第4课时 通电导线在磁场中受到的力.doc

教材分析安培力的方向和大小是本节重点，弄清安培力、电流、磁感应强度三者方向的空间关系是本节的难点安培力的方向一定与电流、磁感应强度的方向都垂直，但电流方向与磁感应强度方向可以成任意角度；当电流方向与磁感应强度方向垂直时，安培力最大对此，学生常常产生混淆，例如，在解决实际问题时误以为安培力、电流、磁感应强度一定是两两垂直的另外，空间想像能力对本节的学习至关重要，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，这需要一定量的训练巩固课标解读1. 观察安培力方向与哪些因素有关的实验，记录实验现象并得出相关结论知道安培力的方向与电流、磁感应强度的方向都垂直，会用左手定则判断安培力的方向2. 推导匀强磁场中安培力表达式，计算匀强磁场中安培力的大小3. 知道磁电式电表的基本构造以及运用它侧量电流大小和方向的基本原理教学过程提出问题引入新课演示实验：通电直导线在磁场中受力情况力的方向与电流方向、磁场方向关系的总结磁感应强度的定义安培力：一般表达式、特殊表达式安培力的具体应用：磁电式电流表巩固练习新课导入提出问题：通电直导线在磁场中要受到力的作用，那么力的方向和大小会与哪些因素有关呢？教师演示通电线框在磁场中的受力情况，通过改变电流方向，磁场方向电流方向与磁场方向的夹角，引导学生观察实验，猜测安培力的大小和方向与哪些因素有关？引入新课温故知新1. 当长为L通有电流I的导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中时，受到磁场力FBIL.2. 当通电导线平行于磁场方向放入匀强磁场中时不受磁场力的作用新知梳理1. 安培力的大小和方向(1) 大小：当长为L的导线，垂直于磁场B放置，通过的电流为I时，F_.(2) 当磁感应强度B的方向与通电导线_时，导线受力为零(3) 当磁感应强度B的方向与通电导线方向成角时，F_，这是一般情况下安培力的表达式(4) 方向左手定则：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线从掌心进入，并使_指向_的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受_的方向安培力方向的特点：FB，FI，即F垂直于_和_所决定的平面2. 磁电式电流表(1) 电流表是测定电流的_和_的电学仪器(2) 磁电式电表的原理是_的关系(3) 磁电式仪表的构造特点构造：磁铁、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴特点：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，使线圈平面都与磁场方向_，使表盘刻度_(4)线圈偏转的_越大，被测电流越大根据线圈偏转的_，可以知道被测电流的方向 小试身手1. 关于磁场对通电直导线的作用力(安培力)下列说法不正确的是()A. 通电直导线在磁场中一定受到安培力的作用B. 通电直导线在磁场中所受安培力的方向一定跟磁场方向垂直C. 通电直导线在磁场中所受安培力的方向一定跟电流方向垂直D. 通电直导线在磁场中所受安培力的方向垂直于由B和I所确定的平面2. 图中磁感应应强度B、电流I和安培力F之间的关系错误的是()3. 如图所示，通电直导线固定，可以自由转动的导体圆环与之共面且对称放置当两者中通以如图所示电流时，导体圆环将()A. 俯视时逆时针旋转B. 沿I1方向向上平移C. 垂直I1方向向右平移 D. 垂直I1方向向左平移探究讨论公式FBIL和B的物理意义相同吗？尽管公式FBIL是从B变形得到的，但两者的物理意义却大不相同公式B是根据放置于给定磁场中的给定点上的检验“电流元”的受力情况来确定这一位置的磁场的性质，它对任意磁场都是适用的；公式FBIL则是在已知磁场性质的基础上，确定在给定位置上给定的一小段通电直导线的受力情况，在中学阶段，它只适用于匀强磁场，物理公式在进行数学的等价变形时，其物理意义和适用范围都会变化，在使用时要特别注意讲练大课堂一、磁电式电流表1. 电流表的构造：最基本的组成是磁铁和放在磁铁两极之间的线圈2. 工作原理：如图所示，蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的磁场(不是匀强磁场)放在其中的通电线圈不管转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，线框两边所受的力始终跟线框垂直当电流通过线圈的时候，线圈上跟铁质圆柱轴线平行的两边都受到安培力，这两个力使线圈发生转动线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，产生一个阻碍线圈转动的作用，其大小随线圈转动角度的增大而增大当这种阻碍线圈转动的作用增大到同安培力产生的使线圈发生转动的作用相平衡时，线圈停止转动，所以由转动角度即指针对应刻度可以确定电流大小，摆动方向反映电流方向3. 