高中物理第1章安培力與洛倫茲力1磁吃通電導(dǎo)線的作用力課件新人教版選擇性

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磁場對通電導(dǎo)線的作用力課前·基礎(chǔ)認(rèn)知課堂·重難突破素養(yǎng)·目標(biāo)定位模型方法·素養(yǎng)提升隨堂訓(xùn)練素養(yǎng)·目標(biāo)定位目

標(biāo)

素

養(yǎng)1.通過實驗,認(rèn)識安培力,知道安培力的方向與電流、磁感應(yīng)強度的關(guān)系,會用左手定則判斷安培力的方向。2.知道安培力的表達(dá)式,會計算勻強磁場中安培力的大小。3.通過分析,知道磁電式電流表的基本構(gòu)造及其測電流大小和方向的基本原理。知

識

概

覽課前·基礎(chǔ)認(rèn)知一、安培力的方向1.安培力:安培在研究磁場與電流的相互作用方面作出了杰出的貢獻(xiàn),為了紀(jì)念他,人們把通電導(dǎo)線在磁場中受的力稱為安培力。2.安培力的方向:通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向與電流方向、磁感應(yīng)強度方向都垂直。3.左手定則:伸開左手,使拇指與其余四個手指垂直,并且都與手掌在同一個平面內(nèi);讓磁感線從掌心垂直進(jìn)入,并使四指指向電流的方向,這時拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向,如圖所示。微思考

旋轉(zhuǎn)的液體。如圖所示,在玻璃皿的中心放一個圓柱形電極,沿邊緣內(nèi)壁放一個圓環(huán)形電極,將兩電極接在電池的兩極上,然后在玻璃皿中放入鹽水,把玻璃皿放入蹄形磁體的磁場中,N極在下,S極在上,鹽水就會旋轉(zhuǎn)起來。鹽水為什么旋轉(zhuǎn)?旋轉(zhuǎn)的方向是順時針還是逆時針(俯視)?提示:由于受到安培力作用,鹽水旋轉(zhuǎn)。如圖所示,磁場方向垂直于水面向上,鹽水內(nèi)電流方向從玻璃皿邊緣指向圓心,根據(jù)左手定則判斷,鹽水中的電流受到的安培力沿逆時針,因此鹽水逆時針旋轉(zhuǎn)。二、安培力的大小1.垂直于磁場B的方向放置的長為l的一段導(dǎo)線,當(dāng)通過的電流為I時,它所受的安培力F=IlB。2.當(dāng)磁感應(yīng)強度B的方向與通電導(dǎo)線的方向平行時,導(dǎo)線受力為

0。3.一般情況下安培力的表達(dá)式為F=IlBsinθ,θ為磁感應(yīng)強度方向與電流方向的夾角。

微判斷(1)通電導(dǎo)線在磁場中不一定受安培力。(

)(2)一通電導(dǎo)線放在磁場中某處且不受安培力,該處的磁感應(yīng)強度不一定是零。(

)(3)當(dāng)磁場、導(dǎo)線的長度和電流都一定的情況下,導(dǎo)線平行于磁場時,安培力最大;垂直于磁場時,安培力最小。(

)√√×三、磁電式電流表1.磁電式電流表最基本的組成部分是磁體和放在磁體兩極之間的線圈。2.磁電式電流表的工作原理:①通電線圈因受安培力而轉(zhuǎn)動,線圈中的電流方向改變時,安培力的方向隨著改變,指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨著改變。②線圈轉(zhuǎn)動時,螺旋彈簧變形,以反抗線圈的轉(zhuǎn)動。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,達(dá)到新的平衡。所以,從線圈偏轉(zhuǎn)的角度就能判斷通過電流的大小。3.優(yōu)點:靈敏度高,可以測出很弱的電流。缺點:線圈的導(dǎo)線很細(xì),允許通過的電流很弱(幾十微安到幾毫安)。微訓(xùn)練(多選)磁電式電流表是常用的測量閉合回路電流大小的儀器。關(guān)于磁電式電流表內(nèi)的磁鐵和鐵芯之間的均勻輻向分布的磁場,下列說法正確的是(

