磁场对通电导线的作用力(精品课件).pptVIP

找来一块蹄形磁铁 把它慢慢地接近发光的白炽灯泡 可以看到灯丝会颤动起来 做一做这个实验 并说明灯丝为什么会颤动 提示 灯丝中通过的是交变电流 1 人们把通电导线在磁场中受的力称为 判断安培力的方向用 2 研究静电力时 用来检验电场强度的是 检验电荷受静电力的方向与电场的方向 研究安培力时 用来检验磁感应强度的是 电流元受力的方向 磁场的方向 电流的方向三者不但不在一条直线上 而且不在一个里 因此研究安培力问题要涉及三维空间 安培力 左手定则 检验电荷 相同或相反 电流元 平面 3 通过实验可得出 平行通电直导线之间有相互作用力 同向电流 异向电流 4 中学实验室使用的电流表是电流表 它所依据的物理学原理是的关系 磁电式仪表的优点是 可以测出很弱的电流 缺点是 允许通过的电流很弱 几十微安到几毫安 相互吸引 相互排斥 安培力与电流 灵敏度高 线圈的导线很细 磁电式 1 概念 把通电导线在磁场中受的力称为安培力 2 安培力的方向 左手定则 如图所示 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 并使四指指向电流的方向 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 说明 安培力的方向不仅跟磁场方向垂直 还跟电流方向垂直 故安培力的方向垂直于磁场方向与电流方向所构成的平面 在判断安培力方向时 应首先判定这个平面 然后再应用左手定则 3 安培力的大小 公式 F BIlsin 为磁感应强度与通电导线之间的夹角 说明 A 当通电导线与磁感线垂直时 即电流方向与磁感线垂直时 所受的安培力最大 F BIL B 当通电导线与磁感线平行时 所受安培力为零 C 适用条件只有在匀强磁场中 在通电导线与磁场方向垂直的情况下 F BIL才成立 在非匀强磁场中 一般说来是不适用的 但在通电导线很短的情况下 可近似地认为导线所处的地方是匀强磁场 特别提醒 1 F I F B 但B与I不一定垂直 2 若已知B I方向 F方向惟一确定 但若已知B 或I F方向 I 或B 方向不惟一 如图 当通电导线与磁感线不垂直时 可用左手定则判断安培力的方向吗 答案 可以 当导线和磁感线不垂直时 把导线所在处的磁感应强度B分解为平行导线的分量B 和垂直导线的分量B 让B 垂直穿入手心 即可利用左手定则判断出安培力的方向 1 电流表是测定电流强弱和方向的电学仪器 2 实验时经常使用的电流表是磁电式仪表 其构造是 在一个磁性很强的蹄形永久磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯 铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框 上面绕有线圈 它的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针 线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上 如图 3 蹄形磁铁的铁芯间的磁场是均匀地分布的 不管通电线圈转到什么角度 它的平面都跟磁感线平行 如图 4 磁场对电流的作用力跟电流成正比 因而线圈中的电流越大 安培力产生的力矩也越大 线圈和指针偏转的角度也就越大 因此 根据指针偏转角度的大小 可以知道被测电流的强弱 5 电流表的特点 表盘的刻度均匀 I 灵敏度高 但过载能力差 满偏电流Ig 内阻Rg反映了电流表的最主要特性 特别提醒 因为磁电式电流表的线圈很细 允许通过的电流很弱 所以在使用时一定注意表的量程 测量大电流时需要将表改装 电流表的刻度为什么是均匀的 答案 由于磁场对电流的作用力跟电流成正比 所以电流表的通电线圈受到的力矩M1也跟被测的电流I成正比 即 M1 nBIdL k1I 其中k1 nBLd 另一方面 弹簧产生的力矩M2跟偏角 成正比 即M2 k2 其中k2是一个由弹簧材料决定的比例恒量 由力矩平衡M1 M2得k1I k2 则有 kI 其中k 也是一个恒量 可见 电流表测量时指针偏转的角度跟电流成正比 也就是说 这种电流表的刻度是均匀的 误区1 安培定则与左手定则容易混淆 点拨 对比两定则的作用 安培定则判断电流的磁场方向 注重手指的环绕方向 左手定则判断通电导体受安培力的方向 注重的是相互垂直关系 注意使用方法及各自的因果关系 加强安培定则和左手定则的针对性练习 误区2 有关安培力的综合问题的分析方法点拨 首先把立体图改画成易于分析的平面图 如侧视图 剖视图或俯视图等 确定导线所在处磁场方向 根据左手定则确定安培力的方向 对通电导体进行受力分析 运动情况分析后 列相应方程求解 如图所示 通电直导线A与圆形通电导线环B固定放置在同一水平面上 通有如图所示的电流时 通电直导线A受到水平向 的安培力作用 当A B中电流大小保持不变 但同时改变方向时 通电直导线A所受的安培力方向水平向 解析 利用安培定则先判定出B在A导线处产生的磁场 磁感线 垂直于纸面向里 再利用左手定则判定直导线A受到的安培力水平向右 当A B中电流同时改变方向时 通电直导线A受到的安培力方向仍水平向右 分析方法同上 也可采用靠近部分电流元电流方向 同向相吸 反向排斥 来判断 结果相同 答案 水平向右水平向右点评 1 判断安培力作用下物体的运动方向 要根据具体问题选择合适的判断方法 2 利用电流元分析法 要在合适的位置选取电流元 3 若磁感应强度方向与电流方向不垂直 可将磁感应强度B分解为与电流垂直分量和平行分量 在下图中 标出了磁场的方向 通电直导线中电流I的方向 以及通电直导线所受安培力F的方向 其中正确的是 答案 C 如图 在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线 