磁电式电流表的特点(1) 表盘的刻度增匀， I.(2) 灵敏度高，量程较小，过载能力差(3) 满偏电流Ig，内阻Rg反映了电流表的最主要特性例1、如图甲所示是磁电式电流表的结构图，图乙是磁极间的磁场分布图，以下选项中正确的是指针稳定后，线圈受到螺旋弹簧的力与线圈受到的磁力的方向是相反的通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转的角度也越大在线圈转动的范围内，各处的磁场都是匀强磁场在线圈转动的范围内，线圈所受磁力与电流有关，而与所处位置无关A. B. C. D. 反馈平台1. 所谓电流表的灵敏度，是指在通入相同电流的情况下，指针偏转角度的大小偏角越大，灵敏度越高下列方法可提高磁电式电流表灵敏度的方法有()A. 增强永久磁铁的磁性 B. 增大游丝的劲度系数C. 增大线圈的面积 D. 增加线圈的匝数二、安培力作用下物体的平衡和加速运动1. 利用公式FBIL计算安培力时，式中的L指的是有效长度，对弯曲导线，L应等于连接两端点直线的长度，相应的电流从始端指向未端当BI时，FBIL，当BI时，F0，若I和B的夹角为，则FBILsin .2. 有安培力参与的物体平衡，前面所讲的物体平衡一样，也是利用物体平衡条件解题，其中安培力是众多受力中的一个3. 与闭合电路的欧姆定律相结合的题目，主要应用以下知识(1)闭合电路的欧姆定律(2)安培力求解公式FBIL.(3)物体平衡条件(或牛顿第二定律)4. 在安培力作用下的物体平衡和运动问题，解决步骤和前面我们学习的共点力相似，一般也是先进行受力分析，再根据共点力平衡的条件(或牛顿第二定律)列出方程，其中重要的是在受力分析过程中不要漏掉了安培力例2、质量为m0.02 kg的通电细杆ab置于倾角为37的平行放置的导轨上，导轨的宽度d0.2 m，杆ab与导轨间的动摩擦因数0.4，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取10 m/s2，磁感应强度B2 T的匀强磁场与导轨平面垂直且方向向下，如图所示现调节滑动变阻器的触头，试求出为使杆ab静止不动，通过ab杆的电流范围为多少？点拨(1) 注意静摩擦力可能有不同的方向，因而求解结果是一个范围(2) 利用平衡条件进行受力分析反馈平台2. 质量为m的通电细金属杆ab置于倾角为的平行导轨上，导轨的宽度为d.杆ab与导轨之间的动摩擦因数为，有电流时ab恰好静止，如图所示下列四个侧视图中标出了四种可能的匀强磁场方向，其中杆ab与导轨之间的摩擦力可能为零的是()三、判断安培力作用下物体的运动方向1. “电流元”法即把整段电流等效为多段直线“电流元”，运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所受合力的方向，最后确定运动方向2. 特殊位置法把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置后再判断所受安培力方向，从而确定运动方向3. 等效法环形电流和通电螺线管都可以等效成条形磁铁，条形磁铁也可等效成环形电流或通电螺线管通电螺线管也可以等效成很多匝的环形电流来分析4. 利用结论法(1)两电流相互平行时无转动趋势，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥(2)两电流不平行时，有转动到相互平行且方向相同的趋势，利用这些结论分析，可事半功倍例3、 如图所示，通电闭合三角形线框abc处在匀强磁场中，磁场方向垂直于线框平面，电流方向如图所示，那么三角形线框受到的磁场力的合力为()A. 方向垂直于ab边斜向上B. 方向垂直于ac边斜向上C. 方向垂直于bc边向下D. 为零反馈平台3. 一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2彼此绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合，当两线圈通以如图所示的电流时，从左向右看，则线圈L1将()A. 不动 B. 顺时针转动 C. 逆时针转动 D. 向纸面内平动误区警示安培力的特点(1) 不仅与B、I、L有关，还与放置方式有关(2) L是有效长度，不一定是导线的实际长度弯曲导线的有效长度L，等于两端点所连直线的长度(如图所示)；相应的电流方向，沿L由始端流向末端，因为任意形状的闭合线圈，其有效长度L0，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相关链接磁电式电流表的刻度为什么是均匀的圆柱形软铁心的作用是加强它与极靴间空隙处的磁感应强度，并使此处磁感应强度均匀地沿径向分布这样一来，无论线圈转到什么位置，磁力矩的大小都相等，并可表示为M1NBIS(N为线圈匝数，S为线圈面积，I为通入的待测电流，B为磁感应强度)当线圈转动时，螺旋弹簧(游丝)发生形变，因而产生反抗力矩M2，阻止丝圈继续转动线圈转角越大，游丝形变越大，反抗力矩M2也越大实验证明，M2与成正比，即M2a，式中叫做游丝的扭转常数可见，对于一定的待测电流I来说，线圈所受的磁力矩M1也是一定的，而游丝的反抗力矩M2却随着线圈转角的增大而增大所以，线圈必定在某一转角处稳定下来，这时两个力矩达到平衡，故有NBIS，或者改写为IK，式中K，为一常量，在数值上等于线圈转过单位转角时所必须通入的电流，它可由实验测出这样，就可以由转角(指针所指示的位置)得到通入线圈的电流I.