)A.該磁場的磁感應(yīng)強度大小處處相等,方向相同B.該磁場的磁感應(yīng)強度的方向處處相同,大小不等C.線圈平面始終與磁感線平行D.線圈所在位置的磁感應(yīng)強度大小都相等答案:CD解析:兩磁極之間裝有極靴,極靴中間又有一個鐵質(zhì)圓柱,極靴與鐵質(zhì)圓柱之間有一不大的縫隙,根據(jù)磁感線與磁極表面垂直的特點,磁化了的鐵質(zhì)圓柱與極靴間的縫隙處就形成了輻向分布的磁場。這樣做的目的就是讓通電線圈所在位置能有一個等大的磁場,并且磁感線始終與線圈平面平行,故選項C、D正確。課堂·重難突破一

安培力的方向重難歸納1.安培力的方向特點:安培力的方向既與磁場方向垂直,又與電流方向垂直,即安培力的方向總是垂直于磁場和電流所決定的平面。2.左手定則應(yīng)用的兩類問題:3.安培定則與左手定則的區(qū)別。

定則安培定則(右手螺旋定則)左手定則應(yīng)用判斷電流的方向跟它的磁感線方向之間的關(guān)系判斷通電導(dǎo)線在磁場中的受力方向內(nèi)容具體情況直線電流環(huán)形電流或通電螺線管通電導(dǎo)線在磁場中條件拇指指向電流的方向四指彎曲的方向指向電流的環(huán)繞方向磁感線穿過掌心,四指指向電流方向結(jié)果四指彎曲方向表示磁感線的方向拇指指向軸線上的磁感線方向拇指指向通電導(dǎo)線在磁場中受到的安培力的方向平行通電直導(dǎo)線之間的相互作用。如圖所示,兩條平行的通電直導(dǎo)線之間會通過磁場發(fā)生相互作用。在什么情況下兩條導(dǎo)線相互吸引,什么情況下相互排斥?為什么?提示:同向電流相互吸引,反向電流相互排斥,如圖?？捎孟聢D解釋:同向電流

反向電流典例剖析通電直導(dǎo)線放入一勻強磁場中,電流I方向與磁場B方向如圖所示,判斷下列各圖中,通電導(dǎo)線所受安培力的方向。答案:垂直紙面向外;垂直導(dǎo)線斜向左上方;垂直導(dǎo)線斜向左上方;水平向右。特別提醒(1)安培力總是垂直于磁場方向和電流方向所決定的平面,但磁場方向和電流方向不一定垂直。(2)若已知B、I方向,F方向唯一確定,但若已知B(或I)、F方向,I(或B)方向不唯一。(3)判斷通電導(dǎo)體在磁場中的受力方向用左手定則。學(xué)以致用1.如圖所示,甲、乙兩圖已知電流方向及其所受安培力的方向,試判斷磁場方向。丙、丁兩圖已知磁場方向及安培力的方向,試畫出電流方向。(假設(shè)磁場方向與電流方向垂直)答案:垂直紙面向外;垂直F向下。

丙

丁2.(2021·廣東卷)截面為正方形的絕緣彈性長管中心有一固定長直導(dǎo)線,長管外表面固定著對稱分布的四根平行長直導(dǎo)線。若中心直導(dǎo)線通入電流I1,四根平行直導(dǎo)線均通入電流I2,I1?I2,電流方向如圖所示。下列截面圖中可能正確表示通電后長管發(fā)生形變的是(

)答案:C解析:兩根導(dǎo)線的電流方向相同,二者之間是引力,兩根導(dǎo)線的電流方向相反,二者之間是斥力,上下兩根導(dǎo)線與I1之間是斥力,左右兩根導(dǎo)線與I1之間是引力,選項C正確。二

安培力的大小重難歸納1.公式F=IlBsinθ中l(wèi)指的是導(dǎo)線在磁場中的“有效長度”,彎曲導(dǎo)線的有效長度l,等于連接兩端點線段的長度(如圖所示);相應(yīng)的電流沿l由始端流向末端。2.公式F=IlBsinθ中θ是B和I方向的夾角。(1)當(dāng)θ=90°時,即B⊥I,sinθ=1,公式變?yōu)镕=IlB。(2)當(dāng)θ=0°時,即B∥I,F=0。3.在非勻強磁場中,只要通電直導(dǎo)線所在位置的各點磁感應(yīng)強度B矢量相等(包括大小和方向),則導(dǎo)線所受安培力也能用上述公式計算。4.當(dāng)電流同時受到幾個安培力時,則電流所受的安培力為這幾個安培力的矢量和。由導(dǎo)線組成的直角三角形框架靜止放在勻強磁場中(如圖所示),若導(dǎo)線框中通以圖示方向的電流時,導(dǎo)線框?qū)⒆鍪裁催\動?提示:導(dǎo)線框的有效長度為零,導(dǎo)線框所受安培力為零,導(dǎo)線框不動。典例剖析如圖所示,一根導(dǎo)線位于磁感應(yīng)強度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強磁場中,其中l(wèi)AB=lBC=lCD=lDE=l,且∠C=120°、∠B=∠D=150°?，F(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解析:據(jù)題圖和幾何關(guān)系求得A、E兩點間的距離,即有效長度為l等=(2+)l據(jù)安培力公式得F=Il等B=(2+

