第五节 奥斯特实验的启示
1.知道电流周围存在着磁场． 2.知道通电直导线磁场的分布及特点． 3.知道什么是安培力，知道匀强磁场中影响通电导线所受安培力大小和方向的因素，并会判断安培力的方向．
一、奥斯特的发现
1．电流的磁效应
1820年，奥斯特发现：把一根导线平行地放在磁针的上方，给导线通电时，磁针发生偏转，说明电流也能产生磁场，这个现象称为电流的磁效应．
2．直线电流的磁场
(1)安培定则(右手螺旋定则)：右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向，如图1－5－1所示．
图1－5－1 图1－5－2
(2)直线电流的磁场可有几种不同的画法，如图1－5－2所示(图中的“×”号表示磁场方向垂直纸面向里，“·”表示磁场方向垂直纸面向外)．
直线电流的磁场强弱与距离导线的远近有关，离导线越近，磁场越强，离导线越远，磁场越弱．
1．为什么说通电直导线周围存在磁场？
提示：在导线周围放置一些小磁针，当导线中无电流时，磁针均为南北方向；当导线中通过电流时，磁针就会发生偏转；当电流反向时，磁针也会反向偏转，说明电流周围存在磁场．
二、安培与安培力
1．安培力：磁场对通电导体的作用力．
2．影响安培力的因素
(1)实验探究采用的方法：控制变量法．
(2)当通电导线与磁感线垂直时，实验结论是：
①当其他因素不变，磁感应强度增大时，安培力增大；
②当其他因素不变，电流增大时，安培力增大；
③当其他因素不变，导体长度增大时，安培力增大；
④安培力的方向由磁场的方向和电流的方向共同决定．
图1－5－3
3．安培力方向判断
如图1－5－3所示，伸开左手，使拇指与四指在同一个平面内，并跟四指垂直，让磁感线垂直穿入手心，使四指指向电流的方向，这时拇指所指的就是通电导体所受安培力的方向．
2．由安培力方向判断方法可知，安培力垂直于导线、垂直于磁场方向，那么电流也一定与磁场垂直吗？
提示：由左手定则可知，通电导线在磁场中所受安培力一定垂直于导线，垂直于磁场，但由于导线可以沿任何方向放入磁场，所以电流不一定与磁场垂直．
一、直线电流的磁场特点
1．无磁极，非匀强，以导线横截面为圆心的一些同心圆，且离导线越远处磁场越弱．画法如图1－5－4所示．
图1－5－4
2．在判定电流磁场时，特别是画竖直方向电流磁场的纵截面图时，用“×”表示磁场方向垂直纸面向里进，用“·”表示磁场方向垂直纸面向外出．(如图1－5－5)
图1－5－5
即时应用? (即时突破，小试牛刀)
1．如图1－5－6所示，通电直导线上方有一小磁针，通电电流如图所示，试判定小磁针N极转动的方向．
图1－5－6
解析：由右手定则可判定小磁针所在处磁场方向垂直纸面向外，所以小磁针N极应向外转动．
答案：向外转动
二、安培力方向的判断
1．不管电流方向与磁场方向是否垂直，安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面，但应注意当电流方向与磁场方向在同一直线上时，电流不再受到安培力的作用．
2．注意区别安培力的方向和电场力的方向与场的方向的关系，安培力的方向总是与磁场的方向垂直，而电场力的方向与电场的方向平行．
即时应用? (即时突破，小试牛刀)
2．(单选)如图1－5－7所示是磁场对直流电的作用示意图，其中不正确的是( )
图1－5－7
解析：选C.由左手定则可以判断，A、B、D都对，只有C错．
eq \a\vs4\al() 通电直导线的磁场分布
如图1－5－8是通电直导线周围的指南针平衡时所指的方向，试用磁感线把它的立体图，俯视看的横截面图和纵截面图的磁场画出来，你认为直导线周围的磁感线是怎样分布的？
图1－5－8
[解析] 用磁感线表示的磁场如图1－5－9所示．
图1－5－9
从图中可以看出，通电直导线的磁感线分布是以导线横截面为圆心的一组同心圆．
[答案] 见解析
eq \a\vs4\al()
关于通电直导线的磁场可用安培定则判断，伸开右手，握住导线，让大拇指指向电流的方向，则四指弯曲的方向即为磁感线的环绕方向．
eq \a\vs4\al() 安培力方向的判断
