《2022-2023學年高中物理 第三章 磁場 第2講 磁場對通電導線的作用——安培力學案 教科版選修3-1》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2022-2023學年高中物理 第三章 磁場 第2講 磁場對通電導線的作用——安培力學案 教科版選修3-1（14頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、2022-2023學年高中物理 第三章 磁場 第2講 磁場對通電導線的作用——安培力學案 教科版選修3-1 [目標定位]　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.熟練運用左手定則判斷安培力 的方向.3.了解直流電動機構造和工作原理.4.體會控制變量法在科學研究中的作用． 一、安培力 1．定義：磁場對通電導線的作用力． 2．安培力的大小——實驗探究 (1)實驗表明：當通電導線與磁場方向平行時，導線不受力，即F＝0． (2)精確實驗表明：通電導線與磁場方向垂直時，磁場對通電導線作用力的大小與導線長度和電流大小都成正比，即F∝IL，比例系數(shù)與導線所在位置

2、的磁場強弱有關，用符號B表示，則磁場對通電導線作用力的公式為F＝ILB． 3．安培力的方向判定 (1)左手定則：如圖1所示，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線所受安培力的方向． 圖1 (2)安培力方向垂直于電流方向和磁場方向所決定的平面． 深度思考 (1)若導線不受磁場力，該處一定無磁場嗎？ (2)當通電導線與磁感線不垂直時，還可用左手定則判斷安培力的方向嗎？ 答案　(1)當通電導線與磁場平行時不受磁場力，由此可知，當導線不受磁場力作用時無法判定該處有無磁場． (2)

3、可以．當電流方向跟磁感線方向不垂直時，安培力的方向仍垂直于電流和磁場共同決定的平面，所以仍可用左手定則來判斷安培力的方向，只是磁感線斜著穿過手心． 例1　 畫出下列各圖中磁場對通電導線的安培力的方向． 解析　無論B、I是否垂直，安培力總是垂直于B與I決定的平面，且滿足左手定則． 答案　如圖所示 二、電動機——安培力的重要應用 利用磁場對通電導體的作用 1．電動機是將電能轉化為機械能的裝置． 2．電動機分直流電動機和交流電動機． 3．直流電動機的構造原理： 圖2 如圖2所示，直流電動機由磁場(磁體)、轉動線圈、滑環(huán)、電刷及電源組成，滑環(huán)相當于換向器．當線圈

4、通電后，由于受安培力作用，線圈在磁場中旋轉起來． 深度思考 (1)電動機工作時，通電線圈的四條邊是否都受到安培力作用？ (2)把滑環(huán)設計成由兩個半圓環(huán)A、B組成，有什么作用？ 答案　(1)與磁感線平行的兩個邊不受安培力作用． (2)把滑環(huán)分成兩個半圓環(huán)A 與B，當電流由A 流入時，則從B 流出；當電流由B 流入時，則從A 流出．因此，滑環(huán)在其中起了一個換向器的作用． 例2　關于直流電動機，下列敘述正確的是(　　) A．直流電動機的原理是電流的磁效應 B．直流電動機正常工作時，是將電能轉化為機械能 C．直流電動機的換向器是由兩個彼此絕緣的銅制半環(huán)組成的 D．電源的正負極和

5、磁場的方向同時改變，直流電動機的轉動方向也改變 解析　直流電動機的原理是通電線圈在磁場中受力轉動，故A錯誤；直流電動機正常工作時，是將電能轉化為機械能，B正確；直流電動機的換向器是由兩個彼此絕緣的銅制半環(huán)組成的，C正確；電源的正負極和磁場的方向同時改變，直流電動機的轉動方向不變，故D錯誤． 答案　BC 三、安培力作用下物體運動方向的判斷方法 1．電流元法 即把整段通電導體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，從而判斷出整段通電導體所受合力的方向． 2．特殊位置法 把通電導體或磁鐵放置到一個便于分析的特殊位置后再判斷所受安培力方向，從而確定運動方

6、向． 3．等效法 環(huán)形導線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)形導線或通電螺線管．通電螺線管也可以等效成很多匝的環(huán)形導線來分析． 4．利用結論法 (1)兩電流相互平行時無轉動趨勢，同向電流相互吸引，反向電流相互排斥；(填“吸引”或“排斥”) (2)兩電流不平行時，有轉動到相互平行且電流方向相同(填“相同”或“相反”)的趨勢． 5．轉換研究對象法 因為電流之間、電流與磁體之間的相互作用滿足牛頓第三定律．定性分析磁體在電流磁場作用的受力和運動時，可先分析電流在磁體的磁場中受到的安培力，然后由牛頓第三定律，再確定磁體所受電流的作用力． 例3　如圖3所示，兩條導線

