磁場對通電導(dǎo)線的作用-安培力含解析

...wd......wd......wd...學(xué)案2磁場對通電導(dǎo)線的作用——安培力[學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]1.知道安培力的定義，會用F＝ILB計算B與I垂直情況下的安培力.2.會用左手定則判斷安培力的方向.3.知道電動機的工作原理.4.體會控制變量法在科學(xué)研究中的作用．一、安培力1．磁場對通電導(dǎo)線的作用力稱為安培力．(1)當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向平行時，導(dǎo)線不受力．(2)當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時，磁場對通電導(dǎo)線的安培力的大小與導(dǎo)線長度和電流大小都成正比，比例系數(shù)用B表示(B與導(dǎo)線所在位置的磁場強弱有關(guān))，公式F＝ILB.2．左手定則：伸出左手，四指并攏，使大拇指和其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿過手心，四指指向沿電流方向，則大拇指所指方向就是通電導(dǎo)線所受安培力的方向(如圖1所示)．圖1二、電動機—安培力的重要應(yīng)用1．安培力的一個最重要應(yīng)用是為電動機的創(chuàng)造提供了理論支持．2．直流電動機由磁場(磁體)、轉(zhuǎn)動線圈、滑環(huán)、電刷及電源組成．當(dāng)通電后，線圈受到安培力作用就在磁場中旋轉(zhuǎn)起來．一、安培力[問題設(shè)計]如圖2所示的實驗電路圖中，當(dāng)開關(guān)斷開時彈簧測力計的讀數(shù)為F0.圖2(1)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.想一想，F(xiàn)1－F0的物理意義是什么(2)繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動變阻器使電流表讀數(shù)為I2，I3，…，In，且逐漸增大，記錄下彈簧測力計相應(yīng)的讀數(shù)F2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)n，并計算F2－F0，F(xiàn)3－F0，…，F(xiàn)n－F0，你發(fā)現(xiàn)了什么(3)緊挨著蹄形磁體再并排放上一個一樣的蹄形磁體．(一樣的極性在同一側(cè))仍保持線框的豎直邊在磁場區(qū)外，重復(fù)過程(2)你從中又會發(fā)現(xiàn)什么答案(1)F1－F0是通電導(dǎo)線受到的磁場的作用力．(2)發(fā)現(xiàn)隨著電流的增大，F(xiàn)2－F0，F(xiàn)3－F0，…，F(xiàn)n－F0也逐漸增大．(3)加了一塊磁鐵相當(dāng)于在磁場中的導(dǎo)線長度增加了．在電流In一樣的情況下Fn－F0也增加．綜合來看：通電導(dǎo)線與磁場垂直時，磁場對電流的作用力大小與導(dǎo)線的長度及電流都成正比．[要點提煉]1．安培力的大小(1)當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時，安培力大小F＝BIL，其中B為比例系數(shù)(即下一節(jié)要學(xué)到的磁感應(yīng)強度)，與導(dǎo)線所在位置的磁場強弱有關(guān)．