Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chủ đề 4: Từ trường

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chủ đề 4: Từ trường

1. CHƯƠNG CHUYÊN ĐỀ 4: TỪ TRƯỜNG PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM Trang 1
2. PHẦN 2: CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Từ trường của dây dẫn có dạng đặc biệt 1. Phương pháp giải Sử dụng các công thức: Ví dụ: Cho dòng điện cường độ 1 A chạy trong dây I dẫn thẳng. Tính cảm ứng từ tại một điểm cách dây Dây dẫn thẳng dài: B 2.10 7 . M r dẫn 10 cm. N.I Hướng dẫn Vòng dây tròn: B 2 .10 7 . R Dấu hiệu nhận biết bài toán này khá rõ ràng nên ta áp dụng công thức: 7 N.I 7 Khung dây dẫn: BM 4 .10 4 .10 n.l l 7 I 7 1 6 BM 2.10 2.10 2.10 T Khoảng cách đổi sang đơn vị mét (m); cảm ứng từ r 0,1  B đơn vị tesla (T). 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Tại tâm của một dòng điện tròn cường độ I = 5 A người ta đo được cảm ứng từ có độ lớn B = 31,4.10-6(T). Hỏi đường kính của dòng điện đó? A. 10 cm. B. 20 cm. C. 25 cm. D. 30 cm. Hướng dẫn Dòng điện tròn nên áp dụng công thức: N.I 2 .10 7.1.5 B 2 .10 7 R 0,1(m) 10(cm) d 2R 20cm R 31,4.10 6 Chọn B. Ví dụ 2: Người ta muốn tạo ra từ trường có cảm ứng từ B = 25.10 -4(T) bên trong một ống dây. Cường độ dòng điện chạy trong mỗi vòng dây là I = 2 A. Ống dây dài 50 cm. Hỏi phải quấn bao nhiêu vòng dây? A. 400 vòng. B. 450 vòng. C. 500 vòng. D. 600 vòng. Hướng dẫn Bài toán khung dây nên áp dụng công thức: N.I B.l 25.10 4.0,5 B 4 .10 7 N 500(vòng) M l 4 .10 7.l 4 .10 7.2 Chọn C. Dạng 2: Nguyên lí chồng chất từ trường 1. Phương pháp giải Dấu  có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi vào. Trang 2
3. Dấu e có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi ra. Bài toán yêu cầu xác định từ trường tổng hợp tại Ví dụ: Hai dây dẫn thẳng, rất dài, đặt song song, một điểm M do nhiều cảm ứng từ: cách nhau 20 cm trong không khí, có hai dòng điện ngược chiều, có cường độ I1 = 12 A; I2 = 15 A chạy qua. Xác định độ lớn cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện này gây ra tại điểm M cách dây dẫn mang dòng I1 là 15 cm và cách dây dẫn mang dòng I2 là 5 cm. Hướng dẫn Giả sử hai dây dẫn được đặt vuông góc với mặt Bước 1: Xác định các vectơ cảm ứng từ do các từ phẳng hình vẽ, dòng I đi vào tại A, dòng I đi ra tại trường tương ứng gây ra: 1 2     B thì các dòng điện I1 và I2 gây ra tại M các vectơ B1; B2 ; B3; ; Bn cảm ứng từ B1; B2 có phương chiều như hình vẽ, có Bước 2: Sử dụng cách tổng hợp vectơ: độ lớn:   B  B B B B  1  2 12 1 2 B1  B2 B12 B1 B2   B  B B B2 B2 1 2 12 1 2 7 I1 5   B1 2.10 1,6.10 T 2 2 AM B1; B2 B12 B1 B2 2.B1.B2.cos I B 2.10 7 2 6.10 5T 2 AM    Cảm ứng từ tổng hợp tại M là B B1 B2   5 Do B1  B2 B B1 B2 7,6.10 T 