7、相互垂直，但相隔一段距離．其中AB固定，CD能自由活動，當電流按圖示方向通入兩條導線時，導線CD將(從紙外向紙里看)(　　) 圖3 A．順時針方向轉動同時靠近導線AB B．逆時針方向轉動同時離開導線AB C．順時針方向轉動同時離開導線AB D．逆時針方向轉動同時靠近導線AB 解析　(1)根據(jù)電流元分析法，把導線CD等效成CO、OD兩段導線．由安培定則畫出CO、OD所在位置由AB導線中電流所產(chǎn)生的磁場方向，由左手定則可判斷CO、OD受力如圖甲所示，可見導線CD逆時針轉動． 　 (2)由特殊位置分析法，讓CD逆時針轉動90°，如圖乙所示，并畫出CD此時位置AB導線中電流所產(chǎn)生的

8、磁感線分布，據(jù)左手定則可判斷CD受力垂直于紙面向里，可見導線CD靠近導線AB，故D選項正確． 答案　D 不管是通電導體還是磁體，對另一通電導體的作用都是通過磁場來實現(xiàn)的．因此必須先畫出導體所在位置的磁感線方向，然后用左手定則判斷導體所受安培力的方向進而再判斷將要發(fā)生的運動． 例4　如圖4所示，把輕質導線圈用絕緣細線懸掛在磁鐵N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直線圈平面．當線圈內(nèi)通以圖示方向的電流(從右向左看沿逆時針方向)后，線圈的運動情況是(　　) 圖4 A．線圈向左運動 B．線圈向右運動 C．從上往下看順時針轉動 D．從上往下看逆時針轉動 解析　將環(huán)形電流等效成

9、小磁針，如圖所示，根據(jù)異名磁極相吸引知，線圈將向左運動，選A.也可將左側條形磁鐵等效成環(huán)形電流，根據(jù)結論“同向電流相吸引，異向電流相排斥”也可判斷出線圈向左運動，選A. 答案　A 四、安培力作用下的受力分析問題 例5　質量為m的金屬細桿置于傾角為θ的導軌上，導軌的寬度為d，桿與導軌間的動摩擦因數(shù)為μ，有電流通過桿，桿恰好靜止于導軌上，在如圖所示的A、B、C、D四個選項中，桿與導軌的摩擦力一定不為零的是(　　) 解析　選項A中，通電細桿可能受重力、安培力、導軌的彈力作用處于靜止狀態(tài)，如圖所示，所以桿與導軌間的摩擦力可能為零．當安培力變大或變小時，細桿有上滑或下滑的趨勢，于

10、是有靜摩擦力產(chǎn)生． 選項B中，通電細桿可能受重力、安培力作用處于靜止狀態(tài)，如圖所示，所以桿與導軌間的摩擦力可能為零．當安培力減小時，細桿受到導軌的彈力和沿導軌向上的靜摩擦力，也可能處于靜止狀態(tài)． 選項C和D中，通電細桿受重力、安培力、導軌彈力作用具有下滑趨勢，故一定受到沿導軌向上的靜摩擦力，如圖所示，所以桿與導軌間的摩擦力一定不為零． 答案　CD 對通電導線進行受力分析，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. 1．(安培力的方向)如圖5所示，其中A、B圖已知電流方向及其所受安培力的方向，試判斷并在圖中標出磁場方向．C、

11、D圖已知磁場方向及其對電流作用力的方向，試判斷電流方向并在圖中標出． 圖5 答案　A圖磁場方向垂直紙面向外；B圖磁場方向在紙面內(nèi)垂直F向下；C、D圖電流方向均垂直于紙面向里．(圖略) 2．(磁電式電流表)(多選)如圖6甲所示是磁電式電流表的結構圖，圖乙所示是磁極間的磁場分布圖，以下選項中正確的是(　　) 圖6 A．指針穩(wěn)定后，線圈受到的螺旋彈簧的力矩方向與線圈受到的磁力矩方向是相反的 B．通電線圈中的電流越大，電流表指針偏轉的角度也越大 C．在線圈轉動的范圍內(nèi)，各處的磁場都是勻強磁場 D．在線圈轉動的范圍內(nèi)，線圈所受磁力矩與電流有關，而與所處位置無關 答案　ABD

12、解析　當阻礙線圈轉動的力矩增大到與安培力產(chǎn)生的使線圈轉動的力矩平衡時，線圈停止轉動，即兩力矩大小相等、方向相反，故A正確；磁電式電流表蹄形磁鐵與鐵芯間的磁場是均勻輻射分布的，不管線圈轉動什么角度，它的平面都跟磁感線平行，均勻輻射分布的磁場特點是大小相等、方向不同，故C錯誤，D正確；電流越大，電流表指針偏轉的角度也越大，故B正確． 3．(電動機的原理)如圖7所示是直流電動機的模型，閉合開關后線圈順時針轉動．現(xiàn)要線圈逆時針轉動，下列方法中可行的是(　　) 圖7 A．只改變電流方向 B．只改變電流大小 C．換用磁性更強的磁鐵 D．對換磁極同時改變電流方向 答案　A 解析　直流電動

