高考研究 - 安培力作用下导体的平衡、运动和功能问题
高二物理电学专题提升专题25安培力作用下的平衡问题
专题25 安培力作用下的平衡问题一：专题概述安培力作用下导体的平衡通电导体棒在磁场中的平衡问题是一种常见的力学综合模型，该模型一般由倾斜导轨、导体棒、电源和电阻等组成。
这类题目的难点是题图具有立体性，各力的方向不易确定。
因此解题时一定要先把立体图转化成平面图，通过受力分析建立各力的平衡关系，如图所示。
二：典例精讲典例1：如图所示，金属棒MN两端由等长的轻质细线水平悬挂，处于竖直向上的匀强磁场中，棒中通以由M向N的电流，平衡时两悬线与竖直方向夹角均为θ.如果仅改变下列某一个条件，θ角的相应变化情况是( )．A．棒中的电流变大，θ角变大B．两悬线等长变短，θ角变小C．金属棒质量变大，θ角变大D．磁感应强度变大，θ角变小【答案】A【解析】选金属棒MN为研究对象，其受力情况如图所示．根据平衡条件及三角形知识可得tan θ＝BIlmg，所以当棒中的电流I 、磁感应强度B 变大时，θ角变大，选项A 正确，选项D 错误；当金属棒质量m 变大时，θ角变小，选项C 错误；θ角的大小与悬线长无关，选项B 错误．典例2：如图所示，PQ 和MN 为水平平行放置的金属导轨，相距L ＝1 m ．PM 间接有一个电动势E ＝6 V ，内阻r ＝1 Ω的电源和一只滑动变阻器，导体棒ab 跨放在导轨上，棒的质量为m ＝0.2 kg ，棒的中点用细绳经定滑轮与物体相连，物体的质量M ＝0.3 kg.棒与导轨的动摩擦因数为μ＝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/s 2)，匀强磁场的磁感应强度B ＝2 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是( )．A ．2 ΩB ．4 ΩC ．5 ΩD ．6 Ω 【答案】D典例3：小明在研究性学习中设计了一种可测量磁感应强度的实验，其装置如图所示．在该实验中，磁铁固定在水平放置的电子测力计上，此时电子测力计的读数为G 1，磁铁两极之间的磁场可视为水平匀强磁场，其余区域磁场不计．直铜条AB 的两端通过导线与一电阻连接成闭合回路，总阻值为R .若让铜条水平且垂直于磁场，以恒定的速率v 在磁场中竖直向下运动，这时电子测力计的读数为G 2，铜条在磁场中的长度为L .(1)判断铜条所受安培力的方向，G 1和G 2哪个大．(2)求铜条匀速运动时所受安培力的大小和磁感应强度的大小． 【答案】(1)安培力方向竖直向上 G 2>G 1；(2)F 安＝G 2－G 1，B ＝1LG 2－G 1Rv(2)对铜条组成的回路：E ＝BLv ＝IR ④ 铜条受到的安培力F 安＝BIL ⑤ 由①②③可得F 安＝G 2－G 1⑥ 由④⑤⑥得：磁感应强度大小B ＝1LG 2－G 1Rv三 总结提升1．求解安培力作用下导体棒平衡问题的基本思路2．求解关键 (1)电磁问题力学化． (2)立体图形平面化． 四 提升专练1.(多选) 如图所示，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，方向垂直纸面向里．过c 点的导线所受安培力的方向是( )．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【答案】C2．一段长0.2 m、通有2.5 A电流的直导线，在磁感应强度为B的匀强磁场中所受安培力F的情况，正确的是( )．A．如果B＝2 T，F一定是1 NB．如果F＝0，B也一定为零C．如果B＝4 T，F有可能是1 ND．如果F有最大值，通电导线一定与B平行【答案】C【解析】如果B＝2 T，当导线与磁场方向垂直放置时，安培力最大，大小为F＝BIL＝2×2.5×0.2 N＝1 N；当导线与磁场方向平行放置时，安培力F＝0；当导线与磁场方向成任意夹角放置时，0<F<1 N，故选项A、B和D均错误；将L＝0.2 m、I＝2.5 A、B＝4 T、F＝1 N代入F＝BIL sin θ，解得θ＝30°，故选项C正确．