2017-2018学年高中物理 第三章 磁场 第2讲 磁场对通电导线的作用——安培力学案 教科版选修3-1.doc

第2讲 磁场对通电导线的作用安培力目标定位1.知道安培力的定义，会用FILB计算B与I垂直情况下的安培力.2.熟练运用左手定则判断安培力 的方向.3.了解直流电动机构造和工作原理.4.体会控制变量法在科学研究中的作用一、安培力1定义：磁场对通电导线的作用力2安培力的大小实验探究(1)实验表明：当通电导线与磁场方向平行时，导线不受力，即F0(2)精确实验表明：通电导线与磁场方向垂直时，磁场对通电导线作用力的大小与导线长度和电流大小都成正比，即FIL，比例系数与导线所在位置的磁场强弱有关，用符号B表示，则磁场对通电导线作用力的公式为FILB3安培力的方向判定(1)左手定则：如图1所示，伸出左手，四指并拢，使大拇指和其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向沿电流方向，则大拇指所指方向就是通电导线所受安培力的方向图1(2)安培力方向垂直于电流方向和磁场方向所决定的平面深度思考(1)若导线不受磁场力，该处一定无磁场吗？(2)当通电导线与磁感线不垂直时，还可用左手定则判断安培力的方向吗？答案(1)当通电导线与磁场平行时不受磁场力，由此可知，当导线不受磁场力作用时无法判定该处有无磁场(2)可以当电流方向跟磁感线方向不垂直时，安培力的方向仍垂直于电流和磁场共同决定的平面，所以仍可用左手定则来判断安培力的方向，只是磁感线斜着穿过手心例1 画出下列各图中磁场对通电导线的安培力的方向解析无论B、I是否垂直，安培力总是垂直于B与I决定的平面，且满足左手定则答案如图所示二、电动机安培力的重要应用利用磁场对通电导体的作用1电动机是将电能转化为机械能的装置2电动机分直流电动机和交流电动机3直流电动机的构造原理：图2如图2所示，直流电动机由磁场(磁体)、转动线圈、滑环、电刷及电源组成，滑环相当于换向器当线圈通电后，由于受安培力作用，线圈在磁场中旋转起来深度思考(1)电动机工作时，通电线圈的四条边是否都受到安培力作用？(2)把滑环设计成由两个半圆环A、B组成，有什么作用？答案(1)与磁感线平行的两个边不受安培力作用(2)把滑环分成两个半圆环A 与B，当电流由A 流入时，则从B 流出；当电流由B 流入时，则从A 流出因此，滑环在其中起了一个换向器的作用例2关于直流电动机，下列叙述正确的是()A直流电动机的原理是电流的磁效应B直流电动机正常工作时，是将电能转化为机械能C直流电动机的换向器是由两个彼此绝缘的铜制半环组成的D电源的正负极和磁场的方向同时改变，直流电动机的转动方向也改变解析直流电动机的原理是通电线圈在磁场中受力转动，故A错误；直流电动机正常工作时，是将电能转化为机械能，B正确；直流电动机的换向器是由两个彼此绝缘的铜制半环组成的，C正确；电源的正负极和磁场的方向同时改变，直流电动机的转动方向不变，故D错误答案BC三、安培力作用下物体运动方向的判断方法1电流元法即把整段通电导体等效为多段直线电流元，运用左手定则判断出每小段电流元所受安培力的方向，从而判断出整段通电导体所受合力的方向2特殊位置法把通电导体或磁铁放置到一个便于分析的特殊位置后再判断所受安培力方向，从而确定运动方向3等效法环形导线和通电螺线管都可以等效成条形磁铁条形磁铁也可等效成环形导线或通电螺线管通电螺线管也可以等效成很多匝的环形导线来分析4利用结论法(1)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；(填“吸引”或“排斥”)(2)两电流不平行时，有转动到相互平行且电流方向相同(填“相同”或“相反”)的趋势5转换研究对象法因为电流之间、电流与磁体之间的