电流表的工作原理1

第三节 电流表的工作原理教学目标：1.知道电流表的构造.2.知道电流表的内部磁场的分布特点.3.能准确判定线圈各边所受磁场力的方向.4.会推导线圈所受安培力的力矩，理解电流表的刻度为什么是均匀的.教学重点：1.电流表的构造及表内的磁场分布特点.2.通电线圈所受安培力矩的计算.教学难点：1.表内的磁场分布特点.2.电流表的刻度为什么是均匀的.教学方法：阅读法、讲授法、分析推理法教学用具：演示电流表、投影仪、投影片、实物投影仪教学过程一、复习提问，引入新课提问什么磁感应强度？它的物理意义和性质各是什么？学生答在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的安培力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫磁感应强度，即.磁感应强度是矢量，把某点的磁场方向定义为该点的磁感应强度的方向.磁感应强度B是表示磁场强弱和方向的物理量.磁感应强度由磁场本身决定，即由产生磁场的电流大小、分布和点的位置决定，与检验电流无关.提问什么是安培力？学生答磁场对电流的作用力叫安培力.提问安培力的大小如何计算？学生答在匀强磁场中，在通电直导线和磁场方向垂直的情况下，电流所受的安培力F等于磁场感应强度B，电流I和导线长度L三者的乘积，即F=BIL.提问安培力的方向如何判断？学生答通电直导线所受安培力的方向和磁场方向、电流方向之间的关系，可以用左手定则来判定：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向电流的方向，那么大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向.教师讲述在日常生产生活以及科学实验中，处处都用到一种测量电流强弱和方向的仪表电流表.这节课我们就一起研究电流表的工作原理.二、新课教学1.电流表的组成及磁场分布请同学们阅读课文，然后回答.电流表主要由哪几部分组成的？数分钟后，教师出示实物投影.学生答电流表由永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘等六部分组成.电流表的组成：永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘.实物投影课本图16-21问题电流表中磁场分布有何特点呢？教师讲解电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的.问题什么是均匀辐向分布呢？教师进一步讲解所谓均匀辐向分布，就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，不管线圈处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度.该磁场并非匀强磁场，但在以铁芯为中心的圆圈上，各点的磁感应强度B的大小是相等的.问题假如线圈转动，磁铁和铁芯之间的两个边所经过的位置其磁场强弱怎样？abcdO/OB学生思考后回答假如线圈转动，磁极和铁芯之间的两个边所经过的位置其磁场强弱是相同的.2.线框在匀强磁场中的磁力矩.投影片出示例题如图所示，单匝矩形线圈的边长分别为ab=cd=L1,bc=ad=L2,它可以绕对称轴OO转动，线圈中的电流强度为I，线圈处于Fa(b)Fd(c)B磁感应强度B的匀强磁场中，当线圈平面与磁场平行时，求线圈所受的安培力的总力矩.解析：线圈平面与磁场平行时，所受力如图所示，两边安培力的大小为F=BIL1，这一对力偶的力偶臂为L2，所受安培力的总力矩M=BIL1L2=BIS.教师在此基础上又提问两个问题：Fa(b)Fd(c)B问题1在上题的基础上，如果是n匝线圈，则线圈所受安培力的力矩为多大？学生答如果是n匝线圈，则线圈所受安培力的力矩为M=nBIS.问题2如果是n匝线圈，当线圈平面与磁场方向成角时，线圈所受安培力的力矩又为多大？一个学生上黑板解答如下当线圈平面与磁场方向成角时，ab、cd边受力情况如图所示.若为n匝线圈，ab、cd边受的安培力仍为平面与B平行时的大Fa(b)Fd(c)B小，但这一对力的力偶臂变为L2cos，则线圈所受安培力的力矩为M=nBIScos.说明：在匀强磁场，转轴OOB的条件下，M与转轴的位置及线圈的形状无关.当线圈平面与磁感线平行时，00，磁力矩最大；当线圈平面与磁感线垂直时，900，磁力矩为零.投影片出示例题如图所示，一正三角形线圈，放在匀强磁场中，磁场与线圈平面平行，设I=5 A,磁感应强度B=1.0 T，三角形边长L=30 cm.求线圈所受磁力矩的大小及转动方向.（电流方向为acba）解答一因为在匀强磁场中，在转轴OO和B相垂直的条件下，M与转轴的位置和线圈的形状无关.所以M=BIS=1.0 T5 A0.3 m0.3 msin60=0.2 Nm.