高中物理5.4《探究安培力》课件2（沪科选修3-1）

欢迎进入物理课堂 5 4探究安培力 在日常生活中 像奥斯特实验 指南针 医疗与磁悬浮列车等磁的应用 都离不开 力 像电荷在电场中会受到力一样 电流在磁场中也会受到力的作用 安培在研究磁场与电流的相互作用方面做出了杰出的贡献 为了纪念他 人们把通电导线在磁场中受的力称为安培力 安培力的方向 大小有何规律呢 1 基本定义磁场对电流的作用力叫做安培力 2 要点剖析 1 安培力的大小 在匀强磁场中 长为L的导体 通入电流I 若磁场B和电流I垂直时F BIL 若磁场B和电流I平行时F 0 若磁场B和电流I成 角时F BILsin 2 安培力的方向通电导线在磁场中所受安培力的方向可用左手定则判断 左手定则 伸开左手 使大拇指跟其余四指垂直 并且都跟手掌在一个平面内 让磁感线垂直 或倾斜 穿入手心 伸开四指指向电流方向 大拇指所指的方向即为导线所受安培力的方向 电流所受安培力的方向既跟磁场方向垂直 又跟电流方向垂直 所以安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所确定的平面 3 思维拓展 1 通电导体在安培力作用下运动方向的判断技巧 电流元受力分析法即把整段电流等分为很多段直线电流元 先用左手定则判断出每小段电流元受到的安培力方向 再判断整段电流所受安培力合力的方向 从而确定导体的运动方向 特殊位置分析法把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置 如转过90 后 再判断所受安培力方向 从而确定运动方向 等效分析法环形电流可等效为小磁针 条形磁铁也可等效为环形电流 通电螺线管可等效成多个环形电流或条形磁铁 利用结论法a 两电流相互平行时无转动趋势 同向电流相互吸引 反向电流相互排斥 b 两电流不平行时 有转动到相互平行且电流方向相同的趋势 2 安培力大小的计算方法 正交分解法如上图所示 通电直导线L与磁场方向的夹角为 可将磁感应强度B正交分解成B 和B 两个分量 所以导线产生的安培力为F B IL BILsin 等效法所谓等效法是指用有效长度计算安培力的大小 如右图所示 弯曲导线的有效长度为L 等于两端点所连直线的长度 相应的电流方向 沿L由始端流向末端 因为任意形状的闭合线圈 其有效长度L 0 所以通电后在匀强磁场中 受到的安培力的矢量和一定为零 故任意弯曲的通电导线所受安培力一定等于直导线AB所受的安培力 即F BIL 安培力做功与路径有关 所以 绕闭合回路一周 安培力可以做正功 也可以做负功 还可以做零功 而不像重力和电场力做功一定为零 安培力做功的实质 将电源的能量传递给通电导线 而磁场本身并不提供能量 4 磁感应强度与电场强度的比较 4 易误警示 1 公式F BILsin 的适用条件 公式适用导线处在匀强磁场中 或导线所在范围内B是一个恒量 公式中 指磁场和电流方向的夹角 公式中各物理量的单位为 F 牛顿N B 特斯拉T I 安培A L 米m 2 安培定则和左手定则的区分安培定则是用来确定直线电流方向 环形电流方向 螺线管 与其产生的磁感线方向之间关系的法则 左手定则是用来表示磁场方向 电流方向 电荷运动方向 和磁场力方向之间关系的法则 两定则都各自存在因果关系 安培定则的 原因 是指电流 结果 是指电流产生的磁场 左手定则的 原因 是指通电导线 运动的带电粒子 处在磁场中 结果 是指导线受到的安培力 安培力的方向 如下图所示电路中 电池均相同 当开关S分别置于a b两处时 导致MM 与NN 之间的安培力的大小分别为fa fb 可判断这两段导线 A 相互吸引 fa fbB 相互排斥 fa fbC 相互吸引 fa fbD 相互排斥 fa fb 解析 不管电流方向如何 MM 和NN 两段导线中的电流方向总是相反的 则两段导线始终产生排斥力 又安培力的大小和电流成正比 单刀双掷开关接b时的电压高 则电流大 两段导线间产生的安培力也大 答案 D 解决此类问题通常是先用安培定则分析磁场 再用左手定则分析通电导线受力 注意有时应将电流分区 分段考虑 1 在赤道上空 有一条沿东西方向水平架设的导线 当导线中的自由电子自东向西沿导线做定向移动时 导线受到地磁场的作用力的方向为 A 向北B 向南C 向上D 向下 解析 电流方向自西向东 赤道上空地磁场方向由南向北 则由左手定则得安培力方向向上 应选C 答案 C 如右图所示 导体杆ab的质量为m 电阻为R 放置在与水平面夹角为 