2019-2020学年高中物理 第三章 磁场 第2节 磁场对通电导线的作用——安培力课件 教科版选修

第三章磁场第2节磁场对通电导线的作用——安培力[课标解读]1.知道安培力的定义，会用左手定则判断安培力的方向.2.知道电动机的基本构造和基本原理．3．通过观察实验现象，体会控制变量法在科学研究中的作用．01课前自主梳理02课堂合作探究03核心素养提升04课后巩固提升课时作业一、安培力1．定义：磁场对____________的作用力．2．大小电流为I、长为L的通电导线放置在磁场中，受到的安培力为F：(1)当通电导线与磁场方向垂直时，F＝______；(2)当通电导线与磁场方向平行时，F＝______．通电导线BIL03．方向(1)左手定则：伸开左手，四指并拢，使大拇指和其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面内，让_________垂直穿过手心，四指指向沿______方向，则______所指方向就是通电导线所受安培力的方向．(2)安培力方向垂直于______方向和______方向所确定的平面．磁感线电流大拇指电流磁场二、电动机——安培力的重要应用1．直流电动机的工作原理(1)直流电动机的构造如图所示是一个直流电动机的工作模型，由磁场(磁体)、转动线圈、滑环(两个半圆环A和B)、电刷及电源组成．(2)工作原理当电流由半圆环A流入时，则从B流出；当电流由B流入时，则从A流出．因此，滑环在其中起了一个换向器的作用．当线圈通电后，由于受到______的作用，线圈在磁场中旋转起来．安培力2．电动机的分类(1)______电动机．(2)______电动机．直流交流要点一安培力方向的判断1．如何判断安培力的方向安培力的方向既垂直于电流的方向，又垂直于磁场的方向，即安培力的方向垂直于电流跟磁场决定的平面，所以，判断安培力的方向时，首先确定磁场和电流所确定的平面，从而判断出安培力的方向在哪一条直线上，再根据左手定则判断安培力的具体方向．2．电流方向、磁场方向和安培力方向三者的关系电流方向和磁场方向间没有因果关系，这两个方向的关系是不确定的．这两个方向共同决定了安培力的方向，所以，已知电流方向和磁场方向时，安培力的方向是唯一确定的，但已知安培力和磁场方向时，电流方向不确定．3．电场力与磁场力的方向特点与磁场力相比，电场力是纵向力，其方向总是与电场方向平行，而磁场力是横向力，其方向总是与磁场方向垂直．[特别提醒](1)应用左手定则时，四指指向电流方向，大拇指指向安培力方向，但磁感线不一定要垂直穿过掌心，磁感线的方向要与大拇指垂直，不一定与四指垂直．(2)判断磁场力时用左手，判断电流磁效应时用右手(左力右电)，应避免混淆．[例1](多选)如图所示，在同一平面内有两根平行的通电导线a与b，关于它们相互作用力方向的判断，正确的是()A．通以同向电流时，互相吸引B．通以同向电流时，互相排斥C．通以反向电流时，互相吸引D．通以反向电流时，互相排斥[思路点拨]分析本题思路务必清晰：a电流在b处产生的磁场Ba，对b电流的作用力Fab，与b电流在a处产生的磁场Bb对a电流的作用力Fba，两者有怎样的关系？(包括大小和方向两方面)[解析]设两导线中都通以向上的同向电流．根据安培定则，导线a中的电流产生的磁场，在其右侧都垂直纸面向内．这个磁场对通电导线b的作用力Fab的方向，由左手定则可知，在纸面内向左．同理，导线b中的电流产生的磁场在其左侧都垂直纸面向外，它对导线a的作用力Fba的方向在纸面内向右．结果如图所示，两导线互相吸引．若其中b导线的电流反向(即两导线中通以反向电流)，则a导线的右边垂直纸面向内的磁场对b导线的作用力Fab′的方向在纸面内向右；同理b导线的左边垂直纸面向内的磁场对a导线的作用力Fba′的方向在纸面内向左．结果如图所示，两导线互相排斥．[答案]AD(1)由上述分析可知，电流间的相互作用是通过磁场实现的，即(2)同向电流互相吸引，异向电流互相排斥．1．(多选)下列图中，电流I的方向、磁场B的方向和磁场对电流作用力F的方向的关系正确的是()解析：由左手定则可知，A图中磁场对电流作用力F的方向应竖直向上，所以A错误，而B、C、D都符合左手定则．