相互作用满足牛顿第三定律定性分析磁体在电流磁场作用的受力和运动时，可先分析电流在磁体的磁场中受到的安培力，然后由牛顿第三定律，再确定磁体所受电流的作用力例3如图3所示，两条导线相互垂直，但相隔一段距离其中AB固定，CD能自由活动，当电流按图示方向通入两条导线时，导线CD将(从纸外向纸里看)()图3A顺时针方向转动同时靠近导线ABB逆时针方向转动同时离开导线ABC顺时针方向转动同时离开导线ABD逆时针方向转动同时靠近导线AB解析(1)根据电流元分析法，把导线CD等效成CO、OD两段导线由安培定则画出CO、OD所在位置由AB导线中电流所产生的磁场方向，由左手定则可判断CO、OD受力如图甲所示，可见导线CD逆时针转动(2)由特殊位置分析法，让CD逆时针转动90，如图乙所示，并画出CD此时位置AB导线中电流所产生的磁感线分布，据左手定则可判断CD受力垂直于纸面向里，可见导线CD靠近导线AB，故D选项正确答案D不管是通电导体还是磁体，对另一通电导体的作用都是通过磁场来实现的因此必须先画出导体所在位置的磁感线方向，然后用左手定则判断导体所受安培力的方向进而再判断将要发生的运动例4如图4所示，把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直线圈平面当线圈内通以图示方向的电流(从右向左看沿逆时针方向)后，线圈的运动情况是()图4A线圈向左运动B线圈向右运动C从上往下看顺时针转动D从上往下看逆时针转动解析将环形电流等效成小磁针，如图所示，根据异名磁极相吸引知，线圈将向左运动，选A.也可将左侧条形磁铁等效成环形电流，根据结论“同向电流相吸引，异向电流相排斥”也可判断出线圈向左运动，选A.答案A四、安培力作用下的受力分析问题例5质量为m的金属细杆置于倾角为的导轨上，导轨的宽度为d，杆与导轨间的动摩擦因数为，有电流通过杆，杆恰好静止于导轨上，在如图所示的A、B、C、D四个选项中，杆与导轨的摩擦力一定不为零的是()解析选项A中，通电细杆可能受重力、安培力、导轨的弹力作用处于静止状态，如图所示，所以杆与导轨间的摩擦力可能为零当安培力变大或变小时，细杆有上滑或下滑的趋势，于是有静摩擦力产生选项B中，通电细杆可能受重力、安培力作用处于静止状态，如图所示，所以杆与导轨间的摩擦力可能为零当安培力减小时，细杆受到导轨的弹力和沿导轨向上的静摩擦力，也可能处于静止状态选项C和D中，通电细杆受重力、安培力、导轨弹力作用具有下滑趋势，故一定受到沿导轨向上的静摩擦力，如图所示，所以杆与导轨间的摩擦力一定不为零答案CD对通电导线进行受力分析，根据平衡条件判断摩擦力是否存在弹力与摩擦力是被动力，其是否存在和大小随其他力的变化而变化.1(安培力的方向)如图5所示，其中A、B图已知电流方向及其所受安培力的方向，试判断并在图中标出磁场方向C、D图已知磁场方向及其对电流作用力的方向，试判断电流方向并在图中标出图5答案A图磁场方向垂直纸面向外；B图磁场方向在纸面内垂直F向下；C、D图电流方向均垂直于纸面向里(图略)2(磁电式电流表)(多选)如图6甲所示是磁电式电流表的结构图，图乙所示是磁极间的磁场分布图，以下选项中正确的是()图6A指针稳定后，线圈受到的螺旋弹簧的力矩方向与线圈受到的磁力矩方向是相反的B通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转的角度也越大C在线圈转动的范围内，各处的磁场都是匀强磁场D在线圈转动的范围内，线圈所受磁力矩与电流有关，而与所处位置无关答案ABD解析当阻碍线圈转动的力矩增大到与安培力产生的使线圈转动的力矩平衡时，线圈停止转动，即两力矩大小相等、方向相反，故A正确；磁电式电流表蹄形磁铁与铁芯间的磁场是均匀辐射分布的，不管线圈转动什么角度，