高中物理 第3章 第3节探究安培力课件 粤教版选修31 .ppt

第三节探究安培力 1 双选 关于磁场和磁感线的描述 下列说法中正确的是 a 磁极之间的相互作用是通过磁场发生的 磁场和电场一样 也是一种客观存在的特殊物质b 磁感线可以形象地描述各磁场的强弱和方向 它每一点的切线方向都和小磁针放在该点静止时北极所指的方向一致c 磁感线总是从磁铁的n极出来 到s极终止的d 磁感线可以用细铁屑来显示 因而是真实存在的 精彩回眸 答案 ab 磁感线是为了形象描述磁场而假设的一簇有方向的闭合的曲线 实际上并不存在 所以c d不正确 磁场是客观存在的特殊物质 所以a正确 磁感线上每一点切线方向表示该点磁场方向 磁感线疏密表示该点磁场的强弱 小磁针静止时北极指向 北极受力方向均为磁场方向 所以b正确 2 关于磁场的方向 下列叙述中不正确的是 a 磁感线上每一点的切线方向b 磁场n极到s极的方向c 小磁针静止时北极所指的方向d 小磁针北极所受磁场力的方向 答案 b 3 如图3 3 2所示 分别给出了导线中的电流方向或磁场中某处小磁针n极的指向或磁感线方向 请画出对应的磁感线 标上方向 或电流方向 图3 3 2 解析 本题考查安培定则 磁感线和电流方向如图 答案 见解析 一 安培力的方向1 安培力 在磁场中受到的力称为安培力 安培力是磁场对电流的作用力 是一种性质力 它与静电力 摩擦力 重力 弹力等一样是一种性质力 不是按效果命名的力 知识梳理 通电导线 2 用左手定则判断通电导线在磁场中受到的安培力的方向 伸开左手 使大拇指与其余四个手指垂直 并且都与手掌在同一平面内 让磁感线从掌心进入 并使四指指向 的方向 这时大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向 电流 电流元 不变的 无关 三 磁感应强度1 定义 在磁场中垂直于磁场方向的通电导线 所受的安培力跟电流i和导线长度l的乘积il的 叫磁感应强度 它是表示磁场的强弱和方向的物理量 通常用字母b表示 2 公式 b 公式在应用中应注意两点 安培力的方向既跟磁场方向垂直 又跟电流方向垂直 通电导线长度l很短时 b就是导线所在处的磁感应强度 同时 因它所在处各点的磁感应强度变化很小 可近似认为磁场是匀强磁场 比值 3 物理意义 b是描述 性质的物理量 4 单位 国际单位制中是 简称特 符号是t 5 b是矢量 其方向就是磁场方向 即小磁针静止时n极的指向或n极的 方向 6 叠加原理磁感应强度b是矢量 满足叠加原理 若空间同时存在几个磁场 空间某处的磁场应该由这几个磁场 磁场 特斯拉 受力 叠加而成 四 匀强磁场在磁场的某个区域内 如果各点的磁感应强度大小和方向相同 这个区域的磁场叫做匀强磁场 距离很近的两个异名磁极之间的磁场 除边缘部分外 可以视为匀强磁场 通电螺线管内部的磁场也可以视为匀强磁场 匀强磁场的磁感线是 一些间隔相同的平行直线 五 安培力的大小磁场中的通电导线 通常会受到安培力的作用 但并不等于 总是要受到安培力的作用 安培力的大小不仅仅是由b i l三者决定 还与电流i和b之间的 有关 图3 3 3 夹角 1 当通电导线与磁感线垂直时 即电流方向与磁感线方向垂直时 所受的安培力最大 f 2 当通电导线与磁感线不垂直时 如图3 3 3所示 电流方向与磁感线方向成 角 通电导线所受的安培力为f 3 当通电导线与磁感线平行时 所受安培力为 bil bilsin 0 六 磁通量1 定义 设在磁感应强度为b的匀强磁场中 有一个与磁场方向垂直的平面 面积为s 我们把b与s的乘积叫做穿过这个面积的磁通量 简称磁通 用字母 表示 2 公式 3 单位 国际单位制单位为 简称 符号 1wb 1t m2 bs 韦伯 韦 wb 越大 零 思考 磁感应强度是描述磁场力的性质的物理量 它和描述静电力的性质的物理量电场强度在定义方法和测定上有何异同 答案 相同点是都用比值法定义 且反映的是场中某点的性质 不同点是电场用点电荷测定 磁场用电流元测定 且它们反映出的力的性质也不同 一 安培力 磁场 电流的方向关系1 安培力的方向总是既与磁场方向垂直 又与电流方向垂直 也就是说安培力的方向总是垂直于磁场和电流所决定的平面 但磁场方向与电流方向并不一定垂直 2 若已知b和i的方向 则f的方向能够唯一确定 但若已知f的方向和b i中的一个量的方向 无法唯一确定另一个量的方向 