3.3 探究安培力 学案

学案2　探究安培力
[学习目标定位]
1.知道安培力的概念，会用左手定则判断安培力的方向，会用公式F＝BIL计算安培力的大小.2.理解磁感应强度的定义，掌握磁感应强度的方向.3.知道匀强磁场以及匀强磁场的磁感线分布特点.4.知道磁通量的概念，会根据公式Φ＝BS计算磁通量．
磁场对电流的作用力称为安培力．法国物理学家安培首先总结出磁场对电流的作用力遵循的规律．
一、安培力的方向
通电直导线所受安培力的方向和磁场方向、电流方向之间的关系，可以用左手定则来判断：伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，把手放入磁场中让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向电流的方向，那么大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．
二、安培力大小
1．磁感应强度
(1)物理学规定，当通电导线与磁场方向垂直时，通电导线所受安培力F跟电流I和导线长度L的乘积的比值叫做磁感应强度，用B表示，则B＝.
(2)磁感应强度B是矢量，其方向为该处的磁场方向，单位是特斯拉，符号是T.
(3)匀强磁场：磁感应强度的大小和方向处处相同的磁场．距离很近的两个异名磁极之间的磁场，通电螺线管内中间部分的磁场均是匀强磁场.
2．安培力
在匀强磁场中，在通电直导线与磁场方向垂直的情况下，电流所受安培力F＝BIL.
三、磁通量
1．磁感应强度B与面积S的乘积叫做穿过这个面的磁通量，用Φ表示，则有Φ＝BS，其中S为平面垂直磁场方向的面积．
2．磁通量的单位是韦伯，符号是Wb,1
Wb＝1_T·m2.
一、安培力的方向
[问题设计]
1．在如图1所示的实验中，上下交换磁极的位置，用以改变磁场方向，导线受力的方向是否改变？这个实验说明安培力的方向与什么因素有关？
图1
答案　力的方向改变　与磁场方向有关
2．改变导线中电流的方向，导线受力的方向是否改变？这个实验说明安培力的方向与什么因素有关？
答案　力的方向改变　与电流方向有关
[要点提炼]
1．安培力的方向和磁场方向、电流方向之间的关系可以用左手定则判断．
2．不论磁场方向和电流方向是否垂直，安培力的方向既与磁场方向垂直，又与电流方向垂直，即总垂直于磁场方向与电流方向所决定的平面．
3．判断电流、磁场方向用安培(右手螺旋)定则，确定通电导体在磁场中的受力方向用左手定则．
二、安培力的大小
[要点提炼]
1．对磁感应强度的理解
(1)磁感应强度的定义式为B＝，是反映磁场性质的物理量，是由磁场自身决定的，与是否引入电流、引入的电流是否受力及受力大小无关．
(2)磁感应强度的方向是该处磁场的方向，而不是电流受力F的方向．
(3)公式B＝成立的条件是电流I与磁场垂直．
2．磁感应强度与磁感线的关系：磁感线上每一点的切线方向都与该点磁感应强度的方向一致，磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小．
3．匀强磁场：磁感应强度的大小和方向处处相同的磁场．
4．安培力大小的公式表述：(1)当B与I垂直时，F＝BIL.(2)当B与I成θ角时，F＝BILsin
θ，θ是B与I的夹角．(3)当B与I平行时F＝0.
5．当导线与磁场垂直时，弯曲导线的有效长度L，等于连接两端点直线的长度(如图2所示)；相应的电流沿L由始端流向末端．
图2
[延伸思考]
如图3所示，导线与磁场方向的夹角为θ时，如何计算导线受力的大小？
图3
答案　将B分解到平行导线方向和垂直导线方向的分量，分别研究B的两个分量对导线的作用，可得出F＝ILBsin
θ.
三、磁通量
[问题设计]
在磁场中放一面积为S的线框，怎样放置才能使穿过线框的磁感线条数最多？放置方式相同时，磁场强弱不同，穿过线框的磁感线条数是否相同？
答案　垂直磁场方向放置　不相同
[要点提炼]
1．磁通量的定义式：Φ＝BS，适用条件：磁场是匀强磁场，且磁场方向与平面垂直．
2．当平面与磁场方向不垂直时，穿过平面的磁通量可用平面在垂直于磁场B的方向的投影面积进行计算，即Φ＝BS⊥＝BScos
θ(如图4所示)．
图4
3．磁感应强度B＝，又叫磁通密度．
一、对安培力方向的判定
例1　画出图5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5
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图上则较为抽象．为了直观，一般画成平面图，题图中的各个图从外向内看的正视平面图如图所示(此时导体棒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θ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”地错用右手．实际上左手定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、对磁感应强度概念及公式的理解
例2　(单选)关于磁感应强度，下列说法正确的是(　　)
A．由B＝可知，B与F成正比，与IL成反比
B．通电导线放在磁场中某点，该点就有磁感应强度，如果将通电导线拿走，该点的磁感应强度就变为零
C．通电导线所受磁场力不为零的地方一定存在磁场，通电导线不受磁场力的地方一定不存在磁场(即B＝0)
D．磁场中某一点的磁感应强度由磁场本身决定
解析　磁感应强度B＝
只是一个定义式，而不是决定式；磁感应强度B是由磁场本身的性质决定的，与放不放通电导线无关．故选D.
答案　D
三、对安培力大小的计算
例3　(单选)长度为L、通有电流I的直导线放入一匀强磁场中，电流方向与磁场方向如图所示，已知磁感应强度为B，对于下列各图中，导线所受安培力的大小计算正确的是(　　)
解析　A图中，导线不和磁场垂直，故将导线投影到垂直磁场方向上，故F＝BILcos
θ，A正确；
B图中，导线和磁场方向垂直，故F＝BIL，B错误；
C图中导线和磁场方向垂直，故F＝BIL，C错误；D图中导线和磁场方向垂直，故F＝BIL，D错误．
答案　A
规律总结　1.当磁场方向与电流方向垂直时安培力F＝ILB，如果磁场方向和电流方向不垂直，公式应变为F＝ILB⊥，B⊥是B在垂直于电流方向的分量．
2．如果通电导线是弯曲的，则要用其等效长度代入公式计算．
3．如果是非匀强磁场，原则上把通电导线分为很短的电流元，对电流元用安培力公式，然后求矢量和．
四、对磁通量认识及计算
例4　如图6所示，框架面积为S，框架平面与磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直，则穿过平面的磁通量为__________．若使框架绕OO′转过60°角，则穿过框架平面的磁通量为__________；若从初始位置转过90°角，则穿过框架平面的磁通量为________；若从初始位置转过180°角，则穿过框架平面的磁通量的变化量是__________．
图6
解析　初始位置Φ1＝BS；框架转过60°角时Φ2＝BS⊥＝BScos
60°＝BS；框架转过90°角时Φ3＝BS⊥＝BScos
90°＝0；若规定初始位置磁通量为“正”，则框架转过180°角时磁感线从反面穿出，故末态磁通量为“负”，即Φ4＝－BS，所以ΔΦ＝|Φ4－Φ1|＝|(－BS)－BS|＝2BS.
答案　BS　BS　0　2BS