教科版高中物理选择性必修第二册第一章磁场对电流的作用第2节安培力的应用课件(50页PPT)

(共50张PPT)
[学习目标]
1.能用安培力解释一些物理现象，了解安培力在生产生活中的应用。
2.了解直流电动机、电磁炮、磁电式电流表的工作原理。
1.直流电动机的组成
直流电动机由磁场(磁体)、转动_____、滑环、____等组成，由直流电源供电，工作模型如图所示。
线圈
电刷
2.直流电动机的工作原理
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____方向就变换一次，从而可以连续转动。
3.电动机的能量转化
实际应用中既有直流电动机，也有交流电动机，虽然它们有多种形式，结构各不相同，但都是利用______做功把电能转化为机械能。
电流
安培力
[思考探究]
直流电动机滑环的作用是什么？
提示　滑环分成两个相互绝缘的半圆环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。
[例1]　(多选)某同学自制的简易电动机示意图如图所示。矩形线圈由一根漆包线绕制而成，漆包线的两端分别从线圈的一组对边的中间位置引出，并作为线圈的转轴。将线圈架在两个金属支架之间，线圈平面位于竖直面内，永磁体置于线圈下方。为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来，该同学应将(　　)
AD
A.左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉
B.左、右转轴上、下两侧的绝缘漆都刮掉
C.左转轴上侧的绝缘漆刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉
D.左转轴上、下两侧的绝缘漆都刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉
解析　为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来，若将左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉，这样当线圈在题图所示位置时，线圈的上、下边受水平方向的安培力而转动，由于惯性，转过一周后再次受到同样的安培力而使其转动，选项A正确；若将左、右转轴上、下两侧的绝缘漆都刮掉，则当线圈在题图所示位置时，线圈的上、下边受水平方向的安培力而转动，转过半周后仍受到安培力而使其来回摆动，选项B错误；若将左转轴上侧的绝缘漆刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉，电路不能接通，选项C错误；若将左转轴上、下两侧的绝缘漆都刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉，这样当线圈在题图所示位置时，线圈的上、下边受水平方向的安培力而转动，转过半周后电路不导通，由于惯性，线圈回到竖直平面，此时线圈再次受到同样的安培力而使其转动，选项D正确。
1.电磁炮
也叫作轨道炮，是利用电磁系统中的____力发射弹丸的一种先进的动能杀伤性武器，分为电磁轨道炮、电磁线圈炮和重接炮三类。
安培
2.电磁炮的原理
如图所示是电磁轨道炮发射的基本原理图，其中两条平行的金属导轨A和B充当传统火炮的炮管，弹丸放置在两导轨间，它与两导轨间接触良好且摩擦很小。当两导轨接入电源时，强大的电流I从导轨A流入，经弹丸从另一导轨B流回，两导轨中的强电流在两导轨间产生强磁场，弹丸在安培力作用下以很大的加速度做加速运动，最终高速发射出去。
3.电磁炮的优点
(1)没有圆形炮管，弹丸体积小，重量轻，方便携带。
(2)飞行时的空气阻力很小，发射稳定性好，初速度大，射程__，精度__。
(3)安全隐患小。
远
高
[思考探究]
电磁炮基本原理如图所示，抛射体可沿平行轨道自由移动，并与轨道保持良好的电接触。电流从一条轨道流入，通过导电的抛射体后从另一条轨道流回。轨道电流可在抛射体处形成近似垂直于轨道面的磁场，磁感应强度的大小与电流成正比。抛射体在轨道上受到安培力的作用而沿导轨加速射出。如欲使抛射体的出射速度增加，理论上可采用哪些办法？
提示　增大电流或者增加导轨的长度。