13、機的轉動方向與線圈中的電流方向和磁場方向有關，若使通入直流電動機的電流方向改變或磁場的方向改變，它的轉動方向將改變．但是如果同時改變電流的方向和磁場的方向，線圈的轉動方向將不變． 4．(安培力作用下的物體運動方向判斷)一直導線平行于通電螺線管的軸線放置在螺線管的上方，如圖8所示，如果直導線可以自由地運動且通以方向為由a到b的電流，則導線ab受安培力作用后的運動情況為(　　) 圖8 A．從上向下看順時針轉動并靠近螺線管 B．從上向下看順時針轉動并遠離螺線管 C．從上向下看逆時針轉動并遠離螺線管 D．從上向下看逆時針轉動并靠近螺線管 答案　D 解析　先由安培定則判斷通電螺線管的

14、南北兩極，找出導線左、右兩端磁感應強度的方向，并用左手定則判斷這兩端受到的安培力的方向，如圖(a)所示． 可以判斷導線受安培力后從上向下看按逆時針方向轉動，再分析此時導線位置的磁場方向，再次用左手定則判斷導線受安培力的方向，如圖(b)所示，導線還要靠近螺線管，所以D正確，A、B、C錯誤． 　　 　　　　(a)　　　　　　　　　　(b) 題組一　安培力的方向 1．下面的四個圖顯示了磁場對通電直導線的作用力，其中正確的是(　　) 答案　C 2．一根容易形變的彈性導線，兩端固定．導線中通有電流，方向如圖中箭頭所示．當沒有磁場時，導線呈直線狀態(tài)；當分別加上方向豎直向上、水平向右或

15、垂直于紙面向外的勻強磁場時，描述導線狀態(tài)的四個圖示中正確的是(　　) 　 答案　D 解析　A圖中I與B平行應不受安培力，故A錯誤；由左手定則知B、C錯誤，D正確． 3．如圖1所示，電磁炮是由電源、金屬軌道、炮彈和電磁鐵組成．當電源接通后，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．下列各俯視圖中正確表示磁場B方向的是(　　) 圖1 答案　B 4．(多選)通電矩形導線框abcd與無限長通電直導線MN在同一平面內(nèi)，電流方向如圖2所示，ab邊與MN平行．關于MN的磁場對線框的作用，下列敘述正確的是(　　) 圖2 A．線框有兩條邊所受的安培力方向相同 B

16、．線框有兩條邊所受的安培力大小相同 C．線框所受安培力的合力向左 D．線框將繞MN轉動 答案　BC 解析　通電矩形導線框abcd在無限長通電直導線形成的磁場中，受到安培力的作用，對于ad邊和bc邊，所在的磁場相同，但電流方向相反，所以ad邊、bc邊受安培力大小相同，方向相反，即ad邊和bc邊受合力為零．而對于ab和cd兩條邊，由于在磁場中，離長直導線的位置不同，ab邊近且由左手定則判斷受力向左，cd邊遠且由左手定則判斷受力向右，所以ab邊、cd邊所受安培力的合力方向向左，故B、C選項正確． 5.如圖3所示，A為一水平放置的橡膠圓盤，帶有大量均勻分布的負電荷，在圓盤正上方水平放置一通電

17、直導線，電流方向如圖所示．當圓盤沿圖中所示方向高速繞中心軸OO′轉動時，通電直導線所受安培力的方向是(　　) 圖3 A．豎直向上 B．豎直向下 C．水平向里 D．水平向外 答案　C 解析　根據(jù)圓盤帶電性質和旋轉方向，可知圓盤上方磁場向上，根據(jù)左手定則可知導線受力水平向里． 6．如圖所示，A中導線放在勻強磁場中、與豎直方向和水平方向都有一夾角，B中導線放在條形磁鐵正中間的上方，水平放置，C中導線和矩形線框的兩個邊平行，D中導線垂直紙面、在通電螺線管的正上方，各圖中導線受到的安培力豎直向上的是(　　) 答案　D 解析　根據(jù)左手定則可知A中導線受到的安培力斜向左下，B

18、中導線受到的安培力豎直向下，選項A、B錯；C中導線處的磁場垂直紙面向外，導線受到的安培力水平向右，選項C錯；根據(jù)安培定則可知D中螺線管右端為N極，導線處在水平向左的磁場中，根據(jù)左手定則可知導線受到的安培力豎直向上，選項D正確． 題組二　安培力作用下導體的運動 7.如圖4所示，把輕質導線圈用絕緣細線懸掛在磁鐵N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直線圈平面．當線圈內(nèi)通以圖中方向的電流后，線圈的運動情況是(　　) 圖4 A．線圈向左運動 B．線圈向右運動 C．從上往下看順時針轉動 D．從上往下看逆時針轉動 答案　A 解析　解法一：電流元法． 甲 首先將圓形線圈分成很多

