物理选择性必修 第二册第一章 磁场对电流的作用1 安培力图片课件ppt

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探究点一　导体在磁场中运动的问题
1.判断导体在磁场中运动情况的常规思路(1)不管是电流还是磁体,对通电导体的作用都是通过磁场来实现的,因此必须要清楚导体所在位置的磁场分布情况。(2)结合左手定则准确判断导体所受安培力的方向。(3)由导体的受力情况判定导体的运动情况。
2.分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法
特别提示　判断安培力作用下通电导体的运动方向的思路(1)首先应画出通电导体(或通电线圈)所在位置的磁感线方向。(2)根据左手定则确定通电导体(或通电线圈)所受安培力的方向。(3)由通电导体(或通电线圈)的受力情况判断通电导体(或通电线圈)的运动方向。
【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,且两个线圈的圆心重合,如图所示。当两线圈中通以图示方向的电流时,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.在纸面内平动
解析 方法一:电流元法把线圈L1沿水平转动轴分成上下两部分,每一部分又可以看成无数段直线电流元,电流元处在L2产生的磁场中,根据安培定则可知各电流元所在处的磁场方向竖直向上,由左手定则可知,上半部分电流元所受安培力均指向纸外,下半部分电流元所受安培力均指向纸内,因此从左向右看线圈L1将顺时针转动。故B正确。方法二:等效法把线圈L1等效为小磁针,该小磁针刚好处于环形电流I2的中心,小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向,由安培定则知I2产生的磁场方向在其中心处竖直向上,而L1等效成小磁针后,转动前,N极指向纸内,因此小磁针的N极应由指向纸内转为向上,所以从左向右看,线圈L1将顺时针转动。故B正确。
方法三:结论法环形电流I1、I2之间不平行,则必有相对转动,直到两环形电流同向平行为止,据此可知,从左向右看,线圈L1将顺时针转动。故B正确。
对点演练1(2023山西忻州高二期末)如图所示,将条形磁铁放在水平桌面上,在其左上方固定一根长直导线,导线与条形磁铁垂直,给导线通以垂直纸面向里的电流I。用N表示条形磁铁对桌面的压力,用f表示桌面对条形磁铁的摩擦力,则导线通电后与通电前相比较(　　)A.N减小,f=0B.N减小,f≠0C.N增大,f=0D.N增大,f≠0
解析 根据条形磁铁的磁场分布可知,通电导线所在处的磁感应强度的方向为斜向左下,再根据左手定则可确定通电导线所受安培力指向左上方,所以通电导线对条形磁铁的反作用力指向右下方,由于条形磁铁处于静止状态,所以安培力的反作用力在水平方向向右的分力大小等于条形磁铁所受桌面的摩擦力大小,所以摩擦力不为零,方向向左,同时,安培力的反作用力在竖直方向有向下的分力,其与重力之和等于桌面对条形磁铁的支持力,所以支持力增大。故选D。
探究点二　安培力作用下导体的加速
(1)解决在安培力作用下导体的加速运动问题,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=BILsin θ;③牛顿第二定律。
【例2】 (多选)(2023山东临沂高二期末)某段光滑的金属轨道分水平段和圆弧段两部分,O点为圆弧的圆心。两金属轨道之间的距离为0.5 m,匀强磁场方向如图所示,磁感应强度大小为0.5 T。质量为0.05 kg、长为0.5 m的金属细杆置于金属水平轨道上的M点,金属细杆与金属轨道始终接触良好。当在金属细杆内通以大小为2 A的恒定电流时,金属细杆可以沿轨道向右由静止开始运动。已知lMN=lOP=1 m,重力加速度g取10 m/s2,则下列说法正确的是(　　)A.金属细杆开始运动时的加速度大小为10 m/s2B.金属细杆运动到P点时的速度大小为5 m/sC.金属细杆运动到P点时的向心加速度大小为10 m/s2D.金属细杆运动到P点时,对每一条轨道的作用力大小为0.75 N
解析 金属细杆在水平方向受到安培力作用,安培力大小F安=BIL=0.5×2×0.5 N=0.5 N,金属细杆开始运动时的加速度大小为a= =10 m/s2,A正确;对金属细杆从M点运动到P点的过程,安培力做功W安=F安·(lMN+lOP)=1 J,重力做功WG=-mg·lON=-0.5 J,根据动能定理有W安+WG= mv2,解得金属细杆运动到P点时的速度大小为v= m/s,B错误;金属细杆运动到P点时的向心加速度大小为a'= =20 m/s2,C错误;在P点金属细杆受到轨道水平向左的作用力F和水平向右的安培力F安,由牛顿第二定律得F-F安= ,解得F=1.5 N,可知每一条轨道对金属细杆的作用力大小为 F=0.75 N,由牛顿第三定律可知金属细杆运动到P点时对每一条轨道的作用力大小为0.75 N,D正确。
