2019-2020学年高中物理 第3章 磁场 第4节 安培力的应用课件 粤教版选修3-1

第四节安培力的应用1．(多选)下列说法中正确的是()A．电荷在某处不受静电力的作用，则该处的电场强度为零B．一小段通电导线在某处不受磁场力的作用，则该处的磁感应强度一定为零C．把一个试探电荷放在电场中的某点，它受到的静电力与所带电荷量的比值表示该点电场的强弱D．把一小段通电导线放在磁场中某处，它受到的磁场力与该小段通电导线的长度和电流的乘积的比值表示该处磁场的强弱【答案】AC2．在图中，标出了磁场的方向、通电直导线中电流I的方向，以及通电直导线所受安培力F的方向，其中正确的是()【答案】C3．在磁感应强度的定义式B＝FIL中，有关各物理量间的关系，下列说法中正确的是()A．B由F、I和L决定B．F由B、I和L决定C．I由B、F和L决定D．L由B、F和I决定【答案】B一、直流电动机1．构造：主要由________、________、________、滑动变阻器、开关、电源等组成．2．工作原理：安培力的________使线圈在磁场中转动．3．电动机有直流电动机与交流电动机，直流电动机的突出优点就是通过改变输入________很容易调节它的______，调节输入电压的方式就是在电路中增加滑动变阻器，而交流电动机的调速不太方便．磁铁线圈电刷磁力矩电压转速二、磁电式电表1．构造如图所示．(1)在蹄形磁铁两极间有一固定的圆形柱________．(2)铁芯外套有一个可以绕轴转动的________________，_____________上绕有线圈．(3)铝框的转轴上装有两个__________和一个______，线圈两端接在这两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈．铁芯铝框铝框螺旋弹簧指针2．工作原理：弹簧的扭转力矩与磁力矩_________________________．3．磁电式仪表的特点是灵敏度______，可以测出很弱的电流；缺点是绕制线圈的导线很细，允许通过的电流很弱，如果通过的电流超过允许值，很容易把它烧坏，我们在使用时应该注意．大小相等、方向相反高为什么磁电式电流表的刻度是均匀的？【答案】磁电式电流表的指针是在磁场力的作用下偏转的，而磁场力的大小F＝ILB，在磁场和L一定的情况下与电流成正比，所以刻度是均匀的．电动机是利用安培力使通电线圈转动制成的，电动机是将电能转化为机械能的重要装置．一、力矩我们把力和力臂的乘积叫作力对物体的力矩，力矩是改变物体转动状态的原因．直流电动机的工作原理二、线圈的转动1．当线圈平面与磁场方向垂直时，如图表示放在匀强磁场中通电矩形线圈，其线圈与磁感线垂直．设磁感应强度为B，通入电流为I，其方向图中已标出，线圈ab边受安培力Fab和线圈cd边受安培力Fcd大小相等、方向相反，彼此平衡；线圈ad和bc边受安培Fad和Fbc也是大小相等、方向相反、彼此平衡，故矩形线圈所受合外力为零．又因为Fab和Fcd在同一直线上，Fad和Fbc在同一直线上，都不能使线圈发生转动，所以线圈所受的合力矩也为零，即M＝0．2．当线圈平面与磁场方向平行时将线圈如图所示放置时，bc边和ad边均与磁感线平行，故Fbc＝Fad＝0.Fab和Fcd大小相等、方向相反，合力为零，但合力矩并不为零，此位置合力矩的大小为M＝Fab·bc2＋Fcd·bc2，又Fab＝Fcd＝BI·ab，所以M＝BI·ab·bc＝BIS，若是N匝线圈绕制而成，则M＝NBIS．3．当线圈平面与磁场方向成任意角α时当线圈abcd在匀强磁场(磁感应强度为B)中通以电流I时，若线圈平面与磁场的夹角为α，如图所示，则此时安培力的力矩M＝Mab＋Mcd．即M＝Fab·bc2·cosα＋Fcd·bc2·cosα，而Fab＝Fcd＝BI·ab，所以M＝BIScosα，若是N匝线圈绕制而成，则M＝NBIScosα，线圈在磁场中受到安培力矩M＝NBIScosα作用而转动起来，这就是电动机转动的原理．【特别提醒】(1)同样的线圈放入同样的磁场中，电流越大，安培力矩就越大，电动机转速也就越大．(2)要提高电动机的转速，可增大电流I、增大磁感应强度、增大线圈面积和匝数．例1如图所示，匀强磁场中，矩形通电线框可绕中心轴OO′转动，则下列说法正确的是()A．在图示位置线框所受磁力矩为零B．转过90°时线框所受磁力矩为零C．转过90°时线框四条边都不受磁场力作用D．转动中ab、cd边所受磁场力均恒定不变解析：本题考查通电线圈在匀强磁场中所受的安培力、力矩，根据定义式F＝BIL，M＝BIScosθ分析解答．图示位置的俯视如图甲所示，由安培力计算式和左手定则可知，ab边和cd边受安培力大小相等、方向相反，ad边和bc边此时不受安培力．设电流为I，线框面积为S，线框受磁力矩为M，则此时M＝2BIab·ad2＝BIS，线框加速转动．当线框转过90°角时，从左向右侧视图如图乙所示．从图示可知，此时线框四条边都受安培力，整个线框的F外＝0，整个线框受磁力矩M＝0.转动过程中，任一位置的俯视图如图丙所示，受力大小、方向均不变，所以答案选取B和D．答案：BD►题后反思理解安培力的定义式F＝BILsinθ和电磁力矩的表达式M＝BIScosθ的物理意义是求解本类题的关键．