[例2]　电磁轨道炮发射的基本原理如图所示，水平地面上两条平行的金属导轨A和导轨B充当炮管，弹丸放置在两导轨之间，当强大的电流I流过弹丸时，弹丸获得加速度，最终高速发射出去，下列说法正确的是(　　)
D
A.导轨之间的磁场方向可能竖直向下
B.导轨之间的磁场方向可能水平向右
C.电磁炮的本质是一种大功率型发电机
D.若要增大发射速度，可增大流过弹丸的电流
解析　根据安培定则可知，两导轨中的强电流(如题图)在导轨之间产生的磁场方向竖直向上，故A、B错误；电磁炮的本质是电磁发射技术，不是大功率的发电机，故C错误；增大流过弹丸的电流，安培力将增大，根据牛顿第二定律知，弹丸获得的加速度增大，在其他条件不变的情况下，发射速度增大，故D正确。
[例3]　电磁弹射技术原理简化图如图甲，飞机钩在滑杆上，储能装置通过导轨和滑杆放电，产生的强电流恒为4 000 A，导轨激发的磁场在两导轨间近似为匀强磁场，磁感应强度大小为B＝10 T，在磁场力和飞机发动机推力作用下，滑杆和飞机由静止开始向右加速，在导轨末端飞机与滑杆脱离。导轨长120 m、间距为3 m。飞机质量为2.0×104 kg，在导轨上运动时所受阻力恒为飞机重力的0.1倍，假设刚开始时发动机已达额定功率，为4×106 W。飞机在导轨末端所受竖直升力与水平速度的关系为F＝kv(k＝4 000 kg/s)。图乙是在一次弹射过程中，记录的飞机在导轨各个位置上的速度。滑杆的质量忽略，g取10 m/s2。
(1)求飞机在导轨上运动到30 m处的加速度大小；
(2)如果飞机在导轨末端刚好达到起飞条件，求飞机在导轨上运动的时间。
答案　(1)10 m/s2　(2)3.25 s
1.磁电式电流表的结构(如图甲所示)
相等
2.辐向磁场：磁场内同一圆周上的任何位置，磁感应强度的大小都____，方向总是沿____方向，如图乙所示。
半径
3.工作原理
(1)在未通入电流时，线圈静止在平衡位置，这时指针应停在刻度盘的零刻度线处(如果有偏差，可以通过机械调零螺旋来调节)。
(2)当有待测电流通过线圈时，磁场就对线圈产生安培力，使它偏转。线圈偏转时，游丝发生形变，产生的弹力，阻止线圈继续偏转，线圈偏转的角度越大，游丝的形变越厉害，弹力就越大，当弹力和安培力的作用使线圈达到平衡时，指针所指的位置就反映出待测电流的大小。
(3)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。
4.优缺点
(1)优点：灵敏度高，可以测出很弱的电流。
(2)缺点：线圈的导线很细，允许通过的电流很弱(几十微安到几毫安)，如果通过的电流超过允许值，则很容易烧坏电流表。如果要用它测量较大的电流，需根据电表改装方法扩大其量程。
[思考探究]
结合磁电式电流表的工作原理，若要提高磁电式电流表的灵敏度，有哪些方法？
提示　要提高磁电式电流表的灵敏度，就要使在相同电流下线圈所受的安培力增大，可通过增加线圈的匝数、增大永磁体的磁感应强度、增加线圈的面积和减小转轴处摩擦等方法实现。
[例4]　(多选)以下关于磁电式电流表的说法正确的是(　　)
A.线圈平面跟磁感线平行
B.通电线圈中的电流越大，指针偏转角度也越大
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，线圈所受安培力与电流有关，而与所处位置无关
ABD
解析　磁电式电流表内磁场是均匀辐向分布的磁场，不管线圈转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，线圈所在各处磁场的磁感应强度大小相等、方向不同，所以安培力与电流大小有关而与所处位置无关，电流越大，安培力越大，指针转过的角度越大，选项A、B、D正确，C错误。
[例5]　实验室使用的电流表是磁电式仪表，这种电流表的构造如图所示。蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布。假设长方形线圈的匝数为n，平行于纸面的边长度为L1，垂直于纸面的边a长度为L2，且垂直于纸面的边所在处磁场的磁感应强度大小为B。当线圈中通入电流I，线圈以角速度ω绕垂直纸面的中心轴OO′转动到水平位置时，下列说法正确的是(　　)
C
1.(直流电动机)如图所示为直流电动机的示意图，当它接通不计内阻的直流电源后，从上往下看去，线圈沿顺时针方向转动。则电源的极性为(　　)
A.A为正极，B为负极
B.B为正极，A为负极
C.没有要求
D.无法判断