(2)當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向平行時，安培力F＝0.2．安培力的方向(1)安培力方向、磁場方向、電流方向三者之間滿足左手定則．F⊥B，F(xiàn)⊥I，即F垂直于B、I決定的平面．(2)磁場方向和電流方向不一定垂直．用左手定則判斷安培力方向時，磁感線只要從掌心進入即可，不一定垂直穿過掌心．[延伸思考]將通電直導(dǎo)線放入磁場，磁場就會對通電直導(dǎo)線有安培力的作用．如果有兩條相互平行、距離很近的通電直導(dǎo)線，如圖3所示，觀察、分析所發(fā)生的現(xiàn)象，并在圖4中標(biāo)出導(dǎo)線所受安培力的方向．圖3圖4答案假設(shè)兩直導(dǎo)線通入異向電流則相互排斥，通入同向電流則相互吸引．在(a)圖中，由安培定則判斷，I1電流產(chǎn)生的磁場在I2位置的方向向上，再由左手定則判斷I2受到的安培力方向水平向右，同理可判斷I2產(chǎn)生的磁場對I1的安培力水平向左，故兩導(dǎo)線相互排斥，受力如以以以下圖．同理可判斷(b)中I1、I2相互吸引，受力如以以以下圖．二、電動機——安培力的重要應(yīng)用[問題設(shè)計]如圖5是一個直流電動機的工作模型，它由磁場(磁體)、轉(zhuǎn)動線圈、滑環(huán)、電刷及電源組成．圖5(1)甲圖中線圈所在位置各邊受力方向假設(shè)何乙圖中呢(2)滑環(huán)的作用是什么答案(1)由左手定則可判斷，甲圖中與滑環(huán)A連接的一邊受安培力向下，與滑環(huán)B連接的一邊受安培力向上，這兩個力的作用使線圈在磁場中順時針轉(zhuǎn)動(從滑環(huán)向里看)．同理可判斷，乙圖中與滑環(huán)A連接的一邊受安培力向上，與滑環(huán)B連接的一邊受安培力向下，兩個力的效果仍然是使線圈在磁場中順時針轉(zhuǎn)動．(2)滑環(huán)起到了一個換向器的作用，這樣就可保證線圈受到的安培力使線圈向一個方向旋轉(zhuǎn)．[要點提煉]1．電動機由磁場(磁體)、轉(zhuǎn)動線圈、滑環(huán)、電刷及電源組成．2．當(dāng)給電動機通電后，線圈受到安培力作用，線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)起來．3．電動機有直流電動機和交流電動機．一、對安培力方向的判定例1畫出圖6中通電導(dǎo)體棒ab所受的安培力的方向(圖中箭頭方向為磁感線的方向)．圖6解析題目所給的圖是立體圖，如果直接把ab棒受到的安培力畫在立體圖上則較為抽象．為了直觀，一般畫成平面圖，圖中的各個圖從外向內(nèi)看的正視平面圖如以以以下圖(此時導(dǎo)體ab是一個橫截面圖，○×表示電流向里，○·表示電流向外)，題圖甲中，I與B決定的平面是與紙面垂直的豎直面，安培力方向與這個平面垂直，由左手定則知，安培力的方向為水平向右；題圖乙中，I與B決定的平面是與水平方向成θ角的垂直紙面的平面，安培力方向與這個平面垂直，指向右下方；題圖丙中，I和B決定的平面是垂直斜面的平面，安培力方向與斜面平行，指向右上方．甲乙丙答案見解析規(guī)律總結(jié)1.判斷安培力的方向，要先明確磁場的方向和電流的方向，用左手定則判斷，不要“習(xí)慣性〞地用錯右手．實際上左手定則提醒了磁感應(yīng)強度、電流、安培力這三個物理量方向之間的關(guān)系，知道其中任意兩個方向，可以由安培定則判斷第三個方向．2．分析安培力方向時，左手定則和安培定則往往同時使用，要特別注意它們的不同：安培定則用來判斷電流的磁場方向，用右手；左手定則用來判斷電流的受力方向，用左手．