2021-2022学年高中物理沪科版选修3-1训练：5-4　探究安培力 WORD版含解析.docx

1、课后篇巩固提升A组1.下列说法中正确的是()A.磁场中某一点的磁感应强度可以这样测定:把一小段通电导线放在该点时受到的磁场力F与该导线的长度L、通过的电流I乘积的比值,即B=FILB.通电导线在某点不受磁场力的作用,则该点的磁感应强度一定为零C.磁感应强度B=FIL只是定义式,它的大小取决于场源以及磁场中的位置,与F、I、L以及通电导线在磁场中的方向无关D.通电导线所受磁场力的方向就是磁场的方向答案:C2.一段通电导线垂直于磁场方向放入匀强磁场中,导线上的电流方向由上而下,如图所示。在导线以其中心点为轴逆时针转动180的过程中,导线受到的安培力()A.大小不变,方向不变B.大小由最大减小到零再

2、增至最大,方向时刻改变C.大小由最大减小到零再增至最大,方向不变D.大小由最大减小到零再增至最大,方向由垂直纸面向外变为垂直纸面向内解析:安培力公式F=ILBsin,导线转动前,电流方向与磁场方向垂直,=90;当导线转过一个小角度后,电流方向与磁场方向不再垂直,安培力变小;当导线转过90时,电流方向与磁场方向平行,安培力为零。根据左手定则判断知,安培力的方向始终垂直纸面向外;在导体再继续转动90过程中,安培力由零变到最大,安培力的方向始终垂直纸面向内,选项D正确。答案:D3.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,导线中均通有大小相等的恒定电流,方向如图所示。过C点的

3、导线所受安培力的方向()A.与AB边平行,竖直向上B.与AB边平行,竖直向下C.与AB边垂直,指向左边D.与AB边垂直,指向右边解析:根据直线电流相互作用的规律可知A处导线与C处导线相互吸引,B处导线与C处导线也相互吸引,且两安培力大小相等,所以C处导线所受的合力方向一定指向左边且与AB边垂直,选项C正确。答案:C4.如图所示,一条形磁铁放在水平桌面上,在磁铁右上方固定一根与磁铁垂直的长直导线。当导线中通以由外向内的电流时()A.磁铁受到向左的摩擦力,磁铁对桌面的压力减小B.磁铁受到向右的摩擦力,且对桌面的压力减小C.磁铁受到向左的摩擦力,且对桌面的压力增大D.磁铁不受摩擦力,对桌面的压力不变

4、解析:此题若从电流产生的磁场入手分析,通电直导线的磁场可以用安培定则判断,但处于磁场中的不是小磁针而是大条形磁铁,其受力如何很难判定,可能会误认为选项D正确。若将思维方式变换一下,先判定条形磁铁在通电导线处的磁场方向;再用左手定则判断通电导线在条形磁铁的磁场中受到的安培力斜向左下方;然后根据牛顿第三定律,磁铁受到通电导线的作用力应斜向右上方。因磁铁受力平衡,所以支持力减小,即对桌面的压力减小,同时受到向左的摩擦力,选项A正确。答案:A甲5.(多选)已知质量为m的通电细杆ab与导轨间的动摩擦因数为,有电流时,ab恰好在导轨上静止,如图甲所示,图乙是它可能的匀强磁场方向的四个侧视图,其中能使杆ab

5、与导轨之间摩擦力为零的是()乙解析:由左手定则知A、B、C、D四个图中导线所受安培力方向分别为水平向右、竖直向上、竖直向下、水平向左,所以A、B两图中摩擦力可能为零。答案:AB6.如图所示,在同一水平面的两导轨相互平行,并处在竖直向上的磁场中,一根质量为3.6 kg、有效长度为2 m的金属棒放在导轨上,当金属棒中的电流为5 A时,金属棒做匀速运动;当金属棒中的电流增大到8 A时,金属棒能获得2 m/s2的加速度。则磁场的磁感应强度为多少?解析:对金属棒进行受力分析,利用牛顿第二定律可得当金属棒中的电流为5A时BI1L-F阻=0当金属棒中的电流为8A时BI2L-F阻=ma由整理方程组可得B=ma

