6.1 探究磁场对电流的作用 教案 (5)

6.1
探究磁场对电流的作用
教案
一、教学目标
1．理解磁感应强度的定义，知道的单位是特斯拉．
2．会用磁感应强度的定义式进行有关计算．
3．知道用磁感线的疏密程度可以形象地表示磁感应强度的大小．
4．知道什么叫匀强磁场，知道匀强磁场的磁感线是分布均匀的平行直线．
5．知道什么是安培力．知道电流方向与磁场方向平行时，电流所受的安培力最小，等于零；电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于．
6．会用公式解答有关问题．
7．知道左手定则的内容，并会用它解答有关问题．
二、重点难点
重点：对磁感应强度的理解．安培力大小的计算和方向判断．
难点：理解磁感应强度的概念．磁场方向、电流方向和安培力方向三者的关系。
三、教与学
教学过程：
磁场不仅具有方向性，而且各处的强弱也可能不同，靠近磁极或电流处的磁场较强，为了反映磁场的基本特性（具有力的性质），反映磁场不仅具有方向而且还有强弱，我们将引入一个叫做磁感应强度的物理量加以定量地描述
（一）磁感应强度
1．磁场对电流的作用
【演示】利用控制变量法来演示通电的直导线在蹄形磁铁间的磁场（可以认为磁场是均匀的）中的受力跟哪些因素有关．
（1）与电流的大小有关，精确实验表明．
（2）与通电导线在磁场中的长度有关，精确实验表明
（3）与通电导线在磁场中放置的方向有关，导线与磁场间的夹角越接近90°，F越大，当通电导线平行磁场放置时，；当通电导线垂直磁场放置时，F最大．
归纳可得：在保持电流方向与磁场方向垂直时，通电导线所受的磁场对它的作用力——安培力．
2．磁感应强度概念的引入
（1）在同一磁场中的某处，不管电流I、导线长度L怎样变．但导线所受的安培力F跟IL的比值保持不变，对不同的磁场或磁场中的不同处，这一比值一般是不同的．
（2）比值与放入的通电导线无关，反映了磁场本身的特性（力的性质），为了反映这一特性我们引入物理量磁感应强度B．
3．磁感应强度B
定义：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的安培力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值，叫做磁感应强度．
（电流与磁场垂直）
（引导学生将和作比较）
（1）磁感应强度是反映磁场本身特性的物理量，跟磁场中是否存在通电导线无关．
（2）B的大小表示磁场的强弱，B越大表示磁场越强．
（3）单位：在国际单位制中是特斯拉，简称特，符号是T．1T＝1N/A·m．
（4）B是矢量
为了让B不仅能反映磁场的强弱，还能反映磁场具有方向性，我们把磁场中某一点的磁场方向定义为该点的磁感应强度的方向．
这样磁感应强度B这一矢量就全面地反映了磁场的强弱和方向．
（5）几个常见磁场B的大约值：
地面附近的磁场：
永磁铁磁极附近的磁场：
工作的电机和变压器铁芯中的磁场：
4．磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小，磁感线越密的地方表示磁感强度越大．
5．匀强磁场：磁感应强度的大小和方向处处相同的磁场．
（1）匀强磁场的实例：相距很近的两平行的异名磁极间的磁场；通电的长直螺线管内部（边缘部分除外）的磁场．
（2）匀强磁场的磁感线分布是一组等间隔的平行线．
（二）安培力
磁场对电流的作用力通常称为安培力
1．安培力的大小
由可得：安培力大小。
（1）适用条件：通电导线与磁场方向垂直
（2）B对于放入的通电导线来说是外磁场的磁感应强度
（3）在非匀强磁场中，公式仅适用于很短一段通电导线．
在通电导线平行于磁场方向时，安培力
2．安培力的方向
【演示】安培力的方向与电流方向、磁场方向均有关．
（1）安培力的方向：既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直，即安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面．
讨论：F既垂直于B，又垂直于I，是否可以得出B和I一定垂直？
（2）安培力方向的判定：左手定则．
伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，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．
注意：安培力方向的判断跟电场力方向的判断不同．
【例1】关于磁感应强度，下列说法正确的是（）
A．由可知：磁场中某处的磁感应强度大小随通电导线中电流I的减小而增大
B．由可知：磁场中某处的磁感应强度大小随通电导线所受的磁场力F的增大而增大
C．通电导线所受的磁场力为零，该处的磁感应强度不一定为零
D．放置在磁场中1m长的通电导线，通过1A的电流，受到的安培力为1N，则该处的磁感应强度就是1T
【解析】磁感应强度是反映磁场本身力的特性的物理量，与是否存在通电导线，电流的大小，导线的长度，导线的放置方向均无关．通电导线在磁场中垂直磁场放置时所受的安培力最大，平行磁场放置时所受的安培力最小，等于零．
正确选项为C．
【例2】如图所示，一根通电直导线垂直放在磁感应强度为1T的匀强磁场中，以导线截面的中心为圆心，半径为r的圆周上有a、b、c、d四个点．已知a点的实际磁感应强度为零，则下列叙述正确的是（）
A．直导线中的电流方向垂直纸面向里
B．b点的实际磁感应强度为T，方向斜向上，与B的夹角为45°
C．c点的实际磁感应强度也为零
D．d点的实际磁感应强度跟b点的相同
【解析】磁感应强度是矢量，合成时遵循平行四边形定则：
a点的实际磁感应强度为零，是直线电流在a处的磁感应强度跟匀强磁场在该处的磁感应强度的矢量和为零，所以直线电流在a处的T，方向向左，由安培定则可得直导线中的电流方向垂直纸面向里，由于圆周上各点到直导线的距离相同，所以直线电流在圆周上各处的磁感应强度大小均为1T，但方向不同，在b处向上，在c处向右，在d处向下．b、c、d三处的实际磁感应强度分别为T．方向斜向右上方与B成45°夹角；2T方向向右；T方向斜向右下方与B成45°夹角．
正确选项为AB
【例3】如图所示，垂直折线abc中通入电流I，，折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abc折线受到的安培力大小和方向．
【解析】ab段所受的安培力大小为BIL，方向向右，bc段所受的安培力大小也为BIL，方向向上，所以这一折线所受的安培力大小为，方向沿ab和bc的角平分线向上．
abc受到的安培力可等效于ac（图中的虚线，通有a到c的电流I）所受的安培力，这样直接可得方向按左手定则判断得垂直于ac向上．
【例4】质量为m，长度为L的导体棒MN静止于水平导轨上，通过NM的电流为I，匀强磁场的磁感应强度为B，方向与导轨平面成角斜向下，如图（a）所示，求棒MN所受的支持力和摩擦力．
（a）
【解析】求解此题时最容易误把角看成是导体棒与磁场之间的夹角，实际上尽管磁感线倾斜，但磁场方向与导体棒MN是垂直的．
正视题图，由左手定则判断出安培力方向，对MN受力分析，如图（b）所示．
（b）
对导体棒MN，由平衡条件得：
水平方向
竖直方向
安培力，所以MN所受的支持力，所受的摩擦力
【小结】磁感应强度B是描写磁场强弱和方向的物理量，（I垂直于磁场），方向规定为该处的磁场方向，安培力大小．方向由左手定则判定．