50 bài tập về Vận dụng quy tắc nắm tay trái (có đáp án 2024) và cách giải

Bài tập vận dụng quy tắc nắm tay trái và cách giải - Vật Lí 9

A. LÝ THUYẾT

1. Lực điện từ

- Dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường và không song song với đường sức từ thì chịu tác dụng của lực điện từ.

- Chiều của lực điện từ tác dụng lên dây dẫn phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong dây dẫn và chiều của đường sức từ.

- Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra 900 chỉ chiều của lực điện từ.

Chú ý:

+ Nếu dây dẫn đặt song song với đường sức từ thì không có lực từ tác dụng lên nó.

+ Thông thường, lực từ thường có tác dụng làm quay khung dây hoặc làm khung dây bị nén hay bị kéo dãn.

2. Động cơ điện một chiều

* Cấu tạo:

- Gồm hai bộ phận chính: Nam châm và khung dây dẫn.

+ Nam châm tạo ra từ trường là bộ phận đứng yên, được gọi là stato.

+ Khung dây dẫn (ABCD) có dòng điện chạy qua là bộ phận quay, được gọi là rôto.

- Để lực điện từ luôn có tác dụng làm khung dây quay theo một chiều, dòng điện thường được đưa vào khung dây bằng một bộ góp. Bộ góp gồm:

+ Một cổ góp thường làm bằng đồng và có hình trụ, được chia thành 2 phiến góp và nối với hai đầu khung dây.

+ Hai thanh quét (C1 và C2), thường làm bằng than và có hình hộp chữ nhật, nằm tiếp xúc với các phiến góp và nối với nguồn điện để đưa dòng điện vào khung dây.

* Nguyên tắc hoạt động: Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên tác dụng của từ trường lên khung dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường.

- Khi động cơ điện hoạt động, điện năng của dòng điện được chuyển hóa thành cơ năng.

B. CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng: Xác định chiều của lực điện từ, chiều dòng điện và chiều quay của khung dây

1. Phương pháp giải

* Áp dụng quy tắc bàn tay trái:

- Khi biết chiều của lực điện từ và chiều dòng điện sẽ xác định được chiều của đường sức từ.

- Khi biết chiều của đường sức từ và chiều dòng điện sẽ xác định được chiều của lực điện từ.

- Khi biết chiều của đường sức từ và chiều của lực điện từ sẽ xác định được chiều của dòng điện.

* Xác định chiều quay của khung dây

Xem khung dây dẫn đặt như thế nào. Nếu:

- Mặt phẳng khung vuông góc với đường sức từ thì lực điện từ không làm cho khung quay mà chỉ làm cho nó giãn ra hoặc nén lại.

- Mặt phẳng khung không vuông góc với đường sức từ thì áp dụng quy tắc bàn tay trái để tìm chiều của lực điện từ tác dụng lên mỗi đoạn của khung dây rồi suy ra chiều quay của nó.

Chú ý: Quy ước chiều dòng điện trong hình vẽ

Dòng điện tiến ra trước: $\odot$

Dòng điện tiến ra sau: $\oplus$

2. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Một dây dẫn nằm ngang giữa hai cực Nam và Bắc của một nam châm. Cho dòng điện chạy qua dây theo chiều như hình vẽ, hãy xác định lực điện từ tác dụng lên dây dẫn.

Hướng dẫn giải

- Đường sức từ đi từ cực Bắc sang cực Nam của nam châm.

- Áp dụng quy tắc bàn tay trái: Đặt lòng bàn tay hướng về phía cực Bắc của nam châm để các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay. Bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện từ trong ra ngoài. Để ngón tay cái choãi ra 900 xác định được chiều của lực điện từ hướng lên trên theo phương vuông góc với dây.

Ví dụ 2: Áp dụng quy tắc bàn tay trái xác định chiều dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn AB trong hình

Hướng dẫn giải

- Đường sức từ đi từ cực Bắc sang cực Nam của nam châm.

- Áp dụng quy tắc bàn tay trái: Đặt lòng bàn tay hướng lên phía trên (hướng về phía cực Bắc của nam châm) để các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay. Đặt ngón tay cái theo chiều của lực điện từ (hướng từ trong ra ngoài). Bốn ngón tay chỉ chiều dòng điện từ B sang A.

