高中物理 第3章 磁场 第4节 通电导线在磁场中受到的力课件 新人教版选修31.ppt

第4节通电导线在磁场中受到的力 教师参考 一 教学目标知识与技能1 知道什么是安培力 会推导安培力公式f ilbsin 2 知道左手定则的内容 并会用它判断安培力的方向3 了解磁电式电流表的工作原理过程与方法通过演示实验归纳 总结安培力的方向与电流 磁场方向的关系 左手定则情感态度与价值观1 通过推导一般情况下安培力的公式f ilbsin 使学生形成认识事物规律要抓住一般性的科学方法2 通过了解磁电式电流表的工作原理 感受物理知识的相互联系 二 教学重点难点教学重点安培力的大小计算和方向的判定教学难点用左手定则判定安培力的方向三 重难点突破方略安培力方向的突破方略 思考与讨论 安培力的方向与什么因素有关呢 让学生自由发挥 教师引导学生重点从如下几个方面思考 1 安培力的方向与电流的什么有关 2 安培力的方向与磁场的什么有关 学生 安培力的方向与导体中电流的方向 磁场方向有关 教师 下面我们探索安培力的方向与导体中电流的方向 磁场方向的关系 用什么思维方法来确定探究的顺序 探究实验的顺序怎样设计 学生 用控制变量法的思维方法探究 先保持磁场方向不变 改变电流的方向 确定安培力的方向与导体中电流方向的关系 再保持电流方向不变 改变磁场的方向 确定安培力的方向与磁场方向的关系 实验设置 如图所示 连接好装置和电路 演示1 给导体通上强电流 导体会侧向摆动一个角度 改变电流的方向 让学生观察发生的现象 并提问 1 导体侧向摆动的方向发生了什么变化 学生 导体向另一侧摆动 2 初步得到安培力方向变化与电流方向变化有什么关系 学生 电流方向反向 安培力方向反向 演示2 将磁铁两极的位置调换 磁场方向变为反向 让学生观察发生的现象 并提问 1 导体侧向摆动的方向发生了什么变化 学生 导体又向另一侧摆动 2 初步得到安培力方向变化与磁场方向变化有什么关系 学生 磁场方向反向 安培力方向反向 思考与讨论 安培力的方向与电流方向的夹角为多大 安培力的方向与磁场方向的夹角又为多大 学生 安培力的方向既跟磁场方向垂直 又跟电流方向垂直 教师讲授 通电直导线所受安培力的方向和磁场方向 电流方向之间的关系 可以用左手定则来判定 伸开左手 使大拇指跟其余四个手指垂直 并且都和手掌在一个平面内 把手放入磁场中 让磁感线垂直穿入手心 并使伸开的四指指向电流的方向 那么 大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 自主学习 课堂探究 达标测评 自主学习课前预习 感悟新知 教师参考 情境链接一导轨炮 电磁炮 是利用电流间相互作用的安培力把炮弹发射出去 它由两条平行的长直导轨组成 导轨间放置一个导体棒作为炮弹 当两轨接入电源时 强大的电流从一导轨流入 经导体棒从另一导轨流回时 在两导轨平面间产生强磁场 通电导体棒在安培力的作用下 炮弹会以很大的速度射出 1 电流的大小与在两导轨平面间产生磁场的强弱有何定性关系 2 电流的大小与通电导体棒受到安培力的大小有何定性关系 3 将电流反向 通电导体棒受到安培力的方向改变吗 信息1 电流越大 在两导轨平面间产生的磁场越强 2 电流越大 通电导体棒受到的安培力越大 3 不改变 安培力的方向由左手定则确定 电流反向的同时 磁场方向也反向 通电导体棒受到安培力的方向不改变 情境链接二安培对电学的贡献是多方面的 而且是奠基性的 今天 在各种电器的标牌上可以看到安培名字的第一个字母a 那是人们用电流的单位来纪念安培 安培证明了通电导线之间会发生相互作用 并得出了电流之间相互作用力的大小和方向的安培公式 洗衣机 电风扇接入电路时 电动机开始运转 你知道这是为什么吗 信息磁极与电流之间存在相互作用力 这种作用力可以驱动通电导体或磁性物质 