高中物理 第三章 磁场《磁场对通电导线的作用——安培力》参考课件 教科版选修31.ppt

第二节磁场对通电导线的作用 安培力 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第二节磁场对通电导线的作用 安培力 课前自主学案 课标定位学习目标 1 通过实验探究的方法知道安培力大小的决定因素 2 理解并掌握安培力的计算公式f ilb 3 知道安培力的概念 会用左手定则判定安培力的方向 4 了解电动机 磁电式电流表的构造及原理 重点难点 安培力大小的实验探究及安培力方向的判断 课前自主学案 一 安培力1 探究影响通电导线受力的因素 1 将一根 水平悬挂在磁铁的两极间 导线的方向与磁场的方向 2 控制变量法 保持磁场中直导线的长度不变 改变 通过观察 大小来比较磁场力大小 保持电流不变 改变磁场中 通过观察直导线 大小来比较磁场力大小 直导线 垂直 电流大小 弹簧测力计 蹄形磁体个数 受力 3 结论 通电直导线与磁场 时 磁场对通电导线作用力的大小与 和 都成正比 2 安培力的大小 1 通电导线跟磁场垂直时 安培力最大 f 2 通电导线跟磁场平行时 安培力最小 f 3 安培力的方向 1 左手定则 伸出左手 四指并拢 使大拇指和其余四指垂直 并且都跟手掌在同一平面内 让 垂直穿过手心 四指指向 方向 则大拇指所指方向就是 所受安培力的方向 方向垂直 导线长度 电流大小 ilb 0 磁感线 电流 通电导线 2 通电导线在磁场中受到的安培力方向 既与 垂直 又与 垂直 即垂直于 和 所确定的平面 二 电动机 安培力的重要应用1 构造 由磁场 磁体 及电源组成 2 原理 图见教材p87 电流从滑环a流入时 从滑环b流出 滑环起一个 的作用 当线圈通电后 由于受到 的作用 线圈在磁场中旋转起来 电流方向 磁场方向 电流方向 磁场方向 转动线圈 滑环 电刷 换向器 安培力 核心要点突破 一 安培力大小的计算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 2 1 相应的电流沿l由始端流向末端 图3 2 1 3 若磁场和电流成 角时 如图3 2 2所示 可以将磁感应强度b正交分解成b bsin 和b bcos 而b 对电流是没有作用的 f ilb ilbsin 即f ilbsin 图3 2 2 特别提醒 1 公式f ilbsin 中 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 iblsin 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 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 一根长为0 2m 电流为2a的通电导线 放在磁感应强度为0 5t的匀强磁场中 受到磁场力的大小可能是 a 0 4nb 0 2nc 0 1nd 0n解析 选bcd 据安培力的定义 当磁感应强度b与通电电流i方向垂直时 磁场力有最大值为fm bil 0 5 2 0 2n 0 2n 当两者方向平行时 磁场力有最小值为0n 随着二者方向夹角的不同 磁场力大小可能在0n与0 2n之间取值 二 安培力方向的判断1 安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面 在判断安培力方向时首先确定磁场和电流所确定的平面 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 2 已知i b的方向 可惟一确定f的方向 已知f b的方向 且导线的位置确定时 可惟一确定i的方向 已知f i的方向时 磁感应强度b的方向不能惟一确定 3 由于b i f的方向关系在三维立体空间中 所以解决该类问题时 应具有较好的空间想象力 如果是在立体图中 还要善于把立体图转换成平面图 4 判断通电导线或线圈在安培力作用下的运动方向的几种方法 1 电流元分析法 把整段电流分成很多小段直线电流 其中每一小段就是一个电流元 先用左手定则判断出每小段电流元受到的安培力的方向 再判断整段电流所受安培力的方向 从而确定导线的运动方向 2 特殊位置分析法 根据通电导线在特殊位置所受安培力的方向 判断其运动方向 然后推广到一般位置 3 等效分析法 环形电流可等效为小磁针 通电螺线管可等效为条形磁铁 其南 北极由安培定则判定 5 分析通电导线在安培力作用下运动情况的一般步骤 1 画出通电导线所在处的磁感线方向及分布情况 2 用左手定则确定各段通电导线所受安培力 3 据初速度方向结合牛顿运动定律确定导线的运动情况 特别提醒 1 在f i b三个物理量中 f与i f与b一定垂直 但b与i不一定垂直 2 判断通电线圈在磁场中的转动情况 应找准具有对称关系的特殊位置的电流元 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 通电矩形导线框abcd与无限长通电直导线mn在同一平面内 电流方向如图3 2 3所示 ab与mn平行 