1.1磁場對通電導(dǎo)線的作用力-高二物理教學(xué)完整版選導(dǎo)學(xué)案

磁場對通電導(dǎo)線的作用力學(xué)習(xí)目標(biāo)：1．知道什么是安培力，會推導(dǎo)安培力公式F=BILsinθ。2．知道左手定則的內(nèi)容，并會用它判斷安培力的方向。3．了解磁電式電流表的工作原理。課前預(yù)習(xí)：閱讀教材2-5頁完成下列任務(wù)一、安培力的方向1．安培力：通電導(dǎo)線在磁場中受到的力。2．決定安培力方向的因素(1)磁場方向；(2)電流方向。3．左手定則：如圖所示伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入并使四指指向電流方向，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。4．安培力的特點：F⊥I，F(xiàn)⊥B，即F垂直于B與I所構(gòu)成的平面溫馨提示：(1)電流方向和磁場方向不一定垂直。(2)安培力的方向一定和電流方向、磁場方向都垂直。二、安培力的大小同一通電導(dǎo)線，按不同方式放在同一磁場中，受力情況不同，如圖所示。1．如圖甲，當(dāng)通電導(dǎo)線垂直于磁場B的方向放置此時安培力最大，F(xiàn)＝BIL2．如圖乙，當(dāng)通電導(dǎo)線平行于磁場B的方向放置，此時安培力最小，F(xiàn)＝0想一想：若導(dǎo)線不受磁場力，該處一定無磁場嗎？若導(dǎo)線不受磁場力，該處一定無磁場嗎？3．如圖丙，當(dāng)I與B成θ角時，可以把磁感應(yīng)強度B分解，如圖丁所示。此時F＝BILsinθ，這是一般情況下安培力的表達(dá)式。溫馨提示：（1）.F＝IlBsinθ適用于勻強磁場中的通電直導(dǎo)線，求彎曲導(dǎo)線在勻強磁場中所受安培力時，l為有效長度，即導(dǎo)線兩端點所連直線的長度，相應(yīng)的電流方向沿l由始端流向末端，如圖所示。（2）.同樣情況下，通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時，所受的安培力最大；通電導(dǎo)線與磁場方向平行時，不受安培力；通電導(dǎo)線與磁場方向斜交時，所受的安培力介于0和最大值之間。（3）.在非勻強磁場中，只要通電直導(dǎo)線l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)，則通電直導(dǎo)線所受安培力也能用公式F＝IlBsinθ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。三、磁電式電流表(1)原理：通電線圈在磁場中受到安培力而偏轉(zhuǎn).線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大，被測電流就越大.根據(jù)線圈偏轉(zhuǎn)的方向，可以知道被測電流的方向.(2)構(gòu)造：磁鐵、線圈、螺旋彈簧、指針、極靴.(3)特點：極靴與圓柱間的磁場沿半徑方向，線圈轉(zhuǎn)動時，安培力的大小不受磁場影響，電流所受安培力的方向總與線圈平面垂直.線圈平面與磁場方向平行，如圖所示.(4)優(yōu)點：靈敏度高，可以測出很弱的電流.缺點：線圈導(dǎo)線很細(xì)，允許通過的電流很弱.溫馨提示：①線圈上指針的偏轉(zhuǎn)角度與通入的電流成正比，所以電流表刻度盤上的刻度是均勻的，從線圈偏轉(zhuǎn)的角度就能判斷通過電流的大??；②線圈中的電流方向改變時，安培力的方向隨之改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨之改變.所以根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測電流的方向。知識講解：一、安培力方向的判斷例1.畫出下列各圖中磁場對通電導(dǎo)線的安培力的方向。答案如圖所示二、安培力的分析與計算例2.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。關(guān)于導(dǎo)線abcd所受到的磁場的作用力的合力，下列正確的是()A.方向沿紙面垂直bc向上，大小為(+1)ILBB.方向沿紙面垂直bc向下，大小為(+1)ILBC.若在紙面內(nèi)將abcd逆時針旋轉(zhuǎn)30°，力的大小減半D.若在紙面內(nèi)將abcd逆時針旋轉(zhuǎn)60°，力的大小減半答案A解析：由安培力公式F=BIL與左手定則，可得ab段導(dǎo)線的安培力方向垂直于導(dǎo)線與磁感線構(gòu)成的平面并斜向左。同理cd段導(dǎo)線的安培力方向垂直于導(dǎo)線與磁感線構(gòu)成的平面并斜向右。