高中物理 6.1 探究磁场对电流的作用 （鲁科版选修3-1）

欢迎进入物理课堂 第1节探究磁场对电流的作用 1 知道安培力的定义 会用F IlB计算B与I垂直情况下的安培力 2 掌握左手定则 并会用它解答有关问题 3 知道电流表的基本构造和基本原理 1 如下图所示 实线是一簇未标明方向的由点电荷Q产生的电场线 若带电粒子q Q q 由a运动到b 电场力做正功 已知在a b两点粒子所受电场力分别为Fa Fb 则下列判断正确的是 A 若Q为正电荷 则q带正电 Fa FbB 若Q为正电荷 则q带正电 Fa FbC 若Q为负电荷 则q带正电 Fa FbD 若Q为负电荷 则q带正电 Fa Fb 解析 考查电场强度与电场力的关系 a点的电场线密度比b点大 电场强度大 同一电荷受到的电场力大 Fa Fb 如果Q是正电荷 由于电场力对q做正功 q受到的电场力方向向右 q带正电 A正确 B不正确 如果Q是负电荷 由于电场力对q做正功 q受到的电场力方向向右 q带负电 C D不正确 答案 A 2 动手试一试 如图所示 把一条通电导线平行地放在小磁针的上方 我们发现小磁针发生偏转 当改用两节或者更多的电池时 小磁针偏转的快慢有什么变化 把小磁针放在距离导线稍远的地方进行实验 小磁针偏转的快慢又有什么变化 这说明什么 答案 变快变慢这说明电流大时 小磁针受到的作用力大 1 影响安培力大小的因素有哪些 2 如何计算安培力的大小 3 左手定则的内容是什么 4 如何判断安培力的方向 5 电流计的工作原理是什么 一 科学探究 安培力1 安培力 磁场对的作用力 2 影响安培力的因素 1 实验探究方法 2 当通电导线与磁感线垂直时 实验结论是 当其他因素不变 磁感应强度增大时 安培力 电流 控制变量法 增大 当其他因素不变 电流增大时 安培力 当其他因素不变 导体长度增大时 安培力 安培力的方向由和共同决定 增大 增大 磁场的方向 电流的方向 3 安培力的大小和方向 1 大小在匀强磁场中 当通电导线与磁场时 通电导线所受的安培力最大 等于 和的乘积 F 2 方向 遵守定则 方法为 伸开 让拇指和其余四指 并与手掌在同一平面内 让磁感线垂直穿过 四指指向方向 那么 拇指所指方向即为通电直导线在磁场中的 垂直 磁感应强度 电流 导线的长度 BIL 左手 左手 垂直 手心 电流 安培力的方向 二 安培力就在你身边1 电流表 等都是安培力的应用 2 电流计的原理 当被测电流流入线圈时 线圈受作用而转动 线圈的转动使游丝扭转形变 产生阻碍线圈转动的力矩 当安培力产生的转动与游丝形变产生的阻碍达到时 指针便停留在某一刻度 线圈偏转的越大 被测电流就越大 所以根据线圈偏转角度的大小 可以确定被测电流的大小 根据线圈偏转的 可以知道被测电流的方向 电动机 安培力 平衡 角度 方向 一 关于安培力的方向问题应注意以下几点1 安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面 在判断时首先确定磁场与电流所确定的平面 从而判断出安培力的方向在哪一条直线上 然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向 2 注意区别安培力的方向和电场力的方向与场的方向的关系 安培力的方向总是与磁场的方向垂直 而电场力的方向与电场的方向平行 3 当电流方向跟磁场方向不垂直时 安培力的方向仍垂直于电流与磁场所决定的平面 所以仍可用左手定则来判断安培力的方向 只是磁感线不再垂直穿过手心 无论通电导线与磁感线的夹角如何 安培力的方向一定可以用左手定则来判断 当导线和磁感线不垂直时 把导线所在处的磁感应强度B分解为跟导线平行的分量B 和跟导线垂直的分量B 让B 垂直穿过掌心 不管怎样 安培力一定垂直于导线与磁感线所决定的平面 1 如下图所示 F是磁场对通电直导线的作用力 其中正确的示意图是 答案 AD 二 对安培力公式F BIL的理解1 安培力公式一般用于匀强磁场 或通电导线所处区域的B的大小和方向相同 如果通电导线各部分所处的位置B的大小 方向不相同 应将导线分成若干段 使每段导线所处的区域B的大小和方向近似相同 求出各段导线受到的磁场力 然后再求合力 1 安培力的大小 在匀强磁场B中 长为L的导体 通入电流I 若磁场和电流垂直 F BIL 若磁场和电流平行 F 0 若磁场和电流成 角 如图所示 将磁感应强度B正交分解成B Bsin 和B Bcos 而B 对电流是没有作用力的 则F B IL BILsin 即F BILsin 2 如下图所示的各图中 