3-4 磁场对通电导线的作用力
文档属性
| 名称 | 3-4 磁场对通电导线的作用力 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.4MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2012-06-24 16:30:50 | ||
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文档简介
(共40张PPT)
※※ 掌握用左手定则确定安培力的方向
※※ 掌握安培力的计算公式及求解方法．
※ 了解磁电式电表的结构和工作原理.
找来一块蹄形磁铁，把它慢慢地接近发光的白炽灯泡，可以看到灯丝会颤动起来．
做一做这个实验，并说明灯丝为什么会颤动．
(提示：灯丝中通过的是交变电流)
一、安培力
1．概念：把通电导线在磁场中受的力称为安培力．
2．安培力的方向
左手定则：如图所示，伸开左手，使拇指与其余四个手指 ，并且都与手掌在同一个 内．让磁感线从 ，并使四指指向 的方向，这时 所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．
垂直
平面
掌心进入
电流
拇指
3．安培力的大小
①公式：F＝
θ为磁感应强度与通电导线之间的夹角．
②说明：A.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＝ .
B．当通电导线与磁感线平行时，所受安培力 ．
BILsinθ
BIL
为零
二、磁电式电流表
1．基本组成部分：
磁铁和放在磁铁两极之间的 ．
2．工作原理：
如图所示，磁场的方向总沿着 均匀辐射地分布，在距轴线等距离处的磁感应强度的大小总是 的，保证B的大小不发生变化，且安培力的方向与线圈 ．
线圈
径向
相等
垂直
当电流通过线圈时，导线受到安培力的作用，线圈转动，螺旋弹簧变形，反抗线圈的转动，电流越大，安培力就 ，螺旋弹簧的形变也就 ．I与指针偏角θ成正比，表盘刻度 (选填“均匀”、“不均匀”)．所以，从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小．
3．优、缺点：优点是 高，能测出很弱的电流；缺点是线圈的 ，允许通过的电流很弱．
越大
越大
均匀
灵敏度
导线很细
答案：①左手定则 ②总垂直于B和I决定的平面 ③F＝BILsinθ ④通电线圈受安培力作用而转动
一、安培力方向的判断
1．安培力的方向不仅跟磁场方向垂直，还跟电流方向垂直，故安培力的方向垂直于磁场方向与电流方向所构成的平面．在判断安培力方向时，应首先判定这个平面，然后再应用左手定则．
2．当电流方向与磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直于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，只是磁感线不是垂直进入掌心．
3．注意区别安培力的方向和电场力的方向与磁场、电场的方向的关系，安培力的方向总是与磁场的方向垂直，而电场力的方向与电场的方向平行．
特别提醒：
(1)F⊥I，F⊥B，但B与I不一定垂直．
(2)若已知B、I方向，F方向惟一确定，但若已知B(或I)、F方向，I(或B)方向不惟一．
二、平行导线间的相互作用规律
平行导线间的相互作用规律：同向电流相互吸引，反向电流相互排斥．如图所示，可先用安培定则判断出其中一根导线如a的电流的磁场，另一导线b处在a的磁场中，再用左手定则判断出b受安培力向左；同理可判断a受的安培力向右，故a、b相互吸引；同理电流方向相反时，可得到a、b相互排斥的结论．导体间的相互作用也可以这样理解：一个电流进入了另一个电流的磁场中而发生了相互作用．
三、安培力大小的计算
1．公式F＝ILB中L指的是“有效长度”．当B与I垂直时，F最大；当B与I平行时，F＝0.
2．弯曲导线的有效长度L，等于连接两端点直线的长度(如图)；相应的电流沿L由始端流向末端．
3．若磁场和电流成θ角时，如图所示．
可以将磁感应强度B正交分解成B⊥＝Bsinθ和B∥＝Bcosθ，而B∥对电流没有作用力．
F＝ILB⊥＝ILBsinθ，即F＝ILBsinθ.
误区1：安培定则与左手定则容易混淆．
点拨：对比两定则的作用．安培定则判断电流的磁场方向，注重手指的环绕方向；左手定则判断通电导体受安培力的方向，注重的是相互垂直关系．注意使用方法及各自的因果关系，加强安培定则和左手定则的针对性练习．
误区2：通电导体在安培力作用下运动的判断思路不明确．
点拨：判定通电导体在安培力作用下的运动或运动趋势，首先必须弄清楚导体所在位置的磁场分布情况，然后利用左手定则准确判定导体的受力情况，进而确定导体的运动方向或运动趋势的方向．现对几种常用的方法列表比较如下：
电流元法 把整段弯曲导线分为多段直线电流元，先用左手定则判断每段电流元受力的方向，然后判断整段导线所受合力的方向，从而确定导线运动方向
特殊位
置法 通电导线转动到某个便于分析的特殊位置时，判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向
等效法 环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流，反过来等效也成立．等效后再确定相互作用情况
结论法 两平行直线电流在相互作用过程中，无转动趋势，同向电流互相吸引，异向电流互相排斥；两不平行的直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势
转换研究
对象法 定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动或运动趋势的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向.