电流强度为I 磁感应强度为B 求各导线所受到的安培力 解析 本题考查对安培力计算公式的正确理解 F BILsin B IL B 为磁场在垂直导线电流方向的分量即为有效磁场 或者F BIL 其中L 为垂直于磁场方向的有效长度 A图中FA BILcos 此时不能死记公式 而写成sin 可理解公式本质是有效长度或有效磁场 要正确分解B图中 不论导线怎么放 也会在纸平面内 因此B I 故FB BIL C图是两根导线组成的折线abc 整体受力实质上是两部分直导线分别受力的矢量和 其有效长度为ac 即从a c的电流 故FC BIL D图是从a b的半圆形电流 分析圆弧上对称的每一小段电流 受力抵消合并后 其有效长度为ab FD 2BIR 在E图中 用导线将abc接通形成闭合线圈 各导线受力的矢量和为零 故合力为零 所以 闭合的通电线圈受安培力为零 FE 0 如图所示导体框中电流为I 导体框垂直于磁场放置 磁场磁感应强度为B AB与CD相距为d 则在图甲 乙两种情况下 导体棒MN和MON受到的安培力为多少 图乙中MN连线垂直于框架AB CD 答案 BId解析 在图甲中由于棒MN垂直于磁场 故所受安培力为 F1 BId sin 在乙图中MON的等效长度为MN连线 由题意可知等效长度为d 故所受安培力为 F2 BId 要想提高磁电式电流表的灵敏度 可采用的办法有 A 增加线圈匝数B 增加永久性磁铁的磁感应强度C 增加线圈面积D 减小转轴处摩擦解析 蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的磁场 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面垂直 所以线框所受磁力矩在各位置时均为M NISB 当N S B一定时 线框所受力矩与通入的电流强度成正比 线框转动时 通过转轴收紧两根螺旋弹簧 这样 线圈在通电时除了受到磁力矩外 还受到弹簧的反抗力矩 当两种力矩平衡时 线圈停在一定的位置上 电流越大 磁力矩越大 与它平衡的反抗力矩也应越大 于是线圈转角也越大 磁力矩M1 NISB 反抗力矩M2 k 当M1 M2时 线圈停于某一位置 此时线圈偏转角度 I 可见 转角 与k N B S I有关 可见 电流表灵敏度将随着线圈匝数N 线圈面积S及磁感应强度B的增大而提高 随着螺旋弹簧扭转系数k 即转过1 所需外力矩的大小 的增大而降低 另外 减小摩擦也有利于灵敏度的提高 故选项A B C D都正确 答案 ABCD点评 解决该题的关键是 正确理解 灵敏度 的意义 在相同条件下 指针偏转的角度越大 则可以认为电流表反应越灵敏 关于磁电式电表的下列说法中正确的是 A 指针稳定后 线圈受到螺旋弹簧的力矩与线圈受到的磁力矩方向是相反的B 通电线圈中的电流越大 电流表指针偏转角度也越大C 在线圈转动的范围内 各处的磁场都是匀强磁场D 在线圈转动的范围内 线圈所受磁力矩与电流有关 而与所处位置无关答案 ABD 解析 当阻碍线圈转动的力矩增大到与安培力产生的使线圈转动的力矩平衡时 线圈停止转动 即两力矩大小相等 方向相反 故A选项正确 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 均匀辐射分布的磁场特点是大小相等 方向不同 故C选项错误 D选项正确 电流越大 电流表指针偏转的角度也越大 故B选项正确 2009 惠阳高二检测 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 解析 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最大静摩擦力 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 由平衡条件列方程求解 根据第一幅受力图列式如下 F1 mgsin F 1 0FN mgcos 0 F 1 FN F1 BImaxd解上述方程得 Imax 0 46A根据第二幅受力图F2 F 2 mgsin 0 FN mgcos 0 F 2 FN F2 BImind 解上述方程得 Imin 0 14A 答案 0 14A I 0 46A点评 1 必须先将立体图转换为平面图 然后对物体受力分析 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 注意静摩擦力可能有不同的方向 因而求解结果是一个范围 电磁炮是利用磁场对电流的作用力 把电能转变成机械能 使炮弹发射出去的 如图所示 把两根长为s 互相平行的铜制轨道放在磁场中 轨道之间放有质量为m的炮弹 炮弹架在长为l 质量为M的金属杆上 当有大的电流I1通过轨道和炮弹时 炮弹与金属架在磁场力的作用下 获得速度v1时的加速度为a 当有大的电流I2通过轨道和炮弹时 炮弹最终以最大速度v2脱离金属架并离开轨道 设炮弹运动过程中受到的阻力与速度的平方成正比 求垂直于轨道平面的磁感应强度多大 设金属架与炮弹在运动过程中所受的总阻力与速度平方成正比 答案 解析 设运动中受总阻力Ff kv2 炮弹与金属架在磁场力和阻力的合力作用下加速 根据牛顿第二定律 获得v1速度时 BI1l kv M m a当炮弹速度最大时 有BI2l kv解得垂直轨道的磁感应强度为B 如图所示 天平右臂下面挂有一个矩形线圈宽为L 共N匝 线圈下部悬在匀强磁场中 磁场方向垂直纸面向里 利用这架天平如何测定磁场的磁感应强度 1 写出测量方法 2 磁感应强度的表达式B 用测量的物理量表示 解析 1 在线圈中通入沿逆时针方向流动的电流I 在天平左右两盘各加质量分别为m1 m2的砝码 天平平衡 由此就可得到磁感应强度的大小 2 线圈中通入电流I时 由左手定则 线圈底边所受安培力方向竖直向下 由天平平