5.4 探究安培力 课件(沪科版选修3-1)

54探究安培力,目标导航1.了解安培力的概念和安培力的应用2会用左手定则判断安培力的方向，并能用左手定则解答有关问题(重点)3会用公式FBIL计算B与I垂直和平行情况下安培力的大小，并了解其拓展公式FBILsin的应用(重点)4了解电流天平的构造和工作原理,一、安培力的方向1安培力：磁场对_的作用力2安培力的方向：用左手定则来判断左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，且都跟手掌在同一个平面内,让磁感线_手心，使四指指向_方向，则_所指的方向就是安培力的方向,电流,穿入,电流,大拇指,二、安培力的大小1当通电导线与磁场方向平行时，导线所受的安培力为零2当通电导线与磁场方向垂直时，导线所受的安培力最大，即F_.3当通电导线与磁场方向不垂直时，可将磁感应强度分解为跟通电导线平行和垂直的两个分量，得出：,BIL,FBILsin(是电流方向与磁场方向间的夹角)4FBIL的适用条件：_，对于非匀强磁场，当L足够短时，可以近似地认为导线所在处的磁场是匀强磁场,匀强磁场,想一想1在匀强磁场中，当IB时，公式FBIL中的L就是导线的实际长度吗？提示：不一定，L应理解为通电导线在磁场中的有效长度,三、磁电流天平1结构(如图541所示),图541,2原理：如图542所示，分别给电流天平的E形导线和螺线管通电通电导线CD段将会受到向下的安培力，横臂右端因安培力而向下倾斜在横臂左端加上适当的钩码，使天平恢复平衡电流天平横臂左右两端相等，导线CD受到的安培力的大小就等于左端钩码的重力,图542,3使用方法(1)调节天平的调平螺母，使天平平衡(2)给E形导线和螺线管通电，使E形导线CD段受到的安培力方向向下(3)通过改变螺线管的电流大小来改变磁感应强度的大小(4)在左端的挂钩上挂上适当的钩码，使天平恢复平衡,要点1通电导线在安培力作用下的运动学案导引1什么是安培力，安培力的方向和哪些因素有关？如何判断安培力的方向？2如何处理通电导线(线圈)在磁场中的受力情况？,1安培力的方向(1)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，在判断时首先确定磁场和电流所确定的平面，从而判断安培力的方向在哪一条直线上，然后再根据左手定则判断安培力的具体方向(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和磁场所决定的平面，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,(3)注意区别安培力的方向和电场力的方向与场的方向的关系安培力的方向与磁场的方向垂直,而电场力的方向与电场的方向平行2判断通电导线或线圈在安培力作用下的运动方向的方法(1)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，通电螺线管可等效为条形磁铁，其南、北极由安培定则判定,如图543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,图543,【思路点拨】把整段电流等效为多段直线电流元，运用左手定则判断出每小段电流元受安培力的方向，从而判断出整段电流所受合力的方向，最后确定运动方向【精讲精析】据题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极的中点O分成两段，,对AO、BO段所处的磁场方向如图544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,图544,如图545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,图545,【答案】由上向下看导线逆时针转动，同时向下落【规律方法】(1)在用电流元法分析问题时,要在对称的特殊位置选取电流元(2)若磁感应强度的方向与电流方向不垂直时,应将磁感应强度B分解为与电流方向垂直的分量B和平行的分量B后再进行分析(3)要把用特殊位置分析出的结果结合实际,推导出一般的结论,变式训练1如图546所示，两个同样的导线环同轴平行悬挂，相隔一小段距离当同时给两导线通以同向电流时，两导线环将(),图546,A吸引B排斥C保持静止D边吸引边转动解析：选A.可利用等效法判断，将环形电流利用安培定则等效为两小磁针可知两导线环相互吸引选项A正确,要点2安培力大小的计算学案导引1安培力的大小和哪些因素有关？2利用公式FBIL计算安培力大小时，应注意什么？,1安培力的决定因素有两个：一个是放入磁场中的一段导体的IL乘积，另一个是磁场本身，即磁场的磁感应强度B的大小和方向因而安培力的改变可以通过：(1)改变磁感应强度B的大小来改变(2)改变通电导线的长短L来改变(3)改变通电导线电流I的大小来改变(4)改变通电导线与磁感应强度的夹角来改变,2对公式FBIL中“L”的理解(1)当导线是直的时，L就是导线的实际长度(2)当导线是折线型或曲线型，则L应理解为有效长度，如图547所示,图547,3.