2020学年高中物理 第三章 磁场 专题第4节 通电导线在磁场中受到的力

2020学年高中物理 第三章 磁场 专题第4节 通电导线在磁场中受到的力

第4节 通电导线在磁场中受到的力 ‎ ‎1．关于磁场方向、电流方向、安培力方向三者之间的关系，说法正确的是 A．磁场方向、电流方向、安培力方向三者之间总是互相垂直 B．磁场方向一定与安培力方向垂直，但电流方向不一定与安培力方向垂直 C．磁场方向不一定与安培力方向垂直，但电流方向一定与安培力方向垂直 D．磁场方向不一定与电流方向垂直，但安培力方向一定既与磁场方向垂直，又与电流方向垂直 ‎【答案】D ‎2．（2020·浙江新高考选考科目）在城市建设施工中，经常需要确定地下金属管线的位置，如图所示，有一种探测方法是，首先给金属长直管线上同上电流，再用可以测量磁场强弱、方向的仪器进行一下操作：①用测量仪在金属管线附近的水平地面上找到磁场的最强的某点，记为a；②在a点附近的地面上，找到与a点磁感应强度相同的若干点，将这些点连成直线EF；③在地面上过a点垂直于EF的直线上，找到磁场方向与地面夹角为45°的b、c两点，测得b、c两点距离为L，由此可确定金属管线 A．平行于EF，深度为 B．平行于EF，深度为L C．垂直于FE，深度为 D．垂直于EF，深度为L ‎【答案】A ‎【解析】根据通电直导线产生的磁场特点：距离电流越近，产生的磁场强度越大，则a点距离管线最近，EF上的点均是距离管线最近的点，管线在EF的正下方，与EF平行；根据安培定则做出管线产生磁场的横截面图示：则由几何关系可以确定a到管线的距离为，故A正确，BCD错误。‎ ‎3．如图所示，一通电直线导线与匀强磁场方向垂直，导线所受安培力的方向 A．向上 B．向下 C．垂直纸面向外 D．垂直纸面向里 ‎【答案】D ‎4．（2020·江西省浮梁一中高考冲刺训练）“极光”是由太阳发射的高速带电粒子受地磁场的影响，进入两极附近时，撞击并激发高空中的空气分子和原子发光引起的。假如我们在北极地区忽然发现正上方的某一高空出现了射向地球的、沿逆时针方向生成的紫色弧状极光（显示带电粒子的运动轨迹），考虑大气的阻力。则关于引起这一现象的高速粒子的电性及弧状极光的弯曲程度的说法中，正确的是 A．高速粒子带正电 B．高速粒子带负电 C．轨迹半径不变 D．轨迹半径逐渐增大 ‎【答案】B ‎【解析】在北极上空有竖直向下的磁场，由地面上看带电粒子的运动轨迹沿逆时针方向，则从上空看带电粒子的轨迹沿顺时针方向，由左手定则得粒子带负电。故A错误，B正确；运动过程中粒子因空气阻力做负功，运动动能变小，速度减小，则半径小。故CD错误。‎ ‎5．如图，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。当在该导线中通以电流强度为I的电流时，该V形通电导线受到的安培力大小为 A．0 B．0.5BIL C．BIL D．2BIL ‎【答案】C ‎6．（2020·山东省藁城市第一中学高三冲刺卷）如图，AB、CD是两根长度均为L=‎4.0 m，质量分别为m1=‎0.6 kg和m2=‎0.2 kg的金属棒，两根等长的细金属杆将两节干电池与两个金属棒串联成闭合回路，整个回路用绝缘细线悬挂在天花板上，保证金属棒水平。整个装置处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度B=1.0 T，电路中的电流I=‎0.5 A，待系统稳定之后（金属棒、细金属杆在力的作用下不会发生变形，取g=‎10 m/s2），则 A．绝缘细线与竖直方向的夹角0º B．绝缘细线与竖直方向的夹角45º C．细金属杆与竖直方向的夹角45º D．细金属杆与竖直方向的夹角90º ‎【答案】AC ‎【解析】以整体为研究对象，整体总共受到四个力的作用，水平方向上，两金属棒受到力的大小均为，方向相反的安倍力，这两个力互相平衡；竖直方向上，绝缘细线的拉力与总的重力平衡，因为重力的方向竖直向下，所以，绝缘细线的拉力一定是竖直向上，也就是说，绝缘细线与竖直方向的夹角为，故选项A正确，B错误；以cd棒为研究对象，cd棒受三个力而平衡，受力情况如图所示：‎ 安培力：，cd棒的重力：，由平衡条件得：，解得：，即细金属丝与竖直方向的夹角为，故选项C正确，D错误。