)IlB,選項A、B、D錯誤,C正確。規(guī)律方法應(yīng)用安培力公式F=IlBsin

θ解題的技巧。(1)應(yīng)用公式F=IlBsin

θ求安培力大小時,應(yīng)正確理解公式中各物理量的實質(zhì),可將Bsin

θ理解為有效磁感應(yīng)強度或?qū)sin

θ理解為有效長度,θ為磁場方向與直導(dǎo)線l之間的夾角。

(2)通電導(dǎo)線所受的安培力等于各段所受安培力的合力。

(3)勻強磁場中彎曲導(dǎo)線的有效長度l,等于連接兩端點間的線段的長度。學(xué)以致用如圖所示,一段導(dǎo)線abcd位于磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場中,且與磁場方向(垂直于紙面向里)垂直。線段ab、bc和cd的長度均為l,且∠abc=∠bcd=135°。流經(jīng)導(dǎo)線的電流為I,方向如圖中箭頭所示。導(dǎo)線abcd受到的磁場的作用力的合力(

)答案:A解析:導(dǎo)線abcd的有效長度為線段ad,由幾何知識知lad=(+1)l,故線段abcd所受磁場力的合力大小F=BIlad=(+1)BIl。導(dǎo)線有效長度的電流方向為a→d,據(jù)左手定則可以確定導(dǎo)線所受合力方向豎直向上,故選項A正確。模型方法·素養(yǎng)提升通電導(dǎo)體棒在磁場中的平衡問題模型——模型構(gòu)建方法歸納通電導(dǎo)體棒在磁場中的平衡問題是一種常見的力電綜合模型,該模型一般由導(dǎo)軌、導(dǎo)體棒、電源和電阻等組成。這類題目的難點是題圖具有立體性,各力的方向不易確定。一般方法為:(1)首先把立體圖畫成易于分析的平面圖,如側(cè)視圖、剖視圖或俯視圖等。(2)確定導(dǎo)線所在處磁場方向,根據(jù)左手定則確定安培力的方向。(3)結(jié)合通電導(dǎo)體、受力分析、運動情況等,根據(jù)題目要求,列出方程,解決問題。如圖所示,導(dǎo)線框與電源、滑動變阻器、電流表、開關(guān)組成閉合回路,將導(dǎo)線框用彈簧測力計懸掛起來,導(dǎo)線框下端置于蹄形磁體兩極之間,與磁場方向垂直放置。在接通電路前先觀察并記錄下彈簧測力計的讀數(shù)F0。接通電路,調(diào)節(jié)滑動變阻器使電流表讀數(shù)為I1,觀察并記錄彈簧測力計此時的讀數(shù)F1,繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動變阻器使電流表讀數(shù)為I2,I3,…,In,觀察并記錄彈簧測力計相應(yīng)的讀數(shù)F2,F3,…,Fn。若實驗過程中導(dǎo)線框下端都未離開蹄形磁體兩極之間的區(qū)域,且該區(qū)域的磁場可看作勻強磁場,請根據(jù)以上數(shù)據(jù)描繪出彈簧測力計彈力大小F隨電流I變化的圖像。提示:接通電路前有G=F0接通電路后,線框受到的安培力的方向可能向下,可能向上,根據(jù)平衡條件得F=G+IlB或F=G-IlB所以F=F0+IlB或F=F0-IlB對應(yīng)圖像分別為圖甲、圖乙。甲

乙典例剖析如圖所示,金屬桿MN用兩根絕緣細(xì)線懸于天花板的O、O'點,桿中通有垂直于紙面向里的恒定電流,空間有豎直向上的勻強磁場,桿靜止時懸線與豎直方向的夾角為θ。若將磁場在豎直面內(nèi)沿逆時針方向緩慢轉(zhuǎn)過90°,在轉(zhuǎn)動過程中通過改變磁場磁感應(yīng)強度大小來保持懸線與豎直方向的夾角不變,則在轉(zhuǎn)動過程中,磁場的磁感應(yīng)強度大小的變化情況是(

