人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學案：1 1 磁場對通電導線的作用力

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE1第1節(jié)磁場對通電導線的作用力學習目標要求核心素養(yǎng)和關鍵能力1.通過實驗探究安培力的方向與電流的方向、磁感應強度的方向之間的關系。2.掌握安培力的公式F＝IlBsinθ，并會進行有關計算。3.了解磁電式電流表的構造及其工作原理。1.科學思維掌握安培力作用下導體運動問題的分析方法，運用矢量合成思維對磁感應強度和安培力進行合成。2.科學探究通過實驗探究得到安培力的方向。3.關鍵能力科學探究能力和空間思維能力。一、安培力的方向1．安培力通電導線在磁場中受的力。2．影響因素(1)磁場方向。(2)電流方向。(3)安培力方向與磁場方向、電流方向的關系：安培力F垂直于導線與磁感應強度決定的平面。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平面內；讓磁感線從掌心垂直進入，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線在磁場中所受安培力方向?！寂幸慌小?1)通電導線在磁場中一定會受到安培力的作用。(×)(2)判斷電流的磁場方向用安培定則(右手螺旋定則)，確定通電導體在磁場中的受力方向用左手定則。(√)(3)通電導線所受安培力F的方向、磁感應強度B的方向和電流I的方向三者必須保持相互垂直。(×)二、安培力的大小1．通電導線的方向跟磁場的方向垂直時，安培力最大，F(xiàn)＝IlB。2．通電導線的方向跟磁場的方向平行時，安培力最小，F(xiàn)＝0。3．通電導線的方向跟磁場的方向夾角為θ時，把磁感應強度B分解為與導線垂直的分量B⊥和與導線平行的分量B∥，如圖所示。則B⊥＝Bsinθ，B∥＝Bcosθ。導線所受的安培力是B⊥產生的，F(xiàn)＝IlBsin__θ。〖判一判〗(1)若勻強磁場中磁感應強度為B＝1T，導線中的電流I＝1A，導線長度l＝1m，則安培力F＝1N。(×)(2)若通電導線在某處不受安培力，則該處磁感應強度一定為零。(×)(3)若通電導線在某處受到的安培力不為零，則此處的磁感應強度一定不為零。(√)三、磁電式電流表1．基本構造：磁鐵、線圈、螺旋彈簧、指針、極靴、鐵質圓柱等。2．工作原理：通電線圈因受安培力而轉動。(1)通電線圈在磁場中受安培力作用發(fā)生轉動。螺旋彈簧變形，反抗線圈的轉動。(2)電流越大，安培力就越大，螺旋彈簧的形變就越大，線圈偏轉的角度也越大，所以根據線圈偏轉角度就能判斷通過電流的大小。(3)根據指針偏轉方向，可以知道被測電流的方向。3．優(yōu)缺點：優(yōu)點是靈敏度高，可以測出很弱的電流；缺點是線圈的導線很細，允許通過的電流很弱。探究1安培力的方向■情境導入如圖所示的實驗裝置，通電導線懸掛放置在蹄形磁鐵之間，改變磁極方向或電流方向，觀察導線擺動的方向。思考并探究下面的問題：(1)上下交換磁極的位置以改變磁場方向，導線受力的方向是否改變？(2)改變導線中電流的方向，導線受力的方向是否改變？(3)仔細分析實驗結果，說明安培力的方向與磁場方向、電流方向有怎樣的關系？〖答案〗(1)受力的方向改變；(2)受力的方向改變；(3)安培力的方向與磁場方向、電流方向的關系滿足左手定則?！鰵w納拓展1．方向特點安培力的方向既垂直于電流方向，也垂直于磁場方向，即安培力的方向垂直于電流I和磁場B所決定的平面。(1)當電流方向與磁場方向垂直時，安培力方向、磁場方向、電流方向兩兩垂直，應用左手定則時，磁感線垂直穿過掌心。(2)當電流方向與磁場方向不垂直時，安培力的方向仍垂直于電流方向，也垂直于磁場方向。