解析　磁场方向向右，线圈顺时针转动，根据左手定则可知，线圈中电流方向为由A经线圈流到B，故A为电源正极，B为负极，选项A正确。
A
2.(电磁炮)(多选)如图甲所示是电磁炮发射过程的情境图，在发射过程中，可以简化为炮弹始终处于磁感应强度为B的竖直方向匀强磁场中。不计一切阻力、不考虑炮弹切割磁感线产生的感应电动势。下列说法正确的有(　　)
AC
A.匀强磁场方向为竖直向下
B.发射过程中安培力对炮弹做负功
C.若只增大电流，炮弹飞出速度将增大
D.若调换电源正负极并同时将磁场方向变为反向，则炮弹所受磁场力方向也会反向
解析　根据左手定则可知，匀强磁场方向为竖直向下，故A正确；发射过程中安培力对炮弹做正功，动能增加，故B错误；若只增大电流，则根据F＝BIL可知，安培力变大，则安培力做功变大，加速度变大，则炮弹飞出速度将增大，故C正确；若调换电源正负极并同时将磁场方向变为反向，则炮弹所受磁场力方向不变，故D错误。
3.(磁电式电流表)磁电式电流表的构造如图甲所示，在蹄形磁铁的两极间有一个可以绕轴转动的线圈，转轴上装有螺旋弹簧和指针。蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布，如图乙所示。当电流通过线圈时，线圈在安培力的作用下转动，螺旋弹簧被扭动，线圈停止转动时满足NBIS＝kθ，式中N为线圈的匝数，S为线圈的面积，I为通过线圈的电流，B为磁感应强度，θ为线圈(指针)偏转角，k是与螺旋弹簧有关的常量。不考虑电磁感应现象，由题中的信息可知(　　)
C
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1.(多选)下列关于直流电动机的说法正确的是(　　)
A.安培力使直流电动机转子转动
B.直流电动机是一种将电能转化为机械能的装置
C.直流电动机的换向器的作用是不断改变磁场的方向
D.直流电动机的换向器的作用是不断改变线圈中电流的方向
解析　安培力使直流电动机转子转动，A正确；直流电动机通过安培力做功将电能转化为机械能，B正确；直流电动机的换向器使线圈每转动半圈，线圈中电流的方向改变一次，从而实现线圈的连续转动，C错误，D正确。
ABD
[基础巩固练]
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2.如图甲为市面上常见的一种电动车，图乙为这种电动车的电动机的工作示意图。电动机电路两端电压为10 V，额定功率为200 W，A、B为线圈上的两点。下列选项不正确的是(　　)
B
A.在额定功率下运行时，电动机电路中的电流大小为20 A
B.电刷a接入电路正极，电刷b接入电路负极
C.A点与B点间电流方向在不断变化
D.直流电源可以驱动该电动机正常工作
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解析　电动机的电功率表达式为P＝UI，代入数据解得I＝20 A，A项正确；磁场方向在磁体外部由N极指向S极，由电动机运转方向可知，AB段受力方向向上，再由左手定则可知，电流方向由A指向B，故电刷b接入电路正极，电刷a接入电路负极，B项错误；电动机转过180°后两半铜环所接电刷互换，A、B间电流方向改变，依此类推可知，A点与B点间电流方向不断改变，C项正确；直流电源可以驱动该电动机正常工作，D项正确。
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3.电磁弹射就是采用电磁的能量来推动被弹射的物体向外运动，电磁炮就是利用电磁弹射的原理工作的。电磁炮的原理示意图如图所示，则炮弹导体滑块受到的安培力的方向是(　　)
A.竖直向上 B.竖直向下
C.水平向左 D.水平向右
解析　根据左手定则可知，炮弹导体滑块受到的安培力方向水平向左，C正确。
C
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4.(多选)实验室经常使用的电流表是磁电式电流表，这种电流表的构造如图甲所示。蹄形磁体和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的。若线圈中通以如图乙所示的电流，则下列说法正确的是(　　)
ABD
A.在量程内指针转至任一角度，线圈平面都跟磁感线平行
B.线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线圈转动
