b端所受安培力向下,所以安培力的作用使线圈沿顺时针方向转动,A、D错误;由蹄形磁铁和铁芯间磁场的特点知,线圈转到任意位置,其平面都与磁感线平行,线圈的磁通量为零,B正确;线圈受安培力而转动,螺旋弹簧被扭动产生弹力,弹力方向与扭动方向相反,阻碍线圈转动,通电电流越大,指针静止时反抗的弹力越大,指针的偏转角越大,C错误。故选B。
能力提升练
1.A　线框中的电流为顺时针方向,根据安培定则知:线框内部磁感应强度垂直纸面向里,线框外部磁感应强度垂直纸面向外,根据左手定则可判定导线MN所受安培力水平向右,故A正确,B、C、D错误。
2.A　根据左手定则,要使小车在图示位置时受到向右的力,即安培力向右,则2中磁场垂直地面向上,1中磁场垂直地面向下,A正确。
3.A　a、b处导线在c处产生的磁场方向如图所示

由于Ba=Bb,根据平行四边形定则可知,在c点处合磁场方向竖直向下,由左手定则可以判断,安培力的方向与ab边垂直,指向左边,A正确。
4.B　导线在磁场内有效长度为2l sin 30°=l,故该V形通电导线受到安培力大小为F=BIl,由左手定则可得,安培力方向竖直向上,则选项B正确。
5.A　由题意可知abcd在磁场中的有效长度为零,所以线框abcd所受安培力的合力为零,故选A。
6.D　acb段与adb段圆弧的电流方向均向右,由电路知识知,其电流大小为12I,acb段圆弧所受的安培力为:F=B·12I·L,L是指导线首尾相连的线段的长度,故acb段受的安培力F=B·12I·2R=BIR,由左手定则知,方向向下;同理可得adb段圆弧受的安培力大小为BIR,方向向下,金属圆环受到的安培力为两段圆弧的合力,故金属圆环受到的安培力为2BIR,故A、B错误;增大干路电流,安培力增大,和安培力平衡的摩擦力增大,在竖直方向上重力和支持力仍然平衡,所以圆环对桌面的压力不变,故C错误,D正确。
7.D　AB导线中电流产生的磁场在右侧垂直纸面向里,在左侧垂直纸面向外,在CD左右两边各取一小段电流元,根据左手定则,左边的电流元所受的安培力方向向下,右边的电流元所受安培力方向向上,知CD导线沿逆时针方向转动,由于同向电流相互吸引,所以导线CD同时靠近导线AB,故选D。
8.C　将导线AB分成左、中、右三部分。中间一段开始时电流方向与磁场方向一致,不受力;左端一段所在处的磁场方向斜向上,根据左手定则知,其受力方向向外;右端一段所在处的磁场方向斜向下,受力方向向里。当转过一定角度时,中间一段电流不再与磁场方向平行,由左手定则可知其受力方向向下,所以从上往下看导线将一边逆时针方向转动,一边向下运动,C选项正确。
9.ACD　由安培定则判断出通电导线PQ在线框处的磁场方向从里向外,根据左手定则知,外侧电流受安培力向左,内侧电流受安培力向右,从上往下看,导线框将顺时针转动,故A正确,B错误。线框沿顺时针方向转动一个小角度后,靠近导线PQ边的电流方向向右,由左手定则可知,其受到的安培力的方向向下,故细绳受力会变得比导线框重力大,故C正确;线框沿顺时针方向转动一个小角度后,导线PQ中电流产生的磁场方向从里向外穿过线框,根据安培定则,导线框中电流产生的磁场的方向也是从里向外穿过线框,则线框中心的磁感应强度变大,故D正确。
10.C　导体棒中的电流为I=Er+R1,故A错误;由左手定则知导体棒受的安培力向左,则弹簧长度减少,由平衡条件得BIL=kΔx,将I=Er+R1代入,解得Δx=BLEk(r+R1),故B错误,C正确;电容器两端的电压等于导体棒两端的电压,故电容器带电荷量为Q=CU=rECr+R1,D错误,故选C。
11.C　a恰好在斜面上保持静止,则a受到的支持力、重力和安培力平衡,所以a、b中电流同向即可,不必一定要垂直纸面向里,A错误;

由平衡条件有BIL=mg tan 45°,解得B=mgIL,故B错误;a所受三个力可以构成首尾相接的矢量三角形,如图所示。
若使b上移少许,由图可知,若要保持导体棒a静止,则安培力F需减小,这时a、b间距增加,可以平衡,故C正确;若使b下移,由图可知,若要保持导体棒a静止,则安培力F需增大,但这时a、b间距增加,安培力减小,故一定不能平衡,故D错误。故选C。
12.答案　(1)大小为0.2 N,方向沿斜面向上　(2)6 Ω≤R≤22 Ω
解析　(1)金属棒恰好无相对运动的趋势时,摩擦力为0;
由左手定则,金属棒所受安培力方向沿斜面向上,
由平衡条件,金属棒所受安培力F=mg sin θ=0.2 N。
(2)当滑动变阻器R接入电路中的电阻取最大值时,回路中电流最小,金属棒刚好不下滑,由mg sin θ=BIminL+fm
解得Imin=mgsinθ-fmBL
代入数据解得Imin=0.5 A
由闭合电路欧姆定律得E=Imin(Rmax+R1+r)
解得Rmax=EImin-R1-r=22 Ω
当滑动变阻器R接入电路中的电阻取最小值时,回路中电流最大,金属棒刚好不上滑,由mg sin θ+fm=BImaxL
解得Imax=1.5 A
由闭合电路欧姆定律得E=Imax(Rmin+R1+r)
解得Rmin=EImax-R1-r=6 Ω
故滑动变阻器R接入电路中的阻值范围为6 Ω≤R≤22 Ω。