如图所示，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，当线圈中通入如图方向的电流后，线圈的运动情况是
( )
A．线圈向左运动
B．线圈向右运动
C．从上往下看顺时针转动
D．从上往下看逆时针转动
解析：方法一：电流元法．首先将圆形线圈分成很多小段，每一段可看做一直线电流，取其中上、下两小段分析，其截面图和受安培力情况如图甲所示．根据对称性可知，线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向左运动．只有选项A正确．
方法二：等效法．将环形电流等效成一条形磁铁，如图乙所示，据异名磁极相吸引知，线圈将向左运动，选A.也可将左侧条形磁铁等效成一环形电流，根据结论“同向电流相吸引，异向电流相排斥”．也可判断出线圈向左运动，选A.
答案：A
点评：(1)判断安培力作用下物体的运动方向，要根据具体问题选择合适的判断方法．
(2)利用电流元分析法，要在合适的位置选取电流元．
在下图中，标出了磁场的方向、通电直导线中电流I的方向，以及通电直导线所受安培力F的方向，其中正确的是 ( )
答案：C
(2009·惠阳高二检测)质量为m＝0.02kg的通电细杆ab置于倾角为θ＝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μ＝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？
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，磁场力为最大值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最大静摩擦力，此时的安培力为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－mgsinθ－Fμ1＝0
FN－mgcosθ＝0，Fμ1＝μFN，F1＝BImaxd
解上述方程得：Imax＝0.46A
根据第二幅受力图，F2＋Fμ2－mgsinθ＝0，
FN－mgcosθ＝0，Fμ2＝μFN，F2＝BImind.
解上述方程得：Imin＝0.14A.
答案：0.14A≤I≤0.46A
点评：(1)必须先将立体图转换为平面图，然后对物体受力分析，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)注意静摩擦力可能有不同的方向，因而求解结果是一个范围．
电磁炮是利用磁场对电流的作用力，把电能转变成机械能，使炮弹发射出去的．如图所示，把两根长为s，互相平行的铜制轨道放在磁场中，轨道之间放有质量为m的炮弹，炮弹架在长为l、质量为M的金属杆上，当有大的电流I1通过轨道和炮弹时，炮弹与金属架在磁场力的作用下，获得速度v1时的加速度为a，当有大的电流I2通过轨道和炮弹时，炮弹最终以最大速度v2脱离金属架并离开轨道，设炮弹运动过程中受到的阻力与速度的平方成正比，求垂直于轨道平面的磁感应强度多大？
(设金属架与炮弹在运动过程中所受的总阻力与速度平方成正比)
如图所示，天平右臂下面挂有一个矩形线圈宽为L，共N匝，线圈下部悬在匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里．利用这架天平如何测定磁场的磁感应强度．
(1)写出测量方法．
(2)磁感应强度的表达式B＝________(用测量的物理量表示)．
某研究性小组的同学们在探究安培力的大小和方向与哪些因素有关时，设计了以下两个实验．
实验一：利用如图所示的安培力演示器先探究影响安培力大小的因素．
第一步，当通电导线长度和磁场一定，调节滑动变阻器的滑片改变电流．观察：指针发生偏转，且偏转角度随电流增大而增大．
第二步，当通电电流和磁场一定，改变导线的长度，分别观察：指针发生偏转的角度随导线长度的增大而增大．
第三步，当通电电流和导线长度一定，更换磁铁，再次分别观察：指针发生偏转的角度不同，磁性越强偏转角度越大．
实验二：利用安培力演示器对安培力的方向进行对比探究．先后按照下表实验序号1、2、3的图例做实验，观察到的相关现象已分别记录在对应的图例下面的表格里.
实验序号 1 2 3
图例
磁场方向 竖直向下 竖直向下 竖直向上
电流方向 水平向里 水平向外 水平向外
受力方向 水平向左 水平向右 水平向左
(1)通过实验一的对比探究，可以得到影响安培力大小的因素有：________________________________；且安培力大小与这些因素的定性关系是：______________________________.
(2)通过实验二的对比探究，可以得到安培力的方向与________方向、________方向有关；且三者方向的关系是：当I⊥B时，__________________________________.
(3)通过实验一的对比探究，能否得出安培力大小的计算公式？________(选填“能”或“不能”)．通过实验二的对比探究，能否得出安培力方向的规律——左手定则？________(选填“能”或“不能”)．
答案：(1)磁场、导线长度和通电电流 磁性越强(磁场越强)，电流越大或直导线越长，安培力越大
(2)磁场 电流 F⊥I，F⊥B
(3)不能 能
※※ 掌握用左手定则确定安培力的方向
※※ 掌握安培力的计算公式及求解方法．
※ 了解磁电式电表的结构和工作原理.