安培力的方向判定 二 安培力与电场力的区别在具体判断安培力的方向时 由于受到电场力方向判断方法的影响 有时错误地认为安培力的方向沿着磁场方向 为避免这种错误 同学们应该把电场力和安培力进行比较 搞清力的方向与场的方向关系及区别 它们都是性质力 且都属于场力 分析如下 三 安培力方向的判定方法1 电流元受力分析法 把整段电流等效为很多段直线电流元 先用左手定则判断出每小段电流元受安培力的方向 从而判断出整段电流元所受合力的方向 最后确定运动方向 2 特殊位置分析法 把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置 如转过90 后 再判断所受安培力方向 从而确定运动方向 3 等效分析法 环形电流可以等效成条形磁铁 条形磁铁也可以等效成环形电流 通电螺线管可等效成很多的环形电流来分析 4 推论分析法 1 两直线电流相互平行时无转动趋势 方向相同时相互吸引 方向相反时相互排斥 2 两直线电流不平行时有转动到相互平行且电流方向相同的趋势 5 转换研究对象法 因为电流之间 电流与磁体之间相互作用满足牛顿第三定律 这样定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题 可先分析电流在磁场中所受到的安培力 然后由牛顿第三定律 确定磁体所受电流作用力 从而确定磁体所受合力及运动方向 四 安培定则 与 左手定则 的区别与联系1 在适用对象上 安培定则研究电流 直线电流 环形电流 通电螺线管电流 产生磁场时 电流与其产生的磁场的磁感线二者方向的关系 左手定则研究通电导线 或运动电荷 在磁场中受力时 f i b三者方向的关系 2 在电流与磁场的关系上 安培定则中的 磁场 与 电流 密不可分 同时存在 同时消失 磁场 就是电流的磁效应产生的磁场 左手定则中的 磁场 与 电流 可以单独存在 磁场 是外加的磁场 不是通电导线产生的磁场 3 在因果关系上 安培定则中的 电流 是 因 磁场 为 果 正是有了电流 直线电流 环形电流 螺线管电流 才出现了由该电流产生的磁场 左手定则中的 磁场 和 电流 都是 因 磁场对通电导线的作用力是 果 有因才有果 而此时的两个 因 对产生磁场对导线的作用力来说缺一不可 4 判断电流方向选取定则的原则 当已知磁感线的方向 要判断产生该磁场的电流方向时 选用安培定则判断电流的方向 当已知导体所受安培力的方向时 用左手定则判断电流的方向 例1 如图3 3 4所示 两根靠近的平行直导线通入方向相同的电流时 它们相互间的作用力的方向如何 图3 3 4 答案 本题考查同向电流之间安培力方向的判断 可根据安培定则判断出磁场方向 再根据左手定则判断安培力方向 两导线之间的作用力是通过磁场产生的 遵守牛顿第三定律 分析时可选其中一条通电导线为研究对象 要分析导线ab受力 先确定ab所处的外磁场 cd所产生的磁场 方向垂直纸面向外 如图所示 再由左手定则可判知ab受到的安培力水平向右 同样方法可得cd受ab的作用力水平向左 二者是作用力与反作用力 题后反思本题综合运用了安培定则和左手定则 解题时应注意区别运用 两导线各自处在对方的磁场中 应先用安培定则判磁场再用左手定则判安培力 如图3 3 5所示 用两根相同的细绳水平悬挂一段均匀载流直导线mn 电流i方向从m到n 绳子的拉力均为f 为使f 0 可能达到要求的方法是 a 加水平向右的磁场b 加水平向左的磁场c 加垂直纸面向里的磁场d 加垂直纸面向外的磁场 图3 3 5 答案 c 要使绳子的拉力变为零 加上磁场后 应使导线所受安培力等于导线的重力 由左手定则可判断 所加磁场方向应垂直纸面向里 导线所受安培力向上 一 对安培力公式的理解 1 通电导线与磁场方向垂直时 f bil 2 b对放入的通电导线来说是外磁场的磁感应强度 3 导线l所处的磁场应为匀强磁场 在非匀强磁场中 公式f bilsin 仅适用于很短的通电导线 直线电流元 安培力的大小计算 图3 3 6 4 式中的l为导线垂直于磁场方向的有效长度 如图3 3 6所示 半径为r的半圆形导线与磁场b垂直放置 当导线中通以电流i时 导线的等效长度为2r 故安培力f 2bir 5 在通电导线平行于磁场方向时 安培力f 0 二 安培力作用下的物体平衡1 有安培力参与的物体平衡 此平衡与前面所讲的物体平衡一样 也是利用物体平衡条件解题 只是多了一个安培力而已 2 