二、安培力作用下的物體運動方向問題例2如圖7所示，把一重力不計的通電直導(dǎo)線水平放在蹄形磁鐵兩極的正上方，導(dǎo)線可以自由轉(zhuǎn)動，當(dāng)導(dǎo)線通入圖示方向電流I時，導(dǎo)線的運動情況是(從上往下看)()圖7A．順時針轉(zhuǎn)動，同時下降B．順時針轉(zhuǎn)動，同時上升C．逆時針轉(zhuǎn)動，同時下降D．逆時針轉(zhuǎn)動，同時上升解析畫出蹄形磁鐵的兩條磁感線，在磁感線與電流相交處分別取一小段電流，如圖中的BC、AD兩段，由左手定則可知，AD段受的安培力垂直紙面向外，BC段受的安培力垂直紙面向里，故導(dǎo)線將繞軸線OO′順時針旋轉(zhuǎn)(俯視)，當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動90°時(特殊位置法)，由左手定則可知，導(dǎo)線受向下的安培力作用，所以導(dǎo)線在順時針轉(zhuǎn)動的同時還向下運動，即答案為A.答案A方法總結(jié)判定安培力作用下物體的運動方向有以下幾種方法：(1)電流元法即把整段電流等效為多段直線電流元，運用左手定則判斷出每小段電流元所受安培力的方向，從而判斷出整段電流所受合力的方向，最后確定運動方向．(2)特殊位置法把電流或磁鐵轉(zhuǎn)到一個便于分析的特殊位置后再判斷所受安培力的方向，從而確定運動方向．(3)等效法環(huán)形電流和通電螺線管都可以等效成條形磁鐵．條形磁鐵也可等效成環(huán)形電流或通電螺線管．通電螺線管也可以等效成很多匝的環(huán)形電流來分析．(4)利用結(jié)論法①兩電流相互平行時無轉(zhuǎn)動趨勢，同向電流相互吸引，反向電流相互排斥；②兩電流不平行時，有轉(zhuǎn)動到相互平行且方向一樣的趨勢．利用這些結(jié)論分析，可事半功倍．三、安培力作用下的受力分析問題例3質(zhì)量為m的金屬細(xì)桿置于傾角為θ的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌的寬度為d，桿與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)為μ，有電流通過桿，桿恰好靜止于導(dǎo)軌上，在如以以以下圖的A、B、C、D四個選項中，桿與導(dǎo)軌的摩擦力一定不為零的是()解析選項A中，通電細(xì)桿可能受重力、安培力、導(dǎo)軌的彈力作用處于靜止?fàn)顟B(tài)，如以以以下圖，所以桿與導(dǎo)軌間的摩擦力可能為零．當(dāng)安培力變大或變小時，細(xì)桿有上滑或下滑的趨勢，于是有靜摩擦力產(chǎn)生．選項B中，通電細(xì)桿可能受重力、安培力作用處于靜止?fàn)顟B(tài)，如以以以下圖，所以桿與導(dǎo)軌間的摩擦力可能為零．當(dāng)安培力減小時，細(xì)桿受到導(dǎo)軌的彈力和沿導(dǎo)軌向上的靜摩擦力，也可能處于靜止?fàn)顟B(tài)．選項C和D中，通電細(xì)桿受重力、安培力、導(dǎo)軌彈力作用具有下滑趨勢，故一定受到沿導(dǎo)軌向上的靜摩擦力，如以以以下圖，所以桿與導(dǎo)軌間的摩擦力一定不為零．答案CD方法點撥對通電導(dǎo)線進展受力分析，根據(jù)平衡條件判斷摩擦力是否存在．彈力與摩擦力是被動力，其是否存在和大小隨其他力的變化而變化．安培力—eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(—方向：左手定則,—大?。篎＝BIL,—應(yīng)用：電動機,—在安培力作用下導(dǎo)體運動情況的判斷))1．