2 lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện

Giải toán Vật Lý 11 IV 2020 – 2021 TỪ TRƯỜNG CHỦ ĐỀ LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN ĐOẠN DÂY DẪN MANG DỊNG ĐIỆN A TĨM TẮT LÍ THUYẾT Lực từ F tác dụng lên đoạn dây dẫn chiều dài l , mang dòng điện I đặt từ trường B có: B o điểm đặt: trung điểm dịng điện  o phương: vng góc với mặt phẳng tạo vecto B dịng I điện o chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái o độ lớn: F = IlB sin  , với  góc hợp vecto B dịng F điện B CÁC DẠNG TỐN THƯỜNG GẶP Dạng 1: Xác định phương chiều lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện  Phương pháp giải: Để xác định lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện, ta sử dụng quy tắc bàn tay trái Đặt bàn tay trái cho vecto cảm ứng từ B xuyên qua lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay chiều dịng điện Khi đó, ngón tay chỗi 900 chiều lực từ  Ví dụ minh họa:  Ví dụ 1: Một đoạn dây dẫn MN , mang dòng điện I đặt từ trường B hình vẽ Sử dụng quy tắc bàn tay trái, xác định chiều lực từ F tác dụng lên dòng điện MN ? Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 N B I M  Hướng dẫn: Từ hình vẽ, ta thấy: o dịng điện MN nằm mặt phẳng giấy, chiều từ lên o cảm ứng từ B vng góc với mặt phẳng giấy, chiều hướng vào → Lực từ F có phương nằm mặt phẳng giấy, sử dụng quy tắc bàn thay trái, ta thấy F hướng từ phải sang trái hình vẽ N B I F M  Ví dụ 2: Một khung dây dẫn hình chữ nhật ABCD đặt từ trường có vecto cảm ứng từ B vng góc với mặt phẳng khung dây hình vẽ Dịng điện chạy khung dây có chiều chiều kim đồng hồ Sử dụng quy tắc bàn tay trái xác định chiều lực từ tác dụng lên khung dây B B C I A D  Hướng dẫn: Sử dụng quy tắc bàn tay trái, ta xác định chiều lực từ tác dụng lên cạnh hình vng hình vẽ B B B C B I FAB A B FBC FDA FAB D Nếu ta biểu diễn khung dây mặt phẳng giấy, vecto cảm ứng từ vng góc với mặt phẳng giấy hướng Ở góc nhìn lực từ có hướng hình vẽ Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 Giải toán Vật Lý 11 C B FBC FAB FCD FAD D A A Dạng 2: Lực từ toán động lực học  Phương pháp giải: Lực từ kết hợp với lực học toán động lực học, cách tương tự ta có hướng giải chung y F2 F2 x O F1 F1x x F3 o viết phương trình định luật II Niu – tơn cho vật F1 + F2 + + Fn = ma (*) o chiếu phương trình (*) lên phương vng góc để thu phương trình đại số thể mối quan hệ thành phần lực thành phần gia tốc  F1x + F2 x + + Fnx = max   F1 y + F2 y + + Fny = ma y o từ kết thu gia tốc, kết hợp với phương trình động học ta tìm quy luật chuyển động vật Các phương trình động học Chuyển động thẳng Chuyển động thẳng biến đổi o s = vt o s = v0t + at 2 o x = x0 + vt o x = x0 + v0t + at 2 o v = v0 + at v − v02 = 2as  Ví dụ minh họa: Bùi Xuân Dương – 0914 082 600  Ví dụ 1: Treo dây dẫn MN = cm, khối lượng