答案：BCD2．如图所示，用天平测量匀强磁场的磁感应强度，下列各选项所示的载流线圈匝数相同，边长NM相等，将它们分别挂在天平的右臂下方，线圈中通有大小相同的电流，天平处于平衡状态，若磁场发生微小变化，天平最容易失去平衡的是()解析：由题意知，处于磁场中的导体，受安培力作用的有效长度越长，根据F＝BIL知受安培力越大，越容易失去平衡，由图知选项A中导体的有效长度最大，所以A正确．答案：A(1)安培力总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面，但磁场方向和电流方向不一定垂直．(2)若已知B、I方向，F方向唯一确定，但若已知B(或I)、F方向，I(或B)方向不唯一．(3)判断电流的磁场方向用安培定则，确定通电导体在磁场中的受力方向用左手定则．要点二安培力大小的计算1．在匀强磁场中，当通电直导线与磁场方向垂直时，通电直导线所受的安培力F最大，等于磁感应强度(表示磁场强弱，下一节具体介绍)B、电流I和导线长度L的乘积，即F＝BIL.2．对安培力大小的理解(1)导线L所处的磁场应为匀强磁场(磁场的大小和方向都相同，下一节具体介绍)；(2)无论直导线还是弯曲导线，公式中的“L”均为“有效长度”，“有效长度”指连接两端点线段的长度(如图)；相应的电流沿L由始端流向末端．[例2]如图，在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线，电流均为I，磁感应强度均为B，求各导线所受到的安培力大小．[解析]A图是两根导线组成的折线abc，整体受力实质上是两部分直导线分别受力的矢量和，其有效长度为ac(即从a→c的电流)，故FA＝2BIl.B图是从a→b的半圆形电流，分析圆弧上对称的每一小段电流，受力抵消合并后，其有效长度为ab，FB＝2BIR.在C图中，用导线将abc接通形成闭合线圈，各导线受力的矢量和为零，故合力为零，所以，闭合的通电线圈受安培力为FC＝0.[答案]2BIl2BIR0求安培力的大小时，要注意公式F＝BIL中B与I要垂直；用左手定则判定安培力的方向时，要注意安培力既与导线垂直又与磁感线垂直，但B与I可以成任意夹角．1．如图所示，一段导线abcd位于匀强磁场B中，且与磁场方向(垂直于纸面向里)垂直．线段ab、bc和cd的长度均为L，且∠abc＝∠bcd＝135°.流经导线的电流为I，方向如图中箭头所示．导线段abcd所受到的磁场的作用力的合力()A．方向沿纸面向上，大小为(2＋1)ILBB．方向沿纸面向上，大小为(2－1)ILBC．方向沿纸面向下，大小为(2＋1)ILBD．方向沿纸面向下，大小为(2－1)ILB解析：将导线分为三段直导线，根据左手定则分别判断出安培力的大小，根据F＝BIL计算出安培力的大小，再求合力．导线所受合力F合＝BIL＋2BILsin45°＝(2＋1)·ILB，方向沿纸面垂直bc向上．答案：A2．将长度为20cm、通有0.1A电流的直导线放入一匀强磁场中，电流与磁场的方向如图所示，已知磁感应强度为1T．试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向．解析：(1)因导线与磁感线平行，所以安培力为零；(2)由左手定则知安培力方向垂直导线水平向右，大小F＝BIL＝1×0.1×0.2N＝0.02N；(3)安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上，大小F＝BIL＝0.02N.答案：(1)0(2)0.02N方向垂直导线水平向右(3)0.02N方向在纸面内垂直导线斜向上(1)公式F＝ILBsinθ中θ是B和I方向的夹角，不能盲目应用题目中所给的夹角，要根据具体情况进行分析．(2)公式F＝ILBsinθ中的Lsinθ也可以理解为L在垂直于磁场方向上的“有效长度”．安培力作用下物体的平衡1．有安培力参与的物体平衡，与共点力的平衡具有相同的规律，其中安培力是众多力中的一个．2．在安培力作用下的物体平衡的解题步骤和前面我们学习的共点力的平衡中的解题步骤类似，一般也是先进行受力分析，再根据共点力的平衡条件列出平衡方程，其中重要的是在受力分析过程中不要漏掉安培力．