高中物理 第三章 磁场 4 通电导线在磁场中受到的力课件 新人教版选修31.ppt

4通电导线在磁场中受到的力 1 知道什么是安培力 知道通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流 磁场方向都垂直 它的方向由左手定则判断 知道左手定则的内容 会用左手定则熟练地判定安培力的方向 并会用它解答有关问题 2 会用安培力公式f bil解答有关问题 知道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 3 了解磁电式电流表的内部构造的原理 教学目标 重点 安培力的方向确定和安培力大小的计算 难点 左手定则的运用 尤其是当电流和磁场不垂直时 左手定则如何变通使用 重点难点 安培力的方向和大小是重点 弄清安培力 电流 磁感应强度三者方向的空间关系是难点 安培力的方向一定与电流 磁感应强度方向垂直 但电流方向与磁感应强度的方向可以成任意角度 当电流方向与磁感应强度的方向垂直时 安培力最大 对此学生常常混淆 空间想象能力对本节学习至关重要 要使学生能够看懂立体图 熟悉各种角度的侧视图 俯视图和剖面图 需要一定的巩固训练 建议用实验观察法 逻辑推理法 讲解法等教学方法 教学建议 导入一 复习引入让学生回忆在第二节中讲到的通电导线在磁场中受力大小与什么因素有关 教师讲述 我们已经初步了解磁场对通电导线的作用力 安培在这方面的研究做出了杰出的贡献 为了纪念他 人们把通电导线在磁场中所受的作用力叫作安培力 这节课我们对安培力作进一步的讨论 新课导入 导入二 复习提问 1 磁感应强度是由什么决定的 答 磁感应强度是由产生磁场的电流的大小 分布和空间位置确定的 2 磁感应强度的定义式是什么 答 3 磁感应强度的定义式在什么条件下才成立 答 只有在通电直导线垂直磁场方向放入匀强磁场中 公式才成立 新课导入 新课导入 4 垂直磁场方向放入匀强磁场的通电导线长l 1cm 通电电流i 10a 若它所受的磁场力f 5n 则该磁场的磁感应强度b是多少 答 因为通电导线垂直磁场方向放入匀强磁场 所以根据磁感应强度的定义式有 t 50t 5 若上题中通电导线平行磁场方向放入该磁场中 那么磁场的磁感应强度是多大 通电导线受到的磁场力是多少 答 当电流仍为i 10a l b时 该处磁感应强度不变 仍为b 50t 而通电导线所受磁场力f 0 1 定义 人们把在磁场中受到的力称为安培力 2 单位 牛顿 符号为n 3 大小 f 4 左手定则 伸开左手 使拇指与其余四指垂直 并且都与手掌在同一平面内 让磁感线从掌心进入 并使四指指向电流的方向 这时所指的方向就是通电导线所受安培力的方向 安培力 知识必备 知识点一 通电导线 bilsin 拇指 1 磁电式电流表的构造和特点 1 构造 磁铁 软铁 线圈 螺旋弹簧 指针 极靴 2 特点 两极间的极靴和极靴中间的铁质圆柱使极靴与圆柱间的磁场都沿方向均匀分布 使线圈平面始终与磁感线 使表盘刻度 磁电式电流表 知识必备 知识点二 半径 平行 均匀 2 工作原理 如图3 4 1所示 当电流通过线圈时 线圈左 右两边所受的安培力的方向相反 于是架在轴上的线圈就要转动 通过转轴收紧螺旋弹簧使其变形 反抗线圈的转动 从线圈偏转的角度就能判断通过的大小 根据指针的偏转方向 可以知道被测的方向 知识必备 图3 4 1 电流 电流 想一想 静电力与电场强度的方向在同一直线上 安培力和磁感应强度的方向也在同一直线上吗 怎样判定安培力的方向 学习互动 安培力方向的判定 考点一 要点总结 电流所受的安培力的方向既跟磁场的方向垂直 又跟电流的方向垂直 所以安培力总是垂直于磁感线和通电导线所确定的平面 f b f l 但l与b不一定垂直 学习互动 学习互动 例1画出图3 4 2中通电直导线a受到的安培力的方向 