高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 磁场对通电导线的作用力习题

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 磁场对通电导线的作用力习题，共6页。试卷主要包含了选择题，非选择题等内容，欢迎下载使用。

基础巩固
一、选择题(第1~3题为单选题,第4~6题为多选题)
1.下列各图中分别标出了一根放置在匀强磁场中的通电直导线的电流I、磁场的磁感应强度B和通电导线所受安培力F的方向,其中图示正确的是( )
答案C
解析选项A中电流方向与磁场方向平行,导线不受安培力,故选项A错误。选项B中导线所受安培力的方向应是垂直导线向下的,故选项B错误。选项C中导线所受安培力的方向是垂直导线向上的,故选项C正确。选项D中电流方向与磁场方向平行,导线不受安培力作用,故选项D错误。
2.如图所示,把一根通电的硬直导线ab,用轻绳悬挂在通电螺线管正上方,直导线中的电流方向由a向b。闭合开关S瞬间,导线a端所受安培力的方向是( )
A.向上
B.向下
C.垂直纸面向外
D.垂直纸面向里
答案D
解析闭合开关S瞬间,由右手定则知螺线管右端为N极、左端为S极,螺线管产生的磁场方向在通电导线a端斜向左下方,由左手定则可知,导线a端所受安培力的方向垂直纸面向里,选项D正确。
3.如图所示,在xOy平面中有一通电直导线与Ox、Oy轴相交,导线中电流方向如图所示。该区域有匀强磁场,通电直导线所受磁场力的方向与Oz轴的正方向相同。该磁场的磁感应强度的方向可能是( )
A.沿z轴正方向B.沿z轴负方向
C.沿x轴正方向D.沿y轴负方向
答案D
解析由电流方向和所受磁场力方向,根据左手定则可以判断出,磁感应强度的方向沿y轴的负方向或沿x轴的负方向,故选项D正确。
4.如图所示,一金属直杆MN两端接有导线,悬挂于线圈上方,MN与线圈轴线均处于竖直平面内,为使MN垂直纸面向外运动,可以( )
A.将A、C端接在电源正极,B、D端接在电源负极
B.将B、D端接在电源正极,A、C端接在电源负极
C.将A、D端接在电源正极,B、C端接在电源负极
D.将B、C端接在电源正极,A、D端接在电源负极
答案AB
解析要求直杆MN垂直纸面向外运动,把直杆所在处的磁场方向和直杆中电流画出来,根据左手定则分析得选项A、B正确,C、D错误。
5.下列关于磁电式电流表的说法正确的是( )
A.磁电式电流表最基本的组成部分是磁体和放在磁体两极之间的线圈
B.表盘的刻度是不均匀的
C.根据指针的偏转方向,可以知道被测电流的方向
D.优点是灵敏度高,缺点是允许通过的电流很弱
答案ACD
解析磁电式电流表最基本的组成部分是磁体和放在磁体两极之间的线圈,选项A正确。极靴与软铁之间的磁场都沿半径方向,线圈无论转到什么位置,它的平面都跟磁感线平行,因此刻度盘的刻度均匀,选项B错误。线圈中电流方向改变时,安培力的方向改变,指针的偏转方向改变,选项C正确。磁电式电流表的优点是灵敏度高,缺点是允许通过的电流很弱,选项D正确。
6.通电矩形线框abcd与长直通电导线MN在同一平面内,如图所示,ab边与MN平行。关于MN的磁场对线框的作用力,下列说法正确的是( )
A.线框有两条边所受的安培力方向相同
B.线框有两条边所受的安培力大小相等
C.线框所受的安培力的合力方向向左
D.线框所受的安培力的合力方向向右
答案BD
解析由安培定则可知导线MN在线框处所产生的磁场方向垂直于纸面向外,再由左手定则判断出bc边和ad边所受安培力大小相等,方向相反。ab边受到向右的安培力Fab,cd边受到向左的安培力Fcd。因ab边所处的磁场强,cd边所处的磁场弱,故Fab>Fcd,线框所受合力方向向右。选项B、D正确,A、C错误。
二、非选择题
7.如图所示,放在马蹄形磁铁两极之间的导体棒ab处于水平,当通有自b到a的电流时,导体棒受到方向向右、大小F=1 N的安培力的作用,已知导体棒在马蹄形磁铁内部的长度l=5 cm,通过导体棒的电流大小I=10 A。求:
(1)导体棒中的电流在其右侧位置所形成的磁场的方向;
(2)马蹄形磁铁中导体棒所在位置的磁感应强度B的大小。
答案(1)竖直向上 (2)2 T
解析(1)由安培定则可知,导体棒中的电流在其右侧所形成的磁场方向竖直向上。
(2)由公式F=IlB可知B=T=2T。
能力提升
一、选择题(第1~4题为单选题,第5~6题为多选题)
1.如图所示,一段半圆形粗铜线固定在绝缘水平桌面(纸面)上,铜线所在空间有一匀强磁场,磁场方向竖直向下。当铜线通有顺时针方向的电流时,铜线所受安培力的方向( )
A.向前B.向后
C.向左D.向右
答案A
解析半圆形铜线所受的安培力等效于直径长的直铜线所受的安培力,由左手定则可知,铜线所受安培力的方向向前,选项A正确。
2.如图所示,直角形导线abc中通以恒定电流I,两段导线的长度分别为3l和4l,导线处于垂直于导线平面向里的磁感应强度为B的匀强磁场中,则导线受到安培力的合力为( )
A.3BIl,方向b→c
B.4BIl,方向b→a
C.7BIl,方向垂直于ac连线斜向上
D.5BIl,方向垂直于ac连线斜向上
答案D
解析通电导线受到安培力的合力相当于直线ac受到的安培力,由左手定则可知,安培力的方向垂直于ac连线斜向上。导线在磁场内的有效长度为=5l,故该通电导线受到的安培力大小为F=5BIl,选项D正确。