‎ ‎7．光滑的平行导轨（图中粗线所示）与电源连接后，倾斜放置，导轨上放一个质量为m的金属导体棒。通电后，导体棒中的电流垂直纸面向外，在棒所在的区域内加一个合适的匀强磁场，可以使导体棒静止平衡，下面四个图中分别加了不同方向的磁场，其中一定不能平衡的是 ‎【答案】C ‎8．（2020·新疆哈密地区高二月考）如图，质量为m、长为L的直导线用两根绝缘细线悬挂于O、O′，并处于匀强磁场中，当导线中通以沿x正方向的电流I，且导线保持静止时，悬线与竖直方向的夹角为θ。则磁感应强度的方向和大小可能为 A．z正向，tan θ B．y正向，‎ C．z负向，tan θ D．沿悬线向上，sin θ ‎【答案】BC ‎【名师点睛】此题是对物体的平衡以及左手定则的考查；左手定则和右手定则一定要区分开，如果是和力有关的则全依靠左手定则，即关于力的用左手定则，其他的（一般用于判断感应电流方向或者通电电流周围的磁场方向）用右手定则。‎ ‎9．如图所示的天平可用来测定磁感应强度B。天平的右臂下面挂有一个矩形线圈，宽度为l，共N匝，线圈下端悬在匀强磁场中，磁场方向垂直纸面，当线圈中不通电流时，在天平左右两边加上质量各为m1、m2的砝码，天平平衡，当线圈中通有电流I时方向如图所示，左边再加上质量为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)g/NIl B．磁感应强度的方向垂直纸面向里，大小为mg/NIl C．磁感应强度的方向垂直纸面向外，大小为(m1–m2)g/NIl D．磁感应强度的方向垂直纸面向外，大小为mg/2Nil ‎【答案】B ‎【名师点睛】此题考查了物体的平衡、安培力以及左手定则的问题；解题的关键是能根据左手定则来判断安培力的方向，并且知道安培力的计算公式F=BIL，然后根据平衡条件列出方程进行解答；此题难度不大，是基础题。‎ ‎10．如图所示，两根光滑金属导轨平行放置，导轨所在平面与水平面间的夹角为θ。整个装置处于匀强磁场中。金属杆ab垂直导轨放置，当杆中通有从a到b的恒定电流I时，金属杆ab刚好静止。则 A．磁场方向一定是竖直向上 B．磁场方向竖直向上时，磁场的磁感应确定最小 C．ab受安培力的最小值为 D．ab受安培力的最小值为 ‎【答案】D ‎【解析】对金属棒受力分析可知，金属棒只受重力支持力和安培力，根据平衡条件支持力和安培力的合力应与重力等大反向，因安培力的方向不是唯一的，故磁场的方向也不一定是竖直向上的；根据矢量三角形合成法则作出三种情况的合成图如图：‎ 由图可以看出当安培力F与支持力垂直时有最小值：Fmin=mgsin θ，即BIL=mgsin θ则，故ABC错误，D正确。‎ ‎【名师点睛】本题考查了力的平衡问题及平行四边形法则的应用问题；主要是借助磁场中安培力考查矢量三角形合成法则求最小值问题，判断出安培力何时最小是解题的关键步骤；解题时要灵活运用三角形或者平行四边形，熟练掌握右手定则。‎ ‎11．（2020·山东省潍坊市第一中学高考预测卷）利用如图所示的实验装置可以测量磁感应强度B。用绝缘轻质丝线把底边长为L、电阻为R、质量为m的“U”形线框固定在力敏传感器的挂钩上，并用轻质导线连接线框与电源，电源内阻不计，电压可调，导线的电阻忽略不计。当外界拉力F作用于力敏传感器的挂钩上时，力敏传感器会显示拉力的大小F。当线框接入恒定电压为E1的电源时，力敏传感器显示拉力的大小为F1；当线框接入恒定电压为E2的电源时，力敏传感器显示拉力的大小为F2。下列说法正确的是 A．当线框接入恒定电压为E1的电源时所受安培力大小为F1‎ B．当线框接入恒定电压为易的电源时力敏传感器显示拉力的大小为线框所受安培力与重力之差 C．待测磁场的磁感应强度B的大小为 D．待测磁场的磁感应强度B的大小为 ‎【答案】D ‎12．如图，通电线圈abcd平面和磁场垂直（不考虑电流间相互作用），则 A．ab边受到向左的安培力 B．