2020年高考物理一轮复习 热点题型归纳与变式演练 专题22 磁场对电流的作用力（含解析）

专题22 磁场对电流的作用力【专题导航】目录热点题型一 安培定则的应用及磁场的叠加1热点题型二导体运动趋势的判断3热点题型三安培力作用力下的平衡或加速问题6安培力作用下导体的平衡问题6安培力作用下导体的加速问题8【题型演练】10【题型归纳】热点题型一 安培定则的应用及磁场的叠加磁场叠加问题的一般解题思路(1)确定磁场场源，如通电导线(2)定位空间中需求解磁场的点，利用安培定则判定各个场源在这一点上产生的磁场的大小和方向如图所示为M、N在c点产生的磁场(3)应用平行四边形定则进行合成，如图中的合磁场【例1】(2018高考全国卷)如图，纸面内有两条互相垂直的长直绝缘导线L1、L2，L1中的电流方向向左，L2中的电流方向向上；L1的正上方有a、b两点，它们相对于L2对称整个系统处于匀强外磁场中，外磁场的磁感应强度大小为B0，方向垂直于纸面向外已知a、b两点的磁感应强度大小分别为B0和B0，方向也垂直于纸面向外则 ()A流经L1的电流在b点产生的磁感应强度大小为B0B流经L1的电流在a点产生的磁感应强度大小为B0C流经L2的电流在b点产生的磁感应强度大小为B0D流经L2的电流在a点产生的磁感应强度大小为B0【答案】AC【解析】原磁场、电流的磁场方向如图所示，由题意知在b点：B0B0B1B2在a点：B0B0B1B2由上述两式解得B1B0，B2B0.【变式】(2017高考全国卷)如图，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()AL1所受磁场作用力的方向与L2、L3所在平面垂直 BL3所受磁场作用力的方向与L1、L2所在平面垂直CL1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为11DL1、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】由安培定则可判断出L2在L1处产生的磁场(B21)方向垂直L1和L2的连线竖直向上，L3在L1处产生的磁场(B31)方向垂直L1和L3的连线指向右下方，根据磁场叠加原理，L3和L2在L1处产生的合磁场(B合1)方向如图a所示，根据左手定则可判断出L1所受磁场作用力的方向与L2和L3的连线平行，选项A错误；同理，如图b所示，可判断出L3所受磁场(B合3)作用力的方向(竖直向上)与L1、L2所在的平面垂直，选项B正确；同理，L2处的磁场方向如图c所示设一根长直导线在另一根导线处产生的磁场的磁感应强度大小为B，根据几何知识可知，B合1B，B合2B，B合3B，由安培力公式可知，L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小与该处的磁感应强度大小成正比，所以L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为11，选项C正确，D错误【变式2】(2017高考全国卷)如图，在磁感应强度大小为B0的匀强磁场中，两长直导线P和Q垂直于纸面固定放置，两者之间的距离为l.在两导线中均通有方向垂直于纸面向里的电流I时，纸面内与两导线距离均为l的a点处的磁感应强度为零如果让P中的电流反向、其他条件不变，则a点处磁感应强度的大小为()A0 BB0 CB0 D2B0【答案】C【解析】 导线P和Q中电流I均向里时，设其在a点产生的磁感应强度大小BPBQB1，如图所示，则其夹角为60，它们在a点的合磁场的磁感应强度平行于PQ向右、大小为B1.又根据题意Ba0，则B0B1，且B0平行于PQ向左若P中电流反向，则BP反向、大小不变，BQ和BP大小不变，夹角为120，合磁场的磁感应强度大小为 B1B1(方向垂直PQ向上、与B0垂直)，a点合磁场的磁感应强度BB0，则A、B、D项均错误，C项正确【名师点睛】求解有关磁感应强度的三个关键(1)磁感应强度由磁场本身决定(2)合磁感应强度等于各磁场的磁感应强度的矢量和(满足平行四边形定则)(3)牢记判断电流的磁场的方法安培定则，并能熟练应用，建立磁场的立体分布模型热点题型二导体运动趋势的判断判断导体运动趋势常用方法电流元法分割为电流元安培力方向整段导体所受合力方向运动方向特殊位置法在特殊位置安培力方向运动方向等效法环形电流小磁针条形磁铁通电螺线管多个环形电流结论法同向电流互相吸引，异向电流互相排斥；两不平行的直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