高中物理 5.4 探究安培力 (沪科版选修3-1)

高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)第4课时

探究安培力高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)学

习

目

标思

维

启

迪1.探究影响通电导线所受安培力的因素．2.会用左手定则判断安培力的方向，并能应用安培定则解决有关问题．3.会用公式计算安培力的大小.电磁炮是一种理想的兵器．

其原理如图所示，把待发射的炮弹(导体)放置在强磁场中的两平行导轨上，给导轨通以大电流，使炮弹作用一个载流导体在磁场力的作用下沿导轨加速运动，并以某一速度发射出去．弹丸体积虽小，但由于初速特别高，所以具有很大动能，足以穿透厚钢板．(如图5－4－1所示)要提高发射速度，就要增大炮弹的加速时间．你知道该怎么可以做到吗？图5-4-1高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)课前自主学习高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)一、探究影响通电导线受力的因素1．在物理学中，把很短的一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积IL称作_______．知识梳理电流元不变的无关高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)二、磁感应强度1．定义：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的安培力跟电流I和导线长度L的乘积IL的_____叫磁感应强度．它是表示磁场的强弱和方向的物理量，通常用字母B表示．比值高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)3．物理意义：B是描述_____性质的物理量．4．单位：国际单位制中是_______，简称特，符号是T.5．B是矢量，其方向就是磁场方向，即小磁针静止时N极的指向或N极的_____方向．三、安培力的方向1．安培力：__________在磁场中受到的力称为安培力．安培力是磁场对电流的作用力，是一种性质力，它与静电力、摩擦力、重力、弹力等一样是一种性质力，不是按效果命名的力．磁场特斯拉受力通电导线高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)2．用左手定则判断通电导线在磁场中受到的安培力的方向：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_____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．四、安培力的大小磁场中的通电导线，通常会受到安培力的作用，但并不等于“总是要受到安培力的作用”，安培力的大小不仅仅是由B、I、L三者决定，还与电流I和B之间的_____有关．电流夹角高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)1．当通电导线与磁感线垂直时，即电流方向与磁感线方向垂直时，所受的安培力最大：F＝____.2．当通电导线与磁感线不垂直时，如图5－4－2所示，电流方向与磁感线方向成θ角，通电导线所受的安培力为F＝_______.3．当通电导线与磁感线平行时，所受安培力为__.图5-4-2BILBILsinθ0高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)五、磁电式电流表1．构造：主要构件有蹄形磁铁、圆柱形铁芯、铝框、线圈、转轴、螺旋弹簧、指针、接线柱．2．工作原理：当电流通过线圈时，导线受到安培力的作用．由左手定则可以判断，线圈左右两边所受的安培力方向相反，所以架在轴上的线圈就要_____．3．线圈转动时，螺旋弹簧变形，反抗线圈的转动，电流越大，安培力就越大，线圈偏转的角度越大，所以从线圈偏转的角度就能判断通过的电流大小；线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随之改变，指针的偏转方向也随之_____．转动改变高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)基础自测A．随IL的乘积的增大而减小B．随F的增大而增大C．与F成正比，与IL成反比D．与F及IL无关，由F和IL的比值确定解析：磁场中某一点的磁感应强度是由形成磁场的磁体或电流的强度与分布情况决定的，与放入其中的电流元无关，电流元所起的作用仅仅是对磁场进行探测，从而确定该点磁场的磁感应强度，因此本题答案为D.答案：D高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)2．有一小段通电导线，长为1cm，电流强度为5A，把它置于磁场中某点，受到的磁场力为0.1N，则该点的磁感应强度B一定是 (

)A．B＝2T

B．B≤2TC．B≥2T D．以上情况都有可能答案：C高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)3．如图5－4－3所示，把一根柔软的弹簧悬挂起来，使它的下端刚好跟槽的水银接触．通电后，你预计会发生什么现象？怎样解释这个现象？解析：注意两个隐含条件：(1)柔软的弹簧——弹簧有伸缩性．(2)弹簧下端刚好与水银接触——弹簧很容易离开水银．图5-4-3高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)答案：弹簧上下振动，电流交替通断．发生这种现象的原因是：弹簧通入电流时，弹簧各相邻线圈中电流方向相同，线圈之间相互吸引，使弹簧收缩，则电路断开；电路断开后，因电流消失，线圈之间相互作用消失，因而弹簧恢复原来状态，电路又被接通，这个过程反复出现，使得弹簧上下振动，电路交替通断．高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)4．如图5－4－4所示，A为一水平旋转的橡胶盘，带有大量均匀分布的负电荷，在圆盘正上方水平放置一通电直导线，电流方向如图．当圆盘高速绕中心轴OO′转动时，通电直导线所受磁场力的方向是 (

)A．竖直向上

B．竖直向下C．水平向里

D．水平向外答案：C图5-4-4高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)5．关于通电直导线所受安培力F，磁感应强度B和电流I三者方向之间的关系，下列说法正确的是

(

)A．F、B、I三者必定均保持垂直B．F必定垂直于B、I，但B不一定垂直于IC．B必定垂直于F、I，但F不一定垂直于ID．I必定垂直于F、B，但F不一定垂直于B答案：B

高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)课堂互动探究高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)(1)在定义式中，通电导线必须垂直于磁场方向放置.因为磁场中某点通电导线受力的大小，除和磁场强弱有关以外，还和导线的方向有关.导线放入磁场中的方向不同，所受磁场力也不相同.通电导线受力为零的地方，磁感应强度B的大小不一定为零.(2)磁感应强度B的大小只决定于磁场本身的性质，与F、I、L无关.(3)通电导线受力的方向不是磁场磁感应强度的方向.关于磁感应强度B的定义式的理解高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)(4)磁感应强度的定义式也适用于非匀强磁场，这时L应很短很短，IL称作“电流元”，相当于静电场中的“点电荷”.【例1】有关磁感应强度的下列说法中，正确的是 (

