Các dạng bài tập Lực từ chọn lọc có đáp án chi tiết - Vật Lí lớp 11

Các dạng bài tập Lực từ chọn lọc có đáp án chi tiết

Với Các dạng bài tập Lực từ chọn lọc có đáp án chi tiết Vật Lí lớp 11 tổng hợp các dạng bài tập, 100 bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết với đầy đủ phương pháp giải, ví dụ minh họa sẽ giúp học sinh ôn tập, biết cách làm dạng bài tập Lực từ từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Vật Lí lớp 11.

• Lý thuyết Lực từ Xem chi tiết
• Dạng 1: Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng Xem chi tiết
• Trắc nghiệm Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng Xem chi tiết
• Dạng 2: Lực từ tác dụng lên 2 dây dẫn song song Xem chi tiết
• Trắc nghiệm Lực từ tác dụng lên 2 dây dẫn song song Xem chi tiết
• Dạng 3: Lực từ tác dụng lên khung dây Xem chi tiết
• Trắc nghiệm Lực từ tác dụng lên khung dây Xem chi tiết
• 50 bài tập trắc nghiệm Lực từ có đáp án chi tiết Xem chi tiết

Bài tập trắc nghiệm

• 60 câu trắc nghiệm Từ trường có lời giải chi tiết (cơ bản) Xem chi tiết
• 50 câu trắc nghiệm Từ trường có lời giải chi tiết (nâng cao) Xem chi tiết

Lý thuyết Lực từ

a. Lực từ tác dụng lên một đoạn dây có một dòng điện đặt trong từ trường đều

Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn có chiều dài L có dòng điện I chạy qua đặt trong từ trường có

    + Điểm đặt tại trung điểm của đoạn dây

    + Phương vuông góc với đoạn dây và với đường sức từ

    + Chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái: “Đặt bàn tay trái duỗi thẳng sao cho vecto cảm ứng từ B→ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón giữa là chiều dòng điện chay trong đoạn dây, khi đó chiều ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của lực từ F→”.

    + Độ lớn: F = BILsin α

Trong đó: I là cường độ dòng điện (A)

                L là chiều dài đoạn dây (m)

                α là góc hợp bởi hướng của cảm ứng từ và hướng của dòng điện.

b. Lực từ tác dụng lên giữa 2 dây dẫn thẳng dài song song có dòng điện chạy qua

- Nếu 2 dòng điện chạy cùng chiều 2 dây hút nhau.

- Nếu 2 dòng điện chạy ngược chiều 2 dây đẩy nhau.

- Lực tác dụng có độ lớn :

Trong đó: I₁, I₂ là cường độ dòng điện chạy qua 2 dây dẫn .

                ℓ là chiều dài 2 dây.

                d khoảng cách 2 dây .

c. Lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện

- Nếu mặt phẳng khung dây vuông góc với đường cảm ứng từ khi đó các lực tác dụng lên khung không làm quay khung (chỉ làm cho khung giãn ra hoặc co lại).

- Nếu mặt phẳng khung dây song song với đường cảm ứng từ khi đó xuất hiện ngẫu lực làm khung quay với momen : M = B.I.S. sin α

Trong đó: S là diện tích khung; α = (B, n) với n→ là pháp tuyến mặt phẳng khung dây.

Cách giải bài tập Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng

A. Phương pháp & Ví dụ

- Lực từ F→ có đặc điểm:

    + Điểm đặt tại trung điểm đoạn dòng điện

    + Có phương vuông góc với I→ và B→, có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái

    + Độ lớn: F = B.I.l.sin α (với α là góc tạo bới I→ và B→)

Trong đó: B là cảm ứng từ (đơn vị là Tesla – T); I là cường độ dòng điện (A); l là chiều dài của sơi dây (m).

- Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái xòe rộng, sao cho lòng bàn tay hứng các đường sức từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay giữa chỉ chiều dòng điện, khi đó ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ.

Lưu ý:

    + Chiều của cảm ứng từ bên ngoài nam châm là chiều vào Nam (S) ra Bắc (N)

    + Quy ước:

    : Có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi ra.

    : Có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi vào.

    : Có phương, chiều là phương chiều của mũi tên và nằm trên mặt phẳng vẽ nó.