(對安培力方向的判定)把一小段通電直導(dǎo)線放入磁場中，導(dǎo)線受到安培力的作用，關(guān)于安培力的方向，以下說法中正確的選項是()A．安培力的方向一定跟磁場的方向一樣B．安培力的方向一定跟磁場的方向垂直，但不一定跟電流方向垂直C．安培力的方向一定跟電流方向垂直，但不一定跟磁場方向垂直D．安培力的方向既跟磁場方向垂直，又跟電流方向垂直答案D解析安培力的方向既垂直于磁場方向，又垂直于電流方向，即垂直于磁場與電流所決定的平面．2．(對安培力方向的判定)下面的四個圖顯示了磁場對通電直導(dǎo)線的作用力，其中正確的選項是()答案C3.(安培力作用下的物體運動方向問題)如圖8所示，在水平放置的光滑絕緣桿ab上，掛有兩個一樣的金屬環(huán)M和N.當(dāng)兩環(huán)均通以圖示方向的電流時，以下說法中正確的選項是()圖8A．兩環(huán)靜止不動B．兩環(huán)互相靠近C．兩環(huán)互相遠離D．兩環(huán)同時向左運動答案B解析兩環(huán)通以同向電流，所以它們受到的安培力的效果是相互吸引，故兩環(huán)互相靠近．題組一對安培力方向的判定1．關(guān)于通電導(dǎo)線所受安培力F的方向、磁感應(yīng)強度B的方向和電流I的方向之間的關(guān)系，以下說法正確的選項是()A．F、B、I三者必須保持相互垂直B．F必須垂直B、I，但B、I可以不相互垂直C．B必須垂直F、I，但F、I可以不相互垂直D．I必須垂直F、B，但F、B可以不相互垂直答案B解析安培力F總是與磁感應(yīng)強度B和電流I決定的平面垂直，但B與I(即導(dǎo)線)可以垂直，也可以不垂直，通電導(dǎo)線受安培力時，力F與磁場及導(dǎo)線都是垂直的，故A、C、D均錯，B正確．2.有一通電直導(dǎo)線與xOy平面垂直，導(dǎo)線中電流方向如圖1所示．該區(qū)域有勻強磁場，通電直導(dǎo)線所受磁場力的方向與Ox軸的正方向一樣．該磁場的方向可能是()圖1A．沿x軸正方向B．沿y軸負(fù)方向C．沿z軸正方向D．沿z軸負(fù)方向答案B解析根據(jù)左手定則可得：讓四指指向電流方向，讓拇指指向安培力方向，則垂直穿過手心的為磁場方向，故磁場方向沿y軸負(fù)方向，應(yīng)選B.3．如圖2所示，電磁炮是由電源、金屬軌道、炮彈和電磁鐵組成．當(dāng)電源接通后，磁場對流過炮彈的電流產(chǎn)生力的作用，使炮彈獲得極大的發(fā)射速度．以下各俯視圖中正確表示磁場B方向的是()圖2答案B解析由左手定則可知，圖A示磁感應(yīng)強度方向使炮彈受到的安培力向后，圖B示磁感應(yīng)強度方向使炮彈受到的安培力向前，C、D所示炮彈不受安培力，只有B符合實際．4．某同學(xué)畫的表示磁場B、電流I和安培力F的相互關(guān)系如以以以下圖，其中正確的選項是()答案D解析根據(jù)左手定則可知，A圖中安培力方向應(yīng)該向下，B圖中安培力應(yīng)該垂直于磁場斜向上，C圖中磁場方向和電流方向在同一直線上，不受安培力作用，D圖中安培力方向斜向左下方垂直于電流方向，故A、B、C錯誤，D正確．題組二安培力作用下的物體運動方向問題5.如圖3所示，長方形線框abcd通有電流I，放在直線電流I′附近，線框與直線電流共面，則以下表述正確的選項是()圖3A．線圈四條邊都受安培力作用，它們的合力方向向右B．a(chǎn)d和bc邊都受安培力作用，它們的合力方向向左C．a(chǎn)b和dc邊所受安培力大小相等，方向一樣D．