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Hai dây dẫn thẳng, rất dài, đặt song song, cách nhau 10 cm trong không khí, có hai dòng điện cùng chiều, có cường độ I1 = 9 A; I2 = 16 A chạy qua. Xác định độ lớn cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện này gây ra tại điểm M cách dây dẫn mang dòng I1: là 6 cm và cách dây dẫn mang dòng I2 là 8 cm. A. 3.10-5T B.4.10-5T C. 5.10-5T D. 6.10-5T Hướng dẫn Giả sử hai dây dẫn được đặt vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, dòng I đi vào tại A, dòng I đi vào tại B. 1 2  Tam giác AMB vuông tại M. Các dòng điện I 1 và I2 gây ra tại M các vectơ cảm ứng từ B1 và B2 có phương chiều như hình vẽ, có độ lớn: Trang 3
4. I 9 B 2.10 7 1 2.10 7. 3.10 5T 1 AM 0,06 I 16 B 2.10 7 2 2.10 7. 4.10 5T 2 AM 0,08    Cảm ứng từ tổng hợp tại M là B B1 B2 : có phương chiều như hình vẽ và có độ lớn: 2 2 5 B B1 B2 5.10 T Chọn C. Ví dụ 2: Một dây dẫn thẳng, dài có vỏ bọc cách điện, ở khoảng giữa được uốn thành vòng tròn, bán kính R = 20 cm như hình vẽ. Dòng điện chạy qua dây dẫn có cường độ 5 A. Xác định cảm ứng từ tại tâm O của vòng tròn? A. 9,6.10-7T. B.10,7.10-6T. C. 12,5.10-6T. D. 15.10-6 T. Hướng dẫn  Dòng điện chạy trong vòng tròn gây ra tại tâm O cảm ứng từ B1 vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, hướng từ ngoài vào và có độ lớn: I 5 B 2 .10 7 2 .10 7 1,57.10 5T 1 R 0,2 Dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng gây ra tại tâm O cảm  ứng từ B2 vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, hướng từ trong ra và có độ lớn: I 5 B 2.10 7 2.10 7 0,5.10 5T 2 R 0,2   Từ hình vẽ ta có vectơ B1 và B2 cùng phương ngược chiều nên độ lớn của từ trường tổng: -5 B = |B1 -B2| = 1,07.10 T. Chọn B. Dạng 3: Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện 1. Phương pháp giải  Lực F do từ trường đều tác dụng lên đoạn dây Ví dụ: Một đoạn dây dài I đặt trong từ trường đều thẳng l có dòng điện I có đặc điểm: có cảm ứng từ B = 0,5 T hợp với đường cảm ứng từ Điểm đặt tại trung điểm của đoạn dây một góc 30°. Dòng điện qua dây có cường độ 0,5A,  thì lực từ tác dụng lên đoạn dây là 4.10 -2 N. Chiều Phương: vuông góc với mặt phẳng B;l dài đoạn dây dẫn là bao nhiêu? Chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái Hướng dẫn  Độ lớn: F = B.I.l.sin B;l Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện: F F B.I.l.sin l 0,32m B.I.sin Trang 4
5. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Ví dụ 1: Một đoạn dây dẫn dài 5 cm đặt trong từ trường đều và vuông góc với vectơ cảm ứng từ. Dòng điện qua dây có cường độ 0,75 A. Lực từ tác dụng lên đoạn dây đó có độ lớn là 3.10 -3N . Xác định cảm ứng từ của từ trường? A. 0,06 T. B. 0,07 T. C. 0,08 T. D. 0,1 T. Hướng dẫn Vì đoạn dây đặt vuông góc với vectơ cảm ứng từ nên góc giữa chúng:  F 3.10 3 B;l 900 B 0,08(T ) I.l 0,75.0,05 Chọn C. Ví dụ 2: Hai thanh ray nằm ngang, song song và cách nhau l = 10 cm đặt trong từ trường đều có phương thẳng đứng, B = 0,1 T. Một thanh kim loại đặt trên ray vuông góc với ray. Nối ray với nguồn điện E = 12V, r = 1, điện trở thanh kim loại, ray và dây nối R = 5. Tính lực từ tác dụng lên thanh kim loại? A. 0,02 N. B. 0,04 N. C. 0,5 N. D. 0,08 N. Hướng dẫn E 12 Áp dụng định luật Ôm cho toàn mạch: I 2(A) R r 5 1 Suy ra lực từ tác dụng lên thanh: F = B.I.l.sin = 0,1.2.0,1.sin90° = 0,02(N) Chọn A. Dạng 4: Lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường 1. Phương pháp giải Kết hợp sử dụng quy tắc bàn tay trái để xác định Ví dụ: Một êlectron bay vào trong từ trường đều chiều của lực Lo-ren-xơ với vận tốc ban đầu vuông góc với vectơ cảm ứng Lực Lo-ren-xơ có độ lớn: F = |q|Bvsin từ. Biết v = 2.105 m/s, B = 0,2 T. Tính lực Lo-ren- xơ tác dụng lên êlectron? mv Bán kính quỹ đạo tròn: R q B Hướng dẫn Áp dụng công thức: F = |q|Bvsin = 1,6.10-19.0,2.2.105sin900 =6,4.10-15(N) 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Một prôtôn bay vào trong từ trường đều theo phương hợp với đường sức từ một góc 30° với vận tốc 3.107 m/s, từ trường có cảm ứng từ 1,5 T. Tính lực Lo-ren-xơ tác dụng lên prôtôn? A. 3,6.10-12N. B. 7,2.10-12N. C. 4,8.10-12N. D. 5.10-12N. Hướng dẫn Áp dụng công thức: F = |q|Bvsin = 1,6.10-19.1,5.3.107sin30° = 3,6.10-12(N) Chọn A. Ví dụ 2: Một prôtôn chuyển động với quỹ đạo tròn bán kính R = 5 cm trong từ trường đều B = 10 -2 T. Trang 5
6. -27 -19 Biết mp = 1,672.10 kg điện tích prôtôn là q = 1,6.10 C. Tính vận tốc của prôtôn? A. 48764 m/s B. 47847 m/s C. 47874 m/s D. 50000 m/s Hướng dẫn Prôtôn chuyển động trong từ trường đều, lực Lo-ren-xơ luôn vuông góc với véctơ vận tốc của vật nên đóng vai trò là lực hướng tâm trong chuyển động tròn của prôtôn. m.v2 q .B.R Ta có: F F q vB v 47847m / s l ht R m Chọn B. Ví dụ 3: Một êlectron chuyển động trong vùng không gian có từ trường theo phương vuông góc với các đường sức từ. Quan sát người ta thấy quỹ đạo của êlectron là quỹ đạo tròn với bán kính R = 4 cm. Cảm -3 -31 ứng từ có độ lớn:B = 2.10 T Biết m e = 9,1.10 kg. Chu kì chuyển động của êlectron trong từ trường bằng A. 1,6.10-8 s. B. 1,9.10-8 s. C. 1,8.10-8 s. D. 2.10-8s. Hướng dẫn Áp dụng công thức tính bán kính quỹ đạo của hạt mang điện trong từ trường đều: mv R q B 0,04.1,6.10 19.2.10 3 R v 1,41.107 m / s. q .B m 9,1.10 31 v 1,41.107 Tốc độ góc của chuyển động tròn:  3,51.108 rad / s. R 0,04 2 2 Chu kì chuyển động tròn: T 1,8.10 8 s  3,51.108 Chọn C. Dạng 5: Lực tương tác giữa hai dòng điện 1. Phương pháp giải Độ lớn của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn có Ví dụ: Dây dẫn thẳng