人教版高中物理选修3-1第三章磁场第4节磁场对通电导线的作用力（40张ppt）
文档属性
| 名称 | 人教版高中物理选修3-1第三章磁场第4节磁场对通电导线的作用力（40张ppt） |  | |
| 格式 | ppt | ||
| 文件大小 | 3.4MB | ||
| 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 | 2016-08-11 10:59:15 | ||
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文档简介
(共40张PPT)
通电导线在磁场中受到的力
目标
1．观察安培力方向与哪些因素有关的实验，记录实验现象并得出相关结论．知道安培力的方向与电流、磁感应强度的方向都垂直，会用左手定则判断安培力的方向．
2．推导匀强磁场中安培力的表达式，计算匀强磁场中安培力的大小．
3．知道磁电式电流表的基本构造以及运用它测量电流大小和方向的基本原理．
一、安培力的方向
1．安培力：通电导线在 中受的力．
2．决定安培力方向的因素：
(1) 方向；(2) 方向．
3．左手定则：如图3－4－1所示，伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且拇指与手掌在同一平面内．让磁感线从 进入并使四指指向 ，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．
磁场
磁场
电流
掌心
电流的方向
4．安培力的特点
与电流方向、磁感应强度的方向都 ．即安培力F 于B和I决定的平面．
二、安培力的大小
同一通电导线，按不同方式放在同一磁场中，受力情况不同，如图3－4－2所示．
垂直
垂直
1．如图甲，通电导线与磁场方向垂直，此时安培力最大，F＝ .
2．如图乙，通电导线与磁场方向平行，此时安培力最小，F＝ .
3．如图丙，通电导线与磁场方向成θ角，可以把磁感应强度B分解为与导线垂直的分量B⊥和与导线平行的分量B∥，如图丁所示．则有B⊥＝Bsin θ，B∥＝Bcos θ，其中B∥不产生安培力，导线受的安培力只是B⊥产生的，因此又得到F＝ ，这是一般情况下安培力的表达式．
ILB
0
ILBsinθ
三、磁电式电流表
1．原理：通电线圈在磁场中受到 而偏转．线圈偏转的角度越大，被测电流就 ．根据线圈 ，可以知道被测电流的方向．
2．构造： 、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴．
安培力
越大
偏转的方向
磁铁
3．特点：两极间的极靴极化靴中间的铁质圆柱，使极靴与圆柱间的磁场都沿 方向，保持线圈转动时，安培力的大小不受磁场影响，电流所受安培力的方向总与线圈平面垂直．使线圈平面都与磁场方向 ，使表盘刻度均匀，如图3－4－3所示．
4．优点：灵敏度高，可以测出 的电流．
缺点：线圈导线很细，允许通过的电流很弱．
半径
平行
很弱
一、安培力的方向判定
1．判断安培力方向的方法：左手定则
2．判定安培力的方向应注意的问题
(1)安培力的方向总是既与磁场方向垂直，又与电流方向垂直，也就是说安培力的方向总是垂直于磁场和电流所决定的平面．所以判断时要首先确定磁场与电流所确定的平面，从而判断出安培力的方向在哪一条直线上，然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向．
(2)当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直电流与磁场所决定的平面，所以仍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，而是斜穿过手心．
(3)安培力的大小与静电力大小的不同
①电荷在电场中某一点受到的静电力是一定的，方向与该点的电场方向要么相同，要么相反．电流在磁场中某处受到的磁场力，与电流在磁场中放置的方向有关，电流方向与磁场方向平行时，电流受的安培力最小，等于零；