Ví dụ 1: Hãy áp dụng quy tắc bàn tay trái để xác định chiều (của một trong ba đại lượng F→, B→, I→) còn thiếu trong các hình vẽ sau đây:

Hướng dẫn:

Trước tiên ta phát biểu quy tắc bàn tay trái:

Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái xòe rộng, sao cho lòng bàn tay hứng các đường sức từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay giữa chỉ chiều dòng điện, khi đó ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ.

Ví dụ 2: Một dây dẫn có chiều dài 10 m được đặt trong từ trường đều có B = 5.10^-2 T. Cho dòng điện có cường độ 10 A chạy qua dây dẫn.

a) Xác định lực từ tác dụng lên dây dẫn khi dây dẫn đặt vuông góc với B→.

b) Nếu lực từ tác dụng có độ lớn bằng 2,5√3 N. Hãy xác định góc giữa B→ và chiều dòng điện ?

Hướng dẫn:

a) Lực từ F→ có đặc điểm:

    + Điểm đặt tại trung điểm đoạn dây mang dòng điện

    + Có phương vuông góc với I→ và B→, có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái

    + Độ lớn: F = B.I.l.sin α = (5.10^-2).10.10.sin 90° = 5 (N)

b) Ta có: F = B.I.l.sin α

Ví dụ 3: Cho đoạn dây MN có khối lượng m, mang dòng điện I có chiều như hình, được đặt vào trong từ trường đều có vectơ B→ như hình vẽ. Biểu diễn các lực tác dụng lên đoạn dây MN (bỏ qua khối lượng dây treo).

Hướng dẫn:

    + Các lực tác dụng lên đoạn dây MN gồm: Trọng lực P→ đặt tại trọng tâm (chính giữa thanh), có chiều hướng xuống; Lực căng dây T→ đặt vào điểm tiếp xúc của sợi dây và thanh, chiều hướng lên; Lực từ F→: áp dụng quy tắc bàn tay trái xác định được F→ có phương thẳng đứng, chiều hướng lên như hình.

    + Các lực được biểu diễn như hình.

Ví dụ 4: Treo đoạn dây dẫn MN có chiều dài l = 25 cm, khối lượng của một đơn vị chiều dài là 0,04 kg/m bằng hai dây mảnh, nhẹ sao cho dây dẫn nằm ngang. Biết cảm ứng từ có chiều như hình vẽ, có độ lớn B = 0,04 T. Cho g = 10 m/s².

a) Xác định chiều và độ lớn của I để lực căng dây bằng 0.

b) Cho I = 16A có chiều từ M đến N. Tính lực căng mỗi dây ?

Hướng dẫn:

a) Lực căng dây bằng 0 nghĩa là dây nằm lơ lững ⇒ P→ + F→ = 0 ⇒ F→ = - P→

    + Do đó lực từ F→ phải có chiều hướng lên. Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được chiều của dòng điện có chiều từ N đến M.

    + Mặt khác ta cũng có: F = P ⇔ B.I.l.sin 90° = mg

    + Mật độ khối lượng của sợi dây: d = m/l

    + Vậy:

b) Khi dòng điện có chiều từ M đến N thì lực từ F→ có chiều hướng xuống. Do lực căng dây T→ có chiều hướng lên nên: T = P + F = mg + BIl

    + Mật độ khối lượng của sợi dây: d = m/l

    + Vậy:

    + Vì có hai sợi dây nên lực căng mỗi sợi là T₁ = T₂ = T/2 = 0,13 (N)

B. Bài tập

Bài 1: Hãy áp dụng quy tắc bàn tay trái để xác định chiều (của một trong ba đại lượng F→, B→, I→) còn thiếu trong các hình vẽ sau đây:

Lời giải:

Bài 2: Xác định chiều đường sức từ (ghi tên cực của nam châm)

Lời giải:

Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được các cực và chiều của B→ như sau:

    +) Theo quy tắc bàn tay trái thì vecto cảm ứng từ có phương thẳng đứng và chiều từ dưới lên. Đường sức của vecto cảm ứng từ có chiều vào Nam, ra Bắc nên cực trên của nam châm là Nam (S) và cực dưới là Bắc (N) (như hình 1).

    +) Theo quy tắc bàn tay trái thì vecto cảm ứng từ có phương thẳng đứng và chiều từ trên xuống. Đường sức của vecto cảm ứng từ có chiều vào Nam, ra Bắc nên cực trên của nam châm là Bắc (N) và cực dưới là Nam (S) (như hình 2).