1.如图所示，把一个可以绕水平轴转动的铝盘放在蹄形磁铁之间，盘的下边缘浸在导电液体中．把转盘和导电液体分别接到直流电源的两极上，铝盘就会转动起来，为什么？用什么方法可以改变铝盘的转动方向？【解析】由于铝盘是良好的导体，我们可以把铝盘看成是由许多条金属棒拼合而成(可以与自行车轮胎上的辐条类比)．接通电源后，电流从铝盘中心O处流向盘与导电液的接触处，从导电液中的引出导线流出，而这股电流恰好处在一个与电流垂直的磁场中，由左手定则可以判断出它受到一个与盘面平行的安培力作用，这个力对转轴的力矩不为零，所以在通电后铝盘开始转动起来．如果对铝盘通一恒定的电流，则铝盘就会不停地转动下去，当阻力的力矩与安培力的力矩相等时铝盘就匀速转动．不难看出，要改变铝盘的转动方向，我们可以改变电流方向或是改变磁场的方向．【答案】见解析一、工作原理如图所示，在磁性很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以转动的铝框，在铝框上绕有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针，线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈．磁电式电表的工作原理及特点1．均匀辐射磁场蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的磁场，放在其中的通电线圈不管转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，线框两边所受的安培力方向始终跟线框面垂直．2．两种力矩平衡线框所受电磁力矩在任何位置时均为M＝NISB．当N、S、B一定时，线框所受安培力矩与通入的电流强度成正比．线圈转动时，螺旋弹簧变形，反抗线圈的转动，电流越大，电磁力矩越大，与它平衡的反抗力矩也越大．两力矩平衡时，线圈停在一定的位置上，反抗力矩M′＝kθ，k是恒量，是螺旋弹簧的扭转系数．由M＝M′知，NBIS＝kθ，即θ＝NBSkI，对某一电流表，N、B、S、k是确定的，因此线圈的偏转角度θ与电流I的大小成正比，即线圈上的指针偏转角度跟电流大小成正比，根据指针偏转角度的大小就可测出电流的数值．电流方向改变时，安培力方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变，根据指针偏转方向，就可知道电流的方向．因此，电流表是测定电流强弱和方向的电学仪器，优点是灵敏度高，可以测很弱的电流．缺点是由于绕制线圈的导线很细，允许通过的电流(满偏电流Ig)很弱，过载能力弱，易烧坏．二、电表特点1．因偏转角度θ∝I，所以表盘刻度均匀．2．磁场并非匀强磁场．3．灵敏度高，量程小，过载力差．4．表头参数Ig(满偏电流)、Rg(表头内阻)反映了电流表的最主要特性．例2根据以上对磁电式电流表的学习，判断以下说法错误的是()A．指针稳定后，线圈受到螺旋弹簧的阻力与线圈受到的安培力方向是相反的B．通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转的角度也越大C．在线圈转动的范围内，各处的磁场都是匀强磁场D．在线圈转动的范围内，线圈所受安培力与电流有关，而与所处位置无关解析：当阻碍线圈转动的螺旋弹簧的阻力力矩与安培力引起的动力力矩达到平衡时，线圈停止转动，故从转动角度来看二力方向相反，A正确；磁电式电流表的内磁场是均匀辐射磁场，因此不是匀强磁场，C错误；但是不管线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，线圈所在各处的磁场大小相等、方向不同，所以安培力与电流大小有关，而与所述位置无关，电流越大，安培力越大，指针转过的角度越大．答案：C例3如图是导轨式电磁炮实验装置示意图．两根平行长直金属导轨沿水平方向固定，其间安放金属滑块(即实验用弹丸)，滑块可沿导轨无摩擦滑行，且始终与导轨保持良好接触．电源提供的强大电流从一根导轨流入，经过滑块，再从另一导轨流回电源，滑块被导轨中的电流形成的磁场推动而发射．在发射过程中，该磁场在滑块所在位置始终可以简化为匀强磁场，方向垂直于纸面，其强度与电流的关系为B＝kI，比例常量k＝2.5×10－6T/A．已知两导轨内侧间距l＝1.5cm，滑块的质量m＝30g，滑块沿导轨滑行x＝5m后获得的发射速度v＝3.0km/s(此过程视为匀加速运动)．(1)求发射过程中电源提供的电流是多大．(2)若电源输出的能量有4%转换为滑块的动能，则发射过程中电源的输出功率和输出电压各是多大？解析：(1)由匀加速运动公式有a＝v22x＝9×105m/s2，由安培力公式和牛顿第二定律，有F＝BIl＝kI2l＝ma，因此I＝makl＝8.5×105A．(2)滑块获得的动能是电源输出能量的4%，即PΔt×4%＝12mv2，发射过程中电源供电时间Δt＝va＝13×10－2s，所需的电源输出功率为P＝12mv2Δt×4%＝1.0×109W，由功率P＝UI，解得输出电压U＝PI＝1.2×103V．答案：(1)8.5×105A(2)1.0×109W1.2×103V