[特别提醒](1)牢记安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直．(2)受力分析时应将立体图画成平面图，即画成俯视图、剖面图或侧视图等．[典例]如图所示，导体杆ab的质量为m，电阻为R，放置在与水平面夹角为θ的倾斜金属导轨上，导轨间距为d，电阻不计，系统处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B，电池内阻不计，问：若导轨光滑，电源电动势E多大才能使导体杆静止在导轨上？[思路点拨]可先根据受力情况求出安培力，并进一步求出电流，最后由闭合电路欧姆定律求出电源电动势．[解析]导体杆受力情况如图所示，则由共点力平衡条件可得F安＝mgtanθ，F安＝BId，再由闭合电路欧姆定律得：E＝IR，由以上各式可得出E＝mgRtanθBd.[答案]mgRtanθBd[素养提升练]1.如图所示，金属棒MN两端由等长的轻质细线水平悬挂，处于竖直向上的匀强磁场中，棒中通以由M向N的电流，平衡时两悬线与竖直方向夹角均为θ.如果仅改变下列某一个条件，θ角的相应变化情况是()A．棒中的电流变大，θ角变大B．两悬线等长变短，θ角变小C．金属棒质量变大，θ角变大D．磁感应强度变大，θ角变小解析：金属棒MN受力分析如图所示，由平衡条件可知F安＝mgtanθ，而F安＝BIL，即BIL＝mgtanθ，则I↑⇒θ↑，m↑⇒θ↓，B↑⇒θ↑，故A正确，C、D错误．θ角与悬线长度无关，B错误．答案：A2．如图，一长为10cm的金属棒ab用两个完全相同的弹簧水平地悬挂在匀强磁场中；磁场的磁感应强度大小为0.1T，方向垂直于纸面向里；弹簧上端固定，下端与金属棒绝缘．金属棒通过开关与一电动势为12V的电池相连，电路总电阻为2Ω.已知开关断开时两弹簧的伸长量均为0.5cm；闭合开关，系统重新平衡后，两弹簧的伸长量与开关断开时相比均改变了0.3cm.重力加速度大小取10m/s2.判断开关闭合后金属棒所受安培力的方向，并求出金属棒的质量．解析：依题意，开关闭合后，电流方向为从b到a，由左手定则可知，金属棒所受的安培力方向为竖直向下．开关断开时，两弹簧各自相对于其原长的伸长量为Δl1＝0.5cm.由胡克定律和力的平衡条件得2kΔl1＝mg①式中，m为金属棒的质量，k是弹簧的劲度系数，g是重力加速度的大小．开关闭合后，金属棒所受安培力的大小为F＝IBL②式中，I是回路电流，L是金属棒的长度．两弹簧各自再伸长了Δl2＝0.3cm，由胡克定律和力的平衡条件得2k(Δl1＋Δl2)＝mg＋F③由欧姆定律有E＝IR④式中，E是电池的电动势，R是电路总电阻．联立①②③④式，并代入题给数据得m＝0.01kg⑤答案：见解析[随堂训练]1．关于通电直导线在匀强磁场中所受的安培力，下列说法正确的是()A．安培力的方向可以不垂直于直导线B．安培力的方向总是垂直于磁场的方向C．安培力的大小与通电直导线和磁场方向的夹角无关D．将直导线从中点折成直角，安培力的大小一定变为原来的一半解析：由左手定则可知，安培力的方向一定与磁场方向和直导线垂直，选项A错，B正确；通电导线与磁场平行时F＝0，与磁场垂直时F＝BIL，可见安培力的大小与直导线和磁场方向的夹角有关，选项C错误；将直导线从中点折成直角，假设原来直导线与磁场方向垂直，若折成直角后一段与磁场仍垂直，另一段与磁场平行，则安培力的大小变为原来的一半，若折成直角后，两段都与磁场垂直，则安培力的大小变为原来的22，因此安培力大小不一定是原来的一半，选项D错误．答案：B2．一根容易形变的弹性导线，两端固定．导线中通有电流，方向如图中箭头所示．当没有磁场时，导线呈直线状态；当分别加上方向竖直向上、水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时，描述导线状态的四个图示中正确的是()解析：A图中导线不受力，故它不会弯曲，A错．B图中导线受到垂直纸面向里的安培力，它不会向右弯曲，B错．C中导线受到水平向右的安培力，导线不会向左弯曲，C错．D中导线受到水平向右的安培力，故它向右弯曲，D对．答案：D3.如图所示为电动机的简化模型，线圈abcd可