图3 4 2 学习互动 如图所示 解析 1 中电流与磁场垂直 由左手定则可判断出a所受安培力方向如图甲所示 2 中条形磁铁在a处的磁场分布如图乙所示 由左手定则可判断a受到的安培力的方向如图乙所示 甲 乙 学习互动 3 中由安培定则可判断出电流a处磁场方向如图丙所示 由左手定则可判断出a受到的安培力方向如图丙所示 4 中由安培定则可判断出电流a处磁场如图丁所示 由左手定则可判断出a受到的安培力方向如图丁所示 丙 丁 想一想 你知道电流天平和电流表的工作原理吗 电流在磁场里的受力与哪些因素有关 学习互动 安培力的计算 考点二 要点总结 1 在磁感应强度为b的匀强磁场中 长为l的导线通入电流i 1 若磁场和电流垂直 则f bil 2 若磁场和电流平行 则f 0 2 公式中l指的是 有效长度 弯曲导线的有效长度l等于连接两端点的线段的长度 如图3 4 3所示 相应的电流沿l由始端流向末端 学习互动 图3 4 3 学习互动 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如图3 4 4所示 已知磁感应强度为b 对于各图中导线所受安培力的大小计算正确的是 图3 4 4 学习互动 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f bilcos a正确 b图中 导线和磁场方向垂直 故f bil b错误 c图中 导线和磁场方向垂直 故f bil c错误 d图中 导线和磁场方向垂直 故f bil d错误 学习互动 例3半径为r的半圆形导线框放在如图3 4 5所示的匀强磁场中 电流大小为i 磁感应强度为b 则导线框所受的安培力为多大 图3 4 5 学习互动 答案 2birsin 解析 由于导线框的首尾相连的有向线段的长度为2r 且有向线段沿垂直于磁场方向上的投影为2rsin 所以导线框所受的安培力为f 2birsin 想一想 通电导体在安培力作用下怎样运动 有哪些方法可用来判断导体的运动情况 学习互动 安培力作用下导体的运动问题 考点三 要点总结 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 往往采用以下五种方法 学习互动 学习互动 学习互动 续表 学习互动 例4如图3 4 6所示 将通电直导线ab用丝线悬挂在电磁铁的正上方 直导线可自由转动 则接通开关s的瞬间 a a端向上运动 b端向下运动 悬线张力不变b a端向下运动 b端向上运动 悬线张力不变c a端向纸外运动 b端向纸内运动 悬线张力变小d a端向纸内运动 b端向纸外运动 悬线张力变大 图3 4 6 学习互动 答案 d 解析 当开关s接通时 根据安培定则知电磁铁附近磁感线的分布如图所示 由左手定则知此时通电直导线a端受力指向纸内 b端受力指向纸外 故导线将转动 由特殊位置法知当导线转到与磁感线垂直时 整个导线受到的磁场力方向竖直向下 故悬线张力变大 d正确 学习互动 例5 2018 石家庄一中期中 如图3 4 7所示 在磁感应强度b 1 0t 方向竖直向下的匀强磁场中有一个与水平面成 37 角的平行导电滑轨 滑轨上垂直放置一个可以自由滑动的金属杆ab 已知接在滑轨中的电源电动势e 12v 内阻不计 滑轨间距l 0 5m 金属杆质量m 0 2kg 杆与平行滑轨间的动摩擦因数 0 5 不计滑轨与ab杆的电阻 g取10m s2 当接在滑轨上的变阻器r接入电路的阻值在什么范围内变化时 可以使ab杆在滑轨上保持静止 sin37 0 6 cos37 0 8 图3 4 7 学习互动 答案 1 5 r 16 5 解析 ab杆刚好不下滑时受力如图甲所示 设此时安培力为f1 变阻器接入电路的电阻为r1 根据平衡条件有fn1 mgcos f1sin mgsin fn1 f1cos 