因此由平行四邊形定則對這兩個安培力進(jìn)行分解，可得沿bc段方向的安培力分力正好相互平衡，所以ab段與cd段導(dǎo)線的安培力的合力為BIL，方向豎直向上，而bc段安培力的大小為BIL，方向是豎直向上。則導(dǎo)線段abcd所受到的磁場的作用力的合力大小為(+1)BIL，方向是豎直向上。若在紙面內(nèi)將abcd旋轉(zhuǎn)任何角度，力的大小均不變，故A正確，B、C、D錯誤。針對訓(xùn)練：1．如圖所示，導(dǎo)線框中電流為I，導(dǎo)線框垂直于磁場放置，磁感應(yīng)強度為B，ab與cd相距為l，則MN所受安培力大小()A．F＝BIlB．F＝BIlsinθC．F＝eq\f(BIl,sinθ)D．F＝BIlcosθ答案C解析題中磁場和電流垂直，θ角僅是導(dǎo)線框與金屬桿MN間夾角，不是電流與磁場的夾角。2．彎折導(dǎo)體PMN通有如圖所示方向的電流，置于與PMN所在平面平行的勻強磁場中，此時導(dǎo)體PMN所受的安培力最大?，F(xiàn)將整段導(dǎo)體以過M點且垂直于PMN所在平面的直線為軸轉(zhuǎn)動45°，則導(dǎo)體PMN（形狀始終保持不變）所受的安培力（）A．方向不變，大小變?yōu)樵瓉淼谋禕．方向不變，大小變?yōu)樵瓉淼谋禖．方向改變，大小變?yōu)樵瓉淼谋禗．方向改變，大小變?yōu)樵瓉淼谋丁敬鸢浮緽【解析】假設(shè)原磁場如圖則導(dǎo)體PMN所受的安培力方向垂直于紙面向里導(dǎo)體逆時針旋轉(zhuǎn)后，如圖導(dǎo)體PMN所受安培力為方向垂直于紙面向里；導(dǎo)體順時針旋轉(zhuǎn)，安培力大小、方向與逆時針旋轉(zhuǎn)相同。如果磁場方向向上，導(dǎo)體無論是逆時針還是順時針旋轉(zhuǎn)后安培力方向也是與原來一樣，大小變?yōu)樵瓉淼谋?。三、安培力作用下的運動問題例3．如圖所示，把一通電直導(dǎo)線放在蹄形磁鐵磁極的正上方，導(dǎo)線可以自由移動，當(dāng)導(dǎo)線通過電流I時，導(dǎo)線的運動情況是（）（從上往下看）A．順時針方向轉(zhuǎn)動，同時下降B．順時針方向轉(zhuǎn)動，同時上升C．逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時下降D．逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時上升【答案】C【解析】在導(dǎo)線兩側(cè)取兩小段，左邊一小段所受的安培力方向垂直紙面向外，右側(cè)一小段所受安培力的方向垂直紙面向里，從上往下看，知導(dǎo)線逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動90°時，導(dǎo)線所受的安培力方向向下，所以導(dǎo)線的運動情況為：逆時針轉(zhuǎn)動，同時下降。故C正確，ABD錯誤。故選C。針對訓(xùn)練：1.如圖所示，把輕質(zhì)導(dǎo)線圈用絕緣細(xì)線懸掛在磁鐵N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直線圈平面。當(dāng)線圈內(nèi)通以圖中方向的電流后，線圈的運動情況是()A．線圈向左運動 B．線圈向右運動C．從上往下看順時針轉(zhuǎn)動D．從上往下看逆時針轉(zhuǎn)動選A2.如圖所示，兩個完全相同且相互絕緣、正交的金屬環(huán)A、B，可沿軸線OO′自由轉(zhuǎn)動。現(xiàn)通以圖示方向電流，沿OO′看去會發(fā)現(xiàn)()A．A環(huán)、B環(huán)均不轉(zhuǎn)動B．A環(huán)將逆時針轉(zhuǎn)動，B環(huán)也逆時針轉(zhuǎn)動，兩環(huán)相對不動C．A環(huán)將順時針轉(zhuǎn)動，B環(huán)也順時針轉(zhuǎn)動，兩環(huán)相對不動D．A環(huán)將順時針轉(zhuǎn)動，B環(huán)將逆時針轉(zhuǎn)動，兩者吸引靠攏至重合為止[解析]由安培定則可得，A環(huán)在環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的磁場方向向下，B環(huán)在環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的磁場方向向左，兩磁場相互作用后磁場的方向趨向一致，所以A環(huán)順時針轉(zhuǎn)動，B環(huán)逆時針轉(zhuǎn)動，二者相互靠攏，直至重合，D正確。四、安培力作用下的平衡問題例4．如圖所示，通電直導(dǎo)線ab質(zhì)量為m、長為L，水平地放置在傾角為θ的光滑斜面上，通以圖示方向的電流，電流強度為I，要求導(dǎo)線ab靜止在斜面上（要求畫出平面受力分析圖）(1)若磁場的方向豎直向上，則磁感應(yīng)強度的大小如何?