找来一块蹄形磁铁，把它慢慢地接近发光的白炽灯泡，可以看到灯丝会颤动起来．
做一做这个实验，并说明灯丝为什么会颤动．
(提示：灯丝中通过的是交变电流)
一、安培力
1．概念：把通电导线在磁场中受的力称为安培力．
2．安培力的方向
左手定则：如图所示，伸开左手，使拇指与其余四个手指 ，并且都与手掌在同一个 内．让磁感线从 ，并使四指指向 的方向，这时 所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．
垂直
平面
掌心进入
电流
拇指
3．安培力的大小
①公式：F＝
θ为磁感应强度与通电导线之间的夹角．
②说明：A.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＝ .
B．当通电导线与磁感线平行时，所受安培力 ．
BILsinθ
BIL
为零
二、磁电式电流表
1．基本组成部分：
磁铁和放在磁铁两极之间的 ．
2．工作原理：
如图所示，磁场的方向总沿着 均匀辐射地分布，在距轴线等距离处的磁感应强度的大小总是 的，保证B的大小不发生变化，且安培力的方向与线圈 ．
线圈
径向
相等
垂直
当电流通过线圈时，导线受到安培力的作用，线圈转动，螺旋弹簧变形，反抗线圈的转动，电流越大，安培力就 ，螺旋弹簧的形变也就 ．I与指针偏角θ成正比，表盘刻度 (选填“均匀”、“不均匀”)．所以，从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小．
3．优、缺点：优点是 高，能测出很弱的电流；缺点是线圈的 ，允许通过的电流很弱．
越大
越大
均匀
灵敏度
导线很细
答案：①左手定则 ②总垂直于B和I决定的平面 ③F＝BILsinθ ④通电线圈受安培力作用而转动
一、安培力方向的判断
1．安培力的方向不仅跟磁场方向垂直，还跟电流方向垂直，故安培力的方向垂直于磁场方向与电流方向所构成的平面．在判断安培力方向时，应首先判定这个平面，然后再应用左手定则．
2．当电流方向与磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直于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，只是磁感线不是垂直进入掌心．
3．注意区别安培力的方向和电场力的方向与磁场、电场的方向的关系，安培力的方向总是与磁场的方向垂直，而电场力的方向与电场的方向平行．
特别提醒：
(1)F⊥I，F⊥B，但B与I不一定垂直．
(2)若已知B、I方向，F方向惟一确定，但若已知B(或I)、F方向，I(或B)方向不惟一．
二、平行导线间的相互作用规律
平行导线间的相互作用规律：同向电流相互吸引，反向电流相互排斥．如图所示，可先用安培定则判断出其中一根导线如a的电流的磁场，另一导线b处在a的磁场中，再用左手定则判断出b受安培力向左；同理可判断a受的安培力向右，故a、b相互吸引；同理电流方向相反时，可得到a、b相互排斥的结论．导体间的相互作用也可以这样理解：一个电流进入了另一个电流的磁场中而发生了相互作用．
三、安培力大小的计算
1．公式F＝ILB中L指的是“有效长度”．当B与I垂直时，F最大；当B与I平行时，F＝0.
2．弯曲导线的有效长度L，等于连接两端点直线的长度(如图)；相应的电流沿L由始端流向末端．
3．若磁场和电流成θ角时，如图所示．
可以将磁感应强度B正交分解成B⊥＝Bsinθ和B∥＝Bcosθ，而B∥对电流没有作用力．
F＝ILB⊥＝ILBsinθ，即F＝ILBsinθ.
误区1：安培定则与左手定则容易混淆．
点拨：对比两定则的作用．安培定则判断电流的磁场方向，注重手指的环绕方向；左手定则判断通电导体受安培力的方向，注重的是相互垂直关系．注意使用方法及各自的因果关系，加强安培定则和左手定则的针对性练习．
误区2：通电导体在安培力作用下运动的判断思路不明确．
点拨：判定通电导体在安培力作用下的运动或运动趋势，首先必须弄清楚导体所在位置的磁场分布情况，然后利用左手定则准确判定导体的受力情况，进而确定导体的运动方向或运动趋势的方向．现对几种常用的方法列表比较如下：
电流元法 把整段弯曲导线分为多段直线电流元，先用左手定则判断每段电流元受力的方向，然后判断整段导线所受合力的方向，从而确定导线运动方向
特殊位
置法 通电导线转动到某个便于分析的特殊位置时，判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向
等效法 环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流，反过来等效也成立．等效后再确定相互作用情况
结论法 两平行直线电流在相互作用过程中，无转动趋势，同向电流互相吸引，异向电流互相排斥；两不平行的直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势
转换研究
对象法 定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动或运动趋势的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向.