势转换研究对象法定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动或运动趋势的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向【例2】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【答案】B【解析】法一：电流元分析法把线圈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向上，由左手定则可得，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将顺时针转动法二：等效分析法把线圈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将顺时针转动法三：结论法环形电流I1、I2之间不平行，由于两不平行的电流的相互作用，则两环必有相对转动，直到两环形电流同向平行为止，据此可得，从左向右看，线圈L1将顺时针转动【变式1】(2019唐山模拟) 将长为L的导线弯成六分之一圆弧，固定于垂直纸面向外、大小为B的匀强磁场中，两端点A、C连线竖直，如图所示若给导线通以由A到C、大小为I的恒定电流，则导线所受安培力的大小和方向是()AILB，水平向左BILB，水平向右C，水平向右D，水平向左【答案】D.【解析】弧长为L，圆心角为60，则弦长AC，导线受到的安培力FBIl，由左手定则可知，导线受到的安培力方向水平向左【变式2】如图所示，把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直线圈平面当线圈内通以图中方向的电流后，线圈的运动情况是()A线圈向左运动B线圈向右运动C从上往下看顺时针转动D从上往下看逆时针转动【答案】A【解析】.法一：电流元法首先将圆形线圈分成很多小段，每一段可看做一直线电流元，取其中上、下两小段分析，其截面图和受安培力情况如图甲所示根据对称性可知，线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向左运动只有选项A正确法二：等效法将环形电流等效成小磁针，如图乙所示，根据异名磁极相吸引知，线圈将向左运动，A正确也可将左侧条形磁铁等效成环形电流，根据结论“同向电流相吸引，异向电流相排斥”，也可判断出线圈向左运动热点题型三安培力作用力下的平衡或加速问题1安培力公式FBIL中安培力、磁感应强度和电流两两垂直，且L是通电导线的有效长度2通电导线在磁场中的平衡和加速问题的分析思路(1)选定研究对象；(2)变三维为二维，如侧视图、剖面图或俯视图等，并画出平面受力分析图，其中安培力的方向要注意F安B、F安I，如图所示(3)列平衡方程或牛顿第二定律方程进行求解安培力作用下导体的平衡问题【例4】如图所示，两平行光滑金属导轨MN、PQ间距为l，与电动势为E、内阻不计的电源相连，质量为m、电阻为R的金属棒ab垂直于导轨放置构成闭合回路，回路平面与水平面的夹角为，回路其余电阻不计为使ab棒静止，需在空间施加一匀强磁场，其磁感应强度的最小值及方向分别为()A，水平向右 B.，垂直于回路平面向上C，竖直向下 D.，垂直于回路平面向下【答案】D.【解析】以导体棒为研究对象，受力分析如图所示，由金属棒ab受力分析可知，为使ab棒静止，ab受到沿斜面向上的安培力作用时，安培力最小，此时对应的磁感应强度也就最小，由左手定则可知此时磁场方向垂直于回路平面向下，再由平衡关系可知IlBmgsin ，其中I，可得磁感应强度B，故选项D正确【变式1】如图所示，有两根长为L、质量为m的细导体棒a、b，a被水平放置在倾角为45的光滑斜面上，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.