3.(多选)如图所示，条形磁铁平放于水平桌面上，在它的正中央上方固定一根直导线，导线与磁场垂直，现给导线中通以垂直于纸面向外的电流，则下列说法正确的是( )．A．磁铁对桌面的压力减小B．磁铁对桌面的压力增大C．磁铁对桌面的压力不变D．以上说法都不对【答案】A4.(多选) 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强度为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 ．方向向上B ．大小为2mg 2LIC ．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 仍将保持静止 【答案】AC【解析】要使a 恰能在斜面上保持静止，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向上，A 正确．a 的受力如图甲所示．tan 45°＝F 安mg ＝BIL mg ，所以B ＝mgIL，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F N 逐渐减小，F 安先减小后增大，两个力的合力等于mg ，此时a 仍能保持静止，故C 正确．若使b 下移，同理可分析a 将不能保持静止，D 错误．5.如图所示，两平行光滑金属导轨固定在绝缘斜面上，导轨间距为L ，劲度系数为k 的轻质弹簧上端固定，下端与水平直导体棒ab 相连，弹簧与导轨平面平行并与ab 垂直，直导体棒垂直跨接在两导轨上，空间存在垂直导轨平面斜向上的匀强磁场．闭合开关K 后，导体棒中的电流为I ，导体棒平衡时，弹簧伸长量为x 1；调转图中电源极性使棒中电流反向，导体棒中电流仍为I ，导体棒平衡时弹簧伸长量为x 2.忽略回路中电流产生的磁场，则磁感应强度B 的大小为( )．A.kIL(x1＋x2) B.kIL(x2－x1)C.k2IL(x2＋x1) D.k2IL(x2－x1)【答案】D6.如图甲所示，a、b两平行直导线中通有相同的电流，当两通电导线垂直圆平面放置于圆周上，且两导线与圆心连线的夹角为60°时，圆心处的磁感应强度大小为B。
安培力作用下的平衡问题
安培力作用下的平衡问题在物理学中，安培力是指电流元素之间相互作用的力。
在特定情况下，通过对这种力的分析可以解决一些与平衡有关的问题。
本文将探讨在安培力作用下的平衡问题，并给出相应的解决方法。
一、安培力的定义与计算公式安培力是通过电流元素间的相互作用而产生的力。
根据安培定律，两段电流元素之间的作用力与它们之间的距离和大小有关。
设两个电流元素分别为I1和I2，它们之间的距离为r。
根据安培定律，两者之间的作用力F可以通过以下公式计算：F = k * (I1 * I2) / r^2其中，k为比例常数，其取值为10^-7 N·m/A^2。
二、安培力与平衡问题在物体处于平衡状态时，其所受的合力为零。
对于安培力作用下的平衡问题，我们需要考虑电流元素之间的相互作用力，以及其他可能存在的力。
在考虑平衡问题时，我们可以利用以下步骤进行分析：1. 确定电流元素的分布：首先，需要确定电流元素的位置和方向。
这有助于我们准确计算安培力的大小和方向。
2. 计算安培力的合力：根据上文提到的安培力计算公式，计算出各个电流元素之间的相互作用力。
考虑电流元素的数量和位置，将所有的安培力相加，得到合力的大小和方向。
3. 考虑其他可能的力：除了安培力，还可能存在其他力对物体产生影响。
比如，重力、弹性力、静电力等。
需要将这些力考虑在内，计算出它们的合力。
4. 求解平衡条件：将上述得到的力合成为一个合力，判断合力是否为零。
如果结果为零，则物体处于平衡状态。
三、案例分析为了更好地理解在安培力作用下的平衡问题，我们来看一个简单的案例。
假设有一条笔直的导线AB，其长度为L，电流为I。
在导线上距离A点x处有一电流元素I1，距离B点L-x处有一电流元素I2。
