1.2安培力的應(yīng)用-高二物理（粵教版2019選擇性）

第二節(jié)

安培力的應(yīng)用粵教版（2019）高中物理選擇性必修第二冊(cè)第一章磁場(chǎng)@HY新課引入電流天平磁電式電表直流電動(dòng)機(jī)電流天平磁電式電表直流電動(dòng)機(jī)安培力在生活、生產(chǎn)和科研中有著廣泛的應(yīng)用

對(duì)于較難直接測(cè)量的安培力和磁感應(yīng)強(qiáng)度，人們同樣運(yùn)用等效替代法，結(jié)合安培力的相關(guān)知識(shí)和現(xiàn)代電子技術(shù)，設(shè)計(jì)出了如圖所示的電流天平．

普通天平是應(yīng)用杠桿原理把被測(cè)物與已知質(zhì)量的砝碼進(jìn)行力學(xué)平衡，利用等效替代法測(cè)量出被測(cè)物體的質(zhì)量．電流天平電流天平問(wèn)題1：線圈所受安培力的方向是怎樣的？大小怎樣表示？

如圖所示是等臂電流天平的原理圖。在天平的右端掛一矩形線圈，設(shè)線圈匝數(shù)為n

，底邊cd長(zhǎng)L，放在待測(cè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線圈平面與磁場(chǎng)垂直，磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里。

（1）設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B

，當(dāng)線圈中通入如圖所示方向的電流I

時(shí)，在天平左、右兩邊加上質(zhì)量分別為m1、m2的砝碼使天平平衡；問(wèn)題2：根據(jù)共點(diǎn)力平衡知識(shí)，天平平衡時(shí)，應(yīng)滿足什么樣的關(guān)系？方向：豎直向上大?。篎安=nBIL電流天平

如圖所示是等臂電流天平的原理圖。在天平的右端掛一矩形線圈，設(shè)線圈匝數(shù)為n

，底邊cd長(zhǎng)L，放在待測(cè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線圈平面與磁場(chǎng)垂直，磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里。問(wèn)題1：此時(shí)，線圈所受安培力的方向又是怎樣的？大小怎樣表示？問(wèn)題2：根據(jù)共點(diǎn)力平衡知識(shí)，此時(shí)，又應(yīng)滿足什么樣的關(guān)系？

（2）保持線圈中電流的大小不變，使電流方向反向，通過(guò)在天平左盤加上質(zhì)量m為的砝碼使天平再次平衡。方向：豎直向下大?。篎安=nBIL電流天平電流天平常用于實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量?jī)善叫型妼?dǎo)體之間的相互作用力和磁感應(yīng)強(qiáng)度。綜合以上兩式可得磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值:電流天平

如果把上述情境中的線圈換成如圖所示的四種不同形狀的線圈，其中通電線圈匝數(shù)相同，變成MN相等，將它們分別掛在天平的右臂下方。線圈中通有大小相同的電流，天平處于平衡狀態(tài)。若磁場(chǎng)發(fā)生微小變化，哪一種天平最容易失去平衡？由此說(shuō)明了什么？MMMMNNNN(a)(b)(c)(d)

如圖所示是磁電式電表內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。主要部件：蹄形磁鐵、鐵芯、線圈、螺旋彈簧等

