专题105与安培力相关实验（原卷版+解析版）-2023届高考物理一轮复习知识点精讲与最新高考题模拟题同步训练

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第十七章  电学创新实验

专题105  与安培力相关实验

第一部分  知识点精讲

与安培力相关实验，重点考查电路设计、连接电路、安培力、平衡条件及其相关的知识点。

第二部分 最新高考题精选

1、（2016全国理综III丙卷）某同学用图中所给器材进行与安培力有关的实验。两根金属导轨ab和固定在同一水平面内且相互平行，足够大的电磁铁（未画出）的N极位于两导轨的正上方，S极位于两导轨的正下方，一金属棒置于导轨上且与两导轨垂直。

（1）在图中画出连线，完成实验电路。要求滑动变阻器以限流方式接入电路，且在开关闭合后，金属棒沿箭头所示的方向移动。

（2）为使金属棒在离开导轨时具有更大的速度，有人提出以下建议：

A.适当增加两导轨间的距离

B.换一根更长的金属棒

C.适当增大金属棒中的电流

其中正确的是（填入正确选项前的标号）

2.（10分）

（2012·新课标理综）图中虚线框内存在一沿水平方向、且与纸面垂直的匀强磁场。现通过测量通电导线在磁场中所受的安培力，来测量磁场的磁感应强度大小、并判定其方向。所用部分器材已在图中给出，其中D为位于纸面内的U形金属框，其底边水平，两侧边竖直且等长；E为直流电源；R为电阻箱；为电流表；S为开关。此外还有细沙、天平、米尺和若干轻质导线。[来（1）在图中画线连接成实验电路图。

（2）完成下列主要实验步骤中的填空。

①按图接线。

②保持开关S断开，在托盘内加入适量细沙，使D处于平衡状态；然后用天平称出细沙质量m1。

③闭合开关S，调节R的值使电流大小适当，在托盘内重新加入适量细沙，使D________；然后读出___________________，并用天平称出____________。

④用米尺测量_______________。

（3）用测量的物理量和重力加速度g表示磁感应强度的大小，可以得出B=_________。

（4）判定磁感应强度方向的方法是：若____________，磁感应强度方向垂直纸面向外；反之，磁感应强度方向垂直纸面向里。

3：(2009·四川理综)在弹性限度内，弹簧弹力的大小与弹簧伸长(或缩短)的长度的比值，叫做弹簧的劲度系数。为了测量一轻弹簧的劲度系数，某同学进行了如下实验设计：如图所示，将两平行金属导轨水平固定在竖直向下的匀强磁场中，金属杆ab与导轨接触良好，水平放置的轻弹簧一端固定于O点，另一端与金属杆连接并保持绝缘。在金属杆滑动的过程中，弹簧与金属杆、金属杆与导轨均保持垂直，弹簧的形变始终在弹性限度内，通过减小金属杆与导轨之间的摩擦和在弹的形变较大时读数等方法，使摩擦对实验结果的影响可忽略不计。

请你按要求帮助该同学解决实验所涉及的两个问题。

①帮助该同学完成实验设计。请你用低压直流电源（）、滑动变阻器()、电流表（）、开关（）设计一电路图，画在图中虚线框内，并正确连在导轨的C、D两端。

②若已知导轨间的距离为d,匀强磁场的磁感应强度为B,正确连接电路后，闭合开关，使金属杆随挡板缓慢移动，当移开挡板且金属杆静止时，测出通过金属杆的电流为I1,记下金属杆的位置，断开开关，测出弹簧对应的长度为x1；改变滑动变阻器的阻值，再次让金属杆静止时，测出通过金属杆的电流为I2,弹簧对应的长度为x2,则弹簧的劲度系数k=__________.

