高中物理 第3章 磁场对通电导线的作用力课件 新人教版选修31.ppt

4通电导线在磁场中受到的力 1 双选 一束带电粒子沿水平方向飞过小磁针上方 并与磁针指向平行 能使磁针的s极转向纸内 如图3 4 1所示 那么这束带电粒子可能是 精彩回眸 a 向右飞行的正离子束b 向左飞行的正离子束c 向右飞行的负离子束d 向左飞行的负离子束 答案 bc 2 磁感应强度是 量 计算时遵循 定则 3 磁场对通电导线有作用力 当通过电流为i 长为l的一段导线 于磁感应强度b放置时 其所受的作用力大小为f 矢 平行四边形 垂直 ilb 一 安培力的方向1 安培力 通电导线在 中受的力 2 决定安培力方向的因素 1 方向 2 方向 新知梳理 磁场 磁场 电流 3 左手定则 如图3 4 2所示 伸开左手 使拇指与其余四个手指垂直 并且拇指与手掌在同一平面内 让磁感线从 进入并使四指指向 这时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 4 安培力的特点与电流方向 磁感应强度的方向都 即安培力f 于b和i决定的平面 掌心 电流的方向 垂直 垂直 二 安培力的大小同一通电导线 按不同方式放在同一磁场中 受力情况不同 如图3 4 3所示 1 如图3 4 3甲 通电导线与磁场方向垂直 此时安培力最大 f ilb 2 如图乙 通电导线与磁场方向平行 此时安培力最小 f 3 如图丙 通电导线与磁场方向成 角 可以把磁感应强度b分解为与导线垂直的分量b 和与导线平行的分量b 如图丁所示 则有b bsin b bcos 其中b 不产生安培力 导线受的安培力只是b 产生的 因此又得到f 这是一般情况下安培力的表达式 0 ilbsin 三 磁电式电流表1 原理 通电线圈在磁场中受到 而偏转 线圈偏转的角度越大 被测电流就 根据线圈 可以知道被测电流的方向 2 构造 线圈 螺旋弹簧 指针 极靴 安培力 越大 偏转的方向 磁铁 3 特点 两极间的极靴及极靴中间的铁质圆柱 使极靴与圆柱间的磁场都沿 方向 保持线圈转动时 安培力的大小不受磁场影响 电流所受安培力的方向总与线圈平面垂直 使线圈平面都与磁场方向 使表盘刻度均匀 如图3 4 4所示 4 优点 灵敏度高 可以测出 的电流 缺点 线圈导线很细 允许通过的电流很弱 半径 平行 很弱 1 判断安培力方向的方法 左手定则 2 判定安培力的方向应注意的问题 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 所以判断时要首先确定磁场与电流所确定的平面 从而判断出安培力的方向在哪一条直线上 然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向 如何判断安培力的方向 2 当电流方向跟磁场方向不垂直时 安培力的方向仍垂直于电流与磁场所决定的平面 所以仍用左手定则来判断安培力的方向 只是磁感线不再垂直穿过手心 而是斜穿过手心 3 安培力的大小与静电力大小的不同 电荷在电场中某一点受到的静电力是一定的 方向与该点的电场方向要么相同 要么相反 电流在磁场中某处受到的磁场力 与电流在磁场中放置的方向有关 电流方向与磁场方向平行时 电流受的安培力最小 等于零 电流方向与磁场方向垂直时 电流受的安培力最大 等于bil 一般情况下的安培力大于零 小于bil 安培力的方向均与磁场方向垂直 1 图3 4 5表示放在匀强磁场里的通电直导线 直导线与磁场方向垂直 图中分别标出了电流 磁感应强度和安培力这三个量中的两个的方向 试标出第三个量的方向 注 一般用 表示电流垂直纸面向里 用 表示电流垂直纸面向外 1 公式f ilb中l指的是 有效长度 当b与i垂直时 f最大 f ilb 当b与i平行时 f 0 2 弯曲导线的有效长度l 等于连接两端点直线的长度 如图3 4 6 相应的电流沿l由始端流向末端 如何计算安培力的大小 特别提醒 1 公式f ilbsin 中的 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 ilbsin 中的lsin 也可以理解为垂直于磁场方向的 有效长度 3 用公式计算安培力适用于电流处于匀强磁场中 例1 如图3 4 9所示 导线abc为垂直折线 