沪科版选修31 5.4　探究安培力 学案.doc

5.4探究安培力学习目标重点难点1记住安培力的概念，知道通电导线在磁场中会受到磁场力的作用。2会用左手定则判断安培力的方向。3掌握实验探究安培力大小的原理，会用公式fbil计算安培力。重点：左手定则，安培力大小的计算。难点：对左手定则的理解。物理学上把磁场对电流的作用力叫安培力。(1)用左手定则判断安培力的方向：伸开左手，让拇指与其余四指垂直，并与手掌在一个平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流方向，那么，拇指所指方向即为通电导线在磁场中的受力方向。(2)安培力的大小：研究表明，在匀强磁场中，当通电导线与磁场垂直时，通电导线所受的安培力最大，等于磁感应强度b、电流i和导线长度l的乘积，filb。(3)当b与i成角时，fbilsin，是b与i的夹角。预习交流当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向怎样确定？答案：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，所以仍可用左手定则来判定安培力的方向，只是磁感线不再垂直穿过手心，而是斜穿过手心。一、安培力的方向(1)安培力的方向与什么因素有关呢？(2)当磁场与电流方向不垂直时，安培力的方向与磁场与电流方向的关系可以概括为哪句话？这时左手定则对磁感线有何要求？答案：(1)安培力的方向跟电流方向、磁场方向有关。(2)安培力的方向垂直于由磁场b与电流i决定的平面，这时使用左手定则只要求磁感线穿过手心即可。如图所示，其中a、b图已知电流方向及其所受磁场力的方向，试判断并在图中标出磁场方向。c、d图已知磁场方向及其他对电流作用力的方向，试判断电流方向，并在图中标出。答案：见解析解析：由左手定则判断：a图磁场方向垂直纸面向外；b图磁场方向在纸面内垂直f向下；c、d图电流方向均垂直于纸面向里。安培力的方向既与电流的方向垂直，又与磁场方向垂直。如果电流的方向与磁场的方向也互相垂直，那么这三个方向两两垂直。故在研究安培力的方向时要涉及三维的立体空间。二、通电螺线管受力判断如图所示，把轻质导线圈用细线挂在磁铁的n极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈的平面。当线圈内通过如图所示方向的电流时，线圈将怎样运动？答案：线圈向着磁铁运动。分析：(1)电流元分析法可以把圆形线圈分成很多小段，每一小段可以看做一段直线电流，取其中的上下两小段分析，其截面图和受安培力的情况如图甲所法。根据其中心对称性可知，线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向着磁铁运动。同学们请思考，若磁铁的n、s极对调，线圈如何运动？甲(2)等效分析法题中的环形电流可等效为一个小磁针，如图乙所示，磁铁和线圈相互吸引，线圈将向磁铁运动。我们还可以将图中的条形磁铁等效为环形电流，根据安培定则可判知等效电流方向如图丙所示。由同向平行电流相互吸引可知，磁铁和线圈相互吸引，线圈将向磁铁运动。如图所示，把一通电直导线放在蹄形磁铁磁极的正上方，导线可以自由转动，当导线中通过如图所示方向的电流i时，试判断导线的运动情况。答案：由上向下看导线逆时针转动，同时向下落解析：据如图所示的导线所在处的特殊位置判断其转动情况。将导线ab从n、s极的中央线分成两段，对ao、bo段所处的磁场方向如图所示，由左手定则可得ao段受安培力的方向垂直纸面向外，bo段受安培力的方向垂直纸面向里，可见从上向下看，导线ab将绕o点逆时针转动。再根据导线转过90时的特殊位置判断其上下运动情况。如图所示，导线此时受安培力方向竖直向下，导线将向下运动。由上述两个特殊位置的判断可知，当导线在上述的特殊位置时，所受安培力使导线逆时针转动的同时还要向下运动。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)直线电流元分析法：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，从而确定导体的运动方向。