Ví dụ 3: Trong hình vẽ khung dây được đặt song song với mặt phẳng của nam châm. Xác định chiều của lực điện từ tác dụng lên đoạn dây AB, BC, CD và DA.

Hướng dẫn giải

- Đường sức từ hướng từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S) của nam châm.

- Hai đoạn dây DA và BC có dòng điện chạy qua nhưng song song với đường sức từ nên không có lực điện từ tác dụng.

- Áp dụng quy tắc bàn tay trái, xác định lực điện từ tác dụng lên đoạn dây dẫn AB và CD có dòng điện chạy qua. Ta có lực điện từ tác dụng lên đoạn dây AB vuông góc với AB hướng xuống. Lực điện từ tác dụng lên đoạn dây CD vuông góc với CD hướng lên.

Ví dụ 4: Biểu diễn lực điện từ tác dụng vào các cạnh của khung dây dẫn có mặt khung dây song song với các đường sức từ được mô tả như hình vẽ. Tác dụng của các lực điện từ làm cho khung dây có xu hướng chuyển động như thế nào?

Hướng dẫn giải

- Đường sức từ hướng từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S) của nam châm.

- Hai đoạn dây AD và BC có dòng điện chạy qua nhưng song song với đường sức từ nên không có lực điện từ tác dụng.

- Áp dụng quy tắc bàn tay trái, xác định lực điện từ tác dụng lên đoạn dây dẫn AB và CD có dòng điện chạy qua. Ta có lực điện từ tác dụng lên đoạn dây AB vuông góc với AB hướng ra ngoài. Lực điện từ tác dụng lên đoạn dây CD vuông góc với CD hướng vào trong.

C. BÀI TẬP TỰ LUYỆN

Bài 1: Biểu diễn lực điện từ tác dụng lên các đoạn dây AB, CD của khung dây dẫn có dòng điện chạy qua ở các hình sau:

Cho biết các cặp lực điện từ tác dụng lên AB và CD trong mỗi trường hợp có tác dụng gì đối với khung dây?

Đáp án: Chiều của lực điện từ được biểu diễn như hình vẽ.

a) Làm cho khung dây quay theo chiều kim đồng hồ.

b) Có tác dụng kéo dãn khung dây.

c) Làm cho khung dây quay ngược chiều kim đồng hồ.

Bài 2: Đặt một đoạn dây dẫn trong lòng một nam châm hình chữ U, mặt cắt biểu diễn như hình vẽ. Trong đó kí hiệu $\oplus$ là chiều dòng điện chạy vuông góc và hướng ra sau trang sách, F là lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn. Hãy xác định các cực từ của nam châm hình chữ U nêu trên.

Đáp án: Nhánh nam châm bên phải là cực Bắc, nhánh nam châm bên trái là cực Nam.

Bài 3: Xác định chiều lực điện từ tác dụng lên dòng điện chạy trong dây dẫn AB trong hình

Đáp án: Chiều của lực điện từ được biểu diễn như hình.

Bài 4: Hãy biểu diễn chiều lực điện từ tác dụng lên đoạn dây AB (hình a) và chiều dòng điện I trong dây dẫn (hình b).

Đáp án:

Bài 5: Một khung dây có 4 điểm cố định A, B, C, D được đặt vuông góc với các đường sức từ của một nam châm. Dòng điện trong khung dây có chiều như hình vẽ. Cho biết chiều tác dụng của các lực điện từ lên các cạnh của khung dây. Kết quả của tác dụng đó là gì?

Đáp án: Áp dụng quy tắc bàn tay trái, thấy:

- Cạnh AB chịu tác dụng của lực điện từ hướng từ dưới lên trên.

- Cạnh CD chịu tác dụng của lực điện từ hướng từ trên xuống dưới.

- Cạnh AD chịu tác dụng của lực điện từ nằm ngang hướng từ trong ra ngoài khung dây.

- Cạnh BC chịu tác dụng của lực điện từ nằm ngang hướng từ trong ra ngoài khung dây.

Kết quả của các tác dụng này khiến cho khung dây bị cong ra phía ngoài.

Bài 6: Một khung dây có 4 điểm cố định A, B, C, D được đặt song song với các đường sức từ của một nam châm. Dòng điện trong khung dây có chiều như hình vẽ. Cho biết chiều tác dụng của các lực điện từ lên các cạnh của khung dây. Kết quả của tác dụng đó là gì?