C.当线圈在如图乙所示的位置时，b端受到的安培力方向向上
D.当线圈在如图乙所示的位置时，安培力的作用使线圈沿顺时针方向转动
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解析　由于磁场辐向分布，且线圈与铁芯共轴，故线圈平面总是与磁感线平行，故A正确；通有电流时，线圈在安培力的作用下转动，从而使螺旋弹簧发生形变，螺旋弹簧因为形变而产生阻碍线圈转动的力，故B正确；由左手定则知，b端受到的安培力方向向下，a端受到的安培力方向向上，安培力的作用将使线圈沿顺时针方向转动，故C错误，D正确。
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5.(2025·广州市高二期中)如图所示，金属棒ab的质量为m，通过的电流为I，处在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，磁场方向与导轨平面的夹角为θ，ab静止于两根间距为L的水平导轨上且与磁场方向垂直。下列说法正确的是(　　)
C
A.金属棒ab受到的安培力大小F＝BIL sin θ
B.金属棒ab受到的摩擦力大小f＝BIL cos θ
C.若只增大磁感应强度B，则金属棒ab对导轨的压力将增大
D.若只改变电流方向，则金属棒ab对导轨的压力将增大
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解析　根据题意可知，金属棒ab中的电流I的方向与磁感应强度B的方
向垂直，所以金属棒ab受到的安培力大小F＝BIL，故A错误；金属棒
受力分析如图所示，金属棒ab静止，由平衡条件得f＝BIL sin θ，故B
错误；对金属棒ab，由平衡条件得N＝mg＋BIL cos θ，由牛顿第三定
律可知，金属棒ab对导轨的压力大小为N′＝N＝mg＋BIL cos θ，若只增大磁感应强度B，则金属棒ab对导轨的压力N′将增大，故C正确；若只改变电流方向，则金属棒受到的安培力方向反向，由牛顿第三定律可知，金属棒ab对导轨的压力大小变为N″＝mg－BIL cos θ，将减小，故D错误。
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6.音圈电机是一种应用于硬盘、光驱等系统的特殊电动机。如图
是某音圈电机的原理示意图，它由一对正对的磁极和一个方形刚
性线圈构成，线圈边长为L，匝数为n，磁极正对区域内的磁感应
强度方向垂直于线圈平面竖直向下，大小为B，区域外的磁场忽略不计。线圈左边始终在磁场外，右边始终在磁场内，前后两边的磁场内的长度始终相等。某时刻线圈中的电流从P流向Q，大小为I。
(1)求此时线圈所受安培力的大小和方向；
(2)若此时线圈水平向右运动的速度大小为v，求安培力的功率。
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答案　(1)nBIL，方向水平向右　(2)nBILv
解析　(1)由安培力的计算公式F＝BIL及左手定则可知，线圈前、后两边受到的安培力大小相等，方向相反，两力的合力为零；左边不受安培力；右边受到的安培力的方向水平向右，因为线圈所在的平面与磁场的方向垂直，所以线圈所受安培力的大小F＝nBIL。
(2)线圈在安培力的作用下向右运动，根据功率的表达式可得P＝Fv＝nBILv。
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[能力提升练]
7.(多选)将一段裸铜导线弯成如图甲所示形状的线框，使线框上端的弯折位置与一节五号干电池的正极良好接触，一块圆柱形强磁铁(N极在上，S极在下)N极吸附在电池的负极，线框下面的两端P、Q与磁铁表面及电池的负极均保持良好接触，放手后线框就会转动，从而制成了一个“简易电动机”，如图乙所示。关于该“简易电动机”，下列说法正确的是(　　)
BC
A.线框转动是由于受到电场力的作用
B.从上向下看，线框沿顺时针方向转动
C.若其他条件不变，仅将磁铁的磁极调换，则线框转动的
方向将反向
D.若其他条件不变，仅将磁铁的磁极调换，则线框转动的方向将不变