蹄形磁鐵與鐵芯間的磁場(chǎng)可看做是均勻輻射分布的，無(wú)論通電線圈轉(zhuǎn)到什么位置，線圈的平面總與磁場(chǎng)方向平行。

【思考問(wèn)題】

（1）線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)是怎樣產(chǎn)生的？

（2）線圈為什么不能一直轉(zhuǎn)動(dòng)下去？

電流通過(guò)線圈時(shí)，線圈左右兩邊受到的安培力的方向相反

磁場(chǎng)力矩與游絲的反作用力矩相等時(shí)，電表指針漸漸停下來(lái)磁電式電表

（3）為什么指針偏轉(zhuǎn)角度的大小可以說(shuō)明被測(cè)電流的強(qiáng)弱？

電流越大，安培力越大，螺旋彈簧的形變也就越大。

（4）能否通過(guò)電表指針的偏轉(zhuǎn)方向判斷通過(guò)電表電流的方向？

電流方向改變，安培力的方向隨之改變，電表指針偏轉(zhuǎn)的方向也隨之改變。

蹄形磁鐵與鐵芯間的磁場(chǎng)可看做是均勻輻射分布的，無(wú)論通電線圈轉(zhuǎn)到什么位置，線圈的平面總與磁場(chǎng)方向平行。磁電式電表

（5）磁電式電流電流刻度為什么是均勻的？

電流強(qiáng)度與指針偏轉(zhuǎn)角度成正比

（6）磁電式電表的優(yōu)點(diǎn)有哪些？

（7）磁電式電表的缺點(diǎn)有哪些？

（8）使用磁電式電表來(lái)測(cè)量較大的電流時(shí)，應(yīng)當(dāng)怎樣做？

蹄形磁鐵與鐵芯間的磁場(chǎng)可看做是均勻輻射分布的，無(wú)論通電線圈轉(zhuǎn)到什么位置，線圈的平面總與磁場(chǎng)方向平行。若要利用磁電式電表測(cè)量較大的電流值，需要根據(jù)電表改裝方法擴(kuò)大其量程。磁電式電表靈敏度高，能夠測(cè)出很弱的電流缺點(diǎn)是線圈的導(dǎo)線很細(xì)，只允許通過(guò)很弱的電流。磁電式電表

【課堂練習(xí)】磁電式電表的靈敏度較高，如果僅通過(guò)較小的電流就能使磁電式電表指針有顯著的偏轉(zhuǎn)，我們就認(rèn)為該電表有較高的靈敏度。試根據(jù)磁電式電表的設(shè)計(jì)原理，簡(jiǎn)要列舉提高磁電式電表靈敏度的辦法，并說(shuō)明相應(yīng)的理由。

方法一：增加線圈匝數(shù)

方法二：增強(qiáng)電流計(jì)中永久磁

鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度

方法三：換用彈性較小的游絲

方法四：增大線圈面積生活中裝配了直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)備原理：利用安培力使通電線圈轉(zhuǎn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化：電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能直流電動(dòng)機(jī)

如圖所示是直流電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。主要部件：蹄形磁鐵、線圈、電刷和換向器（1）當(dāng)線圈位于如圖所示的四種狀態(tài)時(shí)，所受安培力的情況如何？(a)換向換向（2）直流電動(dòng)機(jī)的線圈是如何實(shí)現(xiàn)連續(xù)不停地朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的？

換向器的作用：改變線圈中電流流入的方向，保證線圈沿同一方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去。（3）直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是什么？

直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是只需改變輸入電流的大小，就能夠直接調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而輸人電流的大小是較容易改變的，因此，直流電動(dòng)機(jī)常被應(yīng)用于需要調(diào)速的設(shè)備。安培力的應(yīng)用電流天平：用于實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量?jī)善叫型妼?dǎo)體

之間的相互作用力和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁電式電表：直流電動(dòng)機(jī)：電磁炮：利用線圈在磁場(chǎng)中受到安培力，測(cè)量電流大小利用電磁系統(tǒng)中磁場(chǎng)產(chǎn)生的安培力來(lái)對(duì)金屬炮彈進(jìn)行加速將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)小

結(jié)電磁炮電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)動(dòng)能殺傷武器，利用電磁系統(tǒng)中磁場(chǎng)產(chǎn)生的安培力來(lái)對(duì)金屬炮彈進(jìn)行加速。１．電磁炮是一種新式兵器，其主要原理如圖所示．某電磁炮能夠把m=2.2g的彈體（包括金屬桿ＣＤ的質(zhì)量）加速到v=10km/s．若軌道寬L=2m，長(zhǎng)s=100m，通過(guò)的電流為I=10A，忽略軌道摩擦．（１）軌道間所加的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多少？（２）電磁炮的最大功率為多少（2)磁場(chǎng)力的最大功率