應用左手定則時，磁感線斜著穿過掌心。2．重要結論同向電流相互吸引，反向電流相互排斥。〖例1〗(2021·江蘇淮安市高二期末)如圖，通電導線MN與單匝矩形線圈abcd共面，位置靠近ab且相互絕緣。當線圈abcd通以逆時針電流時，線圈所受安培力的合力方向()A．向左 B．向右C．垂直紙面向外 D．垂直紙面向里〖答案〗A〖解析〗根據安培定則，圖中直導線MN在右側產生的磁場方向垂直紙面向里，在左側產生的磁場方向垂直紙面向外，矩形線圈的bc邊、ad邊電流方向相反，故安培力等大相反；根據左手定則，ab、cd所受安培力都向左，所以abcd受到的合力向左，故選項A正確?！坚槍τ柧?〗(2021·山西大同市高二期末)如圖所示，鋁盤內、外側邊緣分別與直流電源的兩極相連，盤中倒入水銀。將盤放在豎直方向的磁場中，當接通電源時，盤中水銀轉動起來。下列判斷正確的是()A．若盤的外邊緣接負極，當磁場方向向上時水銀順時針旋轉B．若盤的外邊緣接正極，當磁場方向向上時水銀順時針旋轉C．若盤的外邊緣接負極，當磁場方向向下時水銀順時針旋轉D．若盤的外邊緣接正極，當磁場方向向下時水銀逆時針旋轉〖答案〗A〖解析〗當接通電源，盤的外邊緣接負極時水銀中有由內向外的輻向電流，當磁場方向向上時，據左手定則可判斷水銀受到順時針方向的安培力，故水銀順時針旋轉，A正確；同理可知，B、C中水銀應逆時針方向旋轉，D中的水銀應順時針方向旋轉，B、C、D錯誤。探究2安培力的大小1．公式F＝IlBsinθ中θ是B和I方向的夾角(1)當θ＝90°時，即B⊥I，sinθ＝1，公式變?yōu)镕＝IlB。(2)當θ＝0°時，即B∥I，F(xiàn)＝0。2．公式F＝IlBsinθ中l(wèi)指的是導線在磁場中的“有效長度”，彎曲導線的有效長度l，等于連接兩端點直線的長度(如圖所示)；相應的電流沿導線由始端流向末端。3．重要推論：對任意形狀的閉合平面線圈，當線圈平面與磁場方向垂直時，線圈的有效長度l＝0，故通電后線圈在勻強磁場中所受安培力的矢量和一定為零，如圖所示?！祭?〗如圖，在勻強磁場中放有下列各種形狀的通電導線，電流強度為I，磁感應強度為B，求各導線所受到的安培力的大小?！即鸢浮紽A＝ILBcosαFB＝ILBFC＝eq\r(2)ILBFD＝2IRBFE＝0〖解析〗A圖中，F(xiàn)A＝ILBcosα；B圖中，導線在紙平面內，因此B⊥I，故FB＝ILB；C圖中是兩根導線組成的折線abc，整體受力實質上是兩部分直導線分別受力的矢量和，其有效長度為ac(即從a→c的電流)，故FC＝eq\r(2)ILB；D圖中是沿a→b的半圓形電流，其有效長度為ab，則FD＝2IRB；E圖中，用導線將abc接通形成閉合線圈，線圈受力的矢量和為零，故合力為零，所以，閉合的通電線圈受安培力為零，則FE＝0?！坚槍τ柧?〗(2021·江蘇無錫市高二期末)如圖所示，將三根完全相同長為L的導體棒連接成一閉合的三角形線框abc，大小為B的勻強磁場垂直于線框平面向里(圖中未畫出)。用導線將a、c兩點接入電流恒為I的電路中，則下列說法正確的是()A．線框所受安培力的大小等于0B．線框所受安培力的大小等于ILBC．ab邊與bc邊所受安培力相同D．ac邊所受安培力的大小等于eq\f(1,2)ILB〖答案〗B〖解析〗根據題意可判斷abc與ac為并聯(lián)關系，電流方向相同，根據左手定則判斷安培力不為0，A錯誤；根據并聯(lián)電路電流之比等于電阻的反比，所以abc與ac中流過的電流之比為1∶2，可將abc等效成ac的直導線，故線框受到的安培力為F＝eq\f(2,3)ILB＋eq\f(1,3)ILB＝ILB，B正確；ab與bc邊長度相等，電流大小相等，但根據左手定則可知，安培力的方向不同，大小相同，C錯誤；根據安培力公式可知Fac＝eq\f(2,3)ILB，D錯誤。