②电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于BIL.一般情况下的安培力大于零，小于BIL，安培力的方向均与磁场方向垂直．
二、安培力的大小计算
1．公式F＝ILB中L指的是导线在磁场中且垂直于磁场方向的“有效长度”．即导线在磁场中在垂直于磁场方向投影的长度．
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3－4－4)；相应的电流沿L由始端流向末端．
3．电荷在电场中所受电场力与电流在磁场中所受安培力比较：电荷在电场中一定会受到电场力的作用，但是电流在磁场中不一定受安培力的作用，安培力的大小与电流和磁场的大小以及电流方向与磁场方向间的关系有关，当两者平行时，不受安培力作用．
三、磁电式电流表工作原理
常用电流表的构造如图3－4－5甲所示．在很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯的外面套着一个可以绕轴转动的铝框，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针，线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流就是经过这两个弹簧通过线圈的电流．
【典例1】 如图3－4－6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垂直于纸面向外运动，可以( )．
A．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
解析 本题主要考查两个方面知识：电流的磁场和左手定则．要求直杆MN垂直于纸面向外运动，把直杆所在处的磁场方向和直杆中电流画出来，得A、B正确．若使a、c两端(或b、d两端)的电势相对于另一端b、d(或a、c)的电势的高低做同步变化，线圈磁场与电流方向的关系跟上述两种情况一样，故D也正确．
答案 ABD
借题发挥 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，而左手定则是用左手判断电流的受力情况．
【变式1】 画出图中各磁场对通电导线的安培力的方向．
解析 无论B、I是否垂直，安培力总是垂直于B与I决定的平面，且满足左手定则．
答案 如图所示
【典例2】 如图3－4－7所示，导线abc为垂直折线，其中电流为I，ab＝bc＝L.导线所在的平面与匀强磁场垂直，匀强磁场的磁感应强度为B.求导线abc所受安培力的大小和方向．
解析 法一
法二
借题发挥 (1)导体的有效长度为导线两端点连线的长度．
(2)闭合导线的有效长度为零，安培力也为零．
【变式2】 如图3－4－8所示在匀强磁场中有下列各种形状的通电导线，电流为I，磁感应强度为B，求各导线所受的安培力．
【典例3】 一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合，当两线圈通以如图3－4－9所示的电流时，从左向右看，则线圈L1将( )．
A．不动
B．顺时针转动
C．逆时针转动
D．向纸面内平动
解析 法一 利用结论法．
环形电流L1、L2之间不平行，则必有相对转动，直到两环形电流同向平行为止，据此可得L1的转动方向应是：从左向右看线圈L1顺时针转动．
法二 等效分析法．
把线圈L1等效为小磁针，该小磁针刚好处于环形电流I2的中心，通电后，小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向，由安培定则知I2产生的磁场方向在其中心竖直向上，而L1等效成小磁针后转动前，N极应指向纸里，因此应由向纸里转为向上，所以从左向右看，线圈L1顺时针转动．
法三 直线电流元法．
把线圈L1沿转动轴分成上下两部分，每一部分又可以看成无数直线电流元，电流元处在L2产生的磁场中，据安培定则可知各电流元所在处磁场方向向上，据左手定则可得，上部电流元所受安培力均指向纸外，下部电流元所受安培力均指向纸里，因此从左向右看线圈L1顺时针转动．故正确答案为B.
