高中 | 安培力的常见力学问题 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.4 通电导线在磁场中受到的力

安培力的常见力学问题

将一通电螺线管竖直放置,通以如图所示电流,使得螺线管内部形成竖直方向的匀强磁场,磁感应强度大小$B=kt$$k$为大于$0$的常数)。将一横截面为圆形,直径为$d$的金属丝,弯成半径为$r$的金属圆环($d$远小于$r$)。现将该金属圆环用绝缘细线,水平悬挂在通电螺线管内中央位置。

从上向下看,金属圆环中的感应电流为                 方向;

[["顺时针"]]

根据安培定则可知通电螺线管内部的磁场方向向上,且大小逐渐增大,则穿过金属圆环的磁通量向上逐渐增大,根据楞次定律可知,从上向下看,金属圆环中的感应电流为顺时针方向;

轻绳对金属圆环的拉力$(\qquad)$

["

随时间减小

","

随时间增大

","

不随时间变化

"]
[["C"]]

由于电螺线管内部的磁场方向竖直向上,则金属圆环受到的安培力处于水平方向,竖直方向根据平衡条件可得$3T\cos \theta=mg$

可知轻绳对金属圆环的拉力恒定不变,不随时间变化;

故选:$\rm C$

金属圆环的感应电动势大小$E=$                 

[["$k\\pi r^{2}$"]]

由于螺线管内部形成竖直方向的匀强磁场,磁感应强度大小$B=kt$,根据法拉第电磁感应可知,金属圆环的感应电动势大小为$E=\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}=\dfrac{\Delta B}{\Delta t}S=k\pi r^{2}$

若该金属丝电阻率为$\rho$,则金属圆环的热功率大小$P=$                 

[["$\\dfrac{k^{2}\\pi^{2}r^{3}d^{2}}{8\\rho}$"]]

若该金属丝电阻率为$\rho$,则金属圆环的电阻为$R=\rho\dfrac{2\pi r}{S}=\rho\dfrac{2\pi r}{\pi{\left(\dfrac{d}{2}\right)}^{2}}=\dfrac{8\rho r}{d^{2}}$

则金属圆环的热功率大小为$P=\dfrac{E^{2}}{R}=\dfrac{k^{2}\pi^{2}r^{3}d^{2}}{8\rho}$

如图所示,金属圆环质量为$m$,用三根等长、不可伸长的绝缘细线悬挂在天花板同一点上。三根细线在圆环上等间隔悬挂。已知每条细线的长度均为$l$,且圆环保持水平静止。求每根细线中的拉力。

[["

$\\dfrac{mgl}{3\\sqrt{l^{2}- r^{2}}}$

"]]

设细线与竖直方向的夹角为$\theta$,则有$\cos\theta=\dfrac{\sqrt{l^{2}- r^{2}}}{l}$

竖直方向根据平衡条件可得$3T\cos \theta=mg$

联立解得每根细线中的拉力为$T=\dfrac{mgl}{3\sqrt{l^{2}-r^{2}}}$

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如图,用两根不可伸长的绝缘细绳将半径为的半圆形铜环竖直悬挂在匀强磁场中,磁场的磁感应强度大小为,方向垂直纸面向外,铜环两端、处于同一水平线。若环中通有大小为、方向从到的电流,细绳处于绷直状态,则 福建舰配备了先进的电磁弹射系统。某学习小组在研究电磁弹射时设计了如图甲所示的装置。两根固定于水平面内足够长的光滑平行金属导轨,间距,导轨区域内存在的竖直向下的匀强磁场。用质量,电阻为的均匀金属丝制成一个直径也为的圆环作为电磁弹射车,圆环水平放在两条直导轨上和两导轨保持良好接触。实验时,将质量的绝缘模型飞机(如图乙)锁定在金属圆环上。计时开始,开关掷向,与一恒流源接通,使干路电流恒为。金属环从静止开始推动模型飞机一起做匀加速运动,经过后,模型飞机达到起飞速度并立即与金属环解锁,飞离金属环。忽略导轨的电阻,所有摩擦以及圆环可能的形变。求: 如图所示,上方足够长的水平轨道左端接一电源,电源电动势,内阻,导轨间距。下方两个相同的绝缘圆弧轨道、正对上方轨道放置,间距也为,半径、圆心角,并与下方足够长水平轨道相切于、两点。已知上方水平轨道区域内存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度。导轨上放置一质量,电阻的金属棒。闭合开关后,金属棒能以最大速度从上方轨道水平抛出,恰能从处沿切线进入圆弧轨道。不计导轨电阻,所有轨道光滑,重力加速度取。 如图所示,导体棒、分别静置于水平固定的平行窄导轨和宽导轨上,导轨间距分别为、,导轨电阻不计,所在区域存在方向竖直向下、磁感应强度大小为的匀强磁场,、棒的质量分别为、,两导体棒总电阻为,棒与导轨间无摩擦,棒与导轨间的动摩擦因数。时刻,给导体棒一个大小为,方向水平向右的恒力作用,时棒刚要滑动,再过一段时间后回路中电流大小为且保持恒定。已知棒距宽导轨足够远,棒所在导轨足够长,导体棒始终垂直于导轨且与导轨接触良好,重力加速度大小取,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,求: 如图所示,两平行金属导轨间距为,下端连接阻值为的定值电阻,两导轨形成的斜面倾角,两导轨之间有一长度为的匀强磁场区域,磁感应强度的大小为(为大于的常数),方向垂直于斜面向上,图中两条虚线为磁场的边界。现将质量、电阻、长度为的金属棒由静止放置在导轨上,金属棒与导轨间的动摩擦因数,金属棒初位置与磁场边界的距离为。在时刻释放金属棒,它沿导轨匀加速下滑,当它进入磁场的瞬间,磁场开始保持不变,金属棒恰好能匀速下滑,已知重力加速度取,。求: 如图所示,光滑平行导轨与水平面成角置于匀强磁场中,下方磁感应强度大小为,方向垂直斜面向上,导轨间距为;上方磁感应强度大小为,方向垂直斜面向下,导轨间距为,导轨足够长且电阻不计。质量均为的导体棒和垂直于导轨放置。棒接入电路的电阻为,棒接入电路的电阻为,两棒始终在对应的导轨部分运动。为使棒沿斜面向下以速度(未知)匀速运动时,棒恰好静止,重力加速度为,计算的大小。
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