又f1 bi1l i1 解得r1 16 5 学习互动 ab杆刚好不上滑时受力如图乙所示 设此时安培力为f2 变阻器接入电路的电阻为r2 根据平衡条件有fn2 mgcos f2sin mgsin fn2 f2cos 又f2 bi2l i2 解得r2 1 5 故1 5 r 16 5 备用习题 1 如图3 4 12所示 两条导线相互垂直 但相隔一段距离 其中ab固定 cd能自由运动 当直线电流按图示方向通入两条导线时 导线cd将 从纸外向纸内看 a 顺时针方向转动同时靠近导线abb 逆时针方向转动同时离开导线abc 顺时针方向转动同时离开导线abd 逆时针方向转动同时靠近导线ab 图3 4 12 备用习题 备用习题 2 如图3 4 14所示 放在台秤上的条形磁铁两极未知 为了探明磁铁的极性 在它中央的正上方固定一导线 导线与磁铁垂直 给导线通以垂直纸面向外的电流 则 a 如果台秤的示数增大 说明磁铁左端是北极b 如果台秤的示数增大 说明磁铁右端是北极c 无论如何台秤的示数都不可能变化d 以上说法都不正确 图3 4 14 备用习题 答案 b 解析 b带电后 由于静电感应 a的近端和远端分别出现等量的负电荷和正电荷 b对a的吸引作用大于排斥作用 故b先吸引a a b接触后带同种电荷 相互排斥 选项b正确 备用习题 3 多选 已知质量为m的通电细杆ab与导轨间的动摩擦因数为 有电流时 ab恰好在导轨上静止 如图3 4 15所示 图3 4 16是它的四个侧视图 则图中四种可能的匀强磁场方向 其中能使杆ab与导轨之间的摩擦力为零的是 图3 4 15 abcd 图3 4 16 备用习题 答案 ab 解析 用左手定则判断各图中通电细杆所受的安培力的方向 再判断通电细杆所受的合力 可知 选项a b正确 自我检测 1 左手定则应用 如图3 4 8所示 表示磁场对直线电流的作用力示意图中正确的是 答案 a 解析 应用左手定则 a中安培力竖直向上 a正确 b中导线不受安培力 c中安培力竖直向上 d中安培力垂直纸面向外 b c d错误 图3 4 8 自我检测 2 等效长度的理解 如图3 4 9所示 长为2l的直导线折成边长相等 夹角为60 的v形 并置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中 磁感应强度为b 当在该导线中通以大小为i的电流时 该v形通电导线受到的安培力大小为 答案 c 解析 v形导线通入电流i时 每条边受到的安培力大小均为bil 方向分别垂直于导线斜向上 再由平行四边形定则可得其合力f bil 选项c正确 图3 4 9 a 0b bilc bild 2bil 自我检测 3 安培力作用下的平衡问题 如图3 4 10所示 金属棒mn两端由等长的轻质细线水平悬挂 处于竖直向上的匀强磁场中 棒中通以由m向n的电流 平衡时两悬线与竖直方向的夹角均为 如果仅改变下列某一个条件 角的相应变化情况正确的是 a 棒中的电流变大 则 角变大b 两悬线等长变短 则 角变小c 金属棒质量变大 则 角变大d 磁感应强度变大 则 角变小 图3 4 10 自我检测 答案 a 解析 以mn为研究对象 受力分析如图所示 根据平衡条件有tan 由该式知 金属棒中的电流变大 则 角变大 a正确 两悬线变短 不影响平衡状态 则 角不变 b错误 金属棒质量变大 则 角变小 c错误 磁感应强度变大 则 角变大 d错误 自我检测 4 安培力作用下的运动问题 最近研制出一种可以投入使用的电磁轨道炮 其原理如图3 4 11所示 炮弹 可视为长方形导体 置于两固定的平行导轨之间 并与导轨内壁密接 开始时炮弹静止在导轨的一端 通以电流后炮弹会被磁场力加速 最后从位于导轨另一端的出口高速射出 设两导轨之间的距离d 0 10m 导轨长l 5 0m 炮弹质量m 0 30kg 导轨上的电流