这是许多动力系统的原理 教材梳理 一 安培力阅读教材第91页 安培力的方向 第92页 安培力的大小 两部分 初步应用左手定则判断安培力的方向 知道垂直情况下安培力大小的公式 1 定义 通电导线在中受的力 2 方向 1 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 让磁感线从进入 并使四指指向的方向 这时所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向 2 特点 f b f i 而b和i可以有任意夹角 则f垂直于方向和方向所决定的平面 磁场 掌心 电流 拇指 磁场 电流 3 大小 想一想通电导线在磁场中一定受到安培力吗 若通电导线不受安培力作用 是否可以判定该处无磁场吗 答案 当通电导线与磁场方向平行时不受安培力作用 若通电导线不受安培力作用 则该处可能无磁场 也可能有磁场 二 磁电式电流表阅读教材第93页 磁电式电流表 部分 了解磁电式电流表的结构 大致了解其工作原理 1 构造 线圈 螺旋弹簧 极靴等 2 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 3 优缺点 优点是灵敏度高 可以测出的电流 缺点是绕制线圈的导线很细 允许通过的电流很弱 磁铁 安培力 越大 偏转的方向 很弱 想一想在教材第93页图3 4 6的磁电式电流表中 通电线圈的四条边是否都受安培力作用 答案 与转动轴垂直的两条边不受安培力作用 因为导线与磁场方向平行 自主检测 答案 1 2 3 4 1 思考判断 1 已知磁场方向和电流方向判定安培力的方向用左手 若已知磁场方向和安培力的方向 判定电流的方向用右手 2 两根通电导线在同一匀强磁场中 若导线长度相同 电流大小相等 则所受安培力一定大小相等 3 增加线圈匝数和增加线圈面积都可提高磁电式电流表的灵敏度 4 磁电式电流表内是均匀辐射磁场 不是匀强磁场 2 如图所示 通电直导线置于匀强磁场中 直导线与磁场方向垂直 电流方向向左 则该导线所受安培力的方向是 a 沿纸面向上b 沿纸面向下c 垂直纸面向里d 垂直纸面向外 解析 磁场方向竖直向上 电流方向水平向左 根据左手定则 知安培力的方向垂直纸面向里 故选项c正确 c 解析 由公式f ilb可知 其他不变 只将导线长度减小为原来的一半时 所受安培力为原来的一半 选项b正确 b 4 将长度为20cm 通有0 1a电流的直导线放入一匀强磁场中 电流与磁场的方向如图所示 已知磁感应强度大小为1t 试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向 解析 1 因导线与磁感线平行 所以导线所受安培力为零 2 由左手定则知 安培力方向垂直导线水平向右 大小f2 ilb 0 1 0 2 1n 0 02n 3 安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上 大小f3 ilb 0 1 0 2 1n 0 02n 答案 1 0 2 0 02n方向垂直导线水平向右 3 0 02n方向在纸面内垂直导线斜向上 课堂探究核心导学 要点探究 要点一 安培力的方向 问题导引 1 当磁场方向与电流方向不垂直时 安培力的方向是否仍与两者方向垂直 答案 安培力的方向既垂直于电流的方向 又垂直于磁场的方向 2 电流方向和磁场方向确定时 安培力的方向是否是唯一确定的 答案 由左手定则可知 若已知电流方向和磁场方向时 安培力的方向是唯一确定的 教师备用 要点归纳 1 安培力的方向既与磁场方向垂直 又与电流方向垂直 即安培力的方向总是垂直于磁场和电流所决定的平面 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 