如图所示，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，当线圈中通入如图方向的电流后，线圈的运动情况是
( )
A．线圈向左运动
B．线圈向右运动
C．从上往下看顺时针转动
D．从上往下看逆时针转动
解析：方法一：电流元法．首先将圆形线圈分成很多小段，每一段可看做一直线电流，取其中上、下两小段分析，其截面图和受安培力情况如图甲所示．根据对称性可知，线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向左运动．只有选项A正确．
方法二：等效法．将环形电流等效成一条形磁铁，如图乙所示，据异名磁极相吸引知，线圈将向左运动，选A.也可将左侧条形磁铁等效成一环形电流，根据结论“同向电流相吸引，异向电流相排斥”．也可判断出线圈向左运动，选A.
答案：A
点评：(1)判断安培力作用下物体的运动方向，要根据具体问题选择合适的判断方法．
(2)利用电流元分析法，要在合适的位置选取电流元．
在下图中，标出了磁场的方向、通电直导线中电流I的方向，以及通电直导线所受安培力F的方向，其中正确的是 ( )
答案：C
(2009·惠阳高二检测)质量为m＝0.02kg的通电细杆ab置于倾角为θ＝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μ＝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？
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，磁场力为最大值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最大静摩擦力，此时的安培力为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－mgsinθ－Fμ1＝0
FN－mgcosθ＝0，Fμ1＝μFN，F1＝BImaxd
解上述方程得：Imax＝0.46A
根据第二幅受力图，F2＋Fμ2－mgsinθ＝0，
FN－mgcosθ＝0，Fμ2＝μFN，F2＝BImind.
解上述方程得：Imin＝0.14A.
答案：0.14A≤I≤0.46A
点评：(1)必须先将立体图转换为平面图，然后对物体受力分析，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)注意静摩擦力可能有不同的方向，因而求解结果是一个范围．
电磁炮是利用磁场对电流的作用力，把电能转变成机械能，使炮弹发射出去的．如图所示，把两根长为s，互相平行的铜制轨道放在磁场中，轨道之间放有质量为m的炮弹，炮弹架在长为l、质量为M的金属杆上，当有大的电流I1通过轨道和炮弹时，炮弹与金属架在磁场力的作用下，获得速度v1时的加速度为a，当有大的电流I2通过轨道和炮弹时，炮弹最终以最大速度v2脱离金属架并离开轨道，设炮弹运动过程中受到的阻力与速度的平方成正比，求垂直于轨道平面的磁感应强度多大？
(设金属架与炮弹在运动过程中所受的总阻力与速度平方成正比)
如图所示，天平右臂下面挂有一个矩形线圈宽为L，共N匝，线圈下部悬在匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里．利用这架天平如何测定磁场的磁感应强度．
(1)写出测量方法．
(2)磁感应强度的表达式B＝________(用测量的物理量表示)．
某研究性小组的同学们在探究安培力的大小和方向与哪些因素有关时，设计了以下两个实验．
实验一：利用如图所示的安培力演示器先探究影响安培力大小的因素．
第一步，当通电导线长度和磁场一定，调节滑动变阻器的滑片改变电流．观察：指针发生偏转，且偏转角度随电流增大而增大．
第二步，当通电电流和磁场一定，改变导线的长度，分别观察：指针发生偏转的角度随导线长度的增大而增大．
第三步，当通电电流和导线长度一定，更换磁铁，再次分别观察：指针发生偏转的角度不同，磁性越强偏转角度越大．
实验二：利用安培力演示器对安培力的方向进行对比探究．先后按照下表实验序号1、2、3的图例做实验，观察到的相关现象已分别记录在对应的图例下面的表格里.
实验序号 1 2 3
图例
磁场方向 竖直向下 竖直向下 竖直向上
电流方向 水平向里 水平向外 水平向外
受力方向 水平向左 水平向右 水平向左
(1)通过实验一的对比探究，可以得到影响安培力大小的因素有：________________________________；且安培力大小与这些因素的定性关系是：______________________________.
(2)通过实验二的对比探究，可以得到安培力的方向与________方向、________方向有关；且三者方向的关系是：当I⊥B时，__________________________________.
(3)通过实验一的对比探究，能否得出安培力大小的计算公式？________(选填“能”或“不能”)．通过实验二的对比探究，能否得出安培力方向的规律——左手定则？________(选填“能”或“不能”)．
答案：(1)磁场、导线长度和通电电流 磁性越强(磁场越强)，电流越大或直导线越长，安培力越大
(2)磁场 电流 F⊥I，F⊥B
(3)不能 能