现在我们要求在什么条件下，这条导线处于平衡状态。
首先，确定电流元素的方向。
假设电流从A点流向B点，则电流元素I1的方向为A到x的方向，电流元素I2的方向为x到B的方向。
其次，计算安培力的合力。
9.2安培力作用下导体的运动
9.2安培力作用下导体的平衡、运动和功能问题考点一: 安培力作用下物体的平衡1.(多选)如图，在匀强磁场B的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，当通以垂直纸面向里的电流I后，导线恰能保持静止，则磁感应强度B必须满足()【B的最小值和方向】A．B＝mgsin θIL，方向垂直纸面向外B．B＝mgcos θIL，方向水平向左C．B＝mgtan θIL，方向竖直向下D．B＝mgIL，方向水平向左2.如图所示，金属棒MN两端由等长的轻质细线水平悬挂，处于竖直向上的匀强磁场中，棒中通以由M向N 的电流，平衡时两悬线与竖直方向夹角均为θ，如果仅改变下列某一个条件，θ角的相应变化情况是() A．棒中的电流变大，θ角变大B．两悬线等长变短，θ角变小C．金属棒质量变大，θ角变大D．磁感应强度变大，θ角变小3.(多选)如图所示，一根长为L的直导体棒中通以大小为I的电流，静止放在导轨上，垂直于导体棒的匀强磁场的磁感应强度为B，B的方向与竖直方向成θ角。
下列说法中正确的是()A．导体棒受到磁场力大小为BLI sin θB．导体棒对导轨压力大小为mg－BIL sin θC．导体棒受到导轨摩擦力为μ(mg－BIL sin θ)D．导体棒受到导轨摩擦力为BLI cos θ4．如图所示，一质量为m的导体棒MN两端分别放在两个固定的光滑圆形导轨上，两导轨平行且间距为L，导轨处在竖直方向的匀强磁场中，当导体棒中通一自右向左的电流I时，导体棒静止在与竖直方向成37°角的导轨上，取sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，求：(1)磁场的磁感应强度B；(2)每个圆导轨对导体棒的支持力大小F N.5.(多选)位于同一水平面上的两根平行导轨，放置在斜向左上方、与水平面成60°角且范围足够大的匀强磁场中，剖面图如图所示，一根通有方向如图所示的恒定电流的金属棒正在导轨上向右做匀速运动，在匀强磁场沿顺时针缓慢转过30°的过程中，金属棒始终保持匀速运动，则磁感应强度B的大小变化可能是() A．始终变大B．始终变小C．先变大后变小D．先变小后变大考点二: 安培力作用下物体的临界问题6.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6×10－2 kg的通电直导线，电流I＝1 A，方向垂直于纸面向外，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。
安培力作用下物体的运动平衡问题 上学期高考物理期中复习 word版含解析
10月24日 安培力作用下物体的运动、平衡问题高考频度：★★★☆☆难易程度：★★★☆☆如图所示，一水平导轨处于与水平方向成45°角斜向左上方的匀强磁场中，一根通有恒定电流的金属棒，由于受到安培力作用而在粗糙的导轨上向右做匀速运动。
现将磁场方向沿顺时针缓慢转动至竖直向上，在此过程中，金属棒始终保持匀速运动，已知棒与导轨间动摩擦因数μ<1，则磁感应强度B 的大小变化情况是A ．不变B ．一直减小C ．一直增大D ．先变小后变大【参考答案】D【试题解析】分析金属棒的受力如图所示。
由平衡条件有BIL sin θ=F f ，F f =μF N =μ(mg +BIL cos θ)，可解得B =()sin cos mg IL μθμθ=-φ=arctan μ，因为θ从45°变化到90°。
所以当θ+φ=90°时，B 最小，此过程中B 应先减小后增大，D正确。
【知识补给】准确理解安培力（1）安培力F =BIL sin θ，其大小取决于磁感应强度、电流强度、导体长度及磁场方向与直导体之间的夹角，此公式一般只适用于匀强磁场。