6、(I2-I1)L=3.62(8-5)2T=1.2T。答案:1.2 T7.如图所示,在倾角为37的光滑斜面上有一根长为0.4 m、质量为610-2 kg的通电直导线,电流I=1 A,方向垂直纸面向外,导线用平行于斜面的轻绳拴住不动,整个装置放在磁感应强度每秒增加0.4 T、方向竖直向上的磁场中,设t=0,B=0,则需要多长时间斜面对导线的支持力为零?(g取10 m/s2)解析:支持力为0时导线的受力如图所示由平衡条件得F安=mgtan37=610-2100.75N=0.8N由F安=BIL得B=F安IL=0.810.4T=2T由B=0.4t得t=B0.4=20.4s=5s。答案:5 sB组1.(多

7、选)一根长为0.2 m、通有2 A电流的通电导线,放在磁感应强度为0.5 T的匀强磁场中,则其受到的磁场力的大小可能是()A.0.4 NB.0.2 NC.0.1 ND.0解析:根据安培力的定义,当磁感应强度B与通电电流I方向垂直时,磁场力有最大值为F=BIL=0.520.2N=0.2N当两方向平行时,磁场力有最小值为0随着二者方向夹角的不同,磁场力大小可能在0与0.2N之间取值。答案:BCD2.在如图所示电路中,电池均相同,当开关S分别置于a、b两处时,导线MM与NN之间的安培力的大小为Fa、Fb,可判断这两段导线()A.相互吸引,FaFbB.相互排斥,FaFbC.相互吸引,FaFbD.相互排

8、斥,FaFb解析:无论开关置于a还是置于b,两导线中通过的都是反向电流,相互间作用力为斥力,选项A、C错误。开关置于位置b时电路中电流较大,导线间相互作用力也较大,故选项D正确。答案:D3.如图所示的天平可用来测定磁感应强度。天平的右臂下面挂有一个矩形线圈,宽为L,共N匝,线圈的下部悬在匀强磁场中,磁场方向垂直纸面。当线圈中通有电流I(方向如图所示)时,在天平左、右两边加上质量各为m1、m2的砝码,天平平衡。当电流反向(大小不变)时,右边再加上质量为m的砝码后,天平重新平衡。由此可知()A.磁感应强度的方向垂直纸面向里,大小为(m1-m2)gNILB.磁感应强度的方向垂直纸面向里,大小为mg2

9、NILC.磁感应强度的方向垂直纸面向外,大小为(m1-m2)gNILD.磁感应强度的方向垂直纸面向外,大小为mg2NIL解析:因为右边再加上质量为m的砝码后,天平才能重新平衡,由此可知,开始时天平的右臂下面挂的矩形线圈受到的安培力F方向竖直向下,磁场方向垂直纸面向里。电流反向时矩形线圈受到的安培力F方向竖直向上,安培力的变化量F=mg,所以有2NILB=mg,得B=mg2NIL。答案:B4.如图所示,天平右臂下面挂有一个矩形线圈宽为L,共N匝,线圈下部悬在匀强磁场中,磁场方向垂直纸面向里。利用这架天平如何测定磁场的磁感应强度。(1)写出测量方法。(2)磁感应强度的表达式B(用测量的物理量表示)

10、。解析:(1)在线圈中通入沿顺时针方向流动的电流I,在天平左右两盘各加质量分别为m1,m2的砝码,天平平衡,由此就可得到磁感应强度的大小。(2)线圈中通入电流I时,由左手定则,线圈底边所受安培力方向竖直向下,由天平平衡得m1gL=(m2g+NILB)L,式中L为天平力臂。解得B=(m1-m2)gNIL。答案:(1)见解析(2)(m1-m2)gNIL5.质量m=0.02 kg的通电细杆ab置于倾角为=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=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,通