磁场的磁感应强度大小相同 导线两端点距离均相等 导线中电流均相等 则各图中有关导线所受的安培力的大小的判断正确的是 A d图最大B b图最大C 一样大D 无法判断 解析 安培力公式F BIL 其中L 为垂直于磁场方向的有效长度 a b c d四个图中导线的有效长度相等 所以所受的安培力大小相等 答案 C 实验与探究 会动的铝箔 天桥 点拨 当电池的负极与铝箔接通时 天桥 会受到向下的力的作用 因此向下弯曲 改变电池的正负极接线 天桥 受到向上的力的作用 向上弯曲 若将磁铁的S极 N极交换位置 天桥 也会向反方向弯曲 讨论与交流 电动机转动的原理 点拨 电动机线圈在磁场中转动 在如图甲所示的情况下 AB边朝上 CD边朝下转动 图乙中线圈整体所受安培力为零 但由于线圈转动的惯性而按原方向转动 图丙中AB边朝下 CD边朝上转动 图丁中线圈整体所受安培力为零 但由于线圈转动的惯性而按原方向转动 线圈中的电流越大 磁场越强 线圈转动越快 通电线圈在磁场中转动 线圈消耗了能 获得机械能 电能转化为机械能 如图所示的三维空间内 匀强磁场方向沿 x方向 在平面xOz内有一通电直导线 若它所受的安培力方向沿 y方向 则 A 该通电导线一定不会沿平行Ox方向放置B 该通电导线一定平行Oz方向放置C 无论通电导线怎样放置 它总受到 y方向的安培力D 沿 x方向观察导线中的电流方向 应该为向右方向 解析 当通电导线与匀强磁场平行时 它不受安培力作用 而题意说导线受到安培力作用 说明导线一定不会沿平行Ox方向放置 因此选项A正确 根据左手定则确定的关系可知 安培力一定垂直于磁场方向和电流方向确定的平面 但电流方向不一定与磁场方向垂直 因此选项B错误 根据左手定则判定知 通电导线如果任意放置在xOz平面内 它受到的安培力时 方向有沿 y方向和 y方向两种可能 沿Ox方向观察 当电流向右时 安培力沿 y方向 当电流向左时 安培力沿 y方向 因此选项C错误 选项D正确 答案 AD 1 1 一根容易形变的弹性导线 两端固定 导线中通有电流 方向如下图中箭头所示 当没有磁场时 导线呈直线状态 当分别加上方向竖直向上 水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时 描述导线状态的四个图示中正确的是 答案 D 一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置 且两个线圈的圆心重合 当两线圈通以如图所示的电流时 从左向右看 则线圈L1将 A 不动B 顺时针转动C 逆时针转动D 向纸面内平动 解析 解法一 利用结论法 环形电流L1 L2之间不平行 则必有相对转动 直到两环形电流同向平行为止 据此可得L1的转动方向应是 从左向右看线圈L1顺时针转动 解法二 等效分析法 把线圈L1等效为小磁针 该小磁针刚好处于环形电流I2的中心 通电后 小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向 由安培定则知I2产生的磁场方向在其中心竖直向上 而L1等效成小磁针后转动前 N极应指向纸里 因此应由向纸里转为向上 所以从左向右看 线圈L1顺时针转动 解法三 直线电流元法 把线圈L1沿转动轴分成上下两部分 每一部分又可以看成无数直线电流元 电流元处在L2产生的磁场中 据安培定则可知各电流元所在处磁场方向向上 据左手定则可得 上部电流元所受安培力均指向纸外 下部电流元所受安培力均指向纸里 因此从左向右看线圈L1顺时针转动 故正确答案为B 答案 B 不管是电流还是磁体 对通电导线的作用都是通过磁场来实现的 因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况 然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动 在实际操作过程中 往往采用以下几种方法 2 1 如图所示 固定的蹄形磁铁上方水平放置一通电直导线 导线中通以向右的电流 若导线可以自由运动 试判断其运动情况 解析 1 电流元法 如甲图所示 把直线电流等效为AO OB两段电流元 由左手定则可以判断出AO段受力方向垂直纸面向内 OB段受力方向垂直纸面向外 因此 从上向下看AB将以中心O为轴逆时针转动 2 特殊位置法 让导线转过90 的特殊位置来分析 根据左手定则可知安培力的方向向下 如乙图所示 故导线在逆时针转动的同时向下运动 答案 从上向下看逆时针转动 同时向下运动 如下图所示 