安培力 【知識精講架構(gòu)+備課精研精梳】 高二物理 （滬科版2020選擇性必修第二冊）

第五章

磁場5.1安培力選擇性必修二1目錄234安培力的方向安培力的大小安培力的應(yīng)用鞏固提升復(fù)習(xí)回顧1.用右手螺旋定則判斷直線電流、環(huán)形電流和通電螺線管的磁場方向2.定量描述磁場強(qiáng)弱和方向的物理量是什么？如何計(jì)算？磁感應(yīng)強(qiáng)度（勻強(qiáng)磁場

且

電流與磁場方向垂直）I磁場I安培力安培首先通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出這個(gè)力的特點(diǎn)。人們把通電導(dǎo)體在磁場中受到的力稱為安培力。通電導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變法國安培1775-1836改變的原因受到磁場力安培力的方向壹安培力的方向安培力方向既與電流方向垂直又與磁場方向垂直，即

安培力的方向總是垂直于電流和磁場所在的平面安培力的方向磁場方向、電流方向和安培力方向

這三者之間的關(guān)系可以用左手定則來判定IFB伸開左手，讓大拇指跟其余四指垂直，并且都與手掌在同一平面里把左手放入磁場中，讓磁感線穿過掌心，使四指指向電流方向這時(shí)大拇指所指的就是安培力的方向。磁感線四指大拇指穿手心電流方向安培力方向安培力的方向研究安培力的問題要涉及三維空間，為了描述方便，我們可以將立體圖轉(zhuǎn)平面圖，物理學(xué)規(guī)定“×進(jìn)·出”垂直于紙面向里的磁場垂直于紙面向外的磁場垂直于紙面向里的電流垂直于紙面向外的電流問：下列各圖中分別標(biāo)出了一根放置在勻強(qiáng)磁場中的通電直導(dǎo)線的電流I、磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和通電直導(dǎo)線所受安培力F的方向,其中正確的是()C

BIBFIB30°FFIIBBBFF練習(xí)使用左手定則請補(bǔ)充每幅圖中的B、I或者F的方向FIBIIBIB練習(xí)使用左手定則請補(bǔ)充每幅圖中的B、I或者F的方向若磁場方向與通電導(dǎo)體棒方向平行，我們可以發(fā)現(xiàn)到導(dǎo)體棒在磁場中不受安培力的作用因?yàn)樽笫侄▌t第一步就要求四指要和掌心處以同一個(gè)平面內(nèi)無法正確使用左手定則IIII同向電流反向電流FF′F′F同向電流相互吸引反向電流相互排斥平行通電直導(dǎo)線之間的相互作用平行通電直導(dǎo)線之間的相互作用電流電流磁場原因分析：FFFFIIIIIIII同向電流相互吸引反向電流相互排斥從下往上看分析同向電流的情況如圖所示，通電直導(dǎo)線AB固定，CD可以自由移動(dòng)，請判斷通電后CD的運(yùn)動(dòng)情況兩相交直導(dǎo)線間的相互作用：ABDC×××···××××××······FF思考：ICDIAB有轉(zhuǎn)到同向的趨勢。平行通電直導(dǎo)線之間的相互作用直線電流（固定）與環(huán)形電流（自由移動(dòng)）間的作用各個(gè)導(dǎo)線之間直接利用已知結(jié)論，把所有邊受到的安培力進(jìn)行矢量求和思考：I1I2I2I2I2I1I2I2I2I2FFFFFFFF平行通電直導(dǎo)線之間的相互作用安培力的大小貳安培力的大小

（理論推導(dǎo)）磁感應(yīng)強(qiáng)度B是定量描述磁場強(qiáng)弱和方向的物理量（勻強(qiáng)磁場

且

電流與磁場方向垂直）安培力F=BIL（勻強(qiáng)磁場

且

電流與磁場方向垂直）安培力的大小

（實(shí)驗(yàn)探究）探究安培力的大小觀察實(shí)驗(yàn)裝置，如何調(diào)整影響安培力的因素BIL更換磁鐵移動(dòng)滑片調(diào)節(jié)匝數(shù)BIθB⊥B∥安培力的大小

（實(shí)驗(yàn)探究）在勻強(qiáng)磁場B中，通電直導(dǎo)線長度為L，電流為I，導(dǎo)線所受安培力為FF＝BIL（1）當(dāng)B⊥I時(shí)（2）當(dāng)B∥I時(shí)F＝0（3）當(dāng)B和I夾角為θ時(shí)F＝B┴IL

