2014-2015学年高二物理教科版选修3-1学案：第三章-学案2-磁场对通电导线的作用——安培力-Word版含解析.doc

1、学案 2 磁场对通电导线的作用安培力学习目标定位 1.知道安培力的定义，会用 FILB 计算 B 与 I 垂直情况下的安培力.2.会用左手定则判断安培力的方向.3.知道电动机的工作原理.4.体会控制变量法在科学研究中的作用一、安培力1磁场对通电导线的作用力称为安培力(1)当通电导线与磁场方向平行时，导线不受力(2)当通电导线与磁场方向垂直时，磁场对通电导线的安培力的大小与导线 长度和电流大小都成正比，比例系数用 B 表示(B 与导线所在位置的磁场强弱有关) ，公式 FILB.2左手定则：伸出左手，四指并拢，使大拇指和其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向沿电流方

2、向，则大拇指所指方向就是通电导线所受安培力的方向(如图 1 所示)图 1二、电动机安培力的重要应用1安培力的一个最重要应用是为电动机的发明提供了理论支持2直流电动机由磁场(磁体)、转动线圈、滑环、电刷及电源组成当通电后，线圈受到 安培力作用就在磁场中旋转起来一、安培力问题设计如图 2 所示的实验电路图中，当开关断开 时弹簧测力计的 读数为 F0.图 2(1)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.想一想，F 1F 0 的物理意 义是什么？(2)继续调节滑动变阻器使电流表读数为 I2，I3，In，且逐渐增大，记录下弹簧测力计相应的读数 F2，F3，Fn

3、，并计算 F2F 0，F3F 0，FnF 0，你 发现了什么？(3)紧挨着蹄形磁体再并排放上一个相同的蹄形磁体(相同的极性在同一侧) 仍保持线框的竖直边在磁场区外，重复过程(2)你从中又会发现什么？答案 (1)F 1F 0 是通电导线受到的磁场的作用力(2)发现随着电流的增大，F 2F 0，F 3F 0，F nF 0 也逐渐增大(3) 加了一块磁铁相当于在磁场中的导线长度增加了在电流 In相同的情况下 FnF 0 也增加综合来看：通电导线与磁场垂直时，磁场对电流的作用力大小与导线的长度及电流都成正比要点提炼1安培力的大小(1)当通电导线与磁场方向垂直时，安培力大小 FBIL，其中 B 为比例系

4、数( 即下一节要学到的磁感应强度)，与导线所在位置的磁场强弱有关(2)当通电导线与磁场方向平行时，安培力 F0.2安培力的方向(1)安培力方向、磁场方向、电流方向三者之间满足左手定则FB，FI ，即 F 垂直于 B、I 决定的平面(2)磁场方向和电流方向不一定垂直用左手定则判断安培力方向时，磁感线只要从掌心进入即可，不一定垂直穿过掌心延伸思考 将通 电直导线放入磁 场，磁场就会对通电直导线有安培力的作用如果有两条相互平行、距离很近的通电直 导线，如 图 3 所示，观察、分析所发生的现象，并在图 4 中标出导线所受安培力的方向图 3 图 4答案 若两直导线通入异向电流则相互排斥，通入同向电流则相

5、互吸引在(a)图中，由安培定则判断，I 1 电流产生的磁场在 I2 位置的方向向上，再由左手定则判断 I2 受到的安培力方向水平向右，同理可判断 I2 产生的磁场对 I1 的安培力水平向左，故两导线相互排斥，受力如图所示同理可判断(b)中 I1、I 2 相互吸引，受力如图所示二、电动机安培力的重要应用问题设计如图 5 是一个直流电动机的工作模型，它由磁 场(磁体)、转动线圈、滑环、电刷及电源组成图 5(1)甲图中线圈所在位置各边受力方向如何？乙图中呢？(2)滑环的作用是什么？答案 (1)由左手定则可判断，甲图中与滑环 A 连接的一边受安培力向下，与滑环 B 连接的一边受安培力向上，这两个力的作

6、用使线圈在磁场中顺时针转动(从滑环向里看) 同理可判断，乙图中与滑环 A 连接的一边受安培力向上，与滑环 B 连接的一边受安培力向下，两个力的效果仍然是使线圈在磁场中顺时针转动(2)滑环起到了一个换向器的作用，这样就可保证线圈受到的安培力使线圈向一个方向旋转要点提炼1电动机由磁场(磁体)、转动线圈、滑环、电刷及电源组成2当给电动机通电后，线圈受到安培力作用，线圈在磁场中旋转起来3电动机有直流电动机和交流电动机一、对安培力方向的判定例 1 画出图 6 中通电导体棒 ab 所受的安培力的方向( 图中箭头方向为磁感线的方向 )图 6解析 题目所给的图是立体图，如果直接把 ab 棒受到的安培力画在立体