+) Theo quy tắc bàn tay trái thì vecto cảm ứng từ có phương vuông góc với mặt phẳng hình vẽ và chiều hướng từ trong ra ngoài (như hình 3).

Bài 3: Một dây dẫn có chiều dài l = 5m, được đặt trong từ trường đều có độ lớn B = 3.10^-2 T. Cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn có giá trị 6A. Hãy xác đinh độ lớn của lực từ tác dụng lên dây dẫn trong các trường hợp sau đây:

a) Dây dẫn đặt vuông góc với các đường sức từ.

b) Dây dẫn đặt song song với các đường sức từ.

c) Dây dẫn hợp với các đường sức từ một góc 45°.

Lời giải:

a) Khi dây đặt vuông góc với các đường sức từ thì α = 90°

Lực từ tác dụng lên đoạn dây lúc này có độ lớn: F = B.I.l.sin 90° = 0,9 (N)

b) Khi dây đặt song song với các đường sức từ thì α = 0°

Lực từ tác dụng lên đoạn dây lúc này có độ lớn: F = B.I.l.sin 0° = 0

c) Khi dây đặt tạo với các đường sức từ thì α = 45°

Lực từ tác dụng lên đoạn dây lúc này có độ lớn: F = B.I.sin 45° = 0,64 (N)

Bài 4: Một đoạn dây thẳng MN dài 6 cm, có dòng điện 5A, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,5 T. Lực từ tác dụng lên đoạn dây có độ lớn F = 7,5.10^-2 N. Góc hợp bởi dây MN và đường cảm ứng từ là bao nhiêu ?

Lời giải:

Ta có: F = B.I.l.sinα

Bài 5: Một dây dẫn mang dòng điện I = 5A, có chiều dài 1m, được đặt vuông góc với cảm ứng từ B = 5.10^-3T. Hãy xác định lực từ tác dụng lên dây dẫn ?

Lời giải:

Ta có: F = B.I.l.sinα = 5.10^-3.5.1.sin 90° = 25.10^-3 (N)

Bài 6: Một đoạn dây dẫn dài 5cm đặt trong từ trường đều và vuông góc với vecto cảm ứng từ. Dòng điện chạy qua dây có cường độ 0,75A. Lực từ tác dụng lên dây có giá trị 3.10^-2 N. Hãy xác định cảm ứng từ của từ trường.

Lời giải:

Ta có: F = B.I.l.sinα

Bài 7: Một dây dẫn thẳng MN chiều dài l, khối lượng của một đơn vị dài của dây là D = 0,04kg/m. Dây được treo bằng hai dây dẫn nhẹ thẳng đứng và đặt trong từ trường đều có B→ vuông góc với mặt phẳng chứa MN và dây treo, B = 0,04T. Cho dòng điện I qua dây.

a) Định chiều và độ lớn của I để lực căng của các dây treo bằng không.

b) Cho MN = 25cm, I = 16A có chiều từ N đến M. Tính lực căng của mỗi dây.

Lời giải:

a) Để lực căng của dây treo bằng không thì trọng lực và lực từ tác dụng lên dây dẫn thẳng MN phải bằng nhau và lực từ phải hướng lên trên. Theo quy tắc bàn tay trái thì cường độ dòng điện I phải có chiều từ M đến N:

P→ + F→ = 0→ ⇒ F = P ⇔ B.I/sinα = mg

⇔ B.I.l = D.l.g

b) Lực từ tác dụng lên MN: F = B.I.l.sinα = 0,04.16.0,25 = 0,16 N

Khi MN nằm cân bằng thì: F→ + P→ + 2T→ = 0→         (1)

Chiếu (1) lên phương của P→: F + P – 2T = 0

Cách giải bài tập Lực từ tác dụng lên 2 dây dẫn song song

A. Phương pháp & Ví dụ

+ Khi cho dòng điện chạy qua hai dây dẫn thẳng song song thì hai dòng điện tương tác với nhau.

    - Nếu hai dòng điện cùng chiều thì chúng hút nhau.

    - Nếu hai dòng điện ngược chiều thì chúng đẩy nhau.