Đáp án: Áp dụng quy tắc bàn tay trái, thấy:

- Cạnh AB và cạnh CD song song với các đường sức từ, không có lực điện từ tác dụng vào các cạnh này.

- Cạnh AD chịu tác dụng của lực điện từ hướng từ trong ra ngoài mặt phẳng hình vẽ (kí hiệu $\odot$).

- Cạnh BC chịu tác dụng của lực điện từ hướng từ ngoài vào trong mặt phẳng hình vẽ (kí hiệu $\oplus$).

Vì 4 đỉnh A, B, C, D là cố định, các lực điện từ có xu hướng làm cho cạnh AD cong ra ngoài và cạnh BC cong vào trong mặt phẳng hình vẽ. Các cạnh AB và CD không bị biến dạng.

Bài 7: Một nam châm hình chữ U và một dây dẫn thẳng được bố trí như hình a, b, c, d. Dòng điện trong dây dẫn có phương vuông góc với mặt phẳng trang giấy, chiều đi từ phía trước ra phía sau. Lực điện từ tác dụng lên dây dẫn có chiều thẳng đứng hướng xuống là trường hợp nào dưới đây?

Đáp án: Trường hợp a.

Bài 8: Hãy biểu diễn lực từ tác dụng lên dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua được đặt trong từ trường của một nam châm điện như hình vẽ. Dòng điện chạy qua dây dẫn có phương vuông góc với mặt phẳng trang giấy, chiều đi từ phía sau ra phía trước trang giấy.

Đáp án: Khi có dòng điện chạy trong nam châm điện như hình vẽ thì cực nam châm phía bên trái là cực Nam và phía bên phải là cực Bắc. Như vậy đường sức từ có chiều từ phải sang trái. Áp dụng quy tắc bàn tay trái, lực điện từ tác dụng lên dây dẫn có chiều thẳng đứng hướng xuống dưới.

Bài 9: Khung dây dẫn ABCD được móc vào một lực kế nhạy và được đặt sao cho đoạn BC nằm lọt vào khoảng giữa hai cực của một nam châm hình chữ U (hình vẽ). Số chỉ của lực kế sẽ thay đổi như thế nào khi cho dòng điện chạy qua khung dây theo chiều ABCD?

Đáp án: Theo quy tắc bàn tay trái, khi dòng điện chạy qua khung dây theo chiều ABCD thì lực từ tác dụng lên thanh BC theo phương thẳng đứng hướng xuống. Do đó làm tăng lực tác dụng lên lực kế, dẫn đến số chỉ của lực kế tăng.

Bài 10: Dưới đây là hình vẽ cắt ngang một khung dây dẫn có dòng điện chạy qua được đặt trong từ trường. Ban đầu hai cạnh của khung dây có vị trí 1. Do tác dụng của lực điện từ, khung quay lần lượt qua các vị trí 2, 3, 4, 5, 6.

a) Biểu diễn lực điện từ tác dụng lên khung tại các vị trí xác định ở trên.

b) Tại vị trí thứ 6, lực điện từ có tác dụng làm khung quay không? Nếu do quán tính, khung quay thêm một chút nữa thì tại vị trí mới lực điện từ sẽ có tác dụng làm khung quay như thế nào?

c) Giả sử khi đã vượt qua vị trí thứ 6, ta đổi chiều dòng điện trong khung, hiện tượng sẽ ra sao?

Đáp án:

a) Biểu diễn lực điện từ tác dụng lên khung

b) Tại vị trí thứ 6, lực điện từ không có tác dụng làm khung quay. Nếu do quán tính, khung quay thêm một chút nữa thì tại vị trí mới, lực điện từ sẽ có tác dụng kéo khung quay về vị trí thứ 6 như hình vẽ:

c) Giả sử khi đã vượt qua vị trí thứ 6, ta đổi chiều dòng điện trong khung thì lực từ tác dụng sẽ đổi chiều như hình vẽ làm cho khung tiếp tục quay thêm nửa vòng nữa theo chiều cũ.

Xem thêm các dạng bài tập Vật Lí 9 có đáp án và lời giải chi tiết khác:

Bài tập về truyền tải điện năng đi xa, máy biến thế và cách giải

Bài tập khúc xạ ánh sáng và cách giải

Bài tập ảnh của một vật qua thấu kính và cách giải

Bài tập về mắt và cách giải

Bài tập về sự tạo ảnh trong máy ảnh và cách giải