答案 B
借题发挥 电流在非匀强磁场中受力运动的判断
不管是电流还是磁体，对通电导线的作用都是通过磁场来实现的，因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况，然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动．
【变式3】如图3－4－10所示，均匀绕制的螺线管水平放置，在其正中心的上方附近用绝缘线水平吊起通电直导线A.A与螺线管垂直，A导线中电流的方向垂直于纸面向里，电键S闭合后，A受到通电螺线管磁场的作用力的方向是( )．
A．水平向左
B．水平向右
C．竖直向下
D．竖直向上
解析 由安培定则判定通电螺线管上方磁场方向水平向右，再由左手定则判定通电直导线所受安培力的方向是竖直向下，C对．
答案 C
【典例4】 如图3－4－11所示，在与水平方向夹角为60°的光滑金属导轨间有一电源，在相距1 m的平行导轨上放一质量为m＝0.3 kg的金属棒ab，通以从b→a，I＝3 A的电流，磁场方向竖直向上，这时金属棒恰好静止．求：(1)匀强磁场磁感应强度的大小；(2)ab棒对导轨压力的大小．(g＝10 m/s2)
解析 此类问题是关于安培力的综合问题，处理此问题仍需沿用力学思路和方法，只不过多考虑一个安培力而已．画出导体棒的受力分析图，一般先画出侧视图，再利用共点力平衡条件求解此问题．
金属棒ab中电流方向由b→a，它所受安培力水平向右，它还受竖直向下的重力，垂直于斜面向上的支持力，三力合力为零，由此可以求出安培力，从而求出磁感应强度B.再求出ab对导轨的压力．
答案 (1)1.73 T (2)6 N
借题发挥 有些同学在处理此类问题时常常感到比较困难，原因是空间观念不强，对磁场方向、电流方向、安培力方向的关系分辨不清，这时可由立体图画出正视图、侧视图或俯视图，则三者之间的关系就一目了然了．例如本题画出侧视图，不但磁感应强度、电流、安培力三者方向关系确定了，安培力、重力、支持力的关系也清楚了．
解析 根据电流方向和所给定磁场方向的关系，可以确定通电导线所受安培力分别如图所示．
安培力的大小
1．如图3－4－13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．导线段abcd所受到的磁场的作用力的合力( )．
判断通电导体在磁场中的运动
2．直导线AB与圆线圈的平面垂直且隔有一小段距离，直导线固定，线圈可以自由运动．当通有如图3－4－14所示的电流时(同时通电)，从左向右看，线圈将( )．
A．顺时针转动，同时靠近直导线AB
B．顺时针转动，同时离开直导线AB
C．逆时针转动，同时靠近直导线AB
D．不动
解析 先用安培定则判断出导线AB右侧的磁场方向向里，因此，线圈内侧受力向下，外侧受力向上，从左向右看应逆时针方向转动；在转动过程中，AB与线圈左侧吸引，与线圈右侧排斥，由于线圈左侧离AB较近，则引力大于斥力，所以线圈靠近导线AB.故选项C正确．
答案 C
通电导线在磁场中受到的力
目标
1．观察安培力方向与哪些因素有关的实验，记录实验现象并得出相关结论．知道安培力的方向与电流、磁感应强度的方向都垂直，会用左手定则判断安培力的方向．
2．推导匀强磁场中安培力的表达式，计算匀强磁场中安培力的大小．
3．知道磁电式电流表的基本构造以及运用它测量电流大小和方向的基本原理．
一、安培力的方向
1．安培力：通电导线在 中受的力．
2．决定安培力方向的因素：
(1) 方向；(2) 方向．
3．左手定则：如图3－4－1所示，伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且拇指与手掌在同一平面内．让磁感线从 进入并使四指指向 ，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．
磁场
磁场
电流
掌心
电流的方向
4．安培力的特点
与电流方向、磁感应强度的方向都 ．即安培力F 于B和I决定的平面．
二、安培力的大小
同一通电导线，按不同方式放在同一磁场中，受力情况不同，如图3－4－2所示．
垂直
垂直
1．如图甲，通电导线与磁场方向垂直，此时安培力最大，F＝ .
2．如图乙，通电导线与磁场方向平行，此时安培力最小，F＝ .