地球是个大磁体，在赤道上，地磁场可以看成是沿南北方向的匀强磁场，假若在赤道上有一根东西方向的直导线，通有由东往西的电流，则地磁场对这根导线的安培力方向如何？
[解析] 通电导线所在位置的俯视图如图1－5－10所示，用左手定则来判定，用四指指向电流方向，让磁感线垂直穿过手心，则可判定安培力方向垂直指向地面．
图1－5－10
[答案] 安培力方向垂直指向地面
eq \a\vs4\al()
由此题可以看出，通电导线所受安培力既垂直于磁场又垂直于电流，也就是垂直于磁场与电流所确定的平面．
eq \a\vs4\al() 安培力作用下的平衡问题
在倾角为α的光滑斜面上，置一通有电流I，长为L，质量为m的导体棒，如图1－5－11所示，试问：欲使棒静止在斜面上且对斜面无压力，外加匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向．
图1－5－11
[思路点拨] 此题属于电磁学和静电力学综合题，研究对象为通电导体棒，所受力为重力mg、弹力FN、安培力F，属于三个共点力的平衡问题．要使棒对斜面无压力，则棒不受斜面的支持力，此时应有安培力与重力相平衡，导体棒只受两个力的作用．
[解析] 棒静止在斜面上，又对斜面无压力，则棒只受两个力作用，即竖直向下的重力mg和磁场力F作用，由平衡条件知F＝mg，且磁场力F竖直向上，所以BIL＝mg，故B＝，由左手定则知B的方向水平向左．
[答案] 水平向左
在倾角为θ的光滑斜面上，放置一根质量为m的长直导体棒，一匀强磁场垂直斜面向下，如图1－5－12所示，当棒内通有垂直纸面向里的电流时，导体棒恰好静止在斜面上，则导体棒所受安培力的大小为________．
图1－5－12
解析：通电导体棒受三个力：重力、弹力和安培力．其中安培力沿斜面向上，与导体棒重力沿斜面向下的分力平衡，故有F安＝mgsin θ.
答案：mgsin θ
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6奥斯特实验的启示
1．(单选)在做“奥斯特实验”时，下列操作中现象最明显的是( )
A．沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的延长线上
B．沿电流方向放置磁针，使磁针在导线的正下方
C．电流沿南北方向放置在磁针的正上方
D．电流沿东西方向放置在磁针的正上方
解析：选C.把导线沿南北方向放置在地磁场中处于静止状态的磁针的正上方，通电时磁针发生明显的偏转．如果电流产生的磁场与地磁场方向相同，那么就不会看到小磁针的偏转．
2．(单选)下列关于磁感应强度大小的说法正确的是( )
A．通电导线受磁场力大的地方磁感应强度一定大
B．通电导线在磁感应强度大的地方受力一定大
C．放在匀强磁场中各处的通电导线，受力大小和方向处处相同
D．磁感应强度的大小和方向跟放在磁场中的通电导线受力的大小和方向无关
解析：选D.因为磁场中某点的磁感应强度的大小和方向由磁场本身决定，与通电导线的受力及方向都无关，所以A选项错，D选项正确．因为通电导线在磁场中受力的大小不仅与磁感应强度有关，而且与通电导线的取向有关，故B选项错．对C选项虽然匀强磁场中磁感应强度处处相等，但当导线在各个位置的方向不同时，磁场力是不相同的(导线与磁场垂直时受磁场力最大，与磁场平行时受磁场力为零)，而C选项中没有说明导线在各个位置的取向是否相同，所以C选项错．
3．(双选)如图1－5－13所示，一条形磁铁放在水平桌面上，在其上方靠近左端固定一根与磁铁垂直的水平直导线，当导线中通过图示方向电流时( )
图1－5－13
A．磁铁对桌面的压力将减少
B．磁铁对桌面的压力将增大
C．磁铁将受到向左的摩擦力
D．磁铁将受到向右的摩擦力
解析：选BC.解决好本题，先研究通过导线的作用力，再利用牛顿第三定律作用力与反作用力的知识，分析条形磁铁的受力情况，如图所示．特别注意导线受到安培力的方向垂直于磁感线．
4．(单选)在下列各图中，分别标出了磁场B的方向，电流I的方向和导线所受安培力的方向，其中正确的是( )
图1－5－14
解析：选C.本题考查判断安培力的方向，让四指指向电流方向，让磁感线垂直穿入手心，则大拇指所指的方向即是安培力的方向，只有C符合左手定则，故正确答案为C.
