2019_2020版高中物理第5章磁场与回旋加速器5.4探究安培力讲义精练（含解析）沪科版.docx

5.4探究安培力学科素养与目标要求物理观念：1.知道安培力的概念，掌握安培力的公式.2.知道左手定则的内容.科学思维：1.会用左手定则判定安培力的方向.2.会用安培力的公式FILBsin 进行有关计算.科学探究：能设计方案、选择器材进行实验，探究安培力F与I、L、B的定量关系，体会控制变量法在实验中的应用.一、安培力的方向利用如图1所示的实验装置进行实验.图1(1)上下交换磁极的位置以改变磁场方向，导线受力的方向是否改变？(2)改变导线中电流的方向，导线受力的方向是否改变？仔细分析实验结果，说明安培力的方向与磁场方向、电流方向有怎样的关系？答案(1)导线受力的方向改变(2)导线受力的方向改变安培力的方向与磁场方向、电流方向的关系满足左手定则要点总结1.左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线穿入手心，使四指指向电流方向，则大拇指所指的方向就是安培力的方向，如图2所示.图22.判断电流的磁场方向用安培定则(右手螺旋定则)，确定通电导体在磁场中的受力方向用左手定则.3.安培力方向的特点安培力的方向既垂直于电流方向，也垂直于磁场方向，即安培力的方向垂直于电流I和磁场B所决定的平面.(1)当电流方向与磁场方向垂直时，安培力方向、磁场方向、电流方向两两垂直，应用左手定则时，磁感线垂直穿过掌心.(2)当电流方向与磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直于电流方向，也垂直于磁场方向.应用左手定则时，磁感线斜着穿入掌心.延伸思考电流周围可以产生磁场，磁场又会对放在其中的电流产生力的作用，如果有两条相互平行的、距离很近的通电直导线，它们之间会不会有力的作用？若有力的作用，那么同向电流之间的作用力如何？反向电流之间的作用力如何？答案有力的作用，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥.例1画出图3中各磁场对通电导线的安培力的方向(与纸面垂直的力只需用文字说明).图3答案如图所示解析无论B、I是否垂直，安培力总是垂直于B与I决定的平面，且满足左手定则.学科素养例1用左手定则来判断安培力的方向，这是从物理学视角对客观事物的内在规律及相互关系进行分析，是对基于经验事实建构的理想模型的应用过程，体现了“科学思维”的学科素养.二、安培力的大小1.阅读教材，了解电流天平的结构、原理和使用方法，制定实验方案，进行实验，注意体会控制变量法的运用，分析实验所测数据，回答下列问题：(1)保持导线通电部分的长度不变，改变电流大小，导线受力情况如何变化？(2)保持电流不变，改变导线通电部分的长度，导线受力情况如何变化？(3)通电导线受力与哪些因素有关？答案(1)电流越大，导线受力越大.(2)通电导线越长，导线受力越大.(3)通电导线在磁场中受到的力的大小，既与导线的长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，即与I和L的乘积成正比，用公式表示为FkBIL，式中k为比例系数，国际单位制中，k1，FBIL.2.当导线与磁场方向的夹角为时，如图4所示，如何计算导线所受作用力的大小？图4答案将B分解为平行导线方向和垂直导线方向的两个分量，分别研究B的两个分量对导线的作用，可得出FBILsin .要点总结1.(1)当90，即B与I垂直时，FBIL；(2)当0，即B与I平行时，F0；(3)当电流方向与磁场方向成角，FBIlsin .2.FBIL中的L是指导线在磁场中的“有效”长度，当导线与磁场垂直时，弯曲导线的有效长度L，等于连接两端点直线的长度(如图5所示)；相应的电流沿L由始端流向末端.图53.磁感应强度的另一种定义方法：在磁场中垂直于磁场方向放置一小段通电导线，导线所受安培力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫做导线所在处的磁感应强度，即B.例2长度为L、通有电流为I的直导线放入一匀强磁场中，电流方向与磁场方向分别如图所示，已知磁感应强度为B，对于下列各图中，导线所受安培力的大小计算正确的是()答案A解析A图中，导线不和磁场垂直，将导线投影到垂直磁场方向上，故FBILcos ，A正确；B图中，导线和磁场方向垂直，故FBIL，B错误；C图中，导线和磁场方向垂直，故FBIL，C错误；D图中，导线和磁场方向垂直，故FBIL，D错误.例3如图6所示，一根导线位于磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，其中ABBCCDDEl，且C120、BD150.现给这根导线通入由A至E的恒定电流I，则导线受到磁场作用的合力大小为()图6A.2BIl B.(2)BIlC.(2)BIl D.4BIl答案C解析据题图和几何关系求得A、E两点间的距离为：L等(2)l.据安培力公式得FBIL等(2)BIl，故A、B、D错误，C正确.