高中物理 第三章 磁场 第4节 安培力的应用课件 粤教版选修31.ppt

第四节安培力的应用 1 直流电动机功能 电动机是利用 使通电线圈转动 将电能转化为 的重要装置 2 电动机分类 电动机有 电动机和交流电动机 交流电动机又分为 和三相交流电动机 3 磁电式电流表基本组成部分 磁铁和放在磁铁两极之间的 安培力 机械能 直流 单相交流电动机 线圈 4 电表工作原理 如图3 4 1所示 磁场的方向总沿着 均匀辐射地分布 在距轴线等距离处的磁感应强度的大小总是 的 保证b的大小不发生变化 且安培力的方向与线圈垂直 图3 4 1 径向 相等 5 电流表中蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐向分布 当线圈中通入恒定电流时 线圈将发生转动 电流表的指针也随着偏转 最后停在某一偏角位置上 则在偏转过程中随着偏 转角度的增大 a 线圈所受安培力的力矩逐渐增大b 线圈所受安培力的力矩逐渐减小c 线圈所受安培力的力矩不变d 以上说法都不对解析 因线圈无论转到哪个位置 线圈平面总是与该位置处的磁场平行 故安培力的力矩不变 c 知识点1直流电动机 电动机是利用安培力使通电线圈转动 将电能转化为机械能的重要装置 电动机有直流电动机和交流电动机 交流电动机又分为单相交流电动机和三相交流电动机 观察图3 4 2 讨论 图3 4 2 1 直流电动机为什么会转动 安培力在其中起到什么作 用 答案 通电后 线圈在磁场中受到安培力作用 安培力有 力矩 使得线圈开始转动 2 假如直流电动机通电前 线圈刚好与磁场垂直 即位于图乙和图丁所示的位置 通电后 电动机能否正常工作 力矩为零 线圈不会转动 答案 通过改变电流的大小可调节转速 答案 若线圈在通电前位于图中乙和丁位置 则通电后磁 3 如何调整电动机的转速 1 直流电动机的构造 如图3 4 2所示 图3 4 2 2 工作原理 如图3 4 2甲 当电流通过线圈时 右边线框受到的安培力方向向下 左边线框受到的安培力方向向上 在安培力的作用下线框转动起来 3 调速办法 直流电动机突出的优点是可以通过改变电流 大小调节其转速 而交流电动机的调速比较复杂 a f不变 m变大b f不变 m变小c f变大 m变大d f变小 m变小图3 4 3 例1 如图3 4 3所示 矩形线圈abcd可绕对称轴oo 转动 开始时线圈面与磁场方向平行 按图示方向通以电流i 线圈从图示位置开始转过90 的过程中 ab边所受磁场力 f和线圈所受磁场力矩m的变化情况是 m 2 nf cos nbi ab ad cos nbiscos 解析 ab边和cd边始终与磁场方向垂直 所受磁场力始 终为最大值 保持不变 n匝线圈受到的磁力矩为 ad 2 可知 随着 不断增大 磁力矩不断变小 答案 b 触类旁通 1 如图3 4 4中甲 乙 丙所示 在匀强磁场中 有三 个通电线圈如图中所示位置 则 图3 4 4a 三个线圈都可以绕oo 轴转动b 只有乙中的线圈可以绕oo 轴转动c 只有甲 乙中的线圈可以绕oo 轴转动d 只有乙 丙中的线圈可以绕oo 轴转动 解析 只有线圈中两条对边所受安培力对oo 轴的合力 矩不为零 才能使线圈绕oo 轴转动 答案 b 知识点2磁电式电表 我们知道 电流表表盘上的刻度是均匀的 那就是说 当电流通过线圈 导线受到安培力作用转动的角度必须与电流的大小成正比 若是线圈处在匀强磁场中 一旦线圈转动 磁力矩随即改变 那么怎样的设计才能使得电流表满足上述条件呢 答案 详见电流表的工作原理 1 电流表是测量电流的电学仪器 实验时经常使用的电流表是磁电式电流表 2 磁电式电表结构 电流表的构造如图3 4 5所示 在一个磁性很强的蹄形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 铝框上绕有线圈 铝框的转动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 被测电流经过这 两个弹簧流入线圈 图3 4 5 3 电流表的工作原理 如图3 4 6所示 磁场的方向总沿着径向均匀辐射地分布 在距轴线等距离处的磁感应强度的大小总是相等的 