它的平面都跟磁感线平行，均匀辐射分布的磁场特点是大小相等、方向不同，故C错误，D正确；电流越大，电流表指针偏转的角度也越大，故B正确3(电动机的原理)如图7所示是直流电动机的模型，闭合开关后线圈顺时针转动现要线圈逆时针转动，下列方法中可行的是()图7A只改变电流方向B只改变电流大小C换用磁性更强的磁铁D对换磁极同时改变电流方向答案A解析直流电动机的转动方向与线圈中的电流方向和磁场方向有关，若使通入直流电动机的电流方向改变或磁场的方向改变，它的转动方向将改变但是如果同时改变电流的方向和磁场的方向，线圈的转动方向将不变4(安培力作用下的物体运动方向判断)一直导线平行于通电螺线管的轴线放置在螺线管的上方，如图8所示，如果直导线可以自由地运动且通以方向为由a到b的电流，则导线ab受安培力作用后的运动情况为()图8A从上向下看顺时针转动并靠近螺线管B从上向下看顺时针转动并远离螺线管C从上向下看逆时针转动并远离螺线管D从上向下看逆时针转动并靠近螺线管答案D解析先由安培定则判断通电螺线管的南北两极，找出导线左、右两端磁感应强度的方向，并用左手定则判断这两端受到的安培力的方向，如图(a)所示可以判断导线受安培力后从上向下看按逆时针方向转动，再分析此时导线位置的磁场方向，再次用左手定则判断导线受安培力的方向，如图(b)所示，导线还要靠近螺线管，所以D正确，A、B、C错误(a)(b)题组一安培力的方向1下面的四个图显示了磁场对通电直导线的作用力，其中正确的是()答案C2一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解析A图中I与B平行应不受安培力，故A错误；由左手定则知B、C错误，D正确3如图1所示，电磁炮是由电源、金属轨道、炮弹和电磁铁组成当电源接通后，磁场对流过炮弹的电流产生力的作用，使炮弹获得极大的发射速度下列各俯视图中正确表示磁场B方向的是()图1答案B4(多选)通电矩形导线框abcd与无限长通电直导线MN在同一平面内，电流方向如图2所示，ab边与MN平行关于MN的磁场对线框的作用，下列叙述正确的是()图2A线框有两条边所受的安培力方向相同B线框有两条边所受的安培力大小相同C线框所受安培力的合力向左D线框将绕MN转动答案BC解析通电矩形导线框abcd在无限长通电直导线形成的磁场中，受到安培力的作用，对于ad边和bc边，所在的磁场相同，但电流方向相反，所以ad边、bc边受安培力大小相同，方向相反，即ad边和bc边受合力为零而对于ab和cd两条边，由于在磁场中，离长直导线的位置不同，ab边近且由左手定则判断受力向左，cd边远且由左手定则判断受力向右，所以ab边、cd边所受安培力的合力方向向左，故B、C选项正确5.如图3所示，A为一水平放置的橡胶圆盘，带有大量均匀分布的负电荷，在圆盘正上方水平放置一通电直导线，电流方向如图所示当圆盘沿图中所示方向高速绕中心轴OO转动时，通电直导线所受安培力的方向是()图3A竖直向上 B竖直向下C水平向里 D水平向外答案C解析根据圆盘带电性质和旋转方向，可知圆盘上方磁场向上，根据左手定则可知导线受力水平向里6如图所示，A中导线放在匀强磁场中、与竖直方向和水平方向都有一夹角，B中导线放在条形磁铁正中间的上方，水平放置，C中导线和矩形线框的两个边平行，D中导线垂直纸面、在通电螺线管的正上方，各图中导线受到的安培力竖直向上的是()答案D解析根据左手定则可知A中导线受到的安培力斜向左下，B中导线受到的安培力竖直向下，选项A、B错；C中导线处的磁场垂直纸面向外，导线受到的安培力水平向右，选项C错；根据安培定则可知D中螺线管右端为N极，导线处在水平向左的磁场中，根据左手定则可知导线受到的安培力竖直向上，选项D正确题组二安培力作用下导体的运动7.