三、安培力的实际应用例4(2018北京市朝阳区高二上学期期末)一种可测量磁感应强度大小的实验装置，如图7所示.磁铁放在水平放置的电子测力计上，两极之间的磁场可视为水平匀强磁场.其余区域磁场的影响可忽略不计.此时电子测力计的示数为G1.将一直铜条AB水平且垂直于磁场方向静置于磁场中.两端通过导线与电源、开关、滑动变阻器和电流表连成回路.闭合开关，调节滑动变阻器的滑片.当电流表示数为I时，电子测力计的示数为G2，测得铜条在匀强磁场中的长度为L.铜条始终未与磁铁接触，对上述实验下列说法正确的是()图7A.铜条所受安培力方向竖直向下B.铜条所在处磁场的磁感应强度大小为C.铜条所在处磁场的磁感应强度大小为D.铜条所在处磁场的磁感应强度大小为答案C解析由左手定则可知，铜条所受安培力方向竖直向上，选项A错误；由牛顿第三定律可知，铜条对磁铁有向下的作用力，使得电子测力计的示数增加，可知：G2G1BIL，解得B，选项C正确，B、D错误.1.(安培力的方向)下列图中分别标出了一根放置在匀强磁场中的通电直导线的电流I、磁场的磁感应强度B和所受安培力F的方向，其中图示正确的是()答案C解析A图中电流与磁场方向平行，没有安培力，故A错误；B图中安培力的方向是垂直导线向下的，故B错误；C图中安培力的方向是垂直导线向上的，故C正确；D图中电流方向与磁场方向平行，不受安培力作用，故D错误.2.(安培力的大小)如图8所示，在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线，电流为I，磁感应强度为B，则各导线所受到的安培力的大小分别为：图8FA ，FB ，FC ，FD .答案BILcos BILBIR03.(安培力的大小)如图9所示，某区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B.一正方形刚性线圈，边长为L，匝数为n，线圈平面与磁场方向垂直，线圈一半在磁场内.某时刻，线圈中通过大小为I的电流，则此线圈所受安培力的大小为()图9A.BIL B.nBIL C.nBIL D.nBIL答案D4.(安培力的应用)(多选)实验室经常使用的电流表是磁电式电流表.这种电流表的构造如图10甲所示.蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的.当线圈通以如图乙所示的恒定电流(b端电流流向垂直纸面向内)，下列说法正确的是()图10A.当线圈在如图乙所示的位置时，b端受到的安培力方向向上B.线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线圈转动C.线圈通过的电流越大，指针偏转角度越小D.电流表表盘刻度均匀答案BD解析由左手定则可判定：当线圈在如题图乙所示的位置，b端受到的安培力方向向下，故A错误；当通电后，处于磁场中的线圈受到安培力作用，使其转动，螺旋弹簧被扭动，则线圈受到弹簧的阻力，阻碍线圈转动，故B正确；线圈中通过的电流越大，线圈受到的安培力越大，指针偏转的角度越大，C错误；在线圈转动的范围内，线圈平面始终与磁感线平行，且磁感应强度大小相等，故各处安培力大小相同，表盘刻度均匀，D正确.一、选择题考点一安培力的方向1.在如图所示的匀强磁场中，已经标出了电流I和磁场B以及磁场对电流作用力F三者的方向，其中错误的是()答案C解析根据左手定则可知A、B、D正确；C图中电流和磁场方向平行，不受安培力，故C错误.本题选错误的，故选C.2.如图1所示，在xOy平面中有一通电直导线与Ox、Oy轴相交，导线中电流方向如图所示.该区域有匀强磁场，通电直导线所受磁场力的方向与Oz轴的正方向相同.该磁场的磁感应强度的方向可能是()图1A.沿z轴正方向 B.沿z轴负方向C.沿x轴正方向 D.沿y轴负方向答案D解析由电流方向、受力方向，根据左手定则可以判断出，磁感应强度的方向沿y轴的负方向，或者沿x轴的负方向都是可能的，故D正确.3.如图2所示，把一根通电的硬直导线ab用绝缘轻绳悬挂在通电螺线管正上方，直导线中的电流方向由a向b.闭合开关S，导线a端所受安培力的方向是()图2A.向上B.向下C.垂直纸面向外D.垂直纸面向里答案D解析根据安培定则可知，开关闭合后，螺线管产生的磁场N极在右侧.根据左手定则可知，a端受力应垂直纸面向里，选项D正确.4. (2018大连市高二上学期期末)2017年1月25日，在中央电视台CCTV10频道播出的节目中，海军电力工程专家马伟明院士表示，正在研制设计中的国产003型航母采用电磁弹射已成定局.电磁弹射就是采用电磁的能量来推动被弹射的物体向外运动，电磁炮就是利用电磁弹射工作的.电磁炮的原理如图3所示，则炮弹导体滑块受到的安培力的方向是()图3A.竖直向上 B.竖直向下C.水平向左 D.水平向右答案C解析由左手定则可知，炮弹导体滑块受到的安培力的方向是水平向左，故选C.5.(多选)(2017全国卷)如图4，三根相互平行的固定长直导线L1、L2和L3两两等距，均通有电流I，L1中电流方向与L2中的相同，与L3中的相反.下列说法正确的是()图4A.L1所受磁场作用力的方向与L2、L3所在平面垂直B.L3所受磁场作用力的方向与L1、L2所在平面垂直C.