与闭合电路欧姆定律相结合的题目 主要应用 1 闭合电路欧姆定律 2 安培力公式f bil 3 物体平衡条件 3 在安培力作用下的物体平衡的解题步骤和共点力平衡相似 一般也是先进行受力分析 再根据共点力平衡的条件列出平衡方程 其中重要的是在受力分析过程中不要漏掉了安培力 三 安培力的做功问题1 安培力做功与路径有关 所以绕闭合回路一周 安培力做功可以为正 可以为负 也可以为零 不像重力和电场力做功一定为零 图3 3 7 2 安培力做功的实质 起传递能量的作用 将电源的能量传递给通电导线 而磁场本身并不提供能量 如图3 3 7所示 导体ab在安培力作用下向右运动 安培力做功的结果是将电能转化为导体的动能 例2 如图3 3 8所示的天平可用来测量磁场的磁感应强度 天平的右臂下面挂一个矩形线圈 宽为l 共n匝 线圈的下部悬在匀强磁场中 磁场方向垂直于纸面 当线圈中通有电流i 方向如图 时 在天平两边加上质量分别为m1 m2的砝码时 天平平衡 当电流反向 大小不变 时 右边再加上质量为m的砝码后 天平又重新平衡 由此可知 图3 3 8 题后反思电流天平是测量磁感应强度大小的一种装置 其工作原理是 天平两个盘中放入质量分别为m1 m2的砝码 其中一盘下方挂有线圈 时平衡 若将线圈通电并放入磁场中 平衡被打破 要使天平重新平衡 需要在右盘中增减砝码 根据所给数据 就可以计算出磁场的磁感应强度的大小 如图3 3 9所示 在磁感应强度为b的匀强磁场中 有一个边长为l的正六边形线圈 线圈平面垂直于磁场方向 线圈通有顺时针方向的电流 电流大小为i 则线圈所受安培力的大小为 若去掉其中一条边 其余各条边的电流不变 则剩余的五条边所受安培力的大小为 线圈不发生形变 图3 3 9 解析 在匀强磁场中通电 封闭的多边形线圈所受安培力的合力为零 或者根据任意形状的闭合线圈 其有效长度为零 所以通电后在匀强磁场中 受到的安培力的矢量和一定为零 去掉其中的一条边 其余各条边的有效长度为l 所以其所受安培力的合力大小等于去掉的那条边所受安培力的大小 即f bil 答案 0bil 磁感应强度的理解 2 磁感应强度b的大小只决定于磁场本身的性质 与f i l无关 3 研究磁感应强度是分步进行的 其方向由小磁针受力确定 其大小根据电流元受力来计算 通电导线受力的方向不是磁场磁感应强度的方向 4 磁感应强度的定义式也适用于非匀强磁场 这时l就很短很短 il称作 电流元 相当于静电场中的 试探电荷 我们要找的是磁场中某一点磁感应强度的大小 因此要把电流元放入磁场中某一点 这要求电流元要足够的短 二 磁感应强度和电场强度的异同 例3 关于磁感应强度b 下列说法正确的是 a 磁场中某点b的大小 跟放在该点的试探电流元的情况有关b 磁场中某点b的方向 跟放在该点的试探电流元所受磁场力方向一致c 在磁场中某点的试探电流元不受磁场力作用时 该点b值大小为零d 在磁场中磁感线越密集的地方 磁感应强度越大 解析 本题考查磁感应强度的概念 可根据磁感应强度的属性和定义解决 因磁感应强度是由磁场本身决定的 与试探电流元无关 a c错 磁感应强度的方向和磁场力的方向垂直 b错 结合对磁感线的规定可知d正确 答案 d 题后反思正确理解磁感应强度的概念及其与磁感线的关系是解答此类概念题的关键 答案 a 磁感应强度的引入目的就是用来描述磁场强弱 因此选项a是正确的 磁感应强度是与电流i和导线长度l无关的物理量 且b 中的b f l相互垂直 所以选项b c d皆是错误的 一 定义式的解释公式 bs中的b应是匀强磁场的磁感应强度 s是与磁场方向垂直的面积 因此 可以理解为 bs 如果平面与磁场方向不垂直 应把面积s投影到与磁场垂直的方向上 求出投影面积s 代入到 bs 中计算 应避免硬套公式 bssin 或 bscos 磁通量的理解 二 磁通量的变化1 磁感应强度b不变 有效面积s变化 则 t 0 b s 2 磁感应强度b变化 磁感线穿过的有效面积s不变 则穿过回路中的磁通量的变化是 t 0 b s 3 磁感应强度b和有效面积s同时发生变化的情况 则 t 0 特别提醒 平面s与磁场方向不垂直时 要把面积s投影到与磁场垂直的方向上 即求出有效面积 可以把磁通量理解为穿过面积s的磁感线的净条数 相反方向穿过面积s的磁感线可以互相抵消 当磁感应强度和有效面积同时发生变化时 t 0 而不能用 b s计算 例4 如图3 3 10所示 线圈平面与