bc边受到向下的安培力 C．线圈面积有缩小的趋势 D．线圈有转动的趋势 ‎【答案】C ‎【名师点睛】考查由左手定则可判定安培力方向，注意对于左手定则的应用，要搞清两点：一是什么时候用；二是怎样用。‎ ‎13．（2020·安徽合肥市高三调研性考试）如图所示，一水平放置的通电直导体棒位于竖直向下的匀强磁场中，若将磁场在竖直面内顺时针旋转一小角度或将电流方向反向，则下列说法正确的是 A．将磁场旋转，导体棒所受安培力的方向不变 B．将磁场旋转，导体棒所受安培力的大小不变 C．将电流反向，导体棒所受安培力的方向不变 D．将电流反向，导体棒所受安培力的大小不变 ‎【答案】AD ‎【解析】图中磁场向下，电流向右，根据左手定则，安培力垂直向内，安培力大小为F=BIL；当将磁场在竖直面内顺时针旋转一小角度，根据左手定则，安培力方向不变，依然是垂直向内；根据F=BILsinθ，θ从90°增加到大于90°，故安培力大小是减小的；故A正确，B错误；将电流方向反向，根据左手定则，安培力反向即垂直向外，即反向；安培力大小F=BIL，不变，故C错误，D正确。‎ ‎14．如图，两根通电长直导线a、b平行放置，a、b中的电流强度分别为I和2I，此时a受到的磁场力为F，以该磁场力方向为正方向。a、b的正中间再放置一根与a、b平行共面的通电长直导线c后，a受到的磁场力大小变为‎2F，则此时b受到的磁场力的大小为 A．0 B．F C．‎4F D．‎‎7F ‎【答案】BD ‎【解析】由于ab间的磁场力是两长直导线的相互作用，故b受到a的磁场力大小为F，方向相反，故为–F，中间再加一通电长直导线时，由于c处于中间，其在ab两位置产生的磁场强度相同，故b受到的磁场力为a受磁场力的2倍，a受力变成‎2F，可能是受c的磁场力为F，方向向左，此时b受力为‎2F ‎，方向向左，故b受力为F，方向向左，故合磁场力为F；a变成‎2F，也可能是受向右的‎3F的力，则此时b受力为‎6F，方向向右，故b受到的磁场力为–‎6F–F=–‎7F，故选BD。‎ ‎15．如图所示，在匀强磁场区域中有一光滑斜面体，在斜面体上放了一根长为L、质量为m的导线，当通以如图方向的电流后，导线恰好能保持静止，则磁感应强度B满足 A．，方向水平向左 B．，方向垂直纸面向外 C．，方向沿斜面向上 D．，方向竖直向下 ‎【答案】AD ‎16．（2020·山东省济南第一中学高二学考）如图所示，固定的水平金属导轨间距L=‎2 m。处在磁感应强度B=4×l0-2 T的竖直向上的匀强磁场中，导体棒MN垂直导轨放置，并始终处于静止状态。已知电源的电动势E=6 V，内电阻r=0.5 Ω，电阻R=4.5 Ω，其他电阻忽略不计。闭合开关S，待电流稳定后，试求：‎ ‎（1）导体棒中的电流；‎ ‎（2）导体棒受到的安培力的大小和方向。‎ ‎【答案】（1）‎1.2 A （2）0.096 N 方向沿导轨水平向左 ‎17．（2020·福建省福州市八县一中联考高二期末）如图所示，两平行金属导轨间的距离，金属导轨所在的平面与水平面夹角，在导轨所在平面内，分布着磁感应强度、方向垂直于导轨所在平面向上的匀强磁场。金属导轨的一端接有电动势、内阻的直流电源。现把一个质量的导体棒ab放在金属导轨上，此时导体棒恰好静止。导体棒与金属导轨垂直且接触良好，导体棒与金属导轨接触的两点间的电阻，金属导轨电阻不计，g取。已知sin37°=0.6，cos37°=0.8，求：‎ ‎（1）导体棒受到的安培力大小；‎ ‎（2）导体棒受到的摩擦力大小及方向；‎ ‎（3）某个时刻匀强磁场的大小保持不变，方向变为垂直于导轨所在平面向下，求以该时刻为计时起点2 s末导体棒的速度大小。（设金属导轨足够长，导体棒与金属导轨之间的最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等）‎ ‎【答案】（1）0.3 N （2）0.06 N 方向沿斜面向下 （3）‎24 m/s ‎【解析】（1）闭合电路欧姆定律，则有：‎ 而安培力大小公式为：‎ 所以：‎ ‎（2）对棒受力分析，并进行重力的分解，如下图所示 ‎ ‎