+ Độ lớn của lực từ tác dụng lên một đơn vị chiều dài của dây:

Trong đó: I₁ và I₂ là cường độ dòng điện chạy qua các dây, đơn vị là ampe (A); r là khoảng cách giữa hai dòng điện, đơn vị là mét (m).

Lưu ý:

+ Lực hút hay lực đẩy giữa hai dòng điện có phương nằm trên đường nối hai dòng điện

+ Nếu tính cho dây có chiều dài l thì:

+ Khi có nhiều dòng điện tác dụng lên nhau thì ta áp dụng nguyên lý chồng chất: F = F₁ + F₂ + F₃ + ....

Ví dụ 1: Hai dây dẫn thẳng dài, đặt song song với nhau và cách nhau 10 cm đặt trong không khí. Dòng điện chạy trong dây dẫn có cường độ là I₁ = 1 A, I₂ = 5 A.

a) Tính lực từ tác dụng lên một đơn vị chiều dài của dây

b) Tính lực từ tác dụng lên một đoạn có chiều dài 2 m của mỗi dây

Hướng dẫn:

a) Lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài của dây:

b) Lực từ tác dụng lên một đoạn có chiều dài 2m của mỗi dây:

Ví dụ 2: Dây dẫn thẳng dài có dòng I₁ = 15 A đi qua, đặt trong chân không.

a) Tính cảm ứng từ tại điểm cách dây 15 cm.

b) Tính lực từ tác dụng lên 1 m dây của dòng I₂ = 10A đặt song song cách I₁ đoạn 15 cm. Cho biết lực đó là lực hút hay lực đẩy. Biết rằng I₁ và I₂ ngược chiều nhau.

Hướng dẫn:

a) Cảm ứng từ do dòng điện I₁ gây ra tại điểm M cách dây đoạn 15 cm là:

b) Lực từ do dòng I₁ tác dụng lên 1m dây dòng I₂:

    + Vì hai dòng điện ngược chiều nên lực là lực đẩy.

Ví dụ 3: Ba dây dẫn thẳng dài mang dòng điện I₁, I₂, I₃ theo thứ tự đó, đặt song song cách đều nhau, khoảng cách giữa 2 dây là a = 4cm. Biết rằng chiều của I₁ và I₃ hướng vào, I₂ hướng ra mặt phẳng hình vẽ, cường độ dòng điện I₁ = 10A, I₂ = I₃ = 20A. Xác định F→ tác dụng lên 1 mét của dòng I₁.

Hướng dẫn:

    + Dòng I₁ sẽ chịu tác dụng của hai dòng điện I₂ và I₃.

    + Gọi F₂₁→, F₃₁→ lần lượt là lực do dòng điện I₂ và dòng điện I₃ tác dụng lên 1m dây của dòng điện I₁

    + Ta có:

    + Vì hai dòng điện I₁ và I₃ cùng chiều nên lực tương tác giữa chúng là lực hút. Còn hai dòng điện I₁ và I₂ ngược chiều nên lực tương tác giữa chúng là lực đẩy.

    + Lực tổng hợp tác dụng lên một đơn vị chiều dài của dây mang dòng điện I₁ là:

        F→ = F₃₁→ + F₂₁→

    + Vì F₃₁→ cùng phương ngược chiều với F₂₁→ nên: F = |F₃₁ - F₂₁| = 5.10^-4 N

    + Vậy lực F→ có phương vuông góc với sợi dây mang I₁ và có chiều hướng về bên trái (vì F₂₁ > F₃₁) như hình vẽ, có độ lớn F = 5.10^-4 N

Ví dụ 4: Hai dòng điện thẳng dài vô hạn đặt song song cách nhau 30 cm mang hai dòng điện cùng chiều I₁= 20A, I₂ = 40A. Xác định vị trí đặt dòng I₃ để lực từ tác dụng lên I₃ là bằng không.

Hướng dẫn:

Gọi F₁₃→, F₂₃→ lần lượt là lực do dòng I₁ và I₂ tác dụng lên dòng I₃

    + Ta có: F₁₃→ + F₂₃→ = 0 ⇒ F₁₃→ = - F₂₃→

    + Từ (2) suy ra: (4)

    + Vì hai dòng điện I₁ và I₃ cùng chiều nên từ (1) suy ra: dòng I₃ phải ở bên trong khoảng giữa hai dòng I₁ và I₃. Do đó ta có: r₂₃ + r ₁₃ = 30 (5)

    + Giải (4) và (5) ta có: r₁₃ = 10 cm và r₂₃ = 20 cm

    + Vậy để lực từ tác dụng lên dòng I₃ bằng 0 thì dòng I₃ phải đặt cách dòng I₁ đoạn 10 cm hay đặt cách dòng I₂ đoạn 20 cm (hình vẽ).