探究3磁電式電流表〖例3〗如圖甲所示是磁電式電流表的結構圖，蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場均勻輻向分布。線圈中a、b兩條邊長度均為l，未通電流時，a、b處于圖乙所示位置，兩條邊所在處的磁感應強度大小均為B。通電后，a邊中電流方向垂直紙面向外，大小為I，則()A．該磁場是勻強磁場B．線圈平面總與磁場方向垂直C．線圈將逆時針轉動D．a邊受到的安培力大小始終為IlB〖答案〗D〖解析〗磁場均勻輻向分布，磁場方向與鐵芯垂直，但不是勻強磁場，A錯誤；由于磁場是輻向磁場，線圈平面與磁場方向始終平行，B錯誤；根據左手定則，在圖中位置，a邊受力方向向上，b邊受力方向向下，線圈將順時針轉動，C錯誤；由于在轉動過程中，a邊始終與磁場垂直，因此受到的安培力大小始終為IlB，D正確?！坚槍τ柧?〗(多選)下列關于磁電式電流表的說法中正確的是()A．指針穩(wěn)定后，螺旋彈簧形變產生的阻力與線圈所受的安培力方向相反B．通電線圈中的電流越大，電流表指針的偏轉角度越大C．在線圈轉動的范圍內，各處的磁場都是勻強磁場D．在線圈轉動的范圍內，線圈所受安培力大小與電流大小有關，與所處位置無關〖答案〗ABD〖解析〗螺旋彈簧形變產生的阻力與安培力引起的動力從轉動角度來看二力方向相反；電流表內磁場是均勻輻射磁場，在線圈轉動的范圍內，不管線圈轉到什么角度，它的平面都跟磁感線平行，線圈所在各處的磁感應強度大小相等，但方向不同，所以安培力與電流大小有關而與所處位置無關，電流越大，安培力越大，指針轉過的角度越大，則A、B、D正確，C錯誤。1．(安培力的方向)關于磁場方向、電流方向、安培力方向三者之間的關系，正確的說法是()A．磁場方向、電流方向、安培力方向三者之間總是互相垂直的B．磁場方向一定與安培力方向垂直，但電流方向不一定與安培力方向垂直C．磁場方向不一定與安培力方向垂直，但電流方向一定與安培力方向垂直D．磁場方向不一定與電流方向垂直，但安培力方向一定既與磁場方向垂直，又與電流方向垂直〖答案〗D〖解析〗電流放入磁場中，不管電流與磁場是否垂直，安培力均垂直于磁場和電流所確定的平面，即安培力總是垂直于磁場方向和電流方向。故A、B、C均錯誤，D正確。2．(安培力的大小和方向)(2021·福建南平市高二期末)已知南平市區(qū)地磁場的磁感應強度水平分量為B1，豎直分量為B2，市區(qū)南北走向的街道有一小段長度為L的地下電纜，通有電流大小為I，方向自南向北的電流，則此時這段地下電纜受到地磁場對它的安培力大小和方向分別為()A.eq\r(Beq\o\al(2,1)＋Beq\o\al(2,2))IL，方向水平向東B．B2IL，方向水平向西C．B1IL，方向豎直向上D.eq\r(Beq\o\al(2,1)＋Beq\o\al(2,2))IL，方向豎直向下〖答案〗B〖解析〗安培力大小為FA＝B2IL，由左手定則可知，安培力方向水平向西，故選項B正確。3．(安培力的大小)如圖所示四種情況中，勻強磁場磁感應強度大小相等，載流導體長度相同，通過的電流也相同，導體受到的安培力最大，且方向沿著紙面的情況是()A．甲、乙 B．甲、丙C．乙、丁 D．乙、丙〖答案〗C〖解析〗對于甲圖，安培力F＝BILcos30°，方向垂直紙面向里；對于乙圖，安培力F＝BIL，方向沿紙面向下；對于丙圖，安培力F＝0；對于丁圖，安培力F＝BIL，方向垂直導體沿紙面斜向上。故選項C正確。4．(磁電式電流表)(多選)實驗室經常使用的電流表是磁電式電流表。這種電流表的構造如圖甲所示。蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是均勻輻向分布的。若線圈中通以如圖乙所示的電流，則下列說法中正確的是()A．在量程內指針轉至任一角度，線圈平面都跟磁感線平行B．線圈轉