如图4所示，把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直线圈平面当线圈内通以图中方向的电流后，线圈的运动情况是()图4A线圈向左运动B线圈向右运动C从上往下看顺时针转动D从上往下看逆时针转动答案A解析解法一：电流元法甲首先将圆形线圈分成很多小段，每一段可看做一直线电流元，取其中上、下两小段分析，其截面图和受安培力情况如图甲所示根据对称性可知，线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向左运动只有选项A正确解法二：等效法将环形电流等效成小磁针，如乙图乙所示，根据异名磁极相吸引知，线圈将向左运动，选A.也可将左侧条形磁铁等效成环形电流，根据结论“同向电流相吸引，异向电流相排斥”也可判断出线圈向左运动，选A.8.把一根柔软的螺旋形弹簧竖直悬挂起来，使它的下端刚好跟杯里的水银面相接触，并使它组成如图5所示的电路图当开关S接通后，将看到的现象是()图5A弹簧向上收缩B弹簧被拉长C弹簧上下跳动D弹簧仍静止不动答案C解析因为通电后，线圈中每一圈之间的电流是同向的，互相吸引，线圈就缩短，电路就断开，一断开电流消失，线圈就又落下接通电路如此通断通断，就上下跳动9.通有电流的导线L1、L2处在同一平面(纸面)内，L1是固定的，L2可绕垂直纸面的固定转轴O转动(O为L2的中心)，各自的电流方向如图6所示下列哪种情况将会发生()图6A因L2不受安培力的作用，故L2不动B因L2上、下两部分所受的安培力平衡，故L2不动CL2绕轴O按顺时针方向转动DL2绕轴O按逆时针方向转动答案D解析由右手螺旋定则可知导线L1上方磁场的方向为垂直纸面向外，且离导线L1的距离越远的地方，磁场越弱，导线L2上的每一小部分受到的安培力方向水平向右，由于O点下方的磁场较强，则安培力较大，因此L2绕轴O按逆时针方向转动，D选项对10.如图7所示，把一通电直导线放在蹄形磁铁磁极的正上方，导线可以自由转动当导线中通有如图所示方向的电流I时，导线将(从上往下看)()图7A顺时针转动，同时向下运动B顺时针转动，同时向上运动C逆时针转动，同时向下运动D逆时针转动，同时向上运动答案C解析将导线AB从N、S极的中间O分成两段，AO、BO段所在处的磁场方向如图甲所示由左手定则可得AO段受安培力的方向垂直纸面向外，BO段受安培力的方向垂直纸面向里，从上向下看，导线AB将绕O点沿逆时针方向转动 甲 乙再根据导线转过90时的特殊位置判断其上下运动情况如图乙所示，导线AB此时受安培力方向竖直向下，导线将向下运动由上述两个特殊位置的判断可知，当导线不在上述的特殊位置时，所受安培力使AB逆时针转动的同时还要向下运动题组三安培力作用下的受力分析问题11两个倾角均为的光滑斜面上，各放有一根相同的金属棒，分别通有电流I1和I2，两种情况下B的大小相同，方向如图8甲、乙所示，两金属棒均处于静止状态，两种情况下电流之比I1I2为多少？图8答案1cos 解析甲图中金属棒受力分析如图所示BI1Lmgtan 乙图中金属棒受力分析如图所示BI2Lmgsin 由得：.12.用两个一样的弹簧吊着一根铜棒，铜棒所在虚线范围内有垂直于纸面的匀强磁场，棒中通以自左向右的电流(如图9所示)，当棒静止时，两弹簧测力计的读数均为F1；若将棒中的电流方向反向(大小保持不变)，当棒静止时，两弹簧测力计的示数均为F2，且F2F1，根据这两个数据，试求：图9(1)磁场的方向；(2)安培力的大小(用F1、F2表示)；(3)铜棒的重力答案见解析解析(1)由F2F1，可以确定磁场的方向为垂直纸面向里(2)(3)设铜棒的重力为G，安培力的大小为F，则由平衡条件得：2F1GF，2F2GF，根据这两个方程，解得铜棒的重力GF1F2安培力的大小FF2F1.