＝Bsinθ

IL（1）導(dǎo)線所處磁場應(yīng)為勻強(qiáng)磁場，在非勻強(qiáng)磁場中，

F＝BILsinθ僅適用于很短的通電導(dǎo)線，即直線電流元。（2）對于彎曲導(dǎo)線，F(xiàn)=BIL中的L為“有效長度”。（3）任一閉合通電導(dǎo)線的有效長度為0，即所受安培力為0。（4）當(dāng)通電導(dǎo)線平行于磁場放置時(shí)，安培力F＝0。若是彎曲導(dǎo)線，可視為起點(diǎn)到終點(diǎn)的一條通電直導(dǎo)線。LLLL安培力的大小

安培力公式的理解如圖所示,一根導(dǎo)線位于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場中,其中l(wèi)AB=lBC=lCD=lDE=l,且∠C=120°,∠B=∠D=150°。現(xiàn)給這根導(dǎo)線通入由A至E的恒定電流I,則導(dǎo)線受到磁場作用的合力大小為(

)答案:C安培力大小的計(jì)算電子天平BcbdaI37.5gO如圖所示是電流天平原理示意圖，使用電流天平可測量通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力。長方形線圈abcd共繞15匝，底邊bc長5cm，掛在等臂天平的左端，并使線圈的bc邊水平地懸于某一勻強(qiáng)磁場中，線圈平面跟磁場垂直。先使天平保持平衡，然后在線圈內(nèi)通入0.5A的電流，天平失去平衡。設(shè)此時(shí)右盤上升，為使天平重新達(dá)到平衡，需在右端盤內(nèi)再加入37.5g砝碼。求：（1）線圈中電流的方向；（2）勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。BcbdaI37.5gOF安mg（1）線圈通電流后，ab邊和cd邊在磁場部分所受的安培力沿水平方向等值反向而彼此平衡；bc邊所受安培力方向應(yīng)豎直向下，才會(huì)導(dǎo)致右盤上升而使天平失去平衡，由左手定則可判斷線圈中的電流方向是a→b→c→d。F安F安（2）由于天平兩臂等長，為使天平重新平衡，bc邊n匝導(dǎo)線所受的安培力應(yīng)該等于天平右端增加的砝碼的重力。設(shè)bc邊長為L，通過線圈的電流為I，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，天平右端增加的砝碼質(zhì)量為Δm，則有電子天平MNEr30°30°立體圖如圖所示，相距L=10cm的兩條平行導(dǎo)軌組成的平面與水平面夾角θ=30°，導(dǎo)軌兩端M、N間接一電動(dòng)勢E=3V、內(nèi)阻r=0.5Ω的電源，垂直于導(dǎo)軌平面有一勻強(qiáng)磁場，將質(zhì)量m=10g的金屬棒垂直放在平行導(dǎo)軌上，金屬棒恰能靜止不動(dòng)。若兩導(dǎo)軌間金屬棒的電阻R=1Ω，試回答：（1）垂直于導(dǎo)軌平面的磁場方向是向上還是向下？（2）磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小是多少？（導(dǎo)軌與金屬棒接觸良好，導(dǎo)軌與金屬棒間摩擦力以及導(dǎo)軌電阻不計(jì)）涉及到哪些重要知識點(diǎn)：通電導(dǎo)體在磁場中受到安培力閉合電路歐姆定律受力分析正交分解斜面磁場中的電路問題MNEr30°30°30°BImgFNF安側(cè)視圖立體圖畫出平面圖以平行導(dǎo)軌上的金屬棒為研究對象進(jìn)行受力分析mgsinθmgcosθ由于金屬棒處于靜止?fàn)顟B(tài)，則根據(jù)力的平衡條件，金屬棒所受重力在斜面方向上的分力與安培力大小相等、方向相反，設(shè)通過金屬棒的電流為I，則有解：由閉合電路歐姆定律B斜面磁場中的電路問題BI正視圖立體圖F安F安畫出平面圖IB以下環(huán)形線圈在勻強(qiáng)磁場中，線圈將會(huì)如何運(yùn)動(dòng)安培力的應(yīng)用叁現(xiàn)在，你可以解釋為什么電流表（電壓表）通電后其指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)了嗎？磁電式電表的結(jié)構(gòu)通電線圈在磁場中受到安培力使線圈發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)指針指示示數(shù)1-磁電式電表磁電式電表