線圈四條邊都受安培力作用，它們的合力為零答案B解析直線電流在右側(cè)空間產(chǎn)生由近及遠的遞減的磁場，由右手螺旋定則判定出方向垂直紙面向里，再由左手定則判定：線圈四條邊都受安培力作用，但由于對稱性ab、cd兩邊的安培力等大反向，合力為零，ad邊所受安培力方向向左，ad邊所受安培力大于bc邊所受的向右的安培力，所以B選項正確，A、C、D選項錯誤．6.如圖4所示，通電線圈處于豎直懸掛狀態(tài)，現(xiàn)突然加一水平向右的磁場，則此時各邊所受安培力的情況為()圖4A．a(chǎn)b邊受水平向左的安培力，cd邊受水平向右的安培力B．a(chǎn)d邊和bc邊不受安培力C．a(chǎn)b邊受垂直紙面向外的安培力，cd邊受垂直紙面向里的安培力D．a(chǎn)bcd各邊受到的安培力的效果使線圈處于靜止?fàn)顟B(tài)答案BC解析由左手定則知，ab受安培力垂直紙面向外，cd受安培力垂直紙面向里，ad邊、bc邊不受安培力的作用，此時刻abcd各邊受到的安培力的效果使線圈轉(zhuǎn)動起來．7.圖5中的D為置于電磁鐵兩極間的一段通電直導(dǎo)線，電流方向垂直于紙面向里．在開關(guān)S接通后，導(dǎo)線D所受磁場力的方向是()圖5A．向上B．向下C．向左D．向右答案A解析電流由左側(cè)流入，則由安培定則可知電磁鐵右側(cè)為N極，故導(dǎo)線所在處的磁場向左；則由左手定則可知，導(dǎo)線受安培力向上；應(yīng)選A.8.把一根柔軟的螺旋形彈簧豎直懸掛起來，使它的下端剛好跟杯里的水銀面接觸，并使它組成如圖6所示的電路，當(dāng)開關(guān)S接通后，將看到的現(xiàn)象是()圖6A．彈簧向上收縮B．彈簧被拉長C．彈簧上下跳動D．彈簧仍靜止不動答案C解析接通S后，彈簧各匝之間形成同向電流，它們之間的安培力產(chǎn)生的效果使彈簧收縮，收縮后電路斷開，安培力消失，彈簧恢復(fù)原狀，然后接觸水銀并接通電路，重復(fù)出現(xiàn)此種現(xiàn)象．應(yīng)選C.題組三安培力及安培力有關(guān)的受力分析9．在如圖7所示電路中，電池均一樣，當(dāng)電鍵S分別置于a、b兩處時，導(dǎo)線MM′與NN′之間的安培力的大小為Fa、Fb，判斷這兩段導(dǎo)線()圖7A．相互吸引，F(xiàn)a＞FbB．相互排斥，F(xiàn)a＞FbC．相互吸引，F(xiàn)a＜FbD．相互排斥，F(xiàn)a＜Fb答案D解析此題考察安培力的大小和方向．電鍵S分別置于a、b兩處時，電源分別為一節(jié)干電池和兩節(jié)干電池，而電路中燈泡電阻不變，則電路中電流Ia＜Ib，MM′在NN′處的磁感應(yīng)強度Ba＜Bb，應(yīng)用安培力公式F＝BIL可知Fa＜Fb，又MM′與NN′電流方向相反，則相互排斥．10.如圖8所示，一根有質(zhì)量的金屬棒MN，兩端用細(xì)軟導(dǎo)線連接后懸于a、b兩點，棒的中部處于方向垂直紙面向里的勻強磁場中，棒中通有電流，方向從M流向N，此時懸線上有拉力，為了使拉力等于零，可以()圖8A．適當(dāng)減小電流B．使磁場反向C．適當(dāng)增大電流D．使電流反向答案C解析首先對MN進展受力分析：其受豎直向下的重力G、受兩根軟導(dǎo)線的豎直向上的拉力和安培力．當(dāng)其處于平衡狀態(tài)時：2F＋BIL＝mg，重力mg恒定不變，欲使拉力F減小到0，應(yīng)增大安培力BIL，所以可增大B或增大通過金屬棒中的電流I，或二者同時增大，只有C項正確11.如圖9所示，臺秤上放一光滑平板，其左邊固定一擋板，一輕質(zhì)彈簧將擋板和一條形磁鐵連接起來，現(xiàn)在磁鐵上方中心偏左位置固定一導(dǎo)體棒，當(dāng)導(dǎo)