其中电流为i ab bc l 导线所在的平面与匀强磁场垂直 匀强磁场的磁感应强度为b 求导线abc所受安培力的大小和方向 安培力方向的判断及大小的计算 一段通电导线平行于磁场方向放入匀强磁场中 导线上的电流方向由左向右 如图3 4 10所示 在导线以其中心点为轴转动90 的过程中 导线受到的安培力 a 大小不变 方向不变b 由零增大到最大 方向时刻改变c 由最大减小到零 方向不变d 由零增大到最大 方向不变 答案 d 解释 导线转动前 电流方向与磁场方向平行 导体不受安培力 当导体转过一个小角度后 电流与磁场不再平行 导体受到安培力的作用 当导体转过90 时 电流与磁场垂直 此时导体所受安培力最大 根据左手定则判断知 力的方向始终不变 选项d正确 例2 一个可以自由运动的线圈l1和一个固定的线圈l2互相绝缘垂直放置 且两个线圈的圆心重合 当两线圈通以如图3 4 11所示的电流时 从左向右看 则线圈l1将 判断导体在磁场中的受力情况及运动情况 a 不动b 顺时针转动c 逆时针转动d 向纸面内平动解析 方法1 利用结论法 环形电流l1 l2之间不平行 则必有相对转动 直到两环形电流同向平行为止 据此可得l1的转动方向应是 从左向右看线圈l1顺时针转动 方法2 等效分析法 把线圈l1等效为小磁针 该小磁针刚好处于环形电流i2的中心 通电后 小磁针的n极应指向该点环形电流i2的磁场方向 由安培定则知i2产生的磁场方向在其中心竖直向上 而l1等效成小磁针后转动前 n极应指向纸里 因此应由向纸里转为向上 所以从左向右看 线圈l1顺时针转动 方法3 直线电流元法 把线圈l1沿转动轴分成上下两部分 每一部分又可以看成无数直线电流元 电流元处在l2产生的磁场中 据安培定则可知各电流元所在处磁场方向向上 据左手定则可得 上部电流元所受安培力均指向纸外 下部电流元所受安培力均指向纸里 因此从左向右看线圈l1顺时针转动 故正确答案为b 答案 b反思领悟 电流在非匀强磁场中受力运动的判断不管是电流还是磁体 对通电导线的作用都是通过磁场来实现的 因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况 然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动 在实际操作过程中 往往采用以下几种方法 如图3 4 12所示 条形磁铁放在水平桌面上 在其正中央的上方固定一根长直导线 导线与磁铁垂直 给导线通以垂直纸面向里的电流 用fn表示磁铁对桌面的压力 用f表示桌面对磁铁的摩擦力 导线中通电后与通电前相比较 a fn减小 f 0b fn减小 f 0c fn增大 f 0d fn增大 f 0 答案 c 解释 如题图所示 画出一条通过电流i处的磁感线 电流i处的磁场方向水平向左 由左手定则知电流i受安培力方向竖直向上 根据牛顿第三定律知 电流对磁铁的作用力方向竖直向下 所以磁铁对桌面压力增大 由于磁铁没有相对于桌面的运动趋势 故桌面对磁铁无摩擦力作用 例3 质量为m 长度为l的导体棒mn静止于水平导轨上 通过mn的电流为i 匀强磁场的磁感应强度为b 方向与导轨平面成 角斜向下 如图3 4 13所示 求棒mn所受的支持力大小和摩擦力大小 安培力作用下导体的平衡问题 答案 bilcos mgbilsin 反思领悟 在对物体进行受力分析时 安培力的方向易画错 因此应注意以下两点 1 受力分析时 将表示磁场的箭头在受力图旁边标出 便于确定安培力的方向 2 画完图后 要检查一下 看安培力是否垂直于b i所决定的平面 如图3 4 14所示 平行金属导轨pq与mn都与水平面成 角 相距为l 一根质量为m的金属棒ab在导轨上 并保持水平方向 ab棒内通有恒定电流 电流大小为i 方向从a到b 空间存在着方向与导轨平面垂直的匀强磁场 ab棒在磁场力作用下保持静止 并且棒与导轨间没有摩擦力 求磁感应强度b的大小和方向 安培定则和左手定则的综合应用安培定则 左手定则往往同时应用 应特别注意 安培定则又称右手螺旋定则 是用右手来判断电流的磁场方向的 而左手定则是用左手判断电流的受力方向的 创新拓展 安培定则 右手螺旋定则 与左手定则的区别 例4 如图3 4 15所示 一金属直杆mn两端接有导线 悬挂于线圈上方 mn与