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解析　线框转动是由于受到安培力的作用，选项A错误；在题图乙所示位置，线框左半部分所受安培力的合力方向向里，右半部分所受安培力的合力方向向外，从上向下看，线框沿顺时针方向转动，选项B正确；将磁铁的磁极调换后，磁场方向反向，根据左手定则，安培力方向也反向，故线框转动的方向将反向，选项C正确，选项D错误。
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8.(多选)常导磁吸式磁悬浮列车利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁线圈和铺设在线路导轨上的磁铁，在两者的相互作用下产生的吸引力使车辆浮起，轨道磁铁受列车速度影响，速度大磁性强，轨道磁铁外部磁感应强度随距离增大而减小。车体运行时，通过精确控制车身线圈中的电流I磁，形成稳定的吸引力，使车体与轨道之间始终保持10 mm的悬浮间隙，如图所示。下列选项正确的是(　　)
AB
A.车身悬浮时受到的竖直方向安培力等于重力
B.当悬浮间隙小于10 mm时，应增大电流I磁使之恢复
C.车体满载时悬浮较空载所需的电流I磁较小
D.列车高速运行时更难悬浮
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解析　根据平衡条件可知车身悬浮时受到的安培力大小等于重力，A正确；当悬浮间隙小于10 mm时，应增大电流I磁，从而增大向上的安培力，使之恢复，B正确；车体满载时会使车重增加，要增大安培力稳定悬浮，根据F＝ILB可知，应增大电流，即车体满载时悬浮所需的电流I磁较大，C错误；轨道磁铁受列车速度影响，速度大，磁性强，根据F＝ILB，安培力增大，更容易磁悬浮，D错误。
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9.福建舰是我国完全自主设计建造的第一艘弹射型航空母舰，
采用平直通长飞行甲板，配置电磁弹射和阻拦装置，满载排
水量8万余吨。舰载作战飞机沿平直跑道起飞过程分为两个
阶段：第一阶段是电磁弹射，电磁弹射区的长度为80 m，弹
射原理如图所示，飞机钩在滑杆上，储能装置通过导轨和滑杆放电，产生强电流恒为4 000 A，导轨激发的磁场在两导轨间近似为匀强磁场，磁感应强度B＝10 T，在磁场力和飞机发动机推力作用下，滑杆和飞机从静止开始向右加速，在导轨末端飞机与滑杆脱离，导轨间距为3 m；第二阶段在飞机发动机推力的作用下匀加速直线运动达到起飞速度。已知飞机离舰起飞速度为100 m/s，航空母舰的跑道总长为180 m，舰载机总质量为3.0×104 kg，起飞过程中发动机的推力恒定，弹射过程中及飞机发动机推力下的加速过程，舰载机所受阻力恒为飞机发动机推力的20%，求：
(1)电磁弹射过程电磁推力做的功；
(2)飞机发动机推力的大小；
(3)电磁弹射过程，飞机获得的加速度。
答案　(1)9.6×106 J　(2)9.75×105 N　(3)30 m/s2
解析　(1)由题意可知，电磁推力大小为
F1＝BIL＝10×4 000×3 N＝1.2×105 N
电磁推力做的功
W1＝F1x1＝1.2×105×80 J＝9.6×106 J。
(2)设飞机发动机推力的大小为F2，对整个过程根据动能定理有W1＋F2(x1＋x2)－0.2F2(x1＋x2)＝mv2
解得F2＝9.75×105 N。
(3)弹射过程，根据牛顿第二定律有F1＋F2－0.2F2＝ma
解得a＝30 m/s2。
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10.(多选)如图所示，某同学在玻璃皿中心放一个圆柱形电极接电源的负极，沿边缘放一个圆环形电极接电源的正极，做“旋转的液体”实验，若蹄形磁铁两极间正对部分的磁场可视为匀强磁场，磁感应强度大小为B＝0.1 T，玻璃皿横截面的半径为a＝0.05 m，电源的电动势为E＝3 V，内阻为r＝0.1 Ω，限流电阻R0＝4.9 Ω，玻璃皿中两电极间液体的等效电阻为R＝0.9 Ω，闭合开关后，若液体旋转时电压表的示数为1.5 V，则(　　)
A.由上往下看，液体做顺时针旋转
B.液体所受的安培力大小为1.5×10-3 N
C.液体热功率为0.081 W
D.闭合开关10 s，液体具有的动能是3.69 J
BCD
[拓展培优练]
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