11、过ab杆的电流范围为多少?解析:当摩擦力沿斜面向下时,受力如图甲所示,则沿斜面方向F1-mgsin-f1=0垂直斜面方向N-mgcos=0,f1=N,F1=BImaxd解得Imax=0.46A当摩擦力沿斜面向上时,受力如图乙所示,则沿斜面方向F2+f2-mgsin=0垂直斜面方向N-mgcos=0,f2=N,F2=BImind解得Imin=0.14A故电流范围是0.14AI0.46A。答案:通过ab杆的电流范围是0.14 AIm0.46 A教学建议在判断安培力的大小和方向的教学中,可采用问题讨论的方式进行。一方面加深理解,另一方面培养学生分析解决问题的能力。判断安培力的方向和大小是本节重点,弄

12、清安培力方向、电流方向、磁感应强度方向三者的空间关系是本节难点。安培力的方向一定与电流、磁感应强度的方向都垂直,但电流方向与磁感应强度方向可以成任意角度;当电流方向与磁感应强度方向垂直时,安培力最大。对此,学生常常产生混淆,例如,在解决实际问题时误以为安培力、电流、磁感应强度一定是两两垂直的等等。另外,空间想象能力对本节的学习至关重要,要使学生能够看懂立体图,熟悉各种角度的侧视图、俯视图和剖面图,这需要进行一定量的训练来巩固。(1)安培力的方向做好演示实验,引导学生认真观察,记录,分析现象。实验记录和分析的过程本身就是培养学生空间思维能力的过程,要很好地把握。要引导学生区别安培定则和左手定则,

13、并且用这个定则去解释“平行通电导线之间的相互作用”这一演示实验,解释时应明白左边的通电导线受到的安培力是右边的通电导线所产生的磁场施加的,反之亦然。(2)安培力的大小按照从特殊到一般的思路研究安培力的大小:很容易得到电流与磁场方向垂直时F=BIL,电流与磁场方向平行时F=0,再根据矢量分解的等效替代关系推导公式F=ILBsin (推导时可以借鉴电场的叠加和电场力的合成)。推导的过程要注意两点:一是要在具体的空间情境下讨论安培力的大小和方向,不要离开具体问题做抽象的数学推理;二是要让学生对推导过程中涉及的科学思想方法(等效替代和从特殊到一般的思维方法)有所体会。可以让学生对比安培力和库仑力。应该

14、提醒学生安培力与库仑力有很大的区别,首先在电场中只要有电荷就会有库仑力。而在磁场中,导线所受安培力的大小与导线跟磁场的夹角有关,导线如果与磁场平行,就没有安培力的作用,导线和磁场的夹角为90时,安培力最大。因此在讨论单位电流元所受安培力与电流、导线长度的关系时,导线要与磁场垂直放置,以保持所受最大安培力的状态。库仑力与安培力的第二点区别是在方向上,点电荷在电场中所受的库仑力的方向,与该点的电场方向要么相同,要么相反。电流在磁场中某处受到的磁场力,不仅取决于磁场的方向还取决于电流的方向,安培力的方向总与磁场方向垂直。参考资料电能表工作原理及应用电能表的工作原理是当把电能表接入被测电路时,电流线圈

15、和电压线圈中就有交变电流流过,这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通量;交变磁通量穿过铝盘,在铝盘中感应出涡流;涡流又在磁场中受到力的作用,从而使铝盘得到转矩(主动力矩)而转动。负载消耗的功率越大,通过电流线圈的电流越大,铝盘中感应出的涡流也越大,使铝盘转动的力矩就越大。即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大,转矩也越大,铝盘转动也就越快。铝盘转动时,又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用,制动力矩与主动力矩方向相反;制动力矩的大小与铝盘的转速成正比,铝盘转动得越快,制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时,铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时,带动计数器,把所消耗的电能指示出来。这就是电能表工作的简单过程。按原理划分,电能表分为感应式和电子式两大类:感应式电能表采用电磁感应的原理把电压、电流、相位转变为磁力矩,推动铝制圆盘转动,圆盘的轴(蜗杆)带动齿轮驱动计度器的鼓轮转动,转动的过程即是时间量累积的过程。因此感应式电能表的好处就是直观、动态连续、停电不丢数据。电子式电能表运用模拟或数字电路得到电压和电流向量的乘积,然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能。由于应用了数字技术,分时计费电能表、预付费电能表、多用户电能表、多功能电能表纷纷登场,进一步满足了科学用电、合理用电的需求。