3.如图所示,水平导轨接有电源,导轨上固定有三根导体棒a、b、c,c为直径与b等长的半圆,长度关系为c最长、b最短,将装置置于竖直向下的匀强磁场中,在接通电源后,三导体棒中有等大的电流通过,则三导体棒受到的安培力大小关系为( )
A.Fa>Fb>Fc
B.Fa=Fb=Fc
C.FbD.Fa>Fb=Fc
答案D
解析设a、b两棒的长度分别为la和lb,c的直径为d。由于导体棒都与匀强磁场垂直,则a、b两棒所受的安培力大小分别为Fa=BIla,Fb=BIlb=BId;c棒所受的安培力与长度为d的直导体棒所受的安培力大小相等,则有Fc=BId;因为la>d,所以Fa>Fb=Fc。
4.在匀强磁场中有粗细均匀的同种导线制成的正方形线框abcd,磁场方向垂直于线框平面, a、d两点接一直流电源,电流方向如图所示。已知ad边受到的安培力为F,整个线框所受安培力为( )
A.2FB.4FC.FD.F
答案D
解析由题图可知ab边、bc边与cd边串联后与ad边并联。设ad边电流为I,则ab边、bc边与cd边的电流为I。又安培力F=BIl,可知ad边受到的安培力为F,则ab边、bc边与cd边受到的安培力均为F。根据左手定则可判断ab边受到的安培力方向向右,cd边受安培力的方向向左,ad边与bc边受安培力的方向均向下。所以整个线框所受安培力为F+F=F,故选项D正确。
5.一种可测量磁感应强度大小的实验装置如图所示。磁铁放在水平放置的电子测力计上,两极之间的磁场可视为水平匀强磁场,其余区域磁场的影响可忽略不计。此时电子测力计的示数为G1。将一根铜条AB水平且垂直于磁场方向静置于磁场中,两端通过导线与电源、开关、滑动变阻器和电流表连成回路。闭合开关,调节滑动变阻器的滑片。当电流表示数为I时,电子测力计的示数为G2,测得铜条在匀强磁场中的长度为l。铜条始终未与磁铁接触,对上述实验,下列说法正确的是( )
A.铜条所受安培力方向竖直向上
B.铜条所在处磁场的磁感应强度大小为
C.铜条所在处磁场的磁感应强度大小为
D.铜条所在处磁场的磁感应强度大小为
答案AC
解析由左手定则可知,铜条所受安培力方向竖直向上,选项A正确。由牛顿第三定律可知,导体棒对磁铁有向下的作用力,使得电子测力计的示数增加,由平衡知识可知G2-G1=BIl,解得B=,选项C正确,B、D错误。
6.如图所示,三根相互平行的固定长直导线L1、L2和L3两两等距,均通有电流I,L1中电流方向与L2中的相同,与L3中的相反。下列说法正确的是( )
A.L1所受磁场作用力的方向与L2、L3所在平面垂直
B.L3所受磁场作用力的方向与L1、L2所在平面垂直
C.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为1∶1∶
D.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为∶1
答案BC
解析利用同向电流相互吸引,异向电流相互排斥,受力分析如下
设任意两导线间作用力大小为F,则
L1所受合力F1=2Fcs60°=F,方向与L2、L3所在平面平行;
L2所受合力F2=2Fcs60°=F,方向与L1、L3所在平面平行;
L3所受合力F3=2Fcs30°=F,方向与L1、L2所在平面垂直;故选B、C。
二、非选择题
7.水平面上有电阻不计的U形导轨NMPQ,MN与PQ之间的宽度为l,M和P之间接入电动势为E的电源(不计内阻)。现垂直于导轨放置一根质量为m、电阻为R的金属棒ab,并加一个范围较大的匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向与水平面夹角为θ且指向右上方,如图所示。
(1)当ab棒静止时,受到的支持力和摩擦力的大小各为多少?
(2)若B的大小和方向均能改变,则要使ab棒所受支持力为零,B的大小至少为多少?此时B的方向如何?
答案(1)mg-
(2) 方向水平向右
解析金属棒受力分析如图所示。
(1)水平方向,Ff=F安sinθ①
竖直方向,FN+F安csθ=mg②
又F安=BIl=Bl③
联立①②③得FN=mg-,Ff=。
(2)要使ab棒所受支持力为零,且让磁感应强度最小,可知安培力竖直向上,则有F安'=Bminl=mg,解得Bmin=,根据左手定则判定磁场方向水平向右。
8.质量为m=0.02 kg的通电细杆ab置于倾角为θ=37°的平行放置的导轨上,导轨的宽度d=0.2 m,杆ab与导轨间的动摩擦因数μ=0.4,磁感应强度B=2 T的匀强磁场与导轨平面垂直且方向向下,如图所示。现调节滑动变阻器的滑片,为使杆ab静止不动,则通过杆ab的电流范围为多少?g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cs 37°=0.8。
答案0.14~0.46 A
解析图甲、乙是电流最大和最小两种情况下杆ab的受力分析图。
根据甲图列式如下:
F1-mgsinθ-Ff1=0
FN-mgcsθ=0
Ff1=μFN,F1=BImaxd
解上述方程得Imax=0.46A
根据乙图列式如下:
F2+Ff2-mgsinθ=0
FN-mgcsθ=0
Ff2=μFN
F2=BImind
解上述方程得Imin=0.14A
因此通过杆ab的电流范围是0.14~0.46A。