5．如图1－5－15所示，放在马蹄形磁铁两极之间的导体棒ab，当通有自b到a的电流时受到向右的安培力作用，则磁铁的上端是________极．如果磁铁上端是S极，导体棒中的电流方向自a到b，则导体棒受到的安培力方向向________．
图1－5－15
解析：仅由左手定则即可判定．
答案：N 右
[课时作业]
一、单项选择题
1．首先发现电流磁效应的科学家是( )
A．安培 B．奥斯特
C．库仑 D．麦克斯韦
答案：B
2．关于通电导体在磁场里受力方向与电流方向和磁感线方向之间的关系，下列说法中错误的是( )
A．电流方向反向时，导体受力方向改变
B．磁场方向反向时，导体受力方向改变
C．电流方向和磁场方向同时反向，导体的受力方向改变
D．电流方向和磁场方向同时反向，导体的受力方向不变
解析：选C.由左手定则可知，只使其中一个反向，则受力方向一定变化，当两个都反向时，则不变化．
3．关于安培力、磁感应强度的说法正确的是( )
A．通电导线不受安培力作用的地方一定没有磁场
B．将I、L相同的通电导线放在同一匀强磁场的不同地方，受安培力一定相同
C．磁感线指向磁感应强度减小的方向
D．以上说法都不正确
解析：选D.通电导线虽放在磁场中，但与磁场方向平行时，不受安培力，所以A不对；如果I、L相同，在同一磁场中放置角度不同，安培力也不同，故B不对；在匀强磁场中，沿磁感线方向磁感应强度不变，故C不对．
4．如图1－5－16所示，A为一水平旋转的橡胶盘，带有大量均匀分布的负电荷，在圆盘正上方水平放置一通电直导线，电流方向如图．当圆盘高速绕中心轴OO′转动时，通电直导线所受磁场力的方向是( )
图1－5－16
A．竖直向上 B．竖直向下
C．水平向里 D．水平向外
解析：选C.由于带负电的圆环顺时针方向旋转，形成的等效电流为逆时针方向，所产生的磁场方向竖直向上．由左手定则可判定通电导线所受安培力的方向水平向里．
5．磁场中某处的磁感线如图1－5－17所示，则( )
图1－5－17
A．a、b两处的磁感应强度的大小不等，Ba＞Bb
B．a、b两处的磁感应强度的大小不等，Ba＜Bb
C．同一通电导线放在a处受力一定比放在b处大
D．同一通电导线放在a处受力一定比放在b处小
解析：选B.磁感线密集的地方磁感应强度大，而安培力的大小不仅与磁感应强度有关，而且跟导体放置方向有关，故B对．
6．一段通电导线，放在同一匀强磁场中的四个不同位置，如图1－5－18所示，则( )
图1－5－18
A．乙情况下导线不受安培力
B．乙、丙两种情况下导线都不受安培力
C．丙情况下导线受的安培力大于甲情况下导线受的安培力
D．甲、乙情况下，导线所受安培力大小相等
解析：选A.图示四种情况中，乙图中电流与磁场平行，故乙中导线所受安培力为零；甲、丙中导线都垂直磁场放置，故甲、丙中导线所受安培力最大，且大小一样；丁中导线与磁场成一夹角，其所受安培力小于甲、丙中导线所受安培力．
7．一根很容易形变的弹性导线，两端固定，导线中通有电流，方向如图中箭头所示，当没有磁场时，导线呈直线状态；当分别加上竖直向上、水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时，描述导线状态的四个图示中正确的是( )