关于mn的磁场对线框的作用 下列叙述中正确的是 a 线框有两条边所受的安培力的方向相同b 线框有两条边所受的安培力大小相等c 线框受安培力的合力向左d cd边所受安培力对ab边的力矩不为零 图3 2 3 解析 选bc 通电矩形线框abcd在无限长直通电导线形成的磁场中 受到磁场力的作用 对于ad边和bc边 所在的磁场相同 但电流方向相反 所以ad和bc边所受磁场力 安培力 大小相等 方向相反 即ad边和bc边所受合力为零 而对于ab和cd两条边 由于在磁场中 离长直导线的位置不同 ab边近且由左手定则判断受力向左 cd边远且由左手定则判断受力向右 所以ab边 cd边受合力方向向左 故b c选项正确 三 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 求安培力用公式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前面我们学习的共点力平衡相似 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 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 如图3 2 4所示 在倾角为 的光滑斜面上 垂直纸面放置一根长为l 质量为m的直导体棒 在导体棒中的电流i垂直纸面向里时 欲使导体棒静止在斜面上 下列外加匀强磁场的磁感应强度b的大小和方向正确的是 图3 2 4 课堂互动讲练 如图3 2 5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 图3 2 5 思路点拨 利用f ilb可以计算安培力的大小 规律总结 对安培力公式f bilsin 的正确理解是分析的关键 本题中既可分段求解 然后求合力 又可采用等效方法进行计算 变式训练1将长为1m的导线ac从中点b折成如图3 2 6所示的形状 放入b 0 08t的匀强磁场中 abc平面与磁场垂直 若在导线abc中通入25a的直流电 则整个导线所受安培力大小为 n 图3 2 6 如图3 2 7所示 一金属直杆mn两端接有导线 悬挂于线圈上方 mn与线圈轴线均处于竖直平面内 为使mn垂直纸面向外运动 可以 图3 2 7 a 将a c端接在电源正极 b d端接在电源负极b 将b d端接在电源正极 a c端接在电源负极c 将a d端接在电源正极 b c端接在电源负极d 将a c端接在交流电源的一端 b d端接在交流电源的另一端 思路点拨 磁场的方向 电流的方向 安培力的方向遵守左手定则 电流的磁场用安培定则判断 精讲精析 要求直杆mn垂直纸面向外运动 把直杆所在处的磁场方向和直杆中电流画出来 得a b正确 若使a c两端 或b d两端 的电势相对于另一端b d 或a c 的电势的高低做同步变化 线圈磁场与电流方向的关系跟上述两种情况一样 故d也正确 答案 abd 规律总结 安培定则 左手定则往往同时应用 应特别注意 安培定则是判断电流的磁场方向 又称右手螺旋定则 而左手定则是用左手判断电流的受力情况的 变式训练2在地球赤道上空 沿东西方向水平放置一根通以由西向东的直线电流 则此导线 a 受到竖直向上的安培力b 受到竖直向下的安培力c 受到由南向北的安培力d 受到由西向东的安培力解析 选a 地球赤道上空的磁场方向由南向北与地面方向平行 由左手定则可判断导线受到竖直向上的安培力 质量为m 0 02kg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d 0 2m 杆ab与导轨间的动摩擦因数 0 4 磁感应强度b 2t的匀强磁场与导轨平面垂直且方向向下 如图3 2 8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 图3 2 8 思路点拨 先对ab进行正确受力分析 根据平衡条件求安培力的最大值 最小值 可确定电流的范围 自主解答 杆ab中的电流为a到b 所受的安培力方向平行于导轨向上 当电流较大时 导体有向上的运动趋势 所受静摩擦力向下 当静摩擦力达到最大时 磁场力为最大值f1 此时通过ab的电流最大为imax 同理 当电流最小时 应该是导体受向上的静摩擦力 此时的安培力为f2 电流为imin 正确地画出两种情况下的受力图3 2 9 由平衡条件列方程求解 根据第一幅受力图列式如下 f1 mgsin f1 0n mgcos 0f1 nf1 bimaxd解上述方程得 imax 0 46a根据第二幅受力图 得f2 f2 mgsin 0 n mgcos 0 f2 n f2 bimind解上述方程得 imin 0 14a 图3 2 9 答案 0 14a i 0 46a 规律总结 1 必须先将立体图转换为平面图 然后对物体进行受力分析 要注意安培力方向的确定 最后根据平衡条件或物体的运动状态列出方程 2 注意静摩擦力可以有不同的方向 因而求解结果是一个范围 变式训练3如图3 2 10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