3．如图丙，通电导线与磁场方向成θ角，可以把磁感应强度B分解为与导线垂直的分量B⊥和与导线平行的分量B∥，如图丁所示．则有B⊥＝Bsin θ，B∥＝Bcos θ，其中B∥不产生安培力，导线受的安培力只是B⊥产生的，因此又得到F＝ ，这是一般情况下安培力的表达式．
ILB
0
ILBsinθ
三、磁电式电流表
1．原理：通电线圈在磁场中受到 而偏转．线圈偏转的角度越大，被测电流就 ．根据线圈 ，可以知道被测电流的方向．
2．构造： 、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴．
安培力
越大
偏转的方向
磁铁
3．特点：两极间的极靴极化靴中间的铁质圆柱，使极靴与圆柱间的磁场都沿 方向，保持线圈转动时，安培力的大小不受磁场影响，电流所受安培力的方向总与线圈平面垂直．使线圈平面都与磁场方向 ，使表盘刻度均匀，如图3－4－3所示．
4．优点：灵敏度高，可以测出 的电流．
缺点：线圈导线很细，允许通过的电流很弱．
半径
平行
很弱
一、安培力的方向判定
1．判断安培力方向的方法：左手定则
2．判定安培力的方向应注意的问题
(1)安培力的方向总是既与磁场方向垂直，又与电流方向垂直，也就是说安培力的方向总是垂直于磁场和电流所决定的平面．所以判断时要首先确定磁场与电流所确定的平面，从而判断出安培力的方向在哪一条直线上，然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向．
(2)当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直电流与磁场所决定的平面，所以仍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，而是斜穿过手心．
(3)安培力的大小与静电力大小的不同
①电荷在电场中某一点受到的静电力是一定的，方向与该点的电场方向要么相同，要么相反．电流在磁场中某处受到的磁场力，与电流在磁场中放置的方向有关，电流方向与磁场方向平行时，电流受的安培力最小，等于零；
②电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于BIL.一般情况下的安培力大于零，小于BIL，安培力的方向均与磁场方向垂直．
二、安培力的大小计算
1．公式F＝ILB中L指的是导线在磁场中且垂直于磁场方向的“有效长度”．即导线在磁场中在垂直于磁场方向投影的长度．
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3－4－4)；相应的电流沿L由始端流向末端．
3．电荷在电场中所受电场力与电流在磁场中所受安培力比较：电荷在电场中一定会受到电场力的作用，但是电流在磁场中不一定受安培力的作用，安培力的大小与电流和磁场的大小以及电流方向与磁场方向间的关系有关，当两者平行时，不受安培力作用．
三、磁电式电流表工作原理
常用电流表的构造如图3－4－5甲所示．在很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯的外面套着一个可以绕轴转动的铝框，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针，线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流就是经过这两个弹簧通过线圈的电流．
【典例1】 如图3－4－6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垂直于纸面向外运动，可以( )．
A．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
解析 本题主要考查两个方面知识：电流的磁场和左手定则．要求直杆MN垂直于纸面向外运动，把直杆所在处的磁场方向和直杆中电流画出来，得A、B正确．若使a、c两端(或b、d两端)的电势相对于另一端b、d(或a、c)的电势的高低做同步变化，线圈磁场与电流方向的关系跟上述两种情况一样，故D也正确．
答案 ABD
借题发挥 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，而左手定则是用左手判断电流的受力情况．
【变式1】 画出图中各磁场对通电导线的安培力的方向．
解析 无论B、I是否垂直，安培力总是垂直于B与I决定的平面，且满足左手定则．
答案 如图所示
【典例2】 如图3－4－7所示，导线abc为垂直折线，其中电流为I，ab＝bc＝L.导线所在的平面与匀强磁场垂直，匀强磁场的磁感应强度为B.求导线abc所受安培力的大小和方向．
解析 法一
法二
借题发挥 (1)导体的有效长度为导线两端点连线的长度．
(2)闭合导线的有效长度为零，安培力也为零．
【变式2】 如图3－4－8所示在匀强磁场中有下列各种形状的通电导线，电流为I，磁感应强度为B，求各导线所受的安培力．
【典例3】 一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合，当两线圈通以如图3－4－9所示的电流时，从左向右看，则线圈L1将( )．
A．不动
B．顺时针转动
C．逆时针转动
D．向纸面内平动
解析 法一 利用结论法．
环形电流L1、L2之间不平行，则必有相对转动，直到两环形电流同向平行为止，据此可得L1的转动方向应是：从左向右看线圈L1顺时针转动．
法二 等效分析法．
把线圈L1等效为小磁针，该小磁针刚好处于环形电流I2的中心，通电后，小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向，由安培定则知I2产生的磁场方向在其中心竖直向上，而L1等效成小磁针后转动前，N极应指向纸里，因此应由向纸里转为向上，所以从左向右看，线圈L1顺时针转动．
法三 直线电流元法．
把线圈L1沿转动轴分成上下两部分，每一部分又可以看成无数直线电流元，电流元处在L2产生的磁场中，据安培定则可知各电流元所在处磁场方向向上，据左手定则可得，上部电流元所受安培力均指向纸外，下部电流元所受安培力均指向纸里，因此从左向右看线圈L1顺时针转动．故正确答案为B.