(2)若要求磁感應(yīng)強度最小，則磁感應(yīng)強度的大小和方向如何?(1)；(2)；磁場方向垂直于斜面向上【詳解】(1)若磁場方向豎直向上，從a向b觀察，導(dǎo)線受力情況如下圖所示由平衡條件得，在水平方向上有F-FNsinθ=0在豎直方向上有mg-FNcosθ=0其中F=BIL聯(lián)立以上各式可解得(2)若要求磁感應(yīng)強度最小，則一方面應(yīng)使磁場方向與通電導(dǎo)線垂直，另一方面應(yīng)調(diào)整磁場方向使與重力、支持力合力相平衡的安培力最小，如下圖所示由力的矢量三角形知識可知，當(dāng)安培力方向與支持力垂直時，安培力最小，對應(yīng)磁感應(yīng)強度最小，設(shè)其值為Bmin，則有BminIL=mgsinθ解得根據(jù)左手定則判定知，該磁場方向垂直于斜面向上針對訓(xùn)練：1．如圖，兩平行金屬導(dǎo)軌間的距離L＝0.40m，導(dǎo)軌平面與水平夾角θ＝37°，空間分布著垂直于導(dǎo)軌平面的勻強磁場B＝0.5T。導(dǎo)軌的一端接有電動勢E＝4.5V、內(nèi)阻r＝0.50Ω的直流電源?，F(xiàn)把一個質(zhì)量為m＝0.040kg的導(dǎo)體棒ab垂直導(dǎo)軌放置，導(dǎo)體棒恰好靜止。導(dǎo)體棒的電阻R0＝2.5Ω，金屬導(dǎo)軌電阻不計，g取10m/s2.已知sin37°＝0.60，cos37°＝0.80，求：（1）通過導(dǎo)體棒的電流；（2）導(dǎo)體棒受到的安培力大??；（3）導(dǎo)體棒受到的摩擦力大小。答案．（1）1.5A；（2）0.30N；（3）0.06N2．如圖所示，傾角為的光滑斜面處于豎直向上的勻強磁場中，現(xiàn)將一表面絕緣的通電導(dǎo)體棒放置在斜面上，棒中電流方向垂直紙面向里。已知導(dǎo)體棒始終保持靜止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)體棒質(zhì)量m=0.1kg，棒中電流I=0.5A，導(dǎo)體棒長度L=2m，重力加速度g=10m/s2，sin37°=0.6。求：（1）磁感應(yīng)強度的大?。海?）若將磁場方向在紙面內(nèi)任意轉(zhuǎn)動，求磁感應(yīng)強度最小值和此時的磁場方向；（3）若斜面粗糙且動摩擦因數(shù)=0.5，滑動摩擦力等于最大靜摩擦力，求豎直向上磁場的磁感應(yīng)強度范圍?！敬鸢浮浚?）0.75T；（2）0.6T；方向垂直于斜面向上；（3）T≤B≤2T【解析】（1）導(dǎo)體棒處于平衡狀態(tài)BIL=mgtanθ得B=0.75T（2）安培力最小時磁感應(yīng)強度也最小BIL=mgsinθ得B=0.6T方向垂直于斜面向上；（3）導(dǎo)體棒剛好要沿斜面下滑，磁感應(yīng)強度最小mgsinθ=B1ILcosθ+μ（mgcosθ+B1ILsinθ）得B1=T導(dǎo)體棒剛好要沿斜面上滑，磁感應(yīng)強度最大mgsinθ+μ（mgcosθ+B2ILsinθ）=B2ILcosθ得B2=2T磁感應(yīng)強度的范圍為：T≤B≤2T。五、磁電式電流表的原理例5．如圖甲是高中物理電學(xué)實驗中常用的磁電式電流表的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部磁場分布和線圈中電流流向剖面示意如乙圖所示。關(guān)于磁電式電流表的下列各項說法中正確的是（）A．線圈a在磁場中受到的安培力為逆時針方向，線圈b在磁場中受到的安培力為逆時針方向B．線圈中電流越大，安培力就越大，螺旋彈簧的形變也越大，線圈偏轉(zhuǎn)的角度也越大C．電流表中的磁場是勻強磁場D．線圈無論轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感線平行，所以線圈不受安培力選B.針對訓(xùn)練：1．實驗室常用的電流表是磁電式儀表，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖甲所示，蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場均勻地輻向分布，如圖乙所示.當(dāng)線圈通以如圖乙所示的電流時(a端電流方向為垂直紙面向外)，下列說法不正確的是()A．根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)角度的大小，可以知道被測電流的大小B．線圈在轉(zhuǎn)動過程中，通過線圈的磁通量發(fā)生變化C．線圈中電流增大時，螺旋彈簧被扭緊，阻礙線圈轉(zhuǎn)動D．當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到如圖乙所示的位置