图1－5－19
解析：选D.A图中导线不受力，故它不会弯曲，A错；B图中导线受到垂直纸面向里的安培力，它不会向右弯曲，B错；C中导线受到水平向右的安培力，导线不会向左弯曲，C错；D中导线受到水平向右的安培力，故它向右弯曲，D对．
8．如图1－5－20所示，一根长直导线穿过载有恒定电流的金属环的中心且垂直于环面，导线和金属环中的电流如图所示，那么金属环所受安培力( )
图1－5－20
A．沿圆环半径向里
B．等于零
C．沿圆环半径向外
D．水平向左
解析：选B.根据安培定则可以确定，直导线产生的磁场与金属环中电流平行，故金属环不受安培力，B对．
二、双项选择题
9．一束带电粒子沿水平方向飞过小磁针上方，并与磁针指向平行，能使磁针的S极转向纸内，如图1－5－21所示，那么这束带电粒子可能是( )
图1－5－21
A．向右飞行的正离子束
B．向左飞行的正离子束
C．向右飞行的负离子束
D．向左飞行的负离子束
解析：选BC.若S极向里偏，则等效上方有自右向左的电流，所以有向左飞行的正离子束或向右飞行的负离子束，因为负离子向右运动，就等效于正离子向左运动．
10．一根通有电流I的直铜棒用软导线挂在如图1－5－22所示的匀强磁场中，此时悬线中的张力大于零而小于铜棒的重力．欲使悬线中张力为零，可采用的方法有( )
图1－5－22
A．适当增大电流，方向不变
B．适当减小电流，并使它反向
C．电流大小、方向不变，适当增强磁场
D．使原电流反向，并适当减弱磁场
解析：选AC.由左手定则可知，导线受到向上的安培力，大小F＝BIL，则欲使悬线中张力为零，可适当增大磁场或增大电流．
三、非选择题
11．在两条相互垂直而不接触的导线中，通以大小相等、方向如图1－5－23所示的电流，那么，在导线平面内两电流所产生的磁场在哪些区域内方向是一致的？
图1－5－23
解析：在空间某区域有几个磁场同时存在时，则其合磁场是它们的矢量和，本题中Ⅰ、Ⅲ区域中两电流产生的磁场方向一致，Ⅱ、Ⅳ区域中两电流产生的磁场方向相反．
答案：Ⅰ、Ⅲ区域
12．有一自由的矩形导体线圈，通以电流I′.将其移入通以恒定电流I的长直导线的右侧．其边ab、cd跟长直导线AB在同一平面内且互相平行，如图1－5－24所示．试判断将该线圈从静止开始释放后的受力和运动情况(不计重力)．
图1－5－24
解析：利用左手定则判断．由安培定则确定其磁感线的方向为垂直纸面向里，画出直线电流的磁场在矩形线圈所在处的磁感线分布，如右图所示．线圈的四条边所受安培力的方向由左手定则判定．其中F1与F3相互平衡，因ab边所在处的磁场比cd边所在处的强，故F4＞F2.由此可知矩形线圈abcd所受安培力的合力的方向向左，它将加速向左运动．
答案：受力情况见解析图 加速向左运动
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7(共24张PPT)
第一章 电与磁
第五节 奥斯特实验的启示
第一章 电与磁
奥斯特
磁场
电流的磁效应
通电导体
控制变量
增大
增大
增大
电流的方向
同一个平面内
垂直
电流
新知初探,自学导引
梳理知识·夯实基础
要点突破·思维启动
突破疑难·讲练提升
典题示例·讲练互动
以例说法·触类旁通