当两细棒中均通以电流为I的同向电流时，a恰能在斜面上保持静止，则下列关于b的电流在a处产生的磁场的磁感应强度的说法正确的是()A方向竖直向上 B大小为C要使a仍能保持静止，而减小b在a处的磁感应强度，可使b上移D若使b下移，a将不能保持静止【答案】ACD【解析】由安培定则可知b的电流在a处产生的磁场的磁感应强度方向应竖直向上，A正确a的受力如图甲所示tan 45，所以B，B错误b无论上移还是下移，b在a处的磁感应强度均减小，若上移，a的受力如图乙所示上移过程中FN逐渐减小，F安先减小后增大，两个力的合力等于mg，可见b适当上移，a仍能保持静止，故C正确若使b下移，导体棒中的安培力减小，根据受力平衡条件，当a受的安培力方向顺时针转动时，只有变大才能保持平衡，故a将不能保持静止，D正确【变式2】如图所示，一劲度系数为k的轻质弹簧，下面挂有匝数为n的矩形线框abcd，bc边长为l，线框的下半部分处在匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向与线框平面垂直(在图中垂直于纸面向里)，线框中通以电流I，方向如图所示，开始时线框处于平衡状态令磁场反向，磁感应强度的大小仍为B，线框达到新的平衡，则在此过程中线框位移的大小x及方向是()Ax，方向向上 Bx，方向向下Cx，方向向上 Dx，方向向下【答案】B【解析】线框在磁场中受重力、安培力、弹簧弹力处于平衡状态，安培力为FAnBIl，且开始时方向向上，改变电流方向后方向向下，大小不变设在磁场反向之前弹簧的伸长为x，则反向之后弹簧的伸长为(xx)，由平衡条件知kxnBIlmg及k(xx)nBIlmg，联立解得x，且线框向下移动，B对安培力作用下导体的加速问题【例5】(2019山西太原模拟)一金属条放置在相距为d的两金属轨道上，如图所示现让金属条以v0的初速度从AA进入水平轨道，再由CC进入半径为r的竖直圆轨道，金属条到达竖直圆轨道最高点的速度大小为v，完成圆周运动后，再回到水平轨道上，整个轨道除圆轨道光滑外，其余均粗糙，运动过程中金属条始终与轨道垂直且接触良好已知由外电路控制流过金属条的电流大小始终为I，方向如图中所示，整个轨道处于水平向右的匀强磁场中，磁感应强度为B，A、C间的距离为L，金属条恰好能完成竖直面内的圆周运动重力加速度为g，则由题中信息可以求出()A金属条的质量 B金属条在磁场中运动时所受的安培力的大小和方向C金属条运动到DD时的瞬时速度 D金属条与水平粗糙轨道间的动摩擦因数【答案】ABD【解析】在圆轨道最高点，由牛顿第二定律，有BIdmgm，所以选项A正确；由题中信息可求出金属条在磁场中运动时所受的安培力的大小和方向，选项B正确；由于不知道CD间距，故不能求出金属条运动到DD时的瞬时速度，所以选项C错误；由动能定理得(mgBId)2r(mgBId)Lmv2mv02，所以选项D正确【变式1】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宽度为0.5 m，匀强磁场方向如图所示，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点当在金属细杆内通以电流强度为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MNOP1 m，则下列说法中正确的是()A金属细杆开始运动时的加速度大小为5 m/s2 B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【答案】D【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BIL0.520.5 N0.5 N，金属细杆开始运动时的加速度大小为a10 m/s2，选项A错误；对金属细杆从M点到P点的运动过程，安培力做功W安F安(MNOP)1 J，重力做功WGmgON0.5 J，由动能定理得W安WGmv2，解得金属细杆运动到P点时的速度大小为v m/s，选项B错误；金属细杆运动到P点时的向心加速度大小为a20 m/s2，选项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FF安，解得F1.5 N，每一条轨道对金属细杆的作用力大小为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，选项D正确【变式2】如图所示，两平行导轨ab、cd竖直放置在匀强磁场中，匀强磁场方向竖直向上，将一根金属棒PQ放在导轨上，使其水平且始终与导轨保持良好接触现在金属棒PQ中通以变化的电流I，同时释放金属棒PQ使其运动已知电流I随时间变化的关系为Ikt(k为常数，k0)，金属棒PQ与导轨间的动摩擦因数一定以竖直向下为正方向，则下面关于金属棒PQ的速度v、加速度a随时间变化的关系图象中，可能正确的是()【答案】B【解析】因为开始时金属棒PQ加速度方向向下，与速度方向相同，做加速运动，加速度逐渐减小，即做加速度逐渐减小的变加速运动，然后加速度方向向上，加速度逐渐增大，做加速度逐渐增大的变减速运动，故A错误，B正确；根据牛顿第二定律得，金属棒PQ的加速度a，FfFNFABILBLkt，联立解得加速度ag，与时间成线性关系，故C错误；t0时刻无电流，无安培力，只有重力，加速度竖直向下，为正值，故D错误【题型演练】1.