第三部分 最新模拟题精选

1. （2022山东济南高二质检）如图所示为“探究磁场对通电导线的作用”的部分实验装置，通电导线与磁场方向垂直。请根据下面的实验操作按要求填空。

（1）在探究安培力F与电流I的对应关系时，保持磁场及线框不变，只改变电流的大小，记录电流表的读数I1，I2，I3，…，测出对应的安培力F1，F2，F3，…，通过实验可发现，磁场对通电导线作用力的大小与电流大小成正比，实验中所采用的实验方法是_______（选填 “等效替代法”、“控制变量法”或“理想模型法”）。

（2）如图所示分别接通“1、4”和“2、3”，发现导线偏转的角度不同，说明导线受到的力的大小与________有关。

（3）只上下交换磁极的位置以改变磁场方向，导线受力的方向 _______（选填“改变”或“不改变”）。

（4）只改变导线中电流的方向，导线受力的方向 ________（选填“改变”或“不改变”）。

2.（２０２２黑龙江重点高中质检）.(4分)如图13所示是“探究影响通电导线受力的因素”的实验装置图,三块相同的蹄形磁铁并列放置,可以认为磁极间的磁场是均匀的.实验时,先保持导体棒通电部分的长度不变,改变电流的大小;然后保持电流的大小不变,改变导体棒通电部分的长度.每次实验中导体棒在磁场内同一位置平衡时,悬线与竖直方向的夹角记为θ.

(1)下列说法正确的是　　　　(不定项选择，填选项前的字母). 

A.该实验探究了导体棒通电部分长度和电流大小对安培力的影响

B.该实验探究了磁感应强度大小以及通电导体棒长度对安培力的影响

C.如果想增大θ,可以把磁铁的N极和S极对调

D.如果想减小θ,可以把接入电路的导体棒从①、④两端换成②、③两端

(2)若当电流为I且接通②、③时,导体棒受到的安培力为F,则当电流减半且接通①、④时,导体棒的安培力为　　　　. 

3． （8分）（2020山东三校联考）霍尔元件可以用来检测磁场及其变化．图甲为使用霍尔元件测量通电直导线产生磁场的装置示意图．由于磁芯的作用，霍尔元件所处区域磁场可看做匀强磁场．测量原理如乙图所示，直导线通有垂直纸面向里的电流，霍尔元件前、后、左、右表面有四个接线柱，通过四个接线柱可以把霍尔元件接入电路．所用器材已在图中给出，部分电路已经连接好．为测量霍尔元件所处区域的磁感应强度B；

（1）制造霍尔元件的半导体参与导电的自由电荷带负电，电流从乙图中霍尔元件左侧流入，右侧流出，霍尔元件______（填“前表面”或“后表面”）电势高；
（2）在图中画线连接成实验电路图；
（3）已知霍尔元件单位体积内自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为e，霍尔元件的厚度为h，为测量霍尔元件所处区域的磁感应强度B，还必须测量的物理量有______（写出具体的物理量名称及其符号），计算式B=______．

4. （2020辽宁模拟）物理兴趣小组设计了两种方法测量磁感应强度。

（1）方法1.如图1所示，相距L的平行导轨水平放置，平行导轨处在竖直方向的匀强磁场中，导轨上放置一导体棒，导体棒系两根平行细线连接到两个相同的传感器上，导轨右端连接一电阻箱R和电池，电池电动势为E，内阻不计，导轨和导体棒电阻不计。

图1

匀强磁场的方向为             （选填“水平向左”、“水平向右”、“垂直纸面向里、“垂直纸面向外”）；

多次改变电阻箱的阻值R，得到对应的拉力传感器显示的数值F，以F为纵坐标，要得到线形图象，横坐标应该为        ；

若得到的线形图象斜率为k，则匀强磁场的磁感应强度B=         。

（2）方法二。利用电流天平测量匀强磁场的磁感应强度的大小。如图2所示，测量前天平已调至平衡，测量时，在左边托盘中放入质量为m的砝码，右边托盘中不放砝码，将一个质量为m0、匝数为n、下边长为l的矩形线圈挂在右边托盘的底部，再将此矩形线圈的下部分放在待测磁场中。线圈的两头连在如图3所示的电路中，不计连接导线对线圈的作用力，电源电动势为E，内阻为r。开关S闭合后，调节可变电阻至R1时，天平正好平衡，此时电压表读数为U。已知m0>m，取重力加速度为g。