m = g vào từ trường có cảm ứng từ B = 0,5 T hình vẽ Biết cường độ dịng điện qua MN I = A lấy g = 10 m/s2 Góc lệch dây treo với phương thẳng đứng MN nằm cân là: A 300 B B 45 C 600 D 900 M I N  Hướng dẫn: Chọn B Lực từ tác dụng lên MN có: o điểm đặt: trung điểm MN o phương: vng góc với mặt phẳng giấy o chiều: hướng từ mặt phẳng giấy o độ lớn: F = IlB T  B F F M I N  P Phương trình điều kiện cân cho MN ( T +P +F =0 → T =− P +F ) (*) Từ phương trình (*), ta thấy vị trí cân bằng: ( o hợp lực P + F ) phương, ngược chiều với T → đường chéo tạo hình chữ nhật có hai cạnh P F , trùng với phương sợi dây −2 F IlB ( ) ( 5.10 ) ( 0,5) → tan  = = = = →  = 450 −3 P mg 5.10 10 ( )( )  Ví dụ 2: Hai ray nằm ngang, song song cách 0,3 cm Một kim loại đặt hai ray Cho dòng điện I = 50 A chạy qua kim loại Biết hệ số ma sát trượt kim loại với ray  = 0, , khối lượng kim loại m = 0,5 kg Lấy g = 10 m/s2 Điều kiện cảm ứng từ B có phương vng góc với mặt phẳng chứa hai ray để kim loại chuyển động 10 20 A Bmin = T B Bmin = 10 T C Bmin = 20 T D Bmin = T 3  Hướng dẫn: Chọn D Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 Giải toán Vật Lý 11 B N I F F Fms P Phương trình định luật II cho chuyển động F + N + P + Fms = ma (*) Chiếu (*) lên hai phương vng góc  N = P = mg F − Fms IlB −  mg → a= =  m m  F − Fms = ma a Để chuyển động a0 → B  mg Il = b Với B = 20 T, ta có IlB −  mg ( 50 ) ( 0,3.10 a= = m −2 ( 0, ) ( 0,5) (10 ) = 20 T ( 50 ) ( 0,3.10−2 ) ) ( 20) − ( 0, 2) ( 0,5) (10) = m/s2 ( 0,5) → Quãng đường mà 10 s: 1 S = at = 4.102 = 200 m 2  Ví dụ 3: Hai ray nằm ngang, song song cách 0,3 cm Một kim loại đặt hai ray Cho dòng điện I = 50 A chạy qua kim loại Biết hệ số ma sát trượt kim loại với ray  = 0, , khối lượng kim loại m = 0,5 kg Lấy g = 10 m/s2 Nếu B = 20 T quãng đường mà kim loại sau 10 s A 100 m B 150 m  Hướng dẫn: Chọn C Với B = 20 T, ta có C 200 m IlB −  mg ( 50 ) ( 0,3.10 a= = m −2 D 250 m ) ( 20) − ( 0, 2) ( 0,5) (10) = m/s2 ( 0,5) → Quãng đường mà 10 s 1 S = at = ( ) (10 ) = 200 m 2  BÀI TẬP RÈN LUYỆN  TỰ LUẬN Câu 1: Một dây dẫn có dịng điện chạy qua đặt từ trường hình vẽ Trong hình 1, dây dẫn vng góc với mặt phẳng hình vẽ Trong hình dây dẫn song song với mặt phẳng hình vẽ Trong hình 4, Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 5 từ trường B vng góc với mặt phẳng hình vẽ Trong trường hợp, xác định hướng lực từ tác dụng lên dây dẫn N N I I S S Hình Hình I N S Hình B B I I Hình Hình  Hướng dẫn: N N I F S S F N F S Hình Hình B Hình B F F I I Hình Hình Câu 2: Xác định phương, chiều vecto lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện trường hợp sau: B B F F I B I F Trường hợp Trường hợp I Trường hợp Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 Giải toán Vật Lý 11 Câu 3: Một dây dẫn có chiều dài 10 m đặt từ trường có B = 5.10−2 T Cho dịng điện có cường độ 10 A chạy qua dây dẫn a Xác định lực từ tác dụng lên dây dẫn dây dẫn đặt vng góc với B b Nếu lực từ tác dụng có độ lớn 2,5 N Hãy xác định góc B chiều dòng điện?  