dài có dòng I1 = 15 A đi qua chiều dài l: đặt trong không khí. Tính lực tác dụng lên 1m dây I I của dòng I2= 10 A đặt song song, cách I1 15 cm, I1 F 2.10 7 1 2 .l d ngược chiều I2? Với: d là khoảng cách giữa hai dòng điện Hướng dẫn  F là lực hút nếu hai dòng điện cùng chiều Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn tính bởi công  thức: F là lực đẩy nếu hai dòng điện ngược chiều I I 15.10 F 2.10 7 1 2 .l 2.10 7 .1 2.10 4 (N) d 0,15 và là lực đẩy vì 2 dòng điện ngược chiều 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Ba dây dẫn thẳng, dài đặt song song cách đều nhau, khoảng cách giữa hai dây là a = 4 cm. Dòng điện trong các dây có chiều như hình vẽ (I1; I3 hướng vào, I2 hướng ra mặt phẳng hình vẽ). I1 = 10 A, I2 = I3 = 20 A. Tìm lực F tác dụng lên 1 m dây của dòng I1? Trang 6
7. A. Phương song song BC, chiều từ B đến C độ lớn 10-3 N B. Phương song song BC, chiều từ C đến B, độ lớn 10-3N C. Phương song song BC, chiều từ B đến C độ lớn 2.10-3N D. Phương song song BC, chiều từ C đến B độ lớn 2.10-3 N Hướng dẫn Lực từ tác dụng lên 1 m của dòng I1 do 7 I1I2 7 10.20 3 I2 gây ra: F 2.10 .l 2.10 .1 10 (N) 21 d 0,04 7 I1I3 7 10.20 3 I3 gây ra: F 2.10 .l 2.10 .1 10 (N) 31 d 0,04        0 Lực từ tổng hợp tác dụng lên I1 là: F F21 F31 với F21 là lực đẩy, F31 là lực hút và F21; F31 120  F 2F cos 10 3 (N) và F phương song song với BC chiều từ B đến C 1 21 2 1 Chọn A. PHẦN 3. BÀI TẬP TỔNG HỢP Câu 1. Một êlectron được tăng tốc bởi hiệu điện thế 1000 V rồi cho bay vào trong từ trường đều theo -31 phương vuông góc với các đường sức từ. Tính lực Lo-ren-xơ tác dụng lên nó? Biết m e = 9,1.10 kg, e = 1,6.10-19 C, B = 2 T, vận tốc của hạt trước khi tăng tốc rất nhỏ. A. 6.10-11NB. 6.10 -12NC. 2,3.10 -12 ND. 2.10 -12 N Câu 2. Hai dây dẫn thẳng dài, song song và cách nhau một khoảng 20 cm. Dòng điện trong hai dây dẫn có cường độ lần lượt là 5 A và 10 A, chạy cùng chiều nhau. Lực từ tác dụng lên mỗi đoạn dây có chiều dài 5 dm của mỗi dây là: A. 0,25 .10-4 N.B. 0,25.10 -4 N. C. 2,5.10-6 N.D. 0,25.10 -3 N. Câu 3. Một dòng điện thẳng dài vô hạn I = 10 A trong không khí. Cảm ứng từ do nó gây ra tại điểm M cách dòng điện 5 cm bằng A. 5.10-5 T.B. 2.10 -5 T. C. 1.10-5 T.D. 4.10 -5 T. Câu 4. Một electron bay vuông góc với các đường sức một từ trường đều độ lớn 100 mT thì chịu một lực Lo-ren-xơ có độ lớn 1,6.10-12 N. Vận tốc của electron là A. 103 m/s.B. 1,6.10 6 m/s. C. 108 m/s.D. 1,6.10 7 m/s. Câu 5. Một điện tích bay vào một từ trường đều với vận tốc 2.10 5 m/s thì chịu một lực Lo-ren-xơ có độ lớn là 10 mN. Nếu điện tích đó giữ nguyên hướng và bay với vận tốc 5.10 5 m/s vào thì độ lớn lực Lo- ren-xơ tác dụng lên điện tích là A. 25 mN.B. 4 mN.C. 5 mN.D. 10 mN. Đáp án: 1-B 2-B 3-D 4-C 5-A Trang 7