高中物理第1章安培力与洛伦兹力1磁吃通电导线的作用力课件新人教版选择性

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磁场对通电导线的作用力课前·基础认知课堂·重难突破素养·目标定位模型方法·素养提升随堂训练素养·目标定位目

标

素

养1.通过实验,认识安培力,知道安培力的方向与电流、磁感应强度的关系,会用左手定则判断安培力的方向。2.知道安培力的表达式,会计算匀强磁场中安培力的大小。3.通过分析,知道磁电式电流表的基本构造及其测电流大小和方向的基本原理。知

识

概

览课前·基础认知一、安培力的方向1.安培力:安培在研究磁场与电流的相互作用方面作出了杰出的贡献,为了纪念他,人们把通电导线在磁场中受的力称为安培力。2.安培力的方向:通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流方向、磁感应强度方向都垂直。3.左手定则: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个平面内;让磁感线从掌心垂直进入,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,如图所示。微思考

旋转的液体。如图所示,在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极,沿边缘内壁放一个圆环形电极,将两电极接在电池的两极上,然后在玻璃皿中放入盐水,把玻璃皿放入蹄形磁体的磁场中,N极在下,S极在上,盐水就会旋转起来。盐水为什么旋转?旋转的方向是顺时针还是逆时针(俯视)?提示:由于受到安培力作用,盐水旋转。如图所示,磁场方向垂直于水面向上,盐水内电流方向从玻璃皿边缘指向圆心,根据左手定则判断,盐水中的电流受到的安培力沿逆时针,因此盐水逆时针旋转。二、安培力的大小1.垂直于磁场B的方向放置的长为l的一段导线,当通过的电流为I时,它所受的安培力F=IlB。2.当磁感应强度B的方向与通电导线的方向平行时,导线受力为

0。3.一般情况下安培力的表达式为F=IlBsinθ,θ为磁感应强度方向与电流方向的夹角。

微判断(1)通电导线在磁场中不一定受安培力。(

)(2)一通电导线放在磁场中某处且不受安培力,该处的磁感应强度不一定是零。(

)(3)当磁场、导线的长度和电流都一定的情况下,导线平行于磁场时,安培力最大;垂直于磁场时,安培力最小。(

)√√×三、磁电式电流表1.磁电式电流表最基本的组成部分是磁体和放在磁体两极之间的线圈。2.磁电式电流表的工作原理:①通电线圈因受安培力而转动,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。②线圈转动时,螺旋弹簧变形,以反抗线圈的转动。电流越大,安培力就越大,螺旋弹簧的形变也就越大,线圈偏转的角度也越大,达到新的平衡。所以,从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小。3.优点:灵敏度高,可以测出很弱的电流。缺点:线圈的导线很细,允许通过的电流很弱(几十微安到几毫安)。微训练(多选)磁电式电流表是常用的测量闭合回路电流大小的仪器。关于磁电式电流表内的磁铁和铁芯之间的均匀辐向分布的磁场,下列说法正确的是(

)A.该磁场的磁感应强度大小处处相等,方向相同B.该磁场的磁感应强度的方向处处相同,大小不等C.线圈平面始终与磁感线平行D.线圈所在位置的磁感应强度大小都相等答案:CD解析:两磁极之间装有极靴,极靴中间又有一个铁质圆柱,极靴与铁质圆柱之间有一不大的缝隙,根据磁感线与磁极表面垂直的特点,磁化了的铁质圆柱与极靴间的缝隙处就形成了辐向分布的磁场。这样做的目的就是让通电线圈所在位置能有一个等大的磁场,并且磁感线始终与线圈平面平行,故选项C、D正确。课堂·重难突破一

安培力的方向重难归纳1.安培力的方向特点:安培力的方向既与磁场方向垂直,又与电流方向垂直,即安培力的方向总是垂直于磁场和电流所决定的平面。2.左手定则应用的两类问题:3.安培定则与左手定则的区别。

定则安培定则(右手螺旋定则)左手定则应用判断电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系判断通电导线在磁场中的受力方向内容具体情况直线电流环形电流或通电螺线管通电导线在磁场中条件拇指指向电流的方向四指弯曲的方向指向电流的环绕方向磁感线穿过掌心,四指指向电流方向结果四指弯曲方向表示磁感线的方向拇指指向轴线上的磁感线方向拇指指向通电导线在磁场中受到的安培力的方向平行通电直导线之间的相互作用。如图所示,两条平行的通电直导线之间会通过磁场发生相互作用。在什么情况下两条导线相互吸引,什么情况下相互排斥?为什么?提示:同向电流相互吸引,反向电流相互排斥,如图。可用下图解释:同向电流

