高中物理安培力在实际中的应用学法指导

高中物理安培力在实际中的应用

一、安培力在电磁炮中的应用

电磁炮就是利用通电导体在磁场中受到安培力作用，安培力推动导体加速运动，最终把导体以一定的速度发射出去的装置，关于电磁炮的考题，分析思路除了电磁规律外还要综合应用动力学解题思路，如牛顿运动定律和运动学公式及功能观点等。

例1. 图1所示是导轨式电磁炮实验装置示意图，两根平行长直金属导轨沿水平方向固定。其间安放金属滑块（即实验用弹丸），滑块可沿导轨无摩擦滑行，且始终与导轨保持良好接触．电源提供的强大电流从一根导轨流入，经过滑块，再从另一根导轨流回电源，滑块被导轨中的电流形成的磁场推动而发射，在发射过程中，该磁场在滑块所在位置始终可以简化为匀强磁场，方向垂直纸面，其强度与电流的关系为B=kI ，比例常数k=2.5×10-6T ／A 。已知两导轨内侧间距L=1.5cm ，滑块的质量m=30g ，滑块沿导轨滑行5m 后获得的发射速度v=3.0km ／s （此过程视为匀加速运动）。

（1）求发射过程中电源提供的电流；

（2）若电源输出的能量有4%转化为滑块的动能，则发射过程中电源的输出功率和输出电压各是多大？

解析：（1）由匀加速运动公式ax 2v v 202t =-得==x

2v a 2

9×105m ／s 2。由安培力公式和牛顿第二定律得F=IBL=kI 2L ，又m a F =，因此A 105.8kL ma I 5⨯==。 （2）滑块获得的动能是电源输出能量的4%，即2mv 21%4t P =⨯△，发射过程中电源供电时间为△s 103

1a v t 2-⨯==，所需电源输出功率为=P W 100.1%4t mv 2

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⨯=⋅△，由功率IU P =解得输出电压V 102.1I

P U 3⨯==。

二、安培力在电磁泵中的应用

磁流体动力泵简称电磁泵是利用安培力做动力，来传输导电液体（如液态金属、血液等）的装置，此装置不需要动力组件，关于此装置的考题，分析思路是：先分析导电液体所受安培力，再分析此安培力产生的附加压强，正是此附加压强推动导电液体流动或象水泵一样把导电液体抽到高处。

例2. 图2所示是磁流体动力泵的示意图，已知磁流体动力泵是高为h 的矩形槽，左右相对的两壁是导电的，它们之间的距离为l ，两导电壁加上电势差为U 的电场，垂直于纸面的前后两非导电壁间加上磁感应强度为B 的匀强磁场，如图所示槽的下端与水银面接触，上部与竖直的非导电管相连，已知水银的电阻率为r ，水银的密度为ρ，重力加速度为g ，求：

（1）水银能上升的条件；

（2）在第一问的条件下，求水银在非导电管中上升的高度（以上各量都是国际制单位）；

（3）若用此装置测量磁感应强度的大小，如何提高测量精确度？

解析：（1）两导电壁间加上电势差时，水银中有电流通过，磁场对导电水银产生向上的安培力作用，若安培力足够大，当安培力大于水银所受重力时水银就可以上升，设导电板宽为d ，水银上升x ，则导电水银的电阻为dx

rl ，所受重力为gxld ρ，通过水银的电流为rl

Uxd R U I ==

，要上升则BIl gx ld <ρ，即上升条件是BU g rl <ρ。 （2）导电水银在电磁泵中上升时，电阻减小电流增大，安培力增大，水银首先充满整个电磁泵，由于导电水银所受安培力作用则水银继续在上部的非导电管中上升，设又上升H ，则电磁泵中水银的电阻dh rl ，通过的电流rl

Uhd R U I ==，所受安培力在竖直方向上产生的附加压强rl BUh dl BIl P ==，故非导电管中支持的水银柱有p g H =ρ，解得glr BUh H ρ=。 （3）用此装置测量磁感应强度，是利用该装置中导电液体在非导电管中上升的高度与磁感应强度成正比的原理，所以要提高测量的精确度，就是在相同的磁感应强度的情况下，使导电液体上升的高度增加，所以由glr

BUh H ρ=可知，增加所加的电压U 、增加电磁泵导电壁的高度h ，或减小导电液体的密度ρ和电阻率r ，以及减小电磁泵两导电壁间的距离l 都可以提高测量的精确度。