保证b的大小不发生变化 且安培力的方向与线圈垂直 当电流通过线圈时 导线受到安培力的作用 使线圈转动 同时螺旋弹簧被扭转 反抗线圈的转动 电流越大 安培力就越大 螺旋弹簧的形变也就越大 i与指针偏角 成正比 表盘刻度均匀 指针转过的角度反映电流的大小 图3 4 6 3 最终线圈停止转动时m m 即 1 当线圈中有电流通过时 磁力矩使线圈转动 m nisb n为线圈匝数 s为线圈面积 2 线圈转动时 螺旋弹簧被扭转 扭转力矩阻碍线圈转动 螺旋弹簧的扭转形变产生的弹力力矩与扭转角度成正比 即m k nbsk i 所以 i 4 所以从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小 4 优 缺点 优点是灵敏度高 能测出很弱的电流 缺点是线圈的导线很细 允许通过的电流很弱 例2 双选 下列有关磁电式电流表的说法中正确的是 a 电流表的工作原理是安培力对通电导线的加速作用b 电流表的工作原理是安培力对通电线框的转动作用c 电流表的指针的偏转角度与所通电流成正比d 电流表的指针的偏转角度与所通电流成反比解析 磁场是均匀辐向分布的 安培力对线框起转动作用 故a错误 b正确 当线框所受安培力的转动力矩与弹簧产生的阻力力矩相等时 指针有确定读数 转动角度与电流成正比关系 c正确 d错误 答案 bc 触类旁通 2 双选 关于磁电式电流表内的磁铁和铁芯间的矩形线圈 与该磁场的关系 下列说法中正确的有 a 通电线圈旋转的角度不同 它所在位置的磁感应强度大小也不同b 不管通电线圈转到什么位置 它所在位置的磁感应强度大小都相等c 通电线圈旋转的角度不同 它的平面与磁感线的夹角也不同d 不管通电线圈转到什么位置 它的平面都与磁感线相平行 bd 关于安培力的综合计算 1 有安培力参与的物体平衡 也是利用物体的平衡条件解 题 其中安培力是众多力中的一个 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 安培力求解公式f bil 3 物体平衡条件 3 在安培力作用下物体平衡的求解步骤和共点力平衡相似 一般也是先进行受力分析 再根据共点力的平衡条件列出平衡方程 其中重要的是在受力分析过程中不要漏掉了安培力 4 安培力作为通电导体所受的外力参与受力分析 产生了通电导体在磁场中的平衡 加速及做功问题 这类问题与力学知识的联系很紧密 解题时把安培力等同于重力 弹力 摩擦力等性质力 对物体进行受力分析时 注意安培力大小和方向的确定 求解时注意运用力学中静力学 动力学及功和能等有关知识 5 为方便对问题的分析和便于列方程 在受力分析时先将立体图画成截面图 即画成俯视图 剖面图等 立体图向截面图转化的过程中应注意摆正空间位置 先选好观察的方向 再确定截面的方向 例3 如图3 4 7所示 两平行光滑导轨相距为l 20cm 金属棒mn的质量为m 10g 电阻r 8 匀强磁场的磁感应强度b 0 8t 方向竖直向下 电源电动势e 10v 内阻r 1 当开关s闭合时 mn恰好静止 求变阻器r1的取值为多少 设 45 取g 10m s2 图3 4 7 由闭合电路欧姆定律得i r r 7 解 mn受力分析如图3 4 8所示 因mn平衡 所以有mgsin bilcos er r1 r 由 并代入数据得r1 blemgtan 图3 4 8 方向垂直纸面向外 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 b 0 则需要多长时间斜面对导线的支持力为零 取g 10m s2 图3 4 9 长为0 4m 质量为6 10 2 触类旁通 3 如图3 4 9所示 在倾角为37 的光滑斜面上有一根 kg的通电直导线 电流i 1a f安 b t 2t 解 支持力为0时导线的受力如图8所示 由平衡条件得 mgtan37 6 10 2 100 75 n 0 8n 由f安 bil得 f安il 0 81 0 4 图8 由b 0 4t得t b0 4t s 20 4 s 5s 4 如图3 4 10所示 长为l 质量为m的金属杆ab 被两根竖直的金属丝静止吊起 金属杆ab处在方向垂直纸面向里的匀强磁场中 当金属杆中通有方向a