在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线 电流强度为I 磁感应强度为B 求各导线所受到的安培力 解析 本题考查对安培力计算公式的正确理解 F BILsin B IL B 为磁场在垂直导线电流方向的分量即为有效磁场 或者F BIL 其中L 为垂直于磁场方向的有效长度 A图中FA BILcos 此时不能死记公式 而写成sin 要理解公式本质是有效长度或有效磁场 要正确分解 B图中 不论导线怎么放 也会在纸平面内 因此B I 故FB BIL 答案 A 质量为m 长度为L的导体棒MN静止于水平导轨上 通过MN的电流为I 匀强磁场的磁感应强度为B 方向与导轨平面成 角斜向下 如图所示 求棒MN受到的支持力和摩擦力 解析 求解此题容易犯的错误就是认为磁感应强度B与棒MN斜交成 角 实际上尽管磁感线倾斜 角 但磁场方向与棒MN仍是正交的 由左手定则判断安培力的方向时 要注意安培力的方向既垂直于电流方向又垂直于磁场方向 垂直于电流方向和磁场方向所决定的平面 棒MN受力分析如上图所示 由平衡条件有水平方向 F Fsin 竖直方向 FN Fcos mg且F BIL从而得F BILsin FN BILcos mg 答案 BILcos mgBILsin 1 安培力与重力 电场力一样 也是一种 性质力 故受力分析时应单独作为一种力分析 不可漏掉 2 安培力的方向垂直于B I平面 分析时要有一定的空间想象能力 画受力分析图时 将立体图转化为平面图 3 在安培力作用下的物体平衡的解决步骤和前面学习的共点力平衡相似 一般也是先进行受力分析 再根据共点力平衡的条件列出平衡方程 其中重要的是在受力分析过程中不要漏掉了安培力 4 1 解析 要解决此题须分析好导线MN的受力 要分析MN的受力可将图改为沿MN方向观察的平面图 即导线MN受到重力G 支持力FN和安培力F安 安培力方向或向左或向右 但只要MN静止安培力必向右 如右图所示 由安培定则可判断磁场方向向下 由平衡条件可求得F安 Gtan37 又F安 BIL 所以B 0 075T 答案 B 0 075T 方向竖直向下 1 一段通电导线平行于磁场方向放入匀强磁场中 导线上的电流方向由左向右 如右图所示 在导线以其中心点为轴转动90 的过程中 导线受到的安培力 A 大小不变 方向不变B 由零增大到最大 方向时刻改变C 由最大减小到零 方向不变D 由零增大到最大 方向不变 解析 导线转动前 电流方向与磁场方向平行 导体不受安培力 当导体转过一个小角度后 电流与磁场不再平行 导体受到安培力的作用 当导体转过90 时 电流与磁场垂直 此时导体所受安培力最大 根据左手定则判断知 力的方向始终不变 选项D正确 答案 D 2 磁电式电流表蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的目的是 A 使磁场成圆柱形 以使线圈转动B 使线圈平面在水平位置与磁感线平行C 使线圈平面始终与磁感线平行D 为了使磁场分布规则 答案 C 3 直导线AB与圆线圈的平面垂直且隔有一小段距离 直导线固定 线圈可以自由运动 当通过如右图所示的电流时 同时通电 从左向右看 线圈将 A 顺时针转动 同时靠近直导线ABB 顺时针转动 同时离开直导线ABC 逆时针转动 同时靠近直导线ABD 不动 解析 先用安培定则判断出AB导线右侧的磁场向里 因此 环形电流内侧受力向下 外侧受力向上 从左向右看应逆时针方向转 当转到与AB共面时知道AB与环左侧吸引 与环右侧排斥 由于左侧离AB较近 则引力大于斥力 所以环靠近导线AB 故选项C正确 答案 C 4 2009年重庆卷 如下图所示电路中 电池均相同 当电键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 5 条形磁铁放在水平桌面上 它的上方靠S极的一侧悬挂一根与它垂直的导体棒 如右图所示 图中只画出此棒的横截面 且标出棒中的电流是流向纸内的 在通电的一瞬间 可能产生的情况是 A 磁铁对桌面的压力减小B 磁铁对桌面的压力增大C 磁铁受到向左的摩擦力D 磁铁受到向右的摩擦力 解析 在磁铁外部磁感线由N极指向S极 通电导体棒处在磁场中 由左手定则可知其所受的安培力 所以 条形磁铁也受到反作用力产生两种效果 其一向上提起的效果 其二向右运动的效果 即磁铁对桌面的压力减小 同时磁铁受到向左的摩擦力的作用 故A C正确 答案 AC 练考题 验能力 轻巧夺冠 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