《学霸笔记 同步精讲》第1章 磁场对电流的作用 2.安培力的应用（课件）高中物理教科版选择性必修2

(共36张PPT)
2.安培力的应用
第一章
2026
课 标 定 位
1.了解直流电动机的构造和工作原理。
2.了解电磁炮、磁电式电流表的工作原理。
3.会判断安培力作用下导体的运动方向。
素 养 阐 释
1.通过了解直流电动机、电磁炮、磁电式电流表的工作原理,形成科学思维。
2.通过分析导体的运动方向,培养探究能力。
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
一、直流电动机
1.电动机是将电能转化为机械能的装置。
2.构造:下图是一个直流电动机的工作模型,由磁场(磁体)、转动线圈、滑环(两个半圆环A与B)、电刷等组成。
3.工作原理
当电流由半圆环A流入时,则从B流出;当电流由B流入时,则从A流出。因此,滑环在其中起了一个换向器的作用。当线圈通电后,由于受到安培力的作用,线圈在磁场中旋转起来,并且每转半圈,线圈内电流方向就变换一次,从而可以连续转动。
二、电磁炮
1.电磁炮,也叫作轨道炮,是利用电磁系统中的安培力发射弹丸的一种先进的动能杀伤性武器。
2.优点:发射稳定性好,初速度大,射程远,射击精度高。
三、磁电式电流表
1.原理:利用通电线圈在磁场中受到安培力作用的原理制成的。
2.构造:永磁体、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴。
3.特点:辐向磁场沿半径方向,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。线圈平面与磁场方向平行,如图所示。
4.优缺点:灵敏度高,可以测出很弱的电流;对过载很敏感,容易烧坏电表。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)电动机转动方向与电流方向无关。(　　)
(2)电磁炮是靠火药的燃烧推进的。(　　)
(3)磁电式电流表通电线圈中的电流越大,电流表指针偏转角度也越大。(　　)
(4)磁电式电流表在线圈转动的范围内,各处的磁场都是匀强磁场。(　　)
×
×
√
×
2.直流电动机中,把滑环设计成由两个半圆环A、B组成,有什么作用
提示:把滑环分成两个半圆环A与B,当电流由A流入时,则从B流出;当电流由B流入时,则从A流出。因此,滑环在其中起了一个换向器的作用。
3.磁电式电流表表盘的刻度为什么是均匀的
提示:因为磁电式电流表两磁极间装有极靴。极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向,线圈无论转到什么位置,它的平面都跟磁感线平行,所以表盘的刻度是均匀的。
合作探究·释疑解惑
知识点一
磁电式电流表
【问题引领】
对于磁电式电流表,我们根据指针偏转角度的大小可以知道被测电流的强弱,这是因为磁场对电流的作用力跟电流成正比,因而线圈中的电流越大,安培力的转动作用也越大,线圈和指针偏转的角度也就越大。
【归纳提升】
1.工作原理:下图是线圈在磁场中受力的示意图。当电流通过线圈时,导线受到安培力的作用,由左手定则知,线圈左右两边所受的安培力的方向相反,于是架在轴上的线圈就要转动,通过转轴收紧螺旋弹簧使其变形,反抗线圈的转动,电流越大,安培力就越大,螺旋弹簧的形变也就越大,所以,从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小。线圈中的电流方向改变时,安培力的方向随着改变,指针的偏转方向也随着改变。所以,根据指针的偏转方向,可以知道被测电流的方向。
2.磁电式电流表内是均匀辐射磁场,不是匀强磁场。
【典型例题】
【例题1】 图(a)是磁电式电流表的结构示意图,极靴和铁芯间的磁场均匀辐向分布,如图(b)所示,边长为L的正方形线圈中通以电流I,线圈中的a导线中电流的方向垂直纸面向外,b导线中电流的方向垂直纸面向里,a、b两条导线所在处的磁感应强度大小均为B,则(　　)
A.该磁场是匀强磁场
B.该线圈的磁通量为BL2
C.a导线受到的安培力方向向下
D.b导线受到的安培力大小为BIL
D
解析:该磁场明显不是匀强磁场,匀强磁场应该是一系列平行的磁感线,方向相同,故A错误。线圈与磁感线平行,故磁通量为零,故B错误。a导线中电流的方向向外,磁场向右,根据左手定则判断知,安培力向上,故C错误。导线b始终与磁感线垂直,故受到的安培力大小一直为BIL,故D正确。
【变式训练1】 关于磁电式电流表内的永磁体和铁芯之间的均匀辐向分布的磁场,下列说法正确的是(　　)
A.该磁场的磁感应强度大小处处相等,方向相同
B.该磁场的磁感应强度的方向处处相同,大小不等
C.使线圈平面始终与磁感线平行
D.线圈所处位置的磁感应强度大小不等
C
解析:两磁极之间装有极靴,极靴中间又有一个铁质圆柱,极靴与铁质圆柱之间有一不大的缝隙,根据磁感线与磁极表面垂直的特点,磁化了的铁质圆柱与极靴间的缝隙处就形成了辐向分布的磁场。这样做的目的就是让通电线圈所在处能有一个等大的磁场,并且磁感线始终与线圈平面平行。故C正确。
【问题引领】
知识点二
安培力作用下导体运动方向的判断
如图所示,把一个可绕固定转轴OO'转动的线圈abcd放入匀强磁场中,线圈平面平行于磁场方向。给线圈通以如图方向的恒定电流后,线圈将如何运动
提示:从上向下看,绕OO'轴顺时针转动180°后,反向转动180°,之后按此来回转动。
【归纳提升】
1.判断导体在磁场中运动情况的常规思路
(1)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。
(2)结合左手定则准确判断导线所受安培力的方向。
(3)由导体的受力情况判定导体的运动方向。
2.分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法
电流 元法 把整段导线分为多段电流元,先用左手定则判断每段电流元所受安培力的方向,然后判断整段导线所受安培力的方向,从而确定导线运动方向