(2019江西十校模拟)1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应在奥斯特实验中，将直导线沿南北方向水平放置，小指针靠近直导线，下列结论正确的是()A把小磁针放在导线的延长线上，通电后，小磁针会转动B把小磁针平行地放在导线的下方，在导线与小磁针之间放置一块铝板，通电后，小磁针不会转动C把小磁针平行地放在导线的下方，给导线通以恒定电流，然后逐渐增大导线与小磁针之间的距离，小磁针转动的角度(与通电前相比)会逐渐减小D把黄铜针(用黄铜制成的小指针)平行地放在导线的下方，通电后，黄铜针会转动【答案】C.【解析】将小磁针放在导线的延长线上，通电后，小磁针不会转动，A错；把小磁针平行地放在导线的下方，在导线与小磁针之间放置一块铝板，通电后，小磁针仍然会转动，B错；把小磁针放在导线下方，给导线通以恒定电流，导线周围存在磁场，距导线越远，磁场越弱，小磁针转动的角度(与通电前相比)越小，C对；黄铜针没有磁性，不会转动，D错2.(2019南师附中)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.质量为m长为L的金属杆ab垂直导轨放置，整个装置处于垂直ab方向的匀强磁场中当金属杆ab中通有从a到b的恒定电流I时，金属杆ab保持静止则磁感应强度的方向和大小可能为()A竖直向上， B平行导轨向上，C水平向右， D水平向左，【答案】D【解析】金属导轨光滑，所以没有摩擦力，则金属棒只受重力、支持力和安培力，根据平衡条件知三力合力为零当磁感应强度方向竖直向上时，如图所示，安培力水平向右，由几何关系和FBIL得磁感应强度大小为，选项A错误；磁感应强度方向平行导轨向上，安培力垂直于导轨向下，不可能平衡，选项B错误；磁感应强度方向水平向右，安培力竖直向下，不可能平衡，选项C错误；磁感应强度方向水平向左，安培力竖直向上，若平衡，安培力和重力相等，且由FBIL得磁感应强度大小为，选项D正确3.(2019湖南师大附中月考)如图所示，两根平行放置、长度均为L的直导线a和b，放置在与导线所在平面垂直的匀强磁场中当a导线通有电流大小为I、b导线通有电流大小为2I，且电流方向相反时，a导线受到的磁场力大小为F1，b导线受到的磁场力大小为F2，则a通电导线的电流在b导线处产生的磁感应强度大小为()A. B. C. D.【答案】C【解析】a、b导线中电流方向相反，两导线之间的磁场力为斥力，设大小为F，对a有F1FBIL，对b有F2F2BIL，解得F2F1F2，对于导线b，F2F1F2B2IL，解得B，故C正确4(2019河南六市联考)如图所示，PQ和MN为水平平行放置的金属导轨，相距L1 mP、M间接有一个电动势为E6 V、内阻不计的电源和一只滑动变阻器，导体棒ab跨放在导轨上并与导轨接触良好，棒的质量为m0.2 kg，棒的中点用细绳经定滑轮与物体相连，物体的质量M0.4 kg.棒与导轨的动摩擦因数为0.5(设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等，导轨与棒的电阻不计，g取10 m/s2)，匀强磁场的磁感应强度B2 T，方向竖直向下，为了使物体保持静止，滑动变阻器连入电路的阻值不可能的是()A2 B.2.5 C3 D4 【答案】A【解析】对棒受力分析可知，其必受绳的拉力FTMg和安培力F安BIL.若摩擦力向左，且满足mgMg，代入数据解得R14 ；若摩擦力向右，且满足mgMg，代入数据解得R22.4 ，所以R的取值范围为2.4 R4 ，则选A.5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可绕垂直纸面的中心轴O转动，则下列描述正确的是()AL2绕轴O按顺时针转动 BL2绕轴O按逆时针转动CL4绕轴O按顺时针转动 DL4绕轴O按逆时针转动【答案】BC【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按逆时针转动，A错，B对；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按顺时针转动，C对，D错6.