19、小段，每一段可看做一直線電流元，取其中上、下兩小段分析，其截面圖和受安培力情況如圖甲所示．根據(jù)對稱性可知，線圈所受安培力的合力水平向左，故線圈向左運動．只有選項A正確． 解法二：等效法． 將環(huán)形電流等效成小磁針，如 乙 圖乙所示，根據(jù)異名磁極相吸引知，線圈將向左運動，選A.也可將左側條形磁鐵等效成環(huán)形電流，根據(jù)結論“同向電流相吸引，異向電流相排斥”也可判斷出線圈向左運動，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相接觸，并使它組成如圖5所示的電路圖．當開關S接通后，將看到的現(xiàn)象是(　　) 圖5 A．彈簧向上收縮 B．彈簧被拉長 C．彈

20、簧上下跳動 D．彈簧仍靜止不動 答案　C 解析　因為通電后，線圈中每一圈之間的電流是同向的，互相吸引，線圈就縮短，電路就斷開，一斷開電流消失，線圈就又落下接通電路……如此通斷通斷，就上下跳動． 9.通有電流的導線L1、L2處在同一平面(紙面)內(nèi)，L1是固定的，L2可繞垂直紙面的固定轉軸O轉動(O為L2的中心)，各自的電流方向如圖6所示．下列哪種情況將會發(fā)生(　　) 圖6 A．因L2不受安培力的作用，故L2不動 B．因L2上、下兩部分所受的安培力平衡，故L2不動 C．L2繞軸O按順時針方向轉動 D．L2繞軸O按逆時針方向轉動 答案　D 解析　由右手螺旋定則可知導線L1上

21、方磁場的方向為垂直紙面向外，且離導線L1的距離越遠的地方，磁場越弱，導線L2上的每一小部分受到的安培力方向水平向右，由于O點下方的磁場較強，則安培力較大，因此L2繞軸O按逆時針方向轉動，D選項對． 10.如圖7所示，把一通電直導線放在蹄形磁鐵磁極的正上方，導線可以自由轉動．當導線中通有如圖所示方向的電流I時，導線將(從上往下看)(　　) 圖7 A．順時針轉動，同時向下運動 B．順時針轉動，同時向上運動 C．逆時針轉動，同時向下運動 D．逆時針轉動，同時向上運動 答案　C 解析　將導線AB從N、S極的中間O分成兩段，AO、BO段所在處的磁場方向如圖甲所示．由左手定則可得AO段

22、受安培力的方向垂直紙面向外，BO段受安培力的方向垂直紙面向里，從上向下看，導線AB將繞O點沿逆時針方向轉動． 　　　　　　 甲　　　　 　乙 再根據(jù)導線轉過90°時的特殊位置判斷其上下運動情況．如圖乙所示，導線AB此時受安培力方向豎直向下，導線將向下運動． 由上述兩個特殊位置的判斷可知，當導線不在上述的特殊位置時，所受安培力使AB逆時針轉動的同時還要向下運動． 題組三　安培力作用下的受力分析問題 11．兩個傾角均為α的光滑斜面上，各放有一根相同的金屬棒，分別通有電流I1和I2，兩種情況下B的大小相同，方向如圖8甲、乙所示，兩金屬棒均處于靜止

23、狀態(tài)，兩種情況下電流之比I1∶I2為多少？ 圖8 答案　1∶cos α 解析　甲圖中金屬棒受力分析如圖所示 BI1L＝mgtan α① 乙圖中金屬棒受力分析如圖所示 BI2L＝mgsin α② 由①②得：＝. 12.用兩個一樣的彈簧吊著一根銅棒，銅棒所在虛線范圍內(nèi)有垂直于紙面的勻強磁場，棒中通以自左向右的電流(如圖9所示)，當棒靜止時，兩彈簧測力計的讀數(shù)均為F1；若將棒中的電流方向反向(大小保持不變)，當棒靜止時，兩彈簧測力計的示數(shù)均為F2，且F2＞F1，根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)，試求： 圖9 (1)磁場的方向； (2)安培力的大小(用F1、F2表示)； (3)銅棒的重力． 答案　見解析 解析　(1)由F2＞F1，可以確定磁場的方向為垂直紙面向里． (2)(3)設銅棒的重力為G，安培力的大小為F，則由平衡條件得：2F1＝G－F， 2F2＝G＋F， 根據(jù)這兩個方程，解得 銅棒的重力G＝F1＋F2 安培力的大小F＝F2－F1.