P=Fv=1.1x103x10x103W=1.1x107W.解：（1)在導(dǎo)軌通有電流I時(shí)，彈體作為導(dǎo)體受到磁場(chǎng)施加的安培力

F=BIL設(shè)彈體的加速度的大小為a,則有

F=ma彈體在兩導(dǎo)軌間做初速度為0的勻加速運(yùn)動(dòng)，因而v2=2as,聯(lián)立以上各式，代入數(shù)據(jù)，可得

F=1.1×103N,B=55T.課堂練習(xí)①按照實(shí)驗(yàn)電路圖連接電路．②保持開(kāi)關(guān)Ｓ斷開(kāi)，在托盤內(nèi)加入適量細(xì)沙，使Ｄ處于平衡狀態(tài)．然后用天平稱出細(xì)沙質(zhì)量m1．③閉合開(kāi)關(guān)Ｓ，調(diào)節(jié)電阻Ｒ的值使電流大小適當(dāng)，在托盤內(nèi)重新加入適量細(xì)沙，使Ｄ重新處于平衡狀態(tài)．然后讀出電流表的示數(shù)Ｉ，并用天平測(cè)量此時(shí)細(xì)沙的質(zhì)量ｍ２．2．如圖所示是一種測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)方案．虛線框內(nèi)存在一個(gè)與紙面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．Ｄ為位于紙面內(nèi)的金屬框，Ｅ為直流電源，Ｒ為電阻箱，Ａ為電流表，Ｓ為開(kāi)關(guān)，此外還有細(xì)沙、天平、刻度尺和若干輕質(zhì)導(dǎo)線．（１）用筆畫線代替導(dǎo)線，在圖中畫線完成實(shí)驗(yàn)電路圖．（２）補(bǔ)充完成下列實(shí)驗(yàn)步驟．（３）用測(cè)量的物理量和重力加速度ｇ表示磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ的大小，則Ｂ＝

．（４）判定磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的方法：若

（填兩次實(shí)驗(yàn)細(xì)沙質(zhì)量的關(guān)系），磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面向外．反之，磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面向里．④用刻度尺測(cè)量