7、 图上则较为抽象为了直观，一般画成平面图，图中的各个图从外向内看的正视平面图如图所示( 此时导体 ab 是一个横截面图，表示电流向里， 表示电流向外)，题图甲中，I 与 B 决定的平面是与纸面垂直的竖直面，安培力方向与这个平面垂直，由左手定则知，安培力的方向为水平向右；题图乙中，I 与 B 决定的平面是与水平方向成 角的垂直纸面的平面，安培力方向与这个平面垂直，指向右下方；题图丙中，I 和 B 决定的平面是垂直斜面的平面，安培力方向与斜面平行，指向右上方甲 乙 丙答案 见解析规律总结 1.判断安培力的方向，要先明确磁 场的方向和电流的方向，用左手定则判断，不要“习惯性”地用错右手实际 上左手定

8、则揭示了磁感应强 度、 电流、安培力这三个物理量方向之间的关系，知道其中任意两个方向，可以由安培定则判断第三个方向2分析安培力方向时，左手定则和安培定则往往同时使用，要特别注意它们的不同：安培定则用来判断电流的磁场方向，用右手；左手定 则用来判断电 流的受力方向，用左手二、安培力作用下的物体运动方向问题例 2 如图 7 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)( )图 7A顺时针转动，同时下降B顺时针转动，同时上升C逆时针转动，同时下降D逆时针转动，同时上升解析 画出蹄形磁铁的两条磁感线，在磁

9、感 线与电流相交 处分别取一小段电流，如图中的 BC、AD 两段，由左手定 则可知，AD 段受的安培力垂直纸面向外，BC 段受的安培力垂直纸面向里，故导线将绕轴线 OO顺时针旋转(俯视) ，当 导线转动 90时(特殊位置法) ，由左手定则可知，导线受向下的安培力作用，所以导线在 顺时针转动的同时还向下运 动，即答案 为 A.答案 A方法总结 判定安培力作用下物体的运 动方向有以下几种方法：(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 电流元所受安培力的方向，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

10、再判断所受安培力的方向，从而确定运动方向(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；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，可事半功倍三、安培力作用下的受力分析问题例 3 质量为 m 的金属细杆置于倾角为 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，在如图所示的 A、B、C、D 四个选项中，杆与导轨的摩擦力一定不为零的是( )解析 选项 A

11、中，通电细杆可能受重力、安培力、导轨的弹力作用处于静止状态，如图所示，所以杆与导轨间的摩擦力可能为零当安培力 变大或变小 时， 细杆有上滑或下滑的趋势，于是有静摩擦力产生选项 B 中，通 电细杆可能受重力、安培力作用处于静止状态，如图所示，所以杆与导轨间的摩擦力可能为零当安培力减小 时， 细杆受到导轨的弹力和沿 导轨向上的静摩擦力，也可能处于静止状态选项 C 和 D 中，通电细杆受重力、安培力、导轨弹力作用具有下滑趋势，故一定受到沿导轨向上的静摩擦力，如图所示，所以杆与导轨间的摩擦力一定不 为零答案 CD方法点拨 对通电导线进行受力分析，根据平衡条件判断摩擦力是否存在弹力与摩擦力是被动力，其是

12、否存在和大小随其他力的变化而变化安培力Error!1(对安培力方向的判定)把一小段通电直导线放入磁场中，导线受到安培力的作用，关于安培力的方向，下列说法中正确的是( )A安培力的方向一定跟磁场的方向相同B安培力的方向一定跟磁场的方向垂直，但不一定跟电流方向垂直C安培力的方向一定跟电流方向垂直，但不一定跟磁场方向垂直D安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直答案 D解析 安培力的方向既垂直于磁场方向，又垂直于 电流方向，即垂直于磁场与电流所决定的平面2(对安培力方向的判定)下面的四个图显示了磁场对通电直导线的作用力，其中正确的是 ( )答案 C3. (安培力作用下的物体运动方向问题) 如图

13、 8 所示，在水平放置的光滑绝缘杆 ab 上，挂有两个相同的金属环 M 和 N.当两环均通以图示方向的电流时，下列说法中正确的是( )图 8A两环静止不动B两环互相靠近C两环互相远离D两环同时向左运动答案 B解析 两环通以同向电流，所以它 们受到的安培力的效果是相互吸引，故两环互相靠近题组一 对安培力方向的判定1关于通电导线所受安培力 F 的方向、磁感应强度 B 的方向和电流 I 的方向之间的关系，下列说法正确的是( )AF、B 、I 三者必须保持相互垂直BF 必须垂直 B、I，但 B、I 可以不相互垂直CB 必须垂直 F、I，但 F、I 可以不相互垂直DI 必须垂直 F、B ，但 F、 B