反向电流典例剖析通电直导线放入一匀强磁场中,电流I方向与磁场B方向如图所示,判断下列各图中,通电导线所受安培力的方向。答案:垂直纸面向外;垂直导线斜向左上方;垂直导线斜向左上方;水平向右。特别提醒(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)判断通电导体在磁场中的受力方向用左手定则。学以致用1.如图所示,甲、乙两图已知电流方向及其所受安培力的方向,试判断磁场方向。丙、丁两图已知磁场方向及安培力的方向,试画出电流方向。(假设磁场方向与电流方向垂直)答案:垂直纸面向外;垂直F向下。

丙

丁2.(2021·广东卷)截面为正方形的绝缘弹性长管中心有一固定长直导线,长管外表面固定着对称分布的四根平行长直导线。若中心直导线通入电流I1,四根平行直导线均通入电流I2,I1≫I2,电流方向如图所示。下列截面图中可能正确表示通电后长管发生形变的是(

)答案:C解析:两根导线的电流方向相同,二者之间是引力,两根导线的电流方向相反,二者之间是斥力,上下两根导线与I1之间是斥力,左右两根导线与I1之间是引力,选项C正确。二

安培力的大小重难归纳1.公式F=IlBsinθ中l指的是导线在磁场中的“有效长度”,弯曲导线的有效长度l,等于连接两端点线段的长度(如图所示);相应的电流沿l由始端流向末端。2.公式F=IlBsinθ中θ是B和I方向的夹角。(1)当θ=90°时,即B⊥I,sinθ=1,公式变为F=IlB。(2)当θ=0°时,即B∥I,F=0。3.在非匀强磁场中,只要通电直导线所在位置的各点磁感应强度B矢量相等(包括大小和方向),则导线所受安培力也能用上述公式计算。4.当电流同时受到几个安培力时,则电流所受的安培力为这几个安培力的矢量和。由导线组成的直角三角形框架静止放在匀强磁场中(如图所示),若导线框中通以图示方向的电流时,导线框将做什么运动?提示:导线框的有效长度为零,导线框所受安培力为零,导线框不动。典例剖析如图所示,一根导线位于磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场中,其中lAB=lBC=lCD=lDE=l,且∠C=120°、∠B=∠D=150°。现给这根导线通入由A至E的恒定电流I,则导线受到磁场作用的合力大小为(

)答案:C解析:据题图和几何关系求得A、E两点间的距离,即有效长度为l等=(2+)l据安培力公式得F=Il等B=(2+

)IlB,选项A、B、D错误,C正确。规律方法应用安培力公式F=IlBsin

θ解题的技巧。(1)应用公式F=IlBsin

θ求安培力大小时,应正确理解公式中各物理量的实质,可将Bsin

θ理解为有效磁感应强度或将lsin

θ理解为有效长度,θ为磁场方向与直导线l之间的夹角。

(2)通电导线所受的安培力等于各段所受安培力的合力。

(3)匀强磁场中弯曲导线的有效长度l,等于连接两端点间的线段的长度。学以致用如图所示,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∠abc=∠bcd=135°。流经导线的电流为I,方向如图中箭头所示。导线abcd受到的磁场的作用力的合力(

)答案:A解析:导线abcd的有效长度为线段ad,由几何知识知lad=(+1)l,故线段abcd所受磁场力的合力大小F=BIlad=(+1)BIl。导线有效长度的电流方向为a→d,据左手定则可以确定导线所受合力方向竖直向上,故选项A正确。模型方法·素养提升通电导体棒在磁场中的平衡问题模型——模型构建方法归纳通电导体棒在磁场中的平衡问题是一种常见的力电综合模型,该模型一般由导轨、导体棒、电源和电阻等组成。这类题目的难点是题图具有立体性,各力的方向不易确定。一般方法为:(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。如图所示,导线框与电源、滑动变阻器、电流表、开关组成闭合回路,将导线框用弹簧测力计悬挂起来,导线框下端置于蹄形磁体两极之间,与磁场方向垂直放置。在接通电路前先观察并记录下弹簧测力计的读数F0。接通电路,调节滑动变阻器使电流表读数为I1,观察并记录弹簧测力计此时的读数F1,继续调节滑动变阻器使电流表读数为I2,I3,…,In,观察并记录弹簧测力计相应的读数F2,F3,…,Fn。若实验过程中导线框下端都未离开蹄形磁体两极之间的区域,且该区域的磁场可看作匀强磁场,请根据以上数据描绘出弹簧测力计弹力大小F随电流I变化的图像。提示:接通电路前有G=F0接通电路后,线框受到的安培力的方向可能向下,可能向上,根据平衡条件得F=G+IlB或F=G-IlB所以F=F0+IlB或F=F0-IlB对应图像分别为图甲、图乙。甲