B. Bài tập

Bài 1: Hai dây dẫn thẳng dài, song song được đặt trong không khí. Cường độ trong hai dây bằng nhau và bằng I = 1 A. Lực từ tác dung lên mỗi đơn vị chiều dài của dây bằng 2.10^-5 N. Hỏi hai dây đó cách nhau bao nhiêu.

Lời giải:

Ta có:

Bài 2: Một dây dẫn dài vô hạn, có cường độ I₁ = 6A đặt tại điểm A.

a) Hãy tính độ lớn cảm ứng từ do dây dẫn trên gây ra tại điểm B nằm cách A đoạn 6 cm ?

b) Nếu tại B đặt một dây dẫn thứ 2 song song với dây thứ nhất. Cho dòng điện I₂ = 3A, chạy cùng chiều với dòng điện thứ nhất, hãy xác định lực từ do I₁ tác dụng lên mỗi mét dây dẫn của I₂, cho biết chúng đẩy hay hút nhau?

Lời giải:

a) Cảm ứng từ do dòng điện thẳng dài vô hạn gây ra tại B:

b) Vì hai dây dẫn có dòng điện cùng chiều nên lực tương tác giữa chúng là lực hút.

Độ lớn của lực tương tác:

Bài 3: Hai dây dẫn đặt cách nhau 2cm trong không khí, dòng điện trong 2 dây có cùng giá trị cường độ, lực tương tác từ giữa 2 dây là lực hút và có độ lớn F = 2,5.10^-2 N. Hai dòng điện trên cùng chiều hay ngược chiều ? Tìm cường độ dòng điện trong mỗi dây ?

Lời giải:

Vì lực tương tác là lực hút nên hai dòng điện cùng chiều

Ta có:

Bài 4: Hai dây dẫn dài vô hạn đặt cách nhau 4cm, cho 2 dòng điện chạy ngược chiều nhau trong 2 dây dẫn, 2 dòng điện có cùng cường độ I = 5A. Hãy cho biết:

a) Hai dây dẫn trên có tương tác lực từ với nhau không ? Nếu có thì chúng đẩy hay hút nhau ? Vẽ hình ?

b) Hãy tính lực từ tương tác trên mỗi mét chiều dài của mỗi sợi dây ?

Lời giải:

a) Vì hai dây dẫn đều mang dòng điện nên chúng sẽ tương tác với nhau bằng lực từ. Vì hai dòng điện ngược chiều nên chúng sẽ đẩy nhau:

b) Lực tương tác giữa hai dây dẫn:

Bài 5: Ba dòng điện cùng chiều cùng cường độ 10A chạy qua ba dây dẫn thẳng đặt đồng phẳng và dài vô hạn. Biết rằng khoảng cách giữa dây 1 và 2 là 10 cm dây 2 và 3 là 5cm và dây 1 và 3 là 15cm. Xác định lực từ do:

a) Dây 1 và dây 2 tác dụng lên dây 3

b) Dây 1 và dây 3 tác dụng lên dây 2

Lời giải:

a) Vì dòng điện I₁ và I₃ cùng chiều nên I₁ hút I₃ một lực :

Vì dòng điện I₂ và I₃ cùng chiều nên I₂ hút I₃ một lực:

Lực từ do dây 1 và dây 2 tác dụng lên dây 3: F→ = F₁₃→ + F₂₃→

Vì F₁₃→ ↑ ↑ F₂₃→ nên: F = F₁₃ + F₂₃ = 5,33.10^-4 (N)

b) Vì dòng điện I₁ và I₂ cùng chiều nên I₁ hút I₂ một lực:

Vì dòng điện I₃ và I₂ cùng chiều nên I₃ hút I₂ một lực:

Lực từ do dây 1 và dây 2 tác dụng lên dây 3: F→ = F₁₃→ + F₂₃→

Vì F₁₃→ ↑ ↓ F₂₃→ nên: F = F₃₂ - F₁₂ = 2.10^-4 (N)