(2)特殊位置分析法：根据通电导体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，条形磁铁或小磁针也可等效为环形电流，通电螺线管可等效为多个环形电流或条形磁铁。三、安培力的大小当电流方向与磁场方向垂直时，安培力的大小如何计算？当电流方向与磁场方向有一个夹角时、安培力的大小又如何计算呢？答案：当电流方向与磁场方向垂直时，安培力的大小fbil。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，所以仍可用左手定则来判定安培力的方向，只是磁感线不再垂直穿过手心，而是斜穿过手心。这时安培力的大小fbilsin，式中是b与i的夹角。如图所示，可以把磁感应强度矢量分解为两个分量：与电流方向平行的分量b1bcos和与电流方向垂直的分量b2bsin。因为b1对电流没有作用力，因此电流所受的作用力f完全由b2决定，即filb2，由此可得filbsin。上式表明：安培力f的大小等于电流i、磁场中的导线长度l、磁感应强度b以及i和b之间夹角的正弦值的乘积。当通电导线的方向和磁场方向平行(0或180)时，安培力最小，等于零；当90时，安培力最大。如图所示，一段导线abcd位于磁感应强度大小为b的匀强磁场中，且与磁场方向(垂直于纸面向里)垂直。线段ab、bc和cd的长度均为l，且abcbcd135。流经导线的电流为i，方向如图中箭头所示。导线段abcd所受到的磁场的作用力的合力()。a方向沿纸面向上，大小为b方向沿纸面向上，大小为c方向沿纸面向下，大小为d方向沿纸面向下，大小为 答案：a解析：本题考查安培力的大小与方向的判断。该导线可以用a和d之间的长为的直导线来等效代替，根据fbil，可知大小为，方向根据左手定则判断。计算公式：fbilsin bil，其中b表示磁感应强度在垂直于i方向上的分量，l称为有效长度。(1)当b垂直于导线所在的平面时，l等于连接两端点的直线的长度。如图甲、乙所示。(2)当b与导线的两端点的连线不垂直时，l表示两端点的连线在与b垂直的方向上的投影。如图丙所示。1关于磁场方向、电流方向、安培力方向三者之间的关系，正确的说法是()。a磁场方向、电流方向、安培力方向三者之间总是互相垂直的b磁场方向一定与安培力方向垂直，但电流方向不一定与安培力方向垂直c磁场方向不一定与安培力方向垂直，但电流方向一定与安培力方向垂直d磁场方向不一定与电流方向垂直，但安培力方向一定既与磁场方向垂直，又与电流方向垂直答案：d解析：由左手定则可知，安培力方向一定既垂直于磁场方向又垂直于电流方向，但电流方向与磁场方向不一定垂直。2有一段直导线长1 cm，通过5 a电流，把它置于磁场中某点时，受到的磁场力为0.1 n，则该点的磁感应强度b可能值为()。a1 tb5 tc2 td2.5 t答案：bcd解析：因为安培力fiblsin，所以bf/ilsin，当90时，b2 t为最小磁场强度。3如图所示电路中，电池均相同，当电键s分别置于a、b两处时，导线mm与nn之间的安培力的大小分别为fa、fb，可判断这两段导线()。a相互吸引，fafb b相互排斥，fafbc相互吸引，fafb d相互排斥，fafb答案：d解析：电键s分别置于a、b两处时，电源分别为一节干电池、两节干电池，而电路中灯泡电阻不变，则电路中电流iaib，mm在nn处的磁感应强度babb，应用安培力公式fbil可知fafb，又mm与nn电流方向相反，则相互排斥。4将长度为20 cm、通有0.1 a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，已知磁感应强度为1 t。试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向。答案：见解析。解析：由左手定则和安培力的计算公式得：(1)因导线与磁感线平行，所以安培力为零；(2)安培力方向垂直导线水平向右，大小fbil0.02 n；(3)安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上，大小fbil0.02 n；(4)安培力方向垂直纸面向内，fbilsin 300.01 n。5如