若磁场和电流成角时，如图548所示可以将磁感应强度B正交分解成BBsin和BBcos，而B对电流是没有作用的所以FILBILBsin，即FILBsin.,图548,特别提醒：(1)公式FILBsin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FIBLsin中的Lsin也可以理解为垂直于磁场方向的“有效长度”(3)用公式计算安培力的适用条件为电流处于匀强磁场中,(2012萧山高二检测)如图549一段导线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abcd所受到的磁场的作用力的合力(),图549,【思路点拨】解答此题应把握以下两点：(1)利用左手定则判断各段导体所受的安培力,并确定合力的方向；(2)利用导体在磁场中的有效长度，由FBIL求大小,【答案】A,变式训练2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5410所示，已知磁感应强度为1T试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向,图5410,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FBIL0.02N；(3)安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上，大小FBIL0.02N；(4)安培力方向垂直纸面向内,FBILsin300.01N.答案：见解析,安培力作用下的平衡问题经典案例(11分)质量为m0.02kg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d0.2m，杆ab与导轨间的动摩擦因数0.4，磁感应强度B2T的匀强磁场与导轨平面垂直且方向向下，,如图5411所示现调节滑动变阻器的触头，求为使杆ab静止不动，通过ab杆的电流范围为多少？(g取10m/s2),图5411,【审题指导】审题时特别注意以下两点：(1)静摩擦力的方向有两种可能(2)临界状态对应的是最大静摩擦力,【解题样板】如图5412甲、乙所示是电流最大和最小两种情况下杆ab的受力分析图，根据甲图列式如下：,图5412,F1mgsinf10，(1分)Nmgcos0，(1分)f1N，(1分)F1BImaxd，(1分)解上述方程得：Imax0.46A(1分)根据乙图列式如下：F2f2mgsin0，(1分)Nmgcos0，(1分),f2N，(1分)F2BImind.(1分)解上述方程得：Imin0.14A(1分)因此电流范围是0.14AI0.46A(1分)【答案】0.14AI0.46A,【借题发挥】解答此类问题应做到：(1)必须先将立体图转化为平面图,然后对物体进行受力分析,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)注意最大静摩擦力可能有不同的方向，因而求解结果是一个范围,请根据图5413中给出的条件,运用左手定则,判断各图中第三个物理量的方向,图5413,【思路点拨】解答本题可按以下思路分析：【精讲精析】根据各图中已知方向利用左手定则，判知：(a)F垂直于纸面向里(b)F垂直于纸面向里(c)B垂直于纸面向外(d)I由左向右(e)F垂直于I斜向右下方,【答案】见精讲精析【易误警示】判断安培力的方向应用左手，切勿伸错手！同时要注意安培力既与导线垂直,又与磁感线垂直,但B与I可以成任意夹角,如图5414所示，一金属直杆MN两端接有导线，悬挂于线圈上方，MN与线圈轴线均处于竖直平面内，为使MN垂直纸面向外运动，可以(),图5414,A将a、c端接在电源正极，b、d端接在电源负极B将b、d端接在电源正极，a、c端接在电源负极C将a、d端接在电源正极，b、c端接在电源负极D将a、c端接在交流电源的一端，b、d端接在交流电源的另一端,【精讲精析】本题主要考查两个方面知识：电流的磁场和左手定则要求直杆MN垂直纸面向外运动，把直杆所在处的磁场方向和直杆中电流画出来,得A、B正确若使a、c两端(或b、d两端)的电势相对于另一端b、d(或a、c)的电势的高低做同步变化,线圈磁场与电流方向的关系跟上述两种情况一样，故D也正确,【答案】ABD【方法总结】安培定则、左手定则往往同时应用应用时应特别注意，安培定则是判断电流的磁场方向，又称右手螺旋定则，而左手定则是用左手判断电流的受力情况的,在倾角为的光滑斜面上，置一通有电流I，长为L，质量为m的导体棒，如图5415所示，试问：,图5415,(1)欲使棒静止在斜面上，外加匀强磁场的磁感应强度B的最小值和方向(2)欲使棒静止在斜面上且对斜面无压力