（2）安培力的方向用左手定则判定。
通电导线在磁场中的运动状态的判定方法要判定通电导线在安培力作用下的运动状态，首先必须清楚导线所在位置的磁场分布情况，然后才能结合左手定则判定导线的受力情况，进而确定导线的运动方向。
对于放在匀强磁场中的通电线圈，下列说法中正确的是A．线圈平面平行于磁感线时，所受合力为零，合力矩最大B．线圈平面平行于磁感线时，所受合力最大，合力矩为零C．线圈平面垂直磁感线时，所受合力为零，合力矩为零D．线圈平面垂直磁感线时，所受合力为零，合力矩最大如图所示，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端接在电源负极如图所示，条形磁铁放在光滑斜面上，用平行于斜面的轻弹簧拉住而平衡，A为水平放置的直导线的截面。
安培力作用下导体的平衡问题
第 1 页 共 1 页 安培力作用下导体的平衡问题
安培力作用下导体的平衡问题的解题方法
(1)根据导体中的电流方向与磁场方向，利用左手定则先判断出安培力的方向，然后对导体进行受力分析，再结合力的平衡条件进行求解；
(2)事先不能够判断出安培力的方向时需要对导体进行受力分析，然后结合力的平衡条件确定安培力的方向和大小，此类试题一般是包括安培力在内的三力动态平衡问题，解决的办法通常是“闭合矢量三角形法”或“相似三角形法”．
例1 如图1所示，金属棒MN 两端由等长的轻质细线水平悬挂，处于竖直向上的匀强磁场中，棒中通以由M 向N 的电流，平衡时两悬线与竖直方向的夹角均为θ.如果仅改变下列某一个条件，θ角的相应变化情况是( )
图1
A ．棒中的电流变大，θ角变大
B ．两悬线等长变短，θ角变小
C ．金属棒质量变大，θ角变大
D ．磁感应强度变大，θ角变小
①竖直向上的匀强磁场；②平衡时．
答案 A
解析 金属棒受到水平的安培力而使悬线偏转，悬线与竖直方向形成夹角，
受力分析如图所示，根据平衡条件有tan θ
＝F 安mg ＝BIL mg
，由该式知，金属棒中的电流变大，θ角变大，选项A 正确；两悬线变短，不影响平衡状态，θ角不变，选项B 错误；金属棒质量变大，θ角变小，选项C 错误；磁感应强度变大，θ角变大，选项D 错误．。
物理重点突破第24讲 安培力作用下导体的平衡和运动分析
第24讲安培力作用下导体的平衡和运动分析【方法指导】1.安培力作用下通电导体运动方向的判断方法：（1）电流元分析法：把整段电流分成很多小电流元．先用左手定则判断出每小段电流元受到的安培力的方向，再判断整段电流所受安培力的方向，从而确定导体的运动方向．（2）等效分析法：环形电流可等效为条形磁铁，条形磁铁也可等效为环形电流，通电螺线管可等效为多个环形电流或条形磁铁．（3）特殊位置分析法：根据通电导体在特殊位置所受安培力的方向，判断其运动方向，然后推广到一般位置．（4）转换研究对象法：电流之间、电流与磁体之间的相互作用满足牛顿第三定律，分析磁体在电流磁场作用下运动的问题，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作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向．（5）利用结论法：①两电流相互平行时无转动趋势，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥；②两电流不平行时，有转动到相互平行且电流方向相同的趋势．2. 求解通电导体在磁场中的力学问题的方法（1）明确研究对象；（2）变三维为二维，画出平面受力分析图，判断安培力的方向时切忌跟着感觉走，一定要用左手定则来判断，注意F安⊥B、F安⊥I；（3）根据力的平衡条件、牛顿第二定律列方程进行求解．注意：安培力大小与导线放置的角度有关，但一般情况下只要求导线与磁场垂直的情况，其中L为导线垂直于磁场方向的长度为有效长度．【对点题组】1．如图所示条形磁铁放在水平面上，在它的上方偏右处有一根固定的垂直纸面的直导线，当直导线中通以图示方向的电流时，磁铁仍保持静止．