工作原理線圈通電時(shí)，安培力使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)變形產(chǎn)生彈力阻礙轉(zhuǎn)動(dòng)安培力與彈力平衡，指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)電流越大，安培力就越大，螺旋彈簧的形變也就越大，線圈偏轉(zhuǎn)的角度也越大思考：電流表的指針為什么最終能穩(wěn)定的指向某一刻度，且偏轉(zhuǎn)角度大小能反映電流大小？觀察表盤發(fā)現(xiàn)，電流表表盤刻度是均勻的，

這說明了指針偏轉(zhuǎn)角度與電流成正比，如何才能實(shí)現(xiàn)這一要求？磁電式電流表

表盤刻度均勻的原因極靴和鐵質(zhì)圓柱使磁場沿半徑方向，旋轉(zhuǎn)的線圈在磁場中受到的安培力大小處處相等。線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的軌跡圓上B大小處處相等，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)B與I始終互相垂直。F=BILθ

∝I，表盤的刻度均勻磁電式電表

優(yōu)缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可以測量很弱的電流。（2）缺點(diǎn)：線圈的導(dǎo)線很細(xì)，允許通過的電流很小。通電線圈在磁場中受到安培力使線圈發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)指針指示示數(shù)2-動(dòng)圈式揚(yáng)聲器動(dòng)圈式揚(yáng)聲器原理簡圖3-電磁炮IF電磁炮原理圖電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中磁場產(chǎn)生的安培力來對拋射體（金屬炮彈）加速，使其獲得打擊目標(biāo)所需的動(dòng)能。根據(jù)動(dòng)能定理：鞏固提高肆與安培力有關(guān)的力學(xué)問題D質(zhì)量為m=0.02kg的通電細(xì)桿ab置于傾角為θ=37°的平行放置的導(dǎo)軌上,導(dǎo)軌的寬度d=0.2m,桿ab與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.4,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2T的勻強(qiáng)磁場與導(dǎo)軌平面垂直且方向向下,如圖所示?，F(xiàn)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片,為使桿ab靜止不動(dòng),則通過桿ab的電流范圍為多少?（g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8）斜面磁場中的電路問題解析:圖甲、乙是電流最大和最小兩種情況下桿ab的受力分析圖根據(jù)甲圖列式如下:F1-mgsinθ-Ff1=0，F(xiàn)N-mgcosθ=0，F(xiàn)f1=μFN,F1=BImaxd解上述方程得Imax=0.46A根據(jù)乙圖列式如下:F2+Ff2-mgsinθ=0，F(xiàn)N-mgcosθ=0，F(xiàn)f2=μFNF2=BImind解上述方程得Imin=0.14A因此通過桿ab的電流范圍是0.14~0.46A。磁電式電表如圖是磁電式電流表的部分結(jié)構(gòu)，蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場輻向均勻分布，線圈中a、b兩條導(dǎo)線長均為l，通以圖示方向的電流I，兩條導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B。則()A.該磁場是勻強(qiáng)磁場B．線圈平面總與磁場方向垂直C．線圈將沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)D．a(chǎn)、b導(dǎo)線受到的安培力大小總為IlB答案：D電磁炮如圖甲所示，電磁炮是一種新型的武器，其射程甚至可達(dá)數(shù)百公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)炮彈。它的主要原理如圖乙所示，當(dāng)彈體中通以強(qiáng)電流時(shí)，彈體在強(qiáng)大的磁場力作用下加速前進(jìn)，最后從炮口高速射出。設(shè)兩軌道間距離為0.10m，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為40T，電流為2000A，軌道長度為20m，不考慮電流產(chǎn)生的磁場對勻強(qiáng)磁場的影響，則()A．若不計(jì)任何阻力，質(zhì)量為20g的炮彈最終獲得的速度為400m/sB．若不計(jì)任何阻力，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度加倍，則炮彈獲得的速度也加倍C．若阻力大小一定，軌道長度加倍，速度變?yōu)樵瓉淼谋禗．若阻力大小一定，電流加倍，速度變?yōu)樵瓉淼谋洞鸢福篊

課堂小結(jié)遵循左手定則安培力的方向：安培力的大?。篎