例1 多选 图中装置可演示磁场对通电导线的作用 电磁铁上下两磁极之间某一水平面内固定两条平行金属导轨 l是置于导轨上并与导轨垂直的金属杆 当电磁铁线圈两端a b 导轨两端e f 分别接到两个不同的直流电源上时 l便在导轨上滑动 下列说法正确的是 a 若a接正极 b接负极 e接正极 f接负极 则l向右滑动b 若a接正极 b接负极 e接负极 f接正极 则l向右滑动c 若a接负极 b接正极 e接正极 f接负极 则l向左滑动d 若a接负极 b接正极 e接负极 f接正极 则l向左滑动 思维导图 bd 解析 若a接正极 b接负极 由安培定则知电磁铁上下两磁极间磁场方向向上 若e接正极 f接负极 由左手定则知l受到的安培力向左 若e接负极 f接正极 l受到的安培力向右 选项a错误 b正确 同理 若a接负极 b接正极 磁场方向向下 e接负极 f接正极 l所受的安培力向左 e接正极 f接负极 l所受的安培力向右 选项c错误 d正确 误区警示左 右手的应用误区由电流方向判断磁场的方向要用右手 安培定则 由电流方向和磁场方向判断安培力方向要用左手 左手定则 教师备用 例1 1 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 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 解析 因a b处的导线中的电流方向垂直纸面向里 根据安培定则可以判断a处导线中的电流在c处产生的磁场方向为与ac边垂直且指向左下方 b处导线中的电流在c处产生的磁场方向为与bc边垂直且指向右下方 由几何知识可得两个磁场方向的夹角为60 又由于c点距a b两点的距离相等 a b处导线中的电流相等 所以产生的两个磁感应强度大小也相等 由平行四边形定则合成后的磁场方向竖直向下 由左手定则可以判断c处导线受到的安培力与ab边垂直 指向左边 故选项c正确 c 针对训练1 画出图中导体棒ab所受的安培力方向 答案 ab棒所受的安培力方向如图所示 要点二 安培力的计算 问题导引 在定义磁感应强度时 让一小段通电导线放入磁场 可得f ilb 此公式的适用条件是什么 当导线平行于磁场方向放置时 导线受力为多少 公式中l指怎样的长度 答案 导线垂直于磁场方向放置 当导线平行于磁场方向放置时 导线受力为零 公式中的l指通电导线在垂直于磁场方向的有效长度 教师备用 要点归纳 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 等于连接两端点线段的长度 如图 相应的电流沿l由始端流向末端 3 若磁场方向和电流方向成 角时 如图所示 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 所以f ilb ilbsin 例2 如图所示的各图中 磁场的磁感应强度大小相同 导线两端点a b间的距离均相等 导线中电流相等 则各图中有关ab导线所受安培力大小的判断正确的是 a 丁 图最大b 乙 图最大c 一样大d 无法判断 思路探究 1 安培力公式f ilbsin 可写为f ib lsin 和f il bsin 两种形式 如何理解lsin 和bsin 答案 lsin 为导线垂直于磁场方向的有效长度 bsin 为磁场在垂直于电流方向的分量 2 如何求解导线的有效长度 答案 导线的有效长度等于连接导线首尾端点在垂直于磁场方向的线段长度 c 解析 由于各图中a b间导线在垂直于磁场方向的有效长度相等 根据安培力公式f ilb可知 甲 乙 丙 丁 四个图中导线所受的安培力大小相等 故选项c正确 规律方法确定通电导线 有效长度 的方法 1 作连接导线两端点的直线l 2 确定l 与磁场方向的夹角 3 由几何关系求出 有效长度 l l sin 教师备用 例2 