 .矩形线圈中电流的方向为            （选填：“顺时针方向”或“逆时针方向”）

.矩形线圈的电阻为R=         

.匀强磁场的磁感应强度的大小B=          。

5.（9分）图甲是物理实验室的一种永久蹄形磁铁，某物理兴趣小组设计了一个测量蹄形磁铁磁极间磁感应强度大小的实验。

（1）如图乙所示，将由铜导线绕制而成的矩形线圈悬挂在支架上，导线两端分别由a、b处抽出连在两接线柱A、B上。线圈下边ab保持水平，现将一轻线的一端系在线圈ab边的中点，另一端绕过一轻小滑轮后连接一小沙桶，调整支架高度是线圈与滑轮间细线保持水平。

（2）将多个图甲中的蹄形磁铁紧密并列放置，水平插入线圈，使线圈下边ab处于磁铁N、S间，磁场宽度正好与线圈下边ab长度相同，当线圈中通电后，向沙桶中缓慢加入适量细沙，使导线框仍保持竖直悬挂。读出电流表示数为I，断开电源，取下沙桶，用天平称量沙桶总质量为m。

（3）线圈中电流由图丙电路提供，若蹄形磁铁S极在上方，N极在下方，则接线柱A应与丙图电路中的接线柱　   　（选填“C”或“D”）相连。

（4）若线圈电阻约为1Ω，允许最大电流0.5A，电流表量程为0～0.6A，内阻约为0.5Ω，电源为4节干电池串联，每节干电池的电动势为1.5V，内阻不计。R0为定值电阻，现备有10Ω和100Ω各一只，则应选　   　Ω连入电路；有最大阻值分别为20Ω和1000Ω的滑动变阻器各一只，应选　   　Ω连入电路。

（5）若线圈匝数为n，其下边ab长度为L，本地重力加速度为g，则用测得的物理量和已知量表示磁感应强度大小B＝　   　。

5.  1879年美国物理学家霍尔在研究载流导体在磁场中受力情况时，发现了一种新的电磁效应：将导体置于磁场中，并沿垂直磁场方向通入电流，则在导体中垂直于电流和磁场的方向会产生一个横向电势差，这种现象后来被称为霍尔效应，这个横向的电势差称为霍尔电势差．

(1)如图甲所示，某长方体导体abcd－a′b′c′d′的高度为h、宽度为l，其中的载流子为自由电子，自由电子电荷量为e，导体处在与abb′a′面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B0.在导体中通有垂直于bcc′b′面的恒定电流，若测得通过导体的恒定电流为I，横向霍尔电势差为UH，此导体中单位体积内自由电子的个数为________．

(2)对于某种确定的导体材料，其单位体积内的载流子数目n和载流子所带电荷量q均为定值，人们将H＝定义为该导体材料的霍尔系数．利用霍尔系数H已知的材料可以制成测量磁感应强度的探头，有些探头的体积很小，其正对横截面(相当于图甲中的abb′a′面)的面积可以在0.1 cm2以下，因此可以用来较精确地测量空间某一位置的磁感应强度．如图乙所示为一种利用霍尔效应测磁感应强度的仪器，其中探头装在探杆的前端，且使探头的正对横截面与探杆垂直．这种仪器既可以控制通过探头的恒定电流的大小I，又可以监测探头所产生的霍尔电势差UH，并自动计算出探头所测位置磁场的磁感应强度的大小，且显示在仪器的显示窗内．

①在利用上述仪器测量磁感应强度的过程中，对控杆的放置方位要求为：______________.

②要计算出所测位置磁场的磁感应强度，除了要知道H、I、UH外，还需要知道物理量__________________．推导出用上述物理量表示所测位置磁感应强度大小的表达式：_____________.