下列结论正确的是()A．磁铁对水平面的压力减小B．磁铁对水平面的压力增大C．磁铁对水平面施加向左的静摩擦力D．磁铁所受的合外力增加2．如图所示，两条导线相互垂直，但相隔一段距离．其中AB固定，CD能自由活动，当直线电流按图示方向通入两条导线时，导线CD将(从纸外向纸里看) ()A ．顺时针方向转动同时靠近导线AB B ．逆时针方向转动同时离开导线ABC ．顺时针方向转动同时离开导线ABD ．逆时针方向转动同时靠近导线AB3．如图所示，用两根轻细悬线将质量为m 、长为l 的金属棒ab 悬挂在c 、d 两处，置于匀强磁场内．当棒中通以从a 到b 的电流I 后，两悬线偏离竖直方向θ角而处于平衡状态．为了使棒平衡在该位置上，所需的磁场的最小磁感应强度的大小、方向为( )A.mgIl tan θ，竖直向上 B.mgIl tan θ，竖直向下 C.mgIl sin θ，平行悬线向下 D.mgIlsin θ，平行悬线向上 4．如图所示，质量m ＝0.1 kg 的导体棒静止于倾角为30°的斜面上，导体棒长度L ＝0.5 m ．通入垂直纸面向里的电流，电流大小I ＝2 A ，整个装置处于磁感应强度B ＝0.5 T ，方向竖直向上的匀强磁场中．求：(取g ＝10 m/s 2)(1)导体棒所受安培力的大小和方向； (2)导体棒所受静摩擦力的大小和方向．【高考题组】5.（2012·海南）图中装置可演示磁场对通电导线的作用.电磁铁上下两磁极之间某一水平面内固定两条平行金属导轨，L 是置于导轨上并与导轨垂直的金属杆.当电磁铁线圈两端a 、b ，导轨两端e 、f ，分别接到两个不同的直流电源上时，L 便在导轨上滑动.下列说法正确的是( )A．若a接正极，b接负极，e接正极，f接负极，则L向右滑动B．若a接正极，b接负极，e接负极，f接正极，则L向右滑动C．若a接负极，b接正极，e接正极，f接负极，则L向左滑动D．若a接负极，b接正极，e接负极，f接正极，则L向左滑动6．(2014·浙江)如图甲所示，两根光滑平行导轨水平放置，间距为L，其间有竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为B.垂直于导轨水平对称放置一根均匀金属棒．从t＝0时刻起，棒上有如图乙所示的持续交变电流I，周期为T，最大值为I m，图甲中I所示方向为电流正方向．则金属棒()A．一直向右移动B．速度随时间周期性变化C．受到的安培力随时间周期性变化D．受到的安培力在一个周期内做正功7.（2011·课标全国）电磁轨道炮工作原理如图所示。
高中物理热点：安培力作用下导体的平衡
2.[导体棒在安培力作用下的平衡]（2015·全国卷Ⅰ，24）如图12，一长为
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 Ω。已
目录页
Contents Page
热点突破： 安培力作用下导体的平衡
1.热点透析 2.典例剖析 3.规律方法 4.备选训练
基础课
1.热点透析
通电导体棒在磁场中的平衡问题是一种常见的力学综合模型，该模型一 般由倾斜导轨、导体棒、电源和电阻等组成。这类题目的难点是题图具 有立体性，各力的方向不易确定。
通电导线在磁场中平衡问题的分析思路 (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. (3)列平衡方程.
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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。
转到解析
4.备选训练
【备选训练】 如图所示,光滑的平行导轨与电源连接后,与水平方向成θ 角 倾斜放置,导轨上放一个质量为m的金属导体棒．当S闭合后,在棒所在区域 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( ).