乙典例剖析如图所示,金属杆MN用两根绝缘细线悬于天花板的O、O'点,杆中通有垂直于纸面向里的恒定电流,空间有竖直向上的匀强磁场,杆静止时悬线与竖直方向的夹角为θ。若将磁场在竖直面内沿逆时针方向缓慢转过90°,在转动过程中通过改变磁场磁感应强度大小来保持悬线与竖直方向的夹角不变,则在转动过程中,磁场的磁感应强度大小的变化情况是(

)A.一直减小

B.一直增大C.先减小后增大

D.先增大后减小答案:C解析:磁场在转动的过程中,杆处于平衡状态,杆所受重力的大小和方向不变,悬线的拉力方向不变。由图解法结合左手定则可知,在磁场沿逆时针方向缓慢转动的过程中,安培力先减小后增大。由F=BIl可知,磁场的磁感应强度先减小后增大,故选项C正确。方法总结1.安培力作用下的平衡问题与力学中的平衡问题分析方法是相同的,只不过多了安培力,解题的关键仍是受力分析。

2.视图转换:对于安培力作用下的力学问题,线框的受力边及金属棒的受力往往分布在三维空间的不同方向上,这时应利用俯视图、剖面图或侧视图等,变立体图为二维平面图。

3.将立体图转化为平面图举例。学以致用如图所示,长为l的通电直导体棒放在光滑水平绝缘轨道上,劲度系数为k的水平轻弹簧一端固定,另一端拴在棒的中点,且与棒垂直,整个装置处于方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中,弹簧伸长量为x时,棒处于静止状态。则(

)A.导体棒中的电流方向从b流向aB.导体棒中的电流大小为C.若只将磁场方向沿顺时针方向缓慢转过一小角度,x变大D.若只将磁场方向沿逆时针方向缓慢转过一小角度,x变大答案:B解析:由受力平衡可知安培力方向水平向右,由左手定则可知,导体棒中的电流方向从a流向b,故选项A错误。由于弹簧伸长x,根据胡克定律及平衡条件,有kx=BIl,可得

,故选项B正确。若只将磁场方向沿顺时针或逆时针方向缓慢转过一小角度,则安培力在水平方向上的分力减小,根据力的平衡可得,弹簧弹力变小,导致x变小,故选项C、D错误。随堂训练1.在如图所示的匀强磁场中,已经标出了电流I和磁场B以及磁场对电流的安培力F三者的方向,其中错误的是(

)答案:C解析:根据左手定则可知选项A、B、D正确。选项C中电流和磁场方向平行,不受安培力,故选项C错误。2.关于通电直导线在匀强磁场中所受的安培力,下列说法正确的是(

)A.安培力的方向可以不垂直于通电直导线B.安培力的方向总是垂直于磁场的方向C.安培力的大小与通电直导线和磁场方向的夹角无关D.将通电直导线从中点折成直角,安培力的大小一定变为原来的一半答案:B解析:由左手定则可知,安培力的方向一定与磁场方向和通电直导线垂直,选项A错误,B正确。安培力的大小F=BIlsin

θ,与通电直导线和磁场方向的夹角有关,选项C错误。将通电直导线从中点折成直角,假设原来通电直导线与磁场方向垂直,若折成直角后一段与磁场仍垂直,另一段与磁场平行,则安培力的大小变为原来的一半,若折成直角后,两段都与磁场垂直,则安培力的大小变为原来的

,因此安培力大小不一定是原来的一半,选项D错误。3.(多选)把通有电流I、长度为l的直导线放在磁感应强度为B的匀强磁场中,下列关于安培力大小的说法正确的是(

)A.可能为0 B.一定为BIlC.可能小于BIl D.可能大于BIl答案:AC解析:导线与磁场方向平行时,导线受到的安培力为0,选项A正确。当导线与磁场方向垂直时,导线受到的安培力最大,为BIl,选项C正确,B、D错误。4.如图所示,长为2l的直导线折成边长相等、夹角为60°的V形,并置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中,磁感应强度为B。当在该导线中通以大小为I