)A.一直減小

B.一直增大C.先減小后增大

D.先增大后減小答案:C解析:磁場在轉(zhuǎn)動的過程中,桿處于平衡狀態(tài),桿所受重力的大小和方向不變,懸線的拉力方向不變。由圖解法結(jié)合左手定則可知,在磁場沿逆時針方向緩慢轉(zhuǎn)動的過程中,安培力先減小后增大。由F=BIl可知,磁場的磁感應(yīng)強度先減小后增大,故選項C正確。方法總結(jié)1.安培力作用下的平衡問題與力學(xué)中的平衡問題分析方法是相同的,只不過多了安培力,解題的關(guān)鍵仍是受力分析。

2.視圖轉(zhuǎn)換:對于安培力作用下的力學(xué)問題,線框的受力邊及金屬棒的受力往往分布在三維空間的不同方向上,這時應(yīng)利用俯視圖、剖面圖或側(cè)視圖等,變立體圖為二維平面圖。

3.將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖舉例。學(xué)以致用如圖所示,長為l的通電直導(dǎo)體棒放在光滑水平絕緣軌道上,勁度系數(shù)為k的水平輕彈簧一端固定,另一端拴在棒的中點,且與棒垂直,整個裝置處于方向豎直向上、磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,彈簧伸長量為x時,棒處于靜止?fàn)顟B(tài)。則(

)A.導(dǎo)體棒中的電流方向從b流向aB.導(dǎo)體棒中的電流大小為C.若只將磁場方向沿順時針方向緩慢轉(zhuǎn)過一小角度,x變大D.若只將磁場方向沿逆時針方向緩慢轉(zhuǎn)過一小角度,x變大答案:B解析:由受力平衡可知安培力方向水平向右,由左手定則可知,導(dǎo)體棒中的電流方向從a流向b,故選項A錯誤。由于彈簧伸長x,根據(jù)胡克定律及平衡條件,有kx=BIl,可得

,故選項B正確。若只將磁場方向沿順時針或逆時針方向緩慢轉(zhuǎn)過一小角度,則安培力在水平方向上的分力減小,根據(jù)力的平衡可得,彈簧彈力變小,導(dǎo)致x變小,故選項C、D錯誤。隨堂訓(xùn)練1.在如圖所示的勻強磁場中,已經(jīng)標(biāo)出了電流I和磁場B以及磁場對電流的安培力F三者的方向,其中錯誤的是(

)答案:C解析:根據(jù)左手定則可知選項A、B、D正確。選項C中電流和磁場方向平行,不受安培力,故選項C錯誤。2.關(guān)于通電直導(dǎo)線在勻強磁場中所受的安培力,下列說法正確的是(

)A.安培力的方向可以不垂直于通電直導(dǎo)線B.安培力的方向總是垂直于磁場的方向C.安培力的大小與通電直導(dǎo)線和磁場方向的夾角無關(guān)D.將通電直導(dǎo)線從中點折成直角,安培力的大小一定變?yōu)樵瓉淼囊话氪鸢?B解析:由左手定則可知,安培力的方向一定與磁場方向和通電直導(dǎo)線垂直,選項A錯誤,B正確。安培力的大小F=BIlsin

θ,與通電直導(dǎo)線和磁場方向的夾角有關(guān),選項C錯誤。將通電直導(dǎo)線從中點折成直角,假設(shè)原來通電直導(dǎo)線與磁場方向垂直,若折成直角后一段與磁場仍垂直,另一段與磁場平行,則安培力的大小變?yōu)樵瓉淼囊话?若折成直角后,兩段都與磁場垂直,則安培力的大小變?yōu)樵瓉淼?/p>

,因此安培力大小不一定是原來的一半,選項D錯誤。3.(多選)把通有電流I、長度為l的直導(dǎo)線放在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,下列關(guān)于安培力大小的說法正確的是(

)A.可能為0 B.一定為BIlC.可能小于BIl D.可能大于BIl答案:AC解析:導(dǎo)線與磁場方向平行時,導(dǎo)線受到的安培力為0,選項A正確。當(dāng)導(dǎo)線與磁場方向垂直時,導(dǎo)線受到的安培力最大,為BIl,選項C正確,B、D錯誤。4.如圖所示,長為2l的直導(dǎo)線折成邊長相等、夾角為60°的V形,并置于與其所在平面相垂直的勻強磁場中,磁感應(yīng)強度為B。當(dāng)在該導(dǎo)線中通以大小為I