(2019广东肇庆模拟)如图甲所示，电流恒定的通电直导线MN，垂直平放在两条相互平行的水平光滑长导轨上，电流方向由M指向N，在两轨间存在着竖直磁场，取垂直纸面向里的方向为磁感应强度的正方向，当t0时导线恰好静止，若B按如图乙所示的余弦规律变化，下列说法正确的是()A在最初的一个周期内，导线在导轨上往复运动 B在最初的一个周期内，导线一直向左运动C在最初的半个周期内，导线的加速度先增大后减小 D在最初的半个周期内，导线的速度先增大后减小【答案】AD【解析】当t0时，由左手定则可知，MN受到向右的作用力，根据F安BLI，由于B最大，故此时的安培力最大，则MN的加速度最大，随着时间的延长，磁场强度B减小，故加速度减小，而MN的速度在增大，当B0时，加速度为0，速度最大，当B反向时，安培力也会反向，则加速度也反向，MN做减速运动，到半个周期时，MN减速到0，此时的加速度反向最大，然后MN再反向运动，到一个周期时MN又回到原出发的位置，故在最初的一个周期内，导线在导轨上往复运动，选项A正确，B错误；在最初的半个周期内，导线的加速度先减小后增大，而其速度则是先增大后减小，故选项C错误，D正确7.(2019汕头模拟)如图是磁电式电流表的结构，蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布，线圈中a、b两条导线长均为l，通以图示方向的电流I，两条导线所在处的磁感应强度大小均为B.则()A该磁场是匀强磁场 B线圈平面总与磁场方向垂直C线圈将顺时针转动 Da、b导线受到的安培力大小总为BIl【答案】CD【解析】.匀强磁场的磁感应强度应大小处处相等，方向处处相同，由图可知，选项A错误；在图示的位置，a受向上的安培力，b受向下的安培力，线圈顺时针转动，选项C正确；易知选项B错误；由于磁感应强度大小不变，电流大小不变，则安培力大小始终为BIl，选项D正确8.如图所示，两根间距为d的平行光滑金属导轨间接有电源E，导轨平面与水平面间的夹角30，金属杆ab垂直导轨放置，导轨与金属杆接触良好整个装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中当磁场方向垂直导轨平面向上时，金属杆ab刚好处于静止状态，要使金属杆能沿导轨向上运动，可以采取的措施是()A增大磁感应强度B B调节滑动变阻器使电流增大C增大导轨平面与水平面间的夹角 D将电源正负极对调使金属杆中的电流方向改变【答案】AB【解析】.对金属杆受力分析，沿导轨方向：mgsin 0，若想让金属杆向上运动，则增大，A、B正确；若增大，则mgsin 增大，C错误；若电流反向，则金属杆受到的安培力反向，D错误9.如图所示，在水平地面上固定一对与水平面倾角为的光滑平行导电轨道，轨道间的距离为l，两轨道底端的连线与轨道垂直，顶端接有电源将一根质量为m的直导体棒ab放在两轨道上，且与两轨道垂直已知通过导体棒的恒定电流大小为I，方向由a到b，重力加速度为g，在轨道所在空间加一竖直向上的匀强磁场，使导体棒在轨道上保持静止(1)求磁场对导体棒的安培力的大小；(2)如果改变导轨所在空间的磁场方向，试确定使导体棒在轨道上保持静止的匀强磁场磁感应强度B的最小值和方向【答案】(1)mgtan (2)垂直轨道平面斜向上【解析】(1)导体棒受力如图所示根据共点力平衡条件可知，磁场对导体棒的安培力的大小F安mgtan .(2)要使磁感应强度最小，则要求安培力最小根据受力情况可知，最小安培力F安minmgsin ，方向平行于轨道斜向上所以最小磁感应强度Bmin根据左手定则可判断出，此时的磁感应强度的方向为垂直轨道平面斜向上10.如图所示，一长为10 cm的金属棒ab用两个完全相同的弹簧水平地悬挂在匀强磁场中；磁场的磁感应强度大小为0.1 T，方向垂直于纸面向里；弹簧上端固定，下端与金属棒绝缘金属棒通过开关与一电动势为12 V的电池相连，电路总电阻为2 .已知开关断开时两弹簧的伸长量均为0.5 cm；闭合开关，系统重新平衡后，两弹簧的伸长量与开关断开时相比均改变了0.3 cm.重力加速度大小取10 m/s2.判断开关闭合后金属棒所受安培力的方向，并求出金属棒的质量【答案】安培力的方向竖直向下，金属棒的质量为0.01 kg【解析】依题意，开关闭合后，电流方向从b到a，由左手定则可知，金属棒所受的安培力方向竖直向下开关断开时，两弹簧各自相对于其原长伸长了l10.5 cm.由胡克定律和力的平衡条件得2kl1mg式中，m为金属棒的质量，k是弹簧的劲度系数，g是重力加速度的大小开关闭合后，金属棒所受安培力的大小为FBIL式中，I是回路电流，L是金属棒的长度两弹簧各自再伸长了l20.3 cm，由胡克定律和力的平衡条件得2k(l1l2)mgF由欧姆定律有EIR式中，E是电池的电动势，R是电路总电阻联立式，并代入题给数据得m0.01 kg.16