14、可以不相互垂直答案 B解析 安培力 F 总是与磁感应强度 B 和电流 I 决定的平面垂直，但 B 与 I(即导线)可以垂直，也可以不垂直，通电导线受安培力 时，力 F 与磁场及导线都是垂直的，故 A、C、D 均错，B正确2.有一通电直导线与 xOy 平面垂直，导线中电流方向如图 1 所示该区域有匀强磁场，通电直导线所受磁场力的方向与 Ox 轴的正方向相同该磁场的方向可能是 ( )图 1A沿 x 轴正方向 B沿 y 轴负方向C沿 z 轴正方向 D沿 z 轴负方向答案 B解析 根据左手定则可得：让四指指向电流方向， 让拇指指向安培力方向，则垂直穿过手心的为磁场方向，故磁场方向沿 y 轴负方向，故

15、选 B.3如图 2 所示，电磁炮是由电源、金属轨道、炮弹和电磁铁组成当电源接通后，磁场对流过炮弹的电流产生力的作用，使炮弹获得极大的发射速度下列各俯视图中正确表示磁场 B 方向的是( )图 2答案 B解析 由左手定则可知，图 A 示磁感应强度方向使炮弹受到的安培力向后，图 B 示磁感应强度方向使炮弹受到的安培力向前， C、D 所示炮弹不受安培力，只有 B 符合实际4某同学画的表示磁场 B、电流 I 和安培力 F 的相互关系如图所示，其中正确的是( )答案 D解析 根据左手定则可知，A 图中安培力方向应该向下， B 图中安培力应该垂直于磁场斜向上，C 图 中磁场方向和电流方向在同一直线上，不受安

16、培力作用，D 图中安培力方向斜向左下方垂直于电流方向，故 A、B、C 错误，D 正确题组二 安培力作用下的物体运动方向问题5.如图 3 所示，长方形线框 abcd 通有电流 I，放在直线电流 I附近，线框与直线电流共面，则下列表述正确的是( )图 3A线圈四条边都受安培力作用，它们的合力方向向右Bad 和 bc 边都受安培力作用，它们的合力方向向左Cab 和 dc 边所受安培力大小相等，方向相同D线圈四条边都受安培力作用，它们的合力为零答案 B解析 直线电流在右侧空间产生由近及远的递减的磁场，由右手螺旋定则判定出方向垂直纸面向里，再由左手定则判定： 线圈四条边都受安培力作用，但由于对称性 ab

17、、cd 两边的安培力等大反向，合力为零，ad 边所受安培力方向向左，ad 边所受安培力大于 bc 边所受的向右的安培力，所以 B 选项正确，A 、C、D 选项错误6.如图 4 所示，通电线圈处于竖直悬挂状态，现突然加一水平向右的磁场，则此时各边所受安培力的情况为( )图 4Aab 边受水平向左的安培力， cd 边受水平向右的安培力Bad 边和 bc 边不受安培力Cab 边受垂直纸面向外的安培力，cd 边受垂直纸面向里的安培力Dabcd 各边受到的安培力的效果使线圈处于静止状态答案 BC解析 由左手定则知，ab 受安培力垂直 纸面向外， cd 受安培力垂直 纸面向里， ad 边、bc 边不受安培

18、力的作用，此时刻 abcd 各边受到的安培力的效果使线圈转动起来7.图 5 中的 D 为置于电磁铁两极间的一段通电直导线，电流方向垂直于纸面向里在开关S 接通后，导线 D 所受磁场力的方向是( )图 5A向上 B向下 C向左 D向右 答案 A解析 电流由左侧流入，则由安培定 则可知电磁铁右侧为 N 极，故导线所在处的磁场向左；则由左手定则可知，导线受安培力向上；故 选 A.8.把一根柔软的螺旋形弹簧竖直悬挂起来，使它的下端刚好跟杯里的水银面接触，并使它组成如图 6 所示的电路，当开关 S 接通后，将看到的现象是( )图 6A弹簧向上收缩B弹簧被拉长C弹簧上下跳动D弹簧仍静止不动答案 C解析 接通 S 后，弹簧各匝之间形成同向电流，它 们之间的安培力产生的效果使弹簧收缩，收缩后电路断开，安培力消失，弹簧恢复原状，然后接触水银并接通电路，重复出现此种现象故选 C.题组三 安培力及安培力有关的受力分析9在如图 7 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为 Fa、F b，判断这两段导线( )