1 如图 在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线 电流强度均为i 磁感应强度均为b 求各导线所受到的安培力的大小 a 要点三 安培力作用下导体的平衡 问题导引 质量为m 长度为l的导体棒mn垂直导轨放置且静止于水平导轨上 通过mn的电流为i 匀强磁场的磁感应强度为b 垂直于电流方向且与导轨平面成 角斜向下 如图所示 请探究以下几个问题 1 导体棒mn受哪几个力 请画出它的受力分析图 答案 导体棒受重力 支持力 安培力和摩擦力共四个力作用 mn的受力分析如图所示 2 怎样确定mn的受力关系 如何列方程求解mn所受的支持力和摩擦力的大小 答案 由于mn受力平衡 所以可列出mn的平衡方程 在水平方向 ff fsin 竖直方向 fn fcos mg又由安培力f ilb可解得fn ilbcos mgff ilbsin 例3 2016牡丹江一中期中 光滑的平行导轨 图中粗线 与电源连接后 倾斜放置 导轨上放一个质量为m的金属导体棒 通电后 导体棒电流垂直纸面向外 在棒所在区域内加一个合适的匀强磁场 可以使导体棒静止 下面四个图中分别加了不同方向的磁场 其中一定不能平衡的是 思路探究 1 本题中导体棒可能受几个力而处于平衡状态 答案 导体棒可能受两个或三个力处于平衡状态 2 重力与支持力的方向如何 安培力只可能处在哪个区域 答案 重力竖直向下 支持力垂直斜面向上 由平衡条件可知 安培力只可能处在竖直向上与垂直斜面向下所夹的右侧区域 c 解析 由左手定则可知a图中导体棒所受安培力竖直向上 当安培力等于重力时 导体棒可以处于平衡状态 故选项a能平衡 b图中安培力水平向右 这样安培力有沿斜面向上的分力可能与重力沿斜面向下分力平衡 导体棒即可处于平衡状态 故选项b能平衡 c图中导体棒所受安培力垂直斜面斜向上 没有力和重力沿斜面向下的分力平衡 故导体棒一定不能平衡 故选项c不能平衡 d中由左手定则可知安培力沿斜面向上 当安培力大小与重力沿斜面向下的分力相等时 导体棒即可处于平衡状态 故选项d能平衡 规律方法合成法与正交分解法的应用 1 三力平衡时 一般先用平行四边形定则将某两个力合成 平行四边形的对角线一定与第三个力等大 反向 2 四个力或四个以上力平衡时 一般先正交分解 然后分析这两个垂直方向的受力 列平衡方程求解 教师备用 例3 1 如图所示 在倾角为37 的光滑斜面上有一根长为0 4m 质量为6 10 2kg的通电直导线 电流i 1a 方向垂直于纸面向外 导线用平行于斜面的轻绳拴住不动 整个装置放在磁感应强度每秒增加0 4t 方向竖直向上的磁场中 设t 0时 b 0 则需要几秒 斜面对导线的支持力为零 g取10m s2 答案 5s 针对训练3 如图所示 一根长l 0 2m的金属棒放在倾角 37 的光滑斜面上 并通过i 5a的电流 方向如图所示 整个装置放在磁感应强度b 0 6t竖直向上的匀强磁场中 金属棒恰能静止在斜面上 则该棒的重力为多少 sin37 0 6 答案 0 8n 教师参考 教材探究 教材p92演示实验如图所示 两条平行的通电直导线之间会通过磁场发生相互作用 在什么情况下两条直导线相互吸引 什么情况下两条直导线相互排斥 答案 每一条通电直导线均处在另一直导线电流的磁场中 根据安培定则可判断出导线电流磁场的方向 再根据左手定则可判断出每一条直导线所受的安培力 由此可知 同向电流相互吸引 反向电流相互排斥 达标测评随堂演练 检测效果 1 下面的几个图显示了磁场对通电直导线的作用力 其中正确的是 解析 由左手定则判断可知 选项c正确 c 2 如图所示 两根通电的长直导线垂直于纸面平行放置 电流分别为i1和i2 且i1 i2 电流的方向如图所示 o点位于两导线连线的中点 则 a o点磁感应强度大小为零b o点磁感应强度大小