根据左手定则ab边受的安培力方向垂直于ab边向下，ac边受的安培力方向垂直于ac边向上，所以线圈的转动方向为：从上往下看为顺时针转动.解答二bc边不受安培力；ab、ac受力等大反向，可认为安培力作用在它们的中点，磁力矩为M=2Fsin30 F=BILcos30由以上二式求出M=0.2 Nm，从上往下看转动方向为顺时针方向.3.电流表的工作原理实物投影课本图1621教师结合图进行讲解如图，矩形线框两条边所受安培力大小相等，方向相反，大小为F=BIL，但两力不在一条直线上，两个力形成一对力偶，设两力间距为d，则安培力矩M=Fd=BIL d=BIS(其中S为线圈面积).由于线圈由n匝串联而成，所以线框所受力矩应为M1=NBIS,电流表内的弹簧产生一个阻碍线圈偏转的力矩，已知弹簧产生的弹性力矩M2与指针的偏转角度成正比，即M2=k，（其中k由弹簧决定）当M1=M2时，线圈就停在某一偏角上，固定在转轴上的指针也转过同样的偏角，并指示刻度盘上的某一刻度，从刻度的指示数就可以测得电流强度.由M1=M2可得NBIS=k，=I从公式中可以看出：（1）对于同一电流表N、B、S和k为不变量，所以I,可见与I一一对应，从而用指针的偏角来测量电流强度I的值；（2）因I,随I的变化是线性的，所以表盘的刻度是均匀的.问题对比F=kx，你能说出M=k中k的决定因素及意义吗？学生答M=k中k决定于弹簧的材料，金属丝的粗细、形状、螺旋半径等；由k=M/知k的物理意义为弹簧扭转单位角度所产生的力矩.让同学们阅读课文，回答以下两个问题.投影片出示问题1.为什么电流表可测出电流的强弱和方向？2.磁电式仪表的优缺点是什么？学生答磁场对电流的作用力和电流成正比，因而线圈中的电流越大，安培力产生的力矩也越大，线圈和指针偏转的角度也越大，因此，根据指针偏转角度的大小，可以知道被测电流的强弱.当线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变，所以，根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向.学生答磁电式仪表的优点是灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是绕制线圈的导线很细，允许通过的电流很弱（几十微安到几毫安）.如果通过的电流超过允许值，很容易把它烧坏.三、巩固练习投影片出示练习题1.复述电流表中磁场的分布特点.2.对电流表的指针，在什么情况下静止在某刻度？abcdO/OB学生答1.电流表中磁场是均匀地辐向分布的，不管通电线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行.2.当安培力矩M和螺旋弹簧产生的力矩M相平衡时，线框连同指针达到平衡，静止在某一刻度.3如图所示，匀强磁场中有一通以方向如图的恒定电流的矩形线圈abcd，可绕中心轴OO/转动，则在转动过程中：（CD）Aad和bc两边始终不受安培力作用Bab和cd两边受到的安培力的大小和方向在转动过程中不断变化Cab和cd两边受到的安培力的大小和方向在转动过程中始终不变D线圈所受的安培力在转动过程中合力始终为零4如图所示，一位于xy平面内的矩形通电线框只能绕ox轴转动，线圈的4个边分别与x、y轴平行，线圈中电流方向如图，当空间加上如下所述的哪种磁场线圈会转动起来.(B)A.方向沿x轴的恒定磁场B.方向沿y轴的恒定磁场C.方向沿z轴的恒定磁场D.方向沿x轴的反方向的恒定磁场5U形金属框的质量为m，每边长为a，可绕AC轴转动，如果空间有一匀强磁场，磁感应强度为B，方向竖直向下，当框中通以电流I时，求平衡后U形框平面与竖直方向的夹角.分析与解：线框在重力和磁力矩的作用下平衡时，由力矩的平衡条件得：MF=MG FBmg(从左向右看到的侧视图)Dmg 即：BILLcos=mgLsin+mgLsinBACDE则：tan=四、小结通过本节课的学习，我们学到了以下知识：1.磁场对通电线圈的作用磁力矩.（1）磁场与通电线圈平行时，磁力矩最大，Mm=NBIS,这里N、S分别为线圈的匝数和面积.（2）当磁场与通电线圈垂直时M=0.（3）磁场与通电线圈的平面成角时，磁力矩M=NBIScos.注意：磁力矩的公式与线圈的形状无关.2.电流表（1）结构 （2）磁场分布特点 （3）工作原理 （4）优缺点五、板书设计1.磁场对通电导线的作用磁力矩.(1)磁场与通电导线平行时，磁力距最大.Mmax=NBIS.(2)磁场与通电线圈平面成角时M=NBIScos.(3)当磁场与通电线圈平面垂直时M=0.注意：磁力矩的公式与线圈的形状无关.2.电流表（1）结构：永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘（2）磁场分布特点：电流表的磁场分布是均匀地辐向分布的（3）工作原理：指针转过的角度与所通过的电流强度成正比电流表的刻度是均匀的（4）优缺点六、作业：创新作业 P116 19