)A．磁感应强度是用来表示磁场强弱的物理量B．若有一小段通电导体在某点不受磁场力的作用，则该点的磁感应强度一定为零高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)答案：A高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)A．B由F、I和L决定B．F由B、I和L决定C．I由B、F和L决定 D．L由B、F和I决定答案：B高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)(1)内容：伸开左手，让拇指与其余四个手指垂直，并与手掌在同一平面内，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直导线在磁场中所受安培力的方向．(2)应用：左手定则反映了磁场方向、电流方向以及电流受力方向三者之间的关系，在电流方向与磁场方向相垂直的情况下，知道这三个方向中的任意两个，就可以用左手定则判断出第三个的方向．安培力方向的判断高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)(3)注意事项：不管电流方向与磁场方向是否垂直，安培力方向总垂直于电流方向与磁场方向所确定的平面，当电流方向与磁场方向不垂直时，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.(4)安培力的特点F⊥B，F⊥I，即F垂直于B和I确定的平面.(1)知道电流、磁感应强度的方向，可用左手定则唯一确定F的方向.(2)知道F和电流的方向，不能唯一确定磁感应强度B的方向，此时磁场B的方向可能是垂直于F而与I成任意角(θ≠0°)的方向.高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)【例2】如图5－4－5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5-4-5A．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高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)解析：A项中接法，螺线管上端由安培定则知为N极，MN中电流方向向右，由左手定则知MN垂直纸面向外运动．B项中接法使螺线管上端为S极，MN中电流由N到M，由左手定则可判断B项正确．同理可知C项错误．D项，当ac端为正极、bd端为负极时，同A项；当ac端变为负极，bd端变为正极时，同B项；故D项正确．答案：ABD高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)【题后反思】(1)安培定则、左手定则往往同时应用．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，用右手判断，而左手定则是用左手判断电流的受力情况的．(2)受到安培力作用的电流，也产生磁场，这一磁场对产生原磁场的磁场(或电流、或运动电荷)也有力的作用，这个力就是安培力的反作用力．高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)

如图所示，表示磁场方向、电流方向及导线受力方向正确的图是 (

)解析：磁场方向和电流方向垂直时，安培力方向、磁场方向和电流方向三者是两两垂直的，满足左手定则．故正确答案为A.答案：A

高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)安培力的大小：安培力的大小不仅与B、I、L有关，还与导线在磁场中的放置方向有关．(1)当通电导线与磁场方向平行时，通电导线不受安培力．(2)当通电导线与磁场方向垂直时，所受安培力最大，Fmax＝BIL.(3)当通电导线与磁场方向斜交时，其所受安培力介于零和最大值之间．如图5－4－6所示．安培力大小的计算高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)图5-4-6将B正交分解成B⊥＝Bsinθ和B∥＝Bcosθ，而B∥对电流没有作用，在此种情况下，F＝B⊥IL即F＝BILsinθ.高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)(4)注意事项：①公式适用于匀强磁场．②弯曲导线的有效长度l，等于两端点所连直线的长度(如图5－4－7所示)；相应的电流方向，沿l由始端流向末端，因为任意形状的闭合线圈，其有效长度l＝0，所以通电后在匀强磁场中，受到的安培力的矢量和一定为零．图5-4-7高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)【例3】如图5－4－8所示，将长度为20cm，通有0.1A电流的直导线放入一匀强磁场中，已知磁感应强度B＝1T，试求出各图中导线所受安培力的大小和方向．图5-4-8高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)解析：本题考查左手定则的应用及安培力大小的计算，由左手定则和安培力的计算公式可知．解：(1)因导线与磁感线平行，所以安培力为零．(2)由左手定则知：安培力方向垂直导线水平向右，大小F＝BIL＝1×0.1×0.2N＝0.02N.(3)磁场方向与电流方向仍是垂直的，由左手定则可知安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上，大小F＝BIL＝0.02N.高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)【题后反思】(1)用左手定则判断安培力的方向时，要注意安培力既与导线垂直又与磁场方向垂直，但磁场方向与导线方向可成任意角．(2)在利用F＝BILsinθ计算安培力的大小时，注意θ角为导线与磁场方向的夹角．高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)

如图5－4－9所示，在倾角为α的光滑斜面上，垂直纸面放置一根长为L，质量为m的直导体棒，在导体棒中的电流I垂直纸面向里时，欲使导体棒静止在斜面上，下列外加匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向正确的是 (

)图5-4-9高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)答案：A高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)(1)电流元法即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．(2)特殊位置法把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置后再判断所受安培力方向，从而确定运动方向．通电导体在安培力作用下的运动高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)(3)等效法环形电流和通电螺线管都可以等效成条形磁铁，条形磁铁也可以等效成环形电流或通电螺线管．通电螺线管也可以等效成很多匝的环形电流来分析．(4)利用结论法①两电流相互平行时无转动趋势，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥．

②两电流不平行时，有转动到相互平行且方向相同的趋势．利用这些结论分析，可事半功倍．高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)【例4】如图5－4－10所示，把轻质导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，当线圈内通入如图所示方向的电流后，判断线圈如何运动？解析：解法一：把圆形线圈分成很多小段，每一小段可以看作一段直线电流，取其中的上下两小段分析，其截面图和受安培力的情况如右图所示．根据其中心对称性可知，线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向磁铁运动．图5-4-10高中物理5.4探究安培力(沪科版选修3-1)解法二：我们还可以用等效法来分析．将题图中的环形电流根据安培定则可等效为一个小磁针，如下图(1)所示，所以磁铁和线圈相互吸引，线圈将向磁铁运