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),然后根据磁体间或电流间的作用规律判断
特殊位置法 通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置,判断其所受安培力的方向,从而确定其运动方向
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,反向电流互相排斥;不平行的两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反作用力,从而确定磁体所受合力及其运动方向
【典型例题】
【例题2】 如图所示,两条导线相互垂直,但相隔一段距离。其中AB固定,CD能自由活动,当电流按图示方向通入两条导线时,导线CD将(从纸外向纸里看)(　　)
A.顺时针方向转动同时靠近导线AB
B.逆时针方向转动同时离开导线AB
C.顺时针方向转动同时离开导线AB
D.逆时针方向转动同时靠近导线AB
D
解析:(1)根据电流元分析法,把导线CD等效成CO、OD两段导线。由安培定则画出CO、OD所在位置由AB导线中电流所产生的磁场方向,由左手定则可判断CO、OD受力如图(a)所示,可见导线CD逆时针转动。
(a)
(2)由特殊位置分析法,让CD逆时针转动90°,如图(b)所示,并画出CD此时所在位置,由AB导线中电流所产生的磁场的磁感线分布,据左手定则可判断CD受力垂直于纸面向里,可见导线CD靠近导线AB,故选项D正确。
(b)
科学思维
不管是通电导体还是磁体,对另一通电导体的作用都是通过磁场来实现的。因此,必须先画出导体所在位置的磁感线方向,然后用左手定则判断导体所受安培力的方向进而再判断将要发生的运动。
【变式训练2】 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
B
B
B
解析:法一:利用结论法
环形电流I1、I2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,据此可得线圈L1的转动方向应是从左向右看顺时针转动。
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。由安培定则知线圈L2产生的磁场方向在其内部为竖直向上,线圈L1等效成小磁针后转动前,N极指向纸内,因此应由向纸内转为向上。所以从左向右看,线圈L1顺时针转动。
B
法三:直线电流元法
把线圈L1沿转动轴分成上下两部分,第一部分又可以看成无数直线电流元,电流元处在线圈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,由左手定则可知,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内,因此从左向右看线圈L1顺时针转动。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(直流电动机的原理)下图是直流电动机的模型,闭合开关后线圈顺时针转动。现要线圈逆时针转动,下列方法可行的是(　　)
A.只改变电流方向
B.只改变电流大小
C.换用磁性更强的磁体
D.对换磁极同时改变电流方向
A
解析:直流电动机的转动方向与线圈中的电流方向和磁场方向有关,若使通入直流电动机的电流方向改变或磁场的方向改变,它的转动方向将改变。但是如果同时改变电流的方向和磁场的方向,线圈的转动方向将不变。
2.(磁电式电流表)图(a)是磁电式电流表的结构图,图(b)是磁极间的磁场分布图,以下选项错误的是(　　)
A.指针稳定后,线圈受到的螺旋弹簧的力的方向与线圈受到的安培力的方向是相反的
B.通电线圈中的电流越大,电流表指针偏转的角度也越大
C.在线圈转动的范围内,各处的磁场都是匀强磁场
D.在线圈转动的范围内,线圈所受的安培力与电流有关,而与所处位置无关
(a)
(b)
C
解析:指针稳定时,线圈受到的螺旋弹簧的力与线圈受到的安培力使线圈达到平衡,故A正确。磁电式电流表极靴与铁芯间的磁场是均匀辐向分布的,不管线圈转动什么角度,它的平面都跟磁感线平行,均匀辐向分布的磁场特点是在线圈转动的范围内,大小相等、方向不同,故C错误,D正确。电流越大,电流表指针偏转的角度也越大,故B正确。
3.(安培力作用下的物体运动方向判断)如图所示,把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁体N极附近,磁体的轴线穿过线圈的圆心且垂直线圈平面。当线圈内通以图示方向的电流(从右向左看沿逆时针方向)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
A
解析:将环形电流等效成小磁针,如图所示,根据异名
磁极相吸引知,线圈将向左运动,也可将左侧条形磁
铁等效成环形电流,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,选项A正确。
4.(电磁炮的原理)如图(a)所示,电磁炮是一种新型的武器,其射程甚至可达数百公里,远远超过常规炮弹。它的主要原理如图(b)所示,当弹体中通以强电流时,弹体在强大的磁场力作用下加速前进,最后从炮口高速射出。设两轨道间距离为d=0.10 m,匀强磁场的磁感应强度为B=40 T,电流恒定,I=2 000 A,轨道长度为L=20 m,炮弹的质量为m=20 g,忽略一切阻力。求:
(a)
(b)
(1)弹体的加速度大小;
(2)弹体最终获得的速度大小;
(3)磁场力对弹体的最大功率。
答案:(1)4×105 m/s2　(2)4×103 m/s　(3)3.2×107 W
解析:(1)根据安培力公式得F=BId
根据牛顿第二定律得F=ma
联立解得a=4×105 m/s2。
(2)根据动能定理得FL=mv2
解得v=4×103 m/s。
(3)根据瞬时功率公式得P=Fv=3.2×107 W。