答案 B
借题发挥 电流在非匀强磁场中受力运动的判断
不管是电流还是磁体，对通电导线的作用都是通过磁场来实现的，因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况，然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动．
【变式3】如图3－4－10所示，均匀绕制的螺线管水平放置，在其正中心的上方附近用绝缘线水平吊起通电直导线A.A与螺线管垂直，A导线中电流的方向垂直于纸面向里，电键S闭合后，A受到通电螺线管磁场的作用力的方向是( )．
A．水平向左
B．水平向右
C．竖直向下
D．竖直向上
解析 由安培定则判定通电螺线管上方磁场方向水平向右，再由左手定则判定通电直导线所受安培力的方向是竖直向下，C对．
答案 C
【典例4】 如图3－4－11所示，在与水平方向夹角为60°的光滑金属导轨间有一电源，在相距1 m的平行导轨上放一质量为m＝0.3 kg的金属棒ab，通以从b→a，I＝3 A的电流，磁场方向竖直向上，这时金属棒恰好静止．求：(1)匀强磁场磁感应强度的大小；(2)ab棒对导轨压力的大小．(g＝10 m/s2)
解析 此类问题是关于安培力的综合问题，处理此问题仍需沿用力学思路和方法，只不过多考虑一个安培力而已．画出导体棒的受力分析图，一般先画出侧视图，再利用共点力平衡条件求解此问题．
金属棒ab中电流方向由b→a，它所受安培力水平向右，它还受竖直向下的重力，垂直于斜面向上的支持力，三力合力为零，由此可以求出安培力，从而求出磁感应强度B.再求出ab对导轨的压力．
答案 (1)1.73 T (2)6 N
借题发挥 有些同学在处理此类问题时常常感到比较困难，原因是空间观念不强，对磁场方向、电流方向、安培力方向的关系分辨不清，这时可由立体图画出正视图、侧视图或俯视图，则三者之间的关系就一目了然了．例如本题画出侧视图，不但磁感应强度、电流、安培力三者方向关系确定了，安培力、重力、支持力的关系也清楚了．
解析 根据电流方向和所给定磁场方向的关系，可以确定通电导线所受安培力分别如图所示．
安培力的大小
1．如图3－4－13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．导线段abcd所受到的磁场的作用力的合力( )．
判断通电导体在磁场中的运动
2．直导线AB与圆线圈的平面垂直且隔有一小段距离，直导线固定，线圈可以自由运动．当通有如图3－4－14所示的电流时(同时通电)，从左向右看，线圈将( )．
A．顺时针转动，同时靠近直导线AB
B．顺时针转动，同时离开直导线AB
C．逆时针转动，同时靠近直导线AB
D．不动
解析 先用安培定则判断出导线AB右侧的磁场方向向里，因此，线圈内侧受力向下，外侧受力向上，从左向右看应逆时针方向转动；在转动过程中，AB与线圈左侧吸引，与线圈右侧排斥，由于线圈左侧离AB较近，则引力大于斥力，所以线圈靠近导线AB.故选项C正确．
答案 C