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为11D.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为1答案BC解析因三根导线中电流大小相等、两两等距，则由对称性可知两两之间的作用力大小均相等.因平行电流间同向吸引、反向排斥，各导线受力如图所示，由图中几何关系可知，L1所受磁场作用力F1的方向与L2、L3所在平面平行，L3所受磁场作用力F3的方向与L1、L2所在平面垂直，A错误，B正确.设单位长度的导线两两之间作用力的大小为F，则由几何关系可得L1、L2单位长度所受的磁场作用力大小为2Fcos 60F，L3单位长度所受的磁场作用力大小为2Fcos 30F，故C正确，D错误.考点二安培力的大小6.如图5所示，水平导轨接有电源，导轨上固定有三根导体棒a、b、c，c为直径与b等长的半圆，长度关系为c最长，b最短，将装置置于竖直向下的匀强磁场中，在接通电源后，三导体棒中有等大的电流通过，则三导体棒受到的安培力大小关系为()图5A.FaFbFc B.FaFbFcC.FbFaFc D.FaFbFc答案D解析设a、b两棒的长度分别为La和Lb，c的直径为d.由于导体棒都与匀强磁场垂直，则a、b、c三棒所受的安培力大小分别为：FaBILa；FbBILbBId；c棒所受的安培力与长度为d的直导体棒所受的安培力大小相等，则有：FcBId；因为Lad，则有：FaFbFc.7.如图6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MN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()图6答案A解析四个线圈在磁场中的等效长度不同，A线圈等效长度最大，根据FNBIl，A所受磁场力最大，当磁场发生微小变化时，A线圈对应的天平最容易失去平衡.8.(2018上饶市高二上学期期末)如图7所示，一个边长为L、三边电阻相同的正三角形金属框放置在磁感应强度为B的匀强磁场中，若通以图示方向的电流(从A点流入，从C点流出)，电流强度为I，则金属框受到的磁场力为()图7A.0 B. C.BIL D.2BIL答案C9.(2018盐城市阜宁县高二上学期期中)如图8所示，abcd为四边形闭合线框，a、b、c三点坐标分别为(0，L,0)，(L，L,0)，(L,0,0)，整个空间处于沿y轴正方向的匀强磁场中，通入电流I，方向如图所示，关于四边形的四条边所受到的安培力的大小，下列叙述中正确的是()图8A.ab边与bc边受到的安培力大小相等B.cd边受到的安培力最大C.cd边与ad边受到的安培力大小相等D.ad边不受安培力作用答案B解析因为ab边垂直于磁场，所以其受到的安培力FabBLabI，而bc边平行于磁场，所以其受到的安培力为零，故A错误；cd边垂直于磁场，且长度最长，所以其受到的安培力最大，故B正确；ad边与cd边虽然长度相等，但ad边与磁场不垂直，cd边与磁场垂直，所以受到的安培力大小不相等，故C错误；ad边受到安培力作用，故D错误.考点三安培力的实际应用10.(多选)如图9甲所示，扬声器中有一线圈处于磁场中，当音频电流信号通过线圈时，线圈带动纸盆振动，发出声音.俯视图乙表示处于辐射状磁场中的线圈(线圈平面平行于纸面)，磁场方向如图中箭头所示，在图乙中()图9A.当电流沿顺时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里B.当电流沿顺时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外C.当电流沿逆时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里D.当电流沿逆时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外答案BC解析将线圈看作由无数小段直导线组成，由左手定则可以判断，当电流沿顺时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外，选项B正确，A错误；当电流沿逆时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里，选项C正确，D错误.11.如图10甲是磁电式电流表的结构示意图，蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布，如图乙所示，边长为L的正方形线圈中通以电流I，线圈中的某一条a导线电流方向垂直纸面向外，b导线电流方向垂直纸面向里，a、b两条导线所在处的磁感应强度大小均为B，则()图10A.该磁场是匀强磁场B.该线圈的磁通量为BL2C.a导线受到的安培力方向向下D.b导线受到的安培力大小为BIL答案D解析匀强磁场应该是一系列平行的磁感线，方向相同，该磁场明显不是匀强磁场，故A错误；线圈与磁感线平行，故磁通量为零，故B错误；a导线电流向外，磁场向右，根据左手定则，安培力向上，故C错误；