的倾斜金属导轨上 导轨间距为d 电阻不计 系统处在竖直向上的匀强磁场中 磁感应强度为B 电池内阻不计 问 若导线光滑 电源电动势E多大才能使导体杆静止在导轨上 解析 本题考查闭合电路欧姆定律 共点力的平衡 安培力公式的应用 解题时可先根据受力情况求出安培力 并进一步求出电流 最后由闭合电路欧姆定律求出电源电动势 由闭合电路欧姆定律得 E IR导体杆受力情况如右图 则由共点力平衡条件可得F安 mgtan F安 BId 这是一道力 电 磁综合问题 解决这类问题的基本思路是 1 若是立体图 则必须先将立体图转换为平面图 2 对物体受力分析 要注意安培力方向的确定 3 根据平衡条件或物体的运动状态列出方程 4 如果用到其他规律 如闭合电路欧姆定律 牛顿第二定律 能量的转化与守恒等 也要列出相应的方程 5 解方程求解并验证结果 2 如右图所示 条形磁铁放在水平桌面上 在其正中央上方固定一根长直导线 导线与条形磁铁垂直 当导线中通以垂直纸面向里的电流时 用N表示磁铁对桌面的压力 用f表示桌面对磁铁的摩擦力 则导线通电后与通电前受力相比较是 A N减小 f 0B N减小 f 0C N增大 f 0D N增大 f 0 解析 用牛顿第三定律分析 画出一条通电电流为I的导线所在处的磁铁的磁感线 电流I处的磁场方向水平向左 由左手定则知 电流I受安培力方向竖直向上 根据牛顿第三定律可知 电流对磁铁的反作用力方向竖直向下 所以磁铁对桌面压力增大 而桌面对磁铁无摩擦力作用 故正确答案为选项C 答案 C 1 安培力 1 定义 通电导线在磁场中受到的磁场力 2 安培力的方向 方向 与电流 磁感应强度的方向都 即于电流 磁感应强度所决定的平面 判断方法 左手定则 伸开左手 使拇指与其余四个手指 并且都与手掌在同一平面内 让磁感线从进入 并使四指指向 这时所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向 垂直 垂直 垂直 掌心 电流的 方向 拇指 2 安培力的大小 1 垂直于磁场B放置的通电导线 公式F 2 当磁感应强度B的方向与导线方向成 角时 公式 F ILB ILBsin 1 考查点 磁感应强度的单位 下列可用来表示磁感应强度的单位关系的是 A 1T 1kg m2B 1T 1kg A s2 C 1T 1kg m2 A s2 D 1T 1N A m 答案 BD 2 考查点 安培力方向的判断 关于磁场对通电直导线的作用力 安培力 下列说法正确的是 A 通电直导线在磁场中一定受到安培力的作用B 通电直导线在磁场中所受安培力的方向一定跟磁场的方向垂直C 通电直导线在磁场中所受安培力的方向一定跟电流的方向垂直D 通电直导线在磁场中所受安培力的方向垂直于由B和I所确定的平面 解析 当电流方向与磁场方向平行时 通电直导线不受安培力作用 故A错误 据左手定则 判定安培力方向总垂直于电流方向和磁场方向所确定的平面 故B C D均正确 答案 BCD 3 考查点 左手定则的应用 一根长直导线穿过载有恒定电流的环形导线中心且垂直于环面 导线与环中的电流如图所示 则环的受力 A 沿环的半径向外B 沿环的半径向里C 水平向左D 不受力 解析 电流I2产生的磁场方向与I1的环绕方向处处平行 所以I1不受磁场力 答案 D 4 考查点 安培力的大小与方向 一根有质量的金属棒MN 两端用细软导线连接后悬挂于a b两点 如右图所示 棒的中部处于方向垂直纸面向里的匀强磁场中 棒中通有电流 方向从M流向N 此时悬线上有拉力 为了使拉力等于零 可 A 适当减小磁感应强度B 使磁场反向C 适当增大电流强度D 使电流反向 答案 C 5 考查点 磁感应强度的理解 下列关于磁感应强度大小的说法中正确的是 A 磁感应强度的大小等于通电导线受到的磁场力的大小F与电流I及导线长度L的乘积的比值B 通电导线所受磁场力大的地方磁感应强度一定大C 电流在磁场中的某点不受磁场力 则该点的磁感应强度一定为零D 磁感应强度的大小跟放在磁场中的通电导线受力的大小无关 解析 定义磁感应强度时 导线与磁场方向垂直 A中无 垂直 故A错误 磁感应强度大小与导线受力大小无关 故B错误 当导线与磁场平行时 导线受磁场力为零 因此 电流在磁场中某点不受磁场力 并不能说明此处磁感应强度为零 故C错误 磁感应强度是磁场本身的属性 它的大小决定于磁场本身 跟F I L无关 D正确 答案 D 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全