．金屬框D的底邊長(zhǎng)度L3．某電子天平原理如圖所示，Ｅ形磁鐵的兩側(cè)為Ｎ極，中心為Ｓ極，兩極間磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小均為Ｂ，磁極寬度均為Ｌ．忽略邊緣效應(yīng)，一正方形線圈套于中心磁極，其骨架與秤盤連為一體，線圈兩端Ｃ、Ｄ與外電路連接．當(dāng)質(zhì)量為ｍ的重物放在秤盤上時(shí)，彈簧被壓縮，秤盤和線圈一起向下運(yùn)動(dòng)（骨架與磁極不接觸），隨后外電路對(duì)線圈供電，秤盤和線圈恢復(fù)到未放重物時(shí)的位置并靜止．此時(shí)根據(jù)對(duì)應(yīng)的供電電流Ｉ，可確定重物的質(zhì)量．已知線圈匝數(shù)為ｎ，線圈電阻為Ｒ，重力加速度為ｇ．（１）供電電流Ｉ是從Ｃ端，還是從Ｄ端流入？（２）求重物質(zhì)量與電流的關(guān)系（2)由于兩極間的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B,磁極寬度均為L(zhǎng),線圈匝數(shù)為n,左右兩側(cè)受力相等，得解：（1)秤盤和線圈向上恢復(fù)到未放重物時(shí)的位置并靜止，說(shuō)明這個(gè)過(guò)程托盤和線圈受到的安培力的方向向上，由左手定則即可判斷出電流的方向是逆時(shí)針?lè)较颍◤纳舷蛳驴矗?，因此供電電流I從由D端流人。課堂練習(xí)例1：如圖所示，金屬棒MN兩端由等長(zhǎng)的輕質(zhì)細(xì)線水平懸掛，處于豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，棒中通一由M向N的電流，平衡時(shí)兩懸線與豎直方向夾角均為θ.如果僅改變下列某一個(gè)條件，θ角的相應(yīng)變化情況是（）θθMNＢA課堂練習(xí)例2：如圖所示的立體圖中，質(zhì)量m，長(zhǎng)L，通有電流為I的導(dǎo)體棒ab靜止在水平導(dǎo)軌上，勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，其方向與導(dǎo)軌平面成θ角斜向下并與ab垂直，ab處于靜止?fàn)顟B(tài)．求：（1）棒ab受到的摩擦力Ff大小和方向（2）受到的支持力FN．課堂練習(xí)例3：如圖3－4－11所示，在與水平方向夾角為60°的光滑金屬導(dǎo)軌間有一電源，在相距1m的平行導(dǎo)軌上放一質(zhì)量為m＝0.3kg的金屬棒ab，通以從b→a，I＝3A的電流，磁場(chǎng)方向豎直向上，這時(shí)金屬棒恰好靜止．求：(1)勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大??；(2)ab棒對(duì)導(dǎo)軌壓力的大?。?g＝10m/s2)課堂練習(xí)1.如圖所示為電流天平，可以用來(lái)測(cè)量勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。它的右臂掛著矩形線圈，匝數(shù)為n，線圈的水平邊長(zhǎng)為l，處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與線圈平面垂直。當(dāng)線圈中通過(guò)電流I時(shí)，調(diào)節(jié)砝碼使兩臂達(dá)到平衡。下列說(shuō)法中正確的是()A.線圈受到的安培力大小為BIlB.線圈受到的安培力方向水平指向紙內(nèi)C.若發(fā)現(xiàn)右盤向上翹起，則應(yīng)增大線圈中的電流D.若把電流大小不變而方向反向，則左盤向上翹起D課堂練習(xí)2.磁電式儀表的構(gòu)造如圖甲所示，蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場(chǎng)是均勻地輻向分布的。當(dāng)線圈通以如圖乙所示的電流，下列說(shuō)法不正確的是()A.線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感線平行B.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋彈簧被扭動(dòng)，阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)C.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到如圖乙所示的位置，b端受到的安培力方向向上D.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到如圖乙所示的位置，安培力的作用使線圈沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)C課堂練習(xí)3.(多選)如圖，電磁炮是一種新型的炮彈發(fā)射裝置，根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)電流會(huì)產(chǎn)生作用力的原理,下列結(jié)論中正確的是(

)A.要使炮彈沿導(dǎo)軌向右發(fā)射，必須通以自M向N的電流B.要想提高炮彈的發(fā)射速度，可適當(dāng)增大電流C.要想提高炮彈的發(fā)射速度，可適當(dāng)減少磁感應(yīng)強(qiáng)度D.使電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向同時(shí)反向，炮彈的發(fā)射方向亦將隨之反向AB

課堂練習(xí)4.如圖所示，電動(dòng)機(jī)模型的矩形線圈長(zhǎng)邊的長(zhǎng)為5cm，共20匝，通入1A電流，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是0.5T(當(dāng)作勻強(qiáng)磁場(chǎng)考慮)，線圈長(zhǎng)邊一側(cè)受到的最大安培力是多少？如果通入2A的電流呢？解：通入1A電流時(shí)，線圈長(zhǎng)邊一側(cè)受到的最大安培力

F1＝nBI1L＝20×0.5×1×0.05N＝0.5N通入2A電流時(shí)，受到的最大安培力

F2＝nBI2L＝20×0.5×2×0.05N＝1N課堂練習(xí)5.電磁炮是一種理想的兵器，其原理如圖所示，利用此裝置可以把質(zhì)量為2.2g的彈體(包括金屬桿CD的質(zhì)量)加速到v=10km/s。若這種裝置的軌道寬L=2m，長(zhǎng)s=100m，通過(guò)的電流為I=10