由于K是常量，也说明了刻度盘上刻度均匀的事实同步测评【基础巩固 轻松过关】1. 如图所示，弹性线圈AB，当它通电时下面判断正确的是()A. 当电流从AB时，线圈长度增加，当电流反向线圈长度减小B. 当电流从BA时，线圈长度增加，当电流反向后线圈减小C. 不管电流方向如何，线圈长度都增加D. 不管电流方向如何，线圈长度都减小2. 如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B，方向水平向左，当长为l，质量为m的金属棒通以图示方向的电流I后，恰能静止在光滑斜面上，已知重力加速度为g，则金属棒所受的安培力()A. 大小为BIl，方向竖直向上B. 大小为BIl，方向竖直向下C. 大小为mg，方向竖直向上D. 大小为BIl，方向竖直向下3. 如图所示，直导线处于足够大的磁场中，与磁感线成30角，导线中通过的电流为I.为了增大导线所受的安培力可采用的方法是()A. 增大电流IB. 增加直导线的长度C. 使导线在纸面内顺时针转30角D. 使导线在纸面内逆时针转60角4. 如图所示，在条形磁铁S极附近悬挂一个铝质圆线圈，线圈与水平磁铁位于同一水平面内，当通过如图所示的电流时，线圈将()A. 靠近磁铁平移 B. 远离磁铁平移 C. 从上向下看顺时针转动，同时靠近磁铁D. 从上向下看逆时针转动，同时靠近磁铁5. 质量为m的金属棒MN两端用细软导线连接后悬挂于a、b两点，棒处于水平状态，棒的中部有水平方向的匀强磁场，磁场方向垂直金属棒，如图所示，当棒中通有从M流向N的恒定电流时，悬线中有拉力为了减小悬线中的拉力，可采用的办法有()A. 适当增大水平磁场的磁感应强度B. 使磁场反向C. 适当减小金属棒中的电流强度D. 使电流反向【考题试练 锋芒初显】6. (改编题)航母是现代战争的重要装备、备有强大的威慑作用为了提高航空母舰上飞机在单位时间内起飞的架次，人们正在研制一种电磁弹射装置，它的基本原理如图所示待弹射的飞机挂在导体棒上，导体棒放置在处于匀强磁场中的两条平行导轨上，给导轨通以很大的电流，使飞机和导体棒作为一个载流导体在磁场力的作用下，沿导轨做加速运动，从而将飞机以某一速度弹射出去关于这种弹射装置，下列说法中正确的是()A. 导体棒中的通电电流方向应是从NMB. 导体棒中的通电电流方向应是从MNC. 可以通过改变磁感应强度的大小来改变飞机弹射出时的速度D. 如果提高飞机的弹射速度，可以增大导轨中的电流7. 在等边三角形的三个顶点a、b、c处，各有一条长直导线垂直穿过纸面，导线中通有大小相等的恒定电流，方向如图所示则过c点的导线所受安培力的方向()A. 与ab边平行，竖直向上B. 与ab边平行，竖直向下C. 与ab边垂直，指向左边D. 与ab边垂直，指向右边8. (自编题)据报道我国第一艘超导电磁推进船HEMS1下水试验，它取消了传统的螺旋桨，是船的推进的重大革新其原理如图所示，强磁场方向竖直，在垂直于船体方向两边安装正、负电极，电极都在海水里，当接通电源时海水中产生垂直于船体方向的强电流，推进船体运动，则图中所示船体将向_运动假设磁场的磁感应强度为5 T(视为匀强磁场)，水通道宽为0.5 m所产生的推力为50 N则船上蓄电池中的电流为_A.9. 如图所示，光滑的平行导轨倾角为，处在磁感应强度为B的匀强磁场中，导轨中接入电动势为E、内阻为r的直流电源，电路中有一阻值为R的电阻，其余电阻不计，将质量为m，长度为L的导体棒由静止释放，求导体棒在释放的瞬间加速度的大小10.如图所示，两平行光滑导轨与水平面间的夹角45，相距为20 cm；金属棒MN的质量为1102kg，电阻R8 ；匀强磁场方向竖直向下，磁感应强度B0.8 T，电源电动势E10 V，内阻r1 .当开关S闭合时，MN处于平衡状态，求变阻器R1的取值为多少？(忽略金属导轨的电阻，g取10 m/s2)第4课时 通电导体在磁场中的受力答案小试身手1. A 2. D 3. C反馈平台1、解析由灵敏度的定义可知：电流强度一定时，要使偏转角度大，也就是要求铝盘所受安培力大或安培力矩大由FnBIL知增强永久磁铁的磁性可以增大安培力；增大线圈的面积，可以加大安培力矩；增加匝数，可以增大所受安培力，均可使转动角度增大答案ACD 2.AB 3、B例1、解析辐射状磁场保证了线圈转动到任何位置，其转动效果都不受B和转动角度的影响，而只与电流强度有关当阻碍线圈转动的作用增大到与安培力产生的使线圈转动的作用平衡时，线圈停止转动，即两力的方向相反，故正确磁电式电流表蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的，不管线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，