Hướng dẫn: a Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn có độ lớn F = IBl sin  = (10 ) ( 5.10−2 ) (10 ) sin ( 900 ) = N b Góc tạo B chiều dịng điện ( )   2,5  F    = 600  = arcsin   = arcsin −2  (10 ) ( 5.10 ) (10 )   IBl    Câu 4: Một dây dẫn gập thành khung dây dạng tam giác vuông MNP hình vẽ Biết MN = 30 cm, NP = 40 cm Đặt khung dây vào từ trường B = 0, 01 T ( B có phương vng góc với mặt phẳng hình vẽ, có chiều từ ngồi vào trong) Cho dòng điện I = 10 A vào khung có chiều MNPM Xác định lực từ tác dụng vào cạnh khung dây M B I N P  Hướng dẫn: M B I F1 F3 F3 N P Lực từ tác dụng lên cạnh MN khung dây F1 = I B.MN = (10 ) ( 0, 01) ( 30.10−2 ) = 0, 03 N Lực từ tác dụng lên cạnh NP khung dây F1 = I B.NP = (10 ) ( 0, 01) ( 40.10−2 ) = 0, 04 N Lực từ tác dụng lên cạnh MP khung dây F1 = I B.MP = (10 ) ( 0, 01) ( 50.10 −2 ) = 0, 03 N Câu 5: (JEE) Một dây dẫn uốn thành tam giác PQR cạnh 10 cm Trong dây dẫn có dịng điện 0,5 A Đặt khung dây từ trường đều, với cảm ứng từ B = 0, T vng góc với mặt phẳng chứa khung dây hình vẽ Xác định lực từ tác dụng lên cạnh khung dây lực từ tổng hợp tác dụng lên khung Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 Q B I R P  Hướng dẫn: F12 F1 I B F2 F1 F2 O F3 F3 Lực từ tác dụng lên cạnh khung dây có phương chiều hình vẽ, độ lớn F1 = F2 = F3 = IBl = ( 0,5 ) ( 0, ) (10.10 −2 ) = 0, 01 N Hợp lực tác dụng lên F = F1 + F2 + F3 = F12 =− F3 Câu 6: Một dây dẫn AB chiều dài l = 20 cm, khối lượng m = 200 g treo nằm ngang hai lị xo giống có độ cứng k = 100 N/m Hệ thống đặt từ trường hình vẽ Biết B = 0,1 T a Xác định dòng điện chạy qua AB để lị xo khơng biến dạng b Cho dịng điện chạy qua dây dẫn theo chiều từ A đến B với cường độ I = 50 A Xác định độ biến dạng lị xo vị trí cân B A  Hướng dẫn: Fdh I F A Fdh B P Phương trình điều kiện cân cho Fdh + P + F = (*) a Lị xo khơng biến dạng Fdh = Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 Giải toán Vật Lý 11 Từ (*) → F = − P , lực từ hướng thẳng đứng chiều từ lên → dòng điện chạy qua theo chiều từ A → B Cường độ dòng điện chạy qua xác định −3 mg ( 200.10 ) (10 ) F=P → I = = = 100 A Bl ( 0,1) ( 20.10−2 ) b Phương trình (*) theo phương thẳng đứng, ta thu mg − IBl ( 200.10 Fdh + F = P → l = = 2k −3 ) (10) − (50) ( 0,1) ( 20.10 ) = 0, 05 cm −2 (100 ) Câu 7: Hai ray nằm ngang, song song cách khoảng l = 10 cm đặt từ trường B hướng thẳng đứng, B = 0,1 T Một kim loại đặt ray, vng góc với ray Nối hai kim loại với nguồn điện có  = 12 V r = Ω, điện trở kim loại, ray dây nối R = Ω Xác định lực từ tác dụng lên  Hướng dẫn: B F I Cường độ dòng điện chạy qua kim loại I=  R+r = ,r (12 ) = A ( 5) + (1) Lực từ tác dụng lên thah có phương chiều hình vẽ, có độ lớn F = IBl = ( ) ( 0,1) (10.10−2 ) = 0, 02 N Câu 8: Một dây dẫn MN có chiều dài l = cm, khối lượng đơn vị chiều dài dây dẫn D = 0, 04 kg/m Dây treo hai dây dẫn thẳng đứng đặt từ trường B có phương vng góc với mặt phẳng chứa MN dây treo, B = 0, 04 T Cho dòng điện I chạy qua dây a Xác định chiều độ lớn I để lực căng dây b Cho I = 16 A có chiều từ N đến M Tính lực căng dây B N M  Hướng dẫn: Phương trình điều kiện cân cho 2T + F + P = (*) a Khi lực căng sợi dây bằn 0, từ (*) → F = − P , lực từ hướng thẳng đứng chiều từ lên → dòng điện chạy qua theo chiều từ M đến N Về mặt độ lớn Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 F=P → I = −2 mg ( 0, 04.5.10 ) (10 ) = = 10 A Bl ( 0, 04 ) ( 5.10−2 ) b Khi dịng điện có chiều từ N → M lực từ hướng thẳng đứng xuống Vậy độ lớn lực căng dây xác định −2 −2 P + F ( 0, 04.5.10 ) (10 ) + (16 ) ( 0, 04 ) ( 5.10 ) T= = = 0, 026 N 2 Câu 9: Một kim loại CD chiều dài l = 20 cm khối lượng m = 100 g đặt vng góc với hai ray song song nằm ngang hình vẽ Hệ thống đặt từ trường B hướng thẳng đứng từ xuống, B = 0, T Lấy g = 10 m/s2 Hệ số ma sát CD ray  = 0,1 Bỏ qua điện trở ray, điện trở nơi tiếp xúc dòng điện cảm ứng mạch a Biết CD trượt sang trái với gia tốc a = m/s2 Xác định chiều độ lớn dòng điện qua CD b Nâng hai đầu A , B ray lên để ray hợp với mặt phẳng ngang góc  = 300 Xác định hướng gia tốc chuyển động Biết bắt đầu chuyển động không vận tốc đầu C B A B D  Hướng dẫn: a CD chuyển động sang trái → lực từ tác dụng lên hướng sang trái → dòng điện chạy qua theo chiều từ D → C B N F Fms P Phương trình động lực học cho chuyển động F + N + P + Fms = ma Chiếu lên phương: o vng góc với chuyển động: N = P  mg + ma 0,1.0,1.10 + 0,1.3 = 10 A Bl 0, 2.0, b Khi ta nâng đầu AB lên Kết phép chiếu theo phương thay đổi o chuyển động F −  N = ma → F =  P + ma → I = = Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 10 Giải toán Vật Lý 11 N B Fms F P o vng góc với chuyển động: N = P cos  + F sin  o chuyển động P sin  −  N − F cos  = ma → a= mg sin  − IBl cos  −  ( mg cos  + IBl sin  )  0, 47 m/s2 m Bùi Xuân Dương – 0914 082 600 11 ... 0914 0 82 600 Giải toán Vật Lý 11 Câu 3: Một dây dẫn có chiều dài 10 m đặt từ trường có B = 5.10? ?2 T Cho dịng điện có cường độ 10 A chạy qua dây dẫn a Xác định lực từ tác dụng lên dây dẫn dây dẫn. .. góc với B b Nếu lực từ tác dụng có độ lớn 2, 5 N Hãy xác định góc B chiều dịng điện?  Hướng dẫn: a Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn có độ lớn F = IBl sin  = (10 ) ( 5.10? ?2 ) (10 ) sin ( 900... cạnh khung dây M B I N P  Hướng dẫn: M B I F1 F3 F3 N P Lực từ tác dụng lên cạnh MN khung dây F1 = I B.MN = (10 ) ( 0, 01) ( 30.10? ?2 ) = 0, 03 N Lực từ tác dụng lên cạnh NP khung dây F1 = I