置，当金属杆ab中通有从a到b的恒定电流I时，金属杆ab刚好静止. 则( )
A. 磁场方向竖直向上 B. 磁场方向竖直向下
第一章安培力与洛伦兹力专题：安培力作用下的运动和平衡、加速问题+课件-2024-2025学年
电流，反过来等效也成立
3. 如图所示，一重为G1的通电圆环置于水平桌面上，圆环中电流方向 为顺时针方向(从上往下看)，在圆环的正上方用轻绳悬挂一条形磁铁，
磁铁的中心轴线通过圆环中心，磁铁的上端为N极，下端为S极，磁铁
自身的重力为G2。则关于圆环对桌面的压力FN磁铁对轻绳的拉力F的大 小，下列关系中正确的是( )
(2)5 N 与导轨平面成37°角且 垂直于ab斜向左上方 (3)0.5 N≤G≤7.5 N
二.安培力作用下通电导体的运动
1.电流元+特殊位置法
关键:判安培力方向
1.一直导线平行于通电螺线管的轴线放置在螺线管的上方，如图1所示，如 果直导线可以自由地运动且通以方向为由a到b的电流，则导线ab受磁场力方 向后的运动情况为( ) A.从上向下看顺时针转动并靠近螺线管 B.从上向下看顺时针转动并远离螺线管 C.从上向下看逆时针转动并远离螺线管 D.从上向下看逆时针转动并靠近螺线管
2.如图所示，两根相同的竖直悬挂的弹簧上端固定，下端连接一质量为 40 g的金属导体棒，部分导体棒处于边界宽度为d＝10cm的有界匀强磁场 中，磁场方向垂直于纸面向里。导体棒通入4 A的电流后静止时，弹簧伸 长量是未通电时的1.5倍。若弹簧始终处于弹性限度内，导体棒一直保持 水平，则磁感应强度B的大小为(取重力加速度g＝10 m/s2)( ) A.0.25 T B.0.5 T C.0.75 T D.0.83 T
方向？
6.如图所示，水平导轨间距为L＝0.5 m，导轨电阻忽略不计；导体棒ab 的质量m＝1 kg，电阻R0＝0.9 Ω，与导轨接触良好；电源电动势E＝ 10 V，内阻r＝0.1 Ω，定值电阻R＝4 Ω；匀强磁场的磁感应强度B＝5 T，方向垂直于ab，且与导轨平面成α＝53°角；ab与导轨间的动摩擦因 数为μ＝0.5(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，定滑轮摩擦不计，ab与 重物由绕过定滑轮的细线相连，线对ab的拉力沿水平方向，重力加速度 g＝10 m/s2，ab处于静止状态。已知sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6。 求： (1)通过ab的电流大小和方向； 2 A (2)ab受到的安培力的大小和方向； (3)重物重力大小G的取值范围。
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0.5(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，定滑轮摩擦不计，线对
ab 的拉力为水平方向，重力加速度 g＝10 m/s2，ab 处于静止状
态。已知 sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6。求：
(1)通过 ab 的电流大小和方向； (2)ab 受到的安培力大小； (3)重物重力 G 的取值范围。 [解析] (1)I＝R＋ER0＋r＝2 A 方向为 a 到 b。 (2)F＝BIL＝5 N。 (3)受力如图所示，fm＝μ(mg－Fcos 53°)＝3.5 N。 当最大静摩擦力方向向右时 FT＝Fsin 53°－fm＝0.5 N 当最大静摩擦力方向向左时 FT＝Fsin 53°＋fm＝7.5 N 所以 0.5 N≤G≤7.5 N。 [答案] (1)2 A a 到 b (2)5 N (3)0.5 N≤G≤7.5 N
④
式中，E 是电池的电动势，R 是电路总电阻。
联立①②③④式，并代入题给数据得
m＝0.01 kg。
⑤
答案：安培力的方向竖直向下，金属棒的质量为 0.01 kg
[例 2] (多选)(2014·浙江高考)如图 3 甲所示，两根光滑平 行导轨水平放置，间距为 L，其间有竖直向下的匀强磁场，磁感 应强度为 B。垂直于导轨水平对称放置一根均匀金属棒。从 t＝ 0 时刻起，棒上有如图乙所示的持续交变电流 I，周期为 T，最 大值为 Im，图甲中 I 所示方向为电流正方向。则金属棒( )
方 法 突 破
力，需特别注意其方向，F⊥B且F⊥I。 1．安培力作用下物体的平衡问题，解题步骤一般是： (1)先进行受力分析，画出受力示意图。 (2)根据共点力平衡的条件列出平衡方程进行求解。其中重要的是 在受力分析过程中不要漏掉了安培力。