对点演练2(2023四川内江高二期末)如图所示,平行的金属导轨M、N放在水平面上,间距为1 m,金属导轨间存在磁感应强度大小为1 T、方向与导轨平面夹角为α=37°的匀强磁场。金属棒ab的质量为
0.02 kg,放在导轨上且与导轨垂直,与导轨间的动摩擦因数为0.5,导轨与金属棒始终接触良好。电源电动势为1.5 V,内阻为0.5 Ω,定值电阻R为1 Ω,其余部分电阻不计,sin 37°=0.6,cs 37°=0.8,重力加速度g取10 m/s2。当开关S闭合后,求:(1)通过金属棒ab的电流大小;(2)金属棒ab的加速度大小。
答案 (1)1 A　(2)5 m/s2解析 (1)根据闭合电路的欧姆定律可得(2)对金属棒受力分析可知N=mg+BILcs α对金属棒由牛顿第二定律得BILsin α-μN=ma联立解得a=5 m/s2。
1.(导体在磁场中的受力)(2023上海奉贤高二期末)如图所示,水平桌面上放一条形磁铁,条形磁铁正中央上方吊着与其垂直的导线,当导线中通入垂直纸面向里的电流时(　　)A.悬线上的拉力将不变B.悬线上的拉力将变小C.条形磁铁对水平桌面的压力将变大D.条形磁铁对水平桌面的压力将变小
解析 根据条形磁铁磁场分布特点可知,通电导线处的磁场方向水平向右,由左手定则可知导线受竖直向下的安培力,所以悬线上的拉力变大,A、B错误;由牛顿第三定律可知,条形磁铁受电流对它竖直向上的力,所以条形磁铁对桌面压力变小,C错误,D正确。
2.(安培力作用下导体的运动)(多选)通有电流的导线L1、L2、L3、L4处在同一平面(纸面)内,放置方式及电流方向如图甲、乙所示,其中L1、L3是固定的,L2、L4可分别绕垂直纸面的中心轴O、O'转动,则下列描述正确的是(　　)A.L2绕轴O顺时针转动B.L2绕轴O逆时针转动C.L4绕轴O'顺时针转动D.L4绕轴O'逆时针转动
解析 题图甲中由右手螺旋定则可知,导线L1上方磁场垂直纸面向外,且离导线L1的距离越近,磁场越强,导线L2上每一小部分受到的安培力方向水平向右,但轴O下方导线所受安培力较大,所以L2绕轴O逆时针转动,A错误,B正确;题图乙中轴O'上方导线L4所受安培力向右,轴O'下方导线L4所受安培力向左,即L4绕轴O'顺时针转动,C正确,D错误。
3.(安培力作用下的平衡和加速问题)如图所示,两间距为L=0.5 m的光滑平行导轨与水平面夹角为θ=37°,质量为m=0.1 kg、长为L=0.5 m的金属杆ab水平放置在导轨上,电源电动势E=3 V,内阻r=0.5 Ω,金属杆电阻为R1=1 Ω,导轨电阻不计。金属杆与导轨垂直且接触良好。空间存在着竖直向上的匀强磁场(图中未画出),当电阻箱的电阻调为R=0.9 Ω时,金属杆恰好能静止。重力加速度g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cs 37°=0.8。(1)求磁感应强度B的大小。(2)保持其他条件不变,当电阻箱的电阻调为R'=0.5 Ω时,闭合开关S,同时由静止释放金属杆,求此时金属杆的加速度。
答案 (1)1.2 T (2)1.2 m/s2,方向沿斜面向上解析 (1)由安培力公式和平衡条件得mgsin θ=BILcs θ由闭合电路欧姆定律得解得B=1.2 T。(2)由牛顿第二定律和闭合电路欧姆定律得BI'Lcs θ-mgsin θ=ma解得a=1.2 m/s2方向沿斜面向上。
4.(安培力作用下的平衡和加速问题)(2023江苏丹阳高级中学高二期末)如图所示,间距为1 m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=15 V、内阻r=1 Ω的电源。质量m=0.5 kg的金属棒垂直放在导轨上,且与导轨接触良好。导轨处在磁感应强度大小为B=1 T的匀强磁场中,磁场方向与金属棒垂直,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。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度g取10 m/s2,金属棒接入电路的电阻R=2 Ω,导轨电阻不计,金属棒与导轨间的动摩擦因数为μ=0.5,sin 53°=0.8,cs 53°=0.6。
(1)求金属棒受到的安培力大小。(2)求悬吊重物的质量。(3)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,求重物的加速度(不考虑电磁感应现象)。
答案 (1)5 N　(2)0.3 kg　(3)0解析 (1)根据闭合电路欧姆定律E=I(R+r)得通过金属棒的电流大小为 =5 A金属棒受到的安培力大小F安=BIL=5 N。(2)因为金属棒恰好不向左滑动,所以其所受最大静摩擦力方向向右,受力分析如图所示对金属棒,根据平衡条件可得F安sin θ=f+FF安cs θ+N=mg又f=μN对重物根据平衡条件可得F=Mg 联立解得M=0.3 kg。