高中物理 第3章 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

第三章磁场 第4节通电导线在磁场中受到的力 1 知道安培力的概念 会用左手定则判定安培力的方向 2 理解并掌握安培力的计算公式f bilsin 3 了解磁电式电表的构造及原理 要点一安培力的方向1 安培力通电导线在磁场中受到的力称为安培力 2 决定安培力方向的因素磁场方向和电流方向 3 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 4 对安培力方向的理解 1 安培力方向的特点 f b f i 即f垂直于b i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电流与磁场所决定的平面 所以仍可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 1 安培力总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面 但磁场方向和电流方向不一定垂直 2 若已知b i方向 f方向唯一确定 但若已知b 或i f方向 i 或b 方向不唯一 3 判断电流的磁场方向用安培定则 确定通电导体在磁场中的受力方向用左手定则 5 通电平行直线电流间的作用情况 1 两平行电流间同向电流相互吸引 异向电流相互排斥 2 两非平行直线电流有转到互相平行且电流方向相同的趋势 6 安培力方向与电场力方向的比较 要点二安培力的大小1 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 2 当b与i成 角时 安培力的大小f ilbsin 是磁感应强度b的方向与导线方向的夹角 3 当通电导线与磁感线平行时 所受安培力为零 导线l所处的磁场应为匀强磁场 安培力表达式f ilb 或f ilbsin 一般适用于匀强磁场 若通电导线所在区域的b的大小和方向不相同 应将导体分成若干段 使每段导线所处范围b的大小和方向近似相等 求出各段导线所受的磁场力 然后再求合力 4 磁场中通电导线的等效长度 1 公式f ibl中的l对弯曲长度来说指的是 等效长度 弯曲通电导线的有效长度l等于连接曲线两端点直线的长度 相应的电流沿l的始端流向末端 如图甲所示 2 任意闭合通电导线的有效长度为零 所受安培力 即各电流元所受安培力的合力 为零 如图乙所示 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 ilbsin 中的lsin 也可以理解为l在垂直于磁场方向上的 有效长度 要点三磁电式电流表1 原理 安培力与电流的关系 2 构造 磁铁 线圈 螺旋弹簧 指针 软铁 极靴 如图所示 3 特点 两极间的极靴和极靴中间的铁质圆柱 使极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向 使线圈平面都与磁场方向平行 从而使表盘刻度均匀 4 工作原理 如图所示是线圈在磁场中受力的示意图 当电流通过线圈时 导线受到安培力的作用 由左手定则知 线圈左右两边所受的安培力的方向相反 于是架在轴上的线圈就要转动 通过转轴收紧螺旋弹簧使其变形 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 所以 从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小 线圈中的电流方向改变时 安培力的方向随着改变 指针的偏转方向也随着改变 所以 根据指针的偏转方向 可以知道被测电流的方向 5 优缺点 优点是灵敏度高 可以测出很弱的电流 缺点是线圈的导线很细 允许通过的电流很弱 如果希望它测量较大的电流值 就要扩大其量程 有的同学误认为线圈处的磁场是匀强磁场 一段通电导线垂直于磁场方向放入匀强磁场中 导线中的电流方向自上而下 如图所示 在导线以其中心点为轴逆时针转动180 的过程中 导线受到的安培力 a 大小不变 方向不变b 大小由最大减小到零再增至最大 方向时刻改变c 大小由最大减小到零再增至最大 方向不变d 大小由最大减小到零再增至最大 方向由垂直纸面向外变为垂直纸面向里 解析 安培力公式f ilbsin 导线转动前 电流方向与磁场方向垂直 90 当导线转过一个小角度 后 电流方向与磁场方向不再垂直 安培力变小 当导线转过90 时 电流方向与磁场方向平行 安培力为零 根据左手定则判断知 安培力的方向始终垂直纸面向外 在导线再继续转动90 过程中 安培力由零变到最大 安培力的方向始终垂直纸面向里 选项d正确 答案 d 方法总结 1 首先确定磁场方向与电流方向所确定的平面 2 再依据左手定则 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 判断出安培力的方向 3 根据安培力的公式f bilsin 计算安培力的大小 注意该公式只适用于匀强磁场 为电流与磁感线的夹角 2014 乌鲁木齐模拟 如图所示 匀强磁场的磁感应强度大小为b 方向垂直纸面向里 长度为l的导体中通有恒定电流 电流大小为i 当导体垂直于磁场方向放置时 导体受到的安培力大小为bil 若将导体在纸面内顺时针转过30 角 导体受到的安培力大小为 变式训练1 1 解析 根据安培力公式可知 当通电导体垂直于磁场放置时 导体受到的安培力大小为bil 图中磁感应强度垂直于纸面向里 故导体在纸面内顺时针转过30 角时 受到的安培力仍然为bil b选项正确 答案 b 如图所示 把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁铁n极附近 磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面 当线圈内通入如图方向的电流后 则线圈 a 向左运动b 向右运动c 静止不动d 无法确定 解析 此题可以采用电流元法 也可采用等效法 解法一 等效法 把通电线圈等效成小磁针 由安培定则 线圈等效成小磁针后 左端是s极 右端是n极 异名磁极相吸引 线圈向左运动 解法二 电流元法 如图所示 取其中的上 下两小段分析 根据其中心对称性线圈所受安培力的合力水平向左 故线圈向左运动 答案 a 方法总结 安培力作用下导体运动方向的判断方法 1 判断导体在磁场中运动情况的常规思路 1 不管是电流还是磁体 对通电导线的作用都是通过磁场来实现的 因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况 2 结合左手定则准确判断导线所受安培力的方向 3 由导体的受力情况判定导体的运动方向 2 分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法 如图所示 把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方 导线可以自由转动 当导线通入图示方向电流i时 导线的运动情况是 从上往下看 a 顺时针方向转动 同时下降b 顺时针方向转动 同时上升c 逆时针方向转动 同时下降d 逆时针方向转动 同时上升 变式训练2 1 解析 根据如图所示的导线所处的特殊位置判断其转动情况 将导线ab从n s极的中间o分成两段 ao bo段所处的磁场方向如图所示 由左手定则可得ao段受安培力方向垂直于纸面向外 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ab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 导线所受安培力使ab逆时针转动的同时还要向下运动 答案 c 2014 肇庆二模 质量为m的通电细杆置于倾角为 的导轨上 导轨的宽度为d 杆与导轨间的动摩擦因数为 有电流通过杆 杆恰好静止于导轨上 如图所示的a b c d四个图中 杆与导轨间的摩擦力一定不为零的是 解析 a图中 导体受到水平向右的安培力 重力和支持力作用 如果重力和安培力的合力与支持力等大反向 则导体杆不受摩擦力 a选项不符合题意 b图中 导体受到竖直向上的安培力 如果重力和安培力二力平衡 则导体杆不受摩擦力 b选项不符合题意 c图中 导体受到竖直向下的安培力 杆静止在导轨上 必须受到摩擦力作用 c选项符合题意 d图中 导体受到水平向左的安培力 如果重力和安培力的合力沿斜面向下 则导体杆不受摩擦力 d选项不符合题意 答案 c 方法总结 解决涉及安培力的综合类问题的分析方法是 1 首先把立体图画成易于分析的平面图 如侧视图 剖视图或俯视图等 2 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 3 结合通电导体 受力分析 运动情况等 根据题目要求 列出方程 解决问题 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 变式训练3 1 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 安培力为最大值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 此时的安培力为最小值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 ff1 0fn mgcos 0ff1 fnf1 bimaxd解上述方程得imax 0 46a根据第二幅受力图 得f2 ff2 mgsin 0 fn mgcos 0 ff2 fn f2 bimind解上述方程得imin 0 14a 答案 0 14a i 0 46a 1 电流为i的通电导线放置于磁感应强度为b的匀强磁场中 导线所受安培力为f 下列说法哪些是正确的 a 匀强磁场中通电导线所受安培力f 磁感应强度b及电流i 三者在方向上一定互相垂直b 若i b方向确定 则f方向唯一确定c 若f与b方向确定 则i方向唯一确定d 若f与b方向确定 则i方向不唯一确定 但i一定在与f垂直的平面内 e 若f与i方向确定 则b方向唯一确定f 若f与i方向确定 则b方向不唯一确定 但b一定在与f垂直的平面内解析 安培力f的方向既与磁场方向垂直 又与通电导线垂直 即f跟b i所在的面垂直 但b与i的方向不一定垂直 a中说三者在方向上一定互相垂直是不对的 已知i b的方向 可唯一确定f的方向 b是正确的 若f与b或i方向确定 则i或b方向不唯一 故c e错误 d f正确 答案 bdf 2 如图所示四种情况中 匀强磁场磁感应强度相同 载流导体长度相同 通过的电流也相同 那么 导体受到的磁场力最大 且方向沿着纸面的是 a 甲 乙b 甲 丙c 乙 丁d 乙 丙 解析 甲图所示情况 b与i不垂直 且安培力垂直纸面向里 乙图所示情况中 b与i垂直 安培力在纸面内竖直向下 丙图所示情况中 b与i平行 安培力为0 丁图所示情况中b与i垂直 安培力在纸面内垂直i斜向左上 综合以上分析可知 符合要求的为乙 丁两种情况 故c正确 答案 c 3 2014 金山区一模 如图 通电导线mn与矩形线圈abcd共面 位置靠近cd且相互绝缘 当线圈中通有abcda方向电流时 线圈所受安培力的合力方向 a 向左b 向右c 垂直纸面向外d 垂直纸面向里解析 同向电流相互吸引 反向电流相互排斥 mn对ab边产生排斥力 mn对cd边产生吸引力 故线圈所受安培力的合力