2．安培力作用下的加速问题与动力学问题一样，关键是做好受力
分析，然后根据牛顿第二定律求出加速度，最后利用运动学公式
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
图2
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 Ω。已知开关断开时两弹簧的伸长量为 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
高 考 研 究 (一)
题型1 安培力作用下物体的 平衡、加速问题
题型2 安培力作用下物体 的临界问题
题型3 安培力作用下的功 和能问题
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高考研究(一) 安培力作用下导体的平衡、运 动和功能问题
安培力是指磁场对电流的作用力，在实际中有广泛应用 (电动机、电流表等)。安培力的方向可由左手定则判断，其 大小计算在高考中只要求 I⊥B 与 I∥B 两种情景。关于安 培力，主要涉及通电导体在磁场中的平衡、转动、加速、临 界及做功问题。
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。
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 Δl1＝0.5 cm。由 胡克定律和力的平衡条件得
平光滑绝缘圆柱上，且能够自由移动。若两
图4
线圈通以大小相等的同向电流，则它们的运动情况是( )
A．都绕圆柱转动
B．以大小不等的加速度相向运动
C．以大小相等的加速度相向运动
D．以大小相等的加速度相背运动
解析：同向环形电流间相互吸引，根据牛顿第三定律知两 线圈间的相互作用力大小相等，又因为两线圈质量相等， 所以将以大小相等的加速度相向运动。 答案：C
安培力作用下物体的平衡、加速问题
题型 在安培力作用下导体处于平衡状态，可根据共点力的平衡条件处 简述 理；如果导体处于加速状态，可根据牛顿第二定律处理。
安培力作用下物体的平衡和加速问题的分析方法：
分析有安培力参与的物体平衡和加速问题，应用的主要规律是平
衡条件和牛顿第二定律，只是在对物体受力分析时多了一个安培
求解。
[例 1] 如图 1 所示，水平导轨间距为
L＝0.5 m，导轨电阻忽略不计；导体棒 ab
的质量 m＝1 kg，电阻 R0＝0.9 Ω，与导
图1
轨接触良好；电源电动势 E＝10 V，内阻 r＝0.1 Ω，电阻 R＝
4 Ω；外加匀强磁场的磁感应强度 B＝5 T，方向垂直于 ab，与
导轨平面成夹角 α＝53°；ab 与导轨间的动摩擦因数为 μ＝
2kΔl1＝mg
①
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
F＝IBL
②
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
Δl2＝0.3 cm，由胡克定律和力的平衡条件得
2k(Δl1＋Δl2)＝mg＋F
③
由欧姆定律有
E＝IR
图3
A．一直向右移动
B．速度随时间周期性变化
C．受到的安培力随时间周期性变化
D．受到的安培力在一个周期内做正功 [解析] 由左手定则可知，金属棒一开始向右做匀加速运
动，当电流反向以后，金属棒开始做匀减速运上述运动，所以选项 A、B 正确；安培
力 F＝BIL，由图像可知前半个周期安培力水平向右，后半个周
期安培力水平向左，不断重复，选项 C 正确；一个周期内，金
属棒初、末速度相同，由动能定理可知安培力在一个周期内不
做功，选项 D 错误。
[答案] ABC
[规律总结] 本题考查了安培力作用下导体的加速问 题，电流的周期性决定了安培力的周期性，从而决定了金属 棒运动的周期性。
[跟进训练]
2.如图 4 所示，两个完全相同的线圈套在一水
可编辑
安培力作用下物体的临界问题
题 安培力的大小由B、I、L共同决定，当相关因素发 生变化时会引起安培力的变化，安培力的变化又导
[规律总结] 本题考查通电导体棒在安培力作用下的 平衡问题，解决此类问题，首先将此立体图转化为平面图 (剖面图)，导体棒用圆代替，电流方向用“×”与“·”表 示，然后画出磁场方向，分析导体棒的受力，画出导体棒 受力的平面图，列方程求解，静摩擦力的双向性是本题重 要隐含条件。
[跟进训练]
1. (2015·全国卷Ⅰ)如图 2，一长为 10 cm 的金属