2012新课标同步导学物理[沪科版]课件：选修3-1第5章 5．4　探究安培力

(共41张PPT)
5．4　探究安培力
在日常生活中，像奥斯特实验、指南针、医疗与磁悬浮列车等磁的应用，都离不开“力”．像电荷在电场中会受到力一样，电流在磁场中也会受到力的作用．
安培在研究磁场与电流的相互作用方面做出了杰出的贡献，为了纪念他，人们把通电导线在磁场中受的力称为安培力，安培力的方向、大小有何规律呢？
1．基本定义
磁场对电流的作用力叫做安培力．
2．要点剖析
(1)安培力的大小：在匀强磁场中，长为L的导体，通入电流I.
①若磁场B和电流I垂直时
　F＝BIL
②若磁场B和电流I平行时
　F＝0
③若磁场B和电流I成θ角时
　F＝BILsin θ
(2)安培力的方向
通电导线在磁场中所受安培力的方向可用左手定则判断．
左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁感线垂直(或倾斜)穿入手心，伸开四指指向电流方向，大拇指所指的方向即为导线所受安培力的方向．
电流所受安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直，所以安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所确定的平面．
3．思维拓展
(1)通电导体在安培力作用下运动方向的判断技巧：
①电流元受力分析法
即把整段电流等分为很多段直线电流元，先用左手定则判断出每小段电流元受到的安培力方向，再判断整段电流所受安培力合力的方向，从而确定导体的运动方向．
②特殊位置分析法
把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置(如转过90°)后，再判断所受安培力方向，从而确定运动方向．
③等效分析法
环形电流可等效为小磁针，条形磁铁也可等效为环形电流，通电螺线管可等效成多个环形电流或条形磁铁．
④利用结论法
a．两电流相互平行时无转动趋势．同向电流相互吸引，反向电流相互排斥．
b．两电流不平行时，有转动到相互平行且电流方向相同的趋势．
(2)安培力大小的计算方法
①正交分解法
如上图所示，通电直导线L与磁场方向的夹角为θ，可将磁感应强度B正交分解成B⊥和B∥两个分量，所以导线产生的安培力为
F＝B⊥IL＝BILsin θ
②等效法
所谓等效法是指用有效长度计算安培力的大小．
如右图所示，弯曲导线的有效长度为L，等于两端点所连直线的长度；相应的电流方向，沿L由始端流向末端，因为任意形状的闭合线圈，其有效长度L＝0，所以通电后在匀强磁场中，受到的安培力的矢量和一定为零，故任意弯曲的通电导线所受安培力一定等于直导线AB所受的安培力，即
F＝BIL
②安培力做功与路径有关．所以，绕闭合回路一周，安培力可以做正功，也可以做负功，还可以做零功，而不像重力和电场力做功一定为零．
③安培力做功的实质：将电源的能量传递给通电导线，而磁场本身并不提供能量．
(4)磁感应强度与电场强度的比较
4.易误警示
(1)公式F＝BILsin θ的适用条件：
①公式适用导线处在匀强磁场中，或导线所在范围内B是一个恒量；
②公式中θ指磁场和电流方向的夹角；
③公式中各物理量的单位为：F(牛顿N)、B(特斯拉T)、I(安培A)、L(米m)．
(2)安培定则和左手定则的区分
安培定则是用来确定直线电流方向、环形电流方向(螺线管)与其产生的磁感线方向之间关系的法则．左手定则是用来表示磁场方向、电流方向(电荷运动方向)和磁场力方向之间关系的法则．
两定则都各自存在因果关系．安培定则的“原因”是指电流，“结果”是指电流产生的磁场．左手定则的“原因”是指通电导线(运动的带电粒子)处在磁场中，“结果”是指导线受到的安培力．
安培力的方向
提出问题 安培力的方向跟电流方向、磁场方向存在怎样的关系
制定计划与设计实验 见课本P111图5－23实验，细铜杆中电流的方向可由电源极性确定；磁场的方向可由磁铁的N、S确定；根据刚通电时细铜杆运动的方向可以推知安培力的方向，进而寻求安培力的方向跟电流方向、磁场方向存在的关系
进行实验与收集证据 1.改变电流的方向，观察发生的现象．[现象]导体向相反的方向运动2.调换磁铁两极的位置来改变磁场方向，观察发生的现象．[现象]导体又向相反的方向运动
分析与结论 1.安培力的方向和磁场方向、电流方向有关系
2.安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直，也就是说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面．如下图所示
3．通电直导线所受安培力的方向和磁场方向、电流方向之间的关系，可以用左手定则来判定
如下图所示电路中，电池均相同，当开关S分别置于a、b两处时，导致MM′与NN′之间的安培力的大小分别为fa、fb，可判断这两段导线(　　)
A．相互吸引，fa>fb　　　 B．相互排斥，fa>fb
C．相互吸引，fa【解析】　不管电流方向如何，MM′和NN′两段导线中的电流方向总是相反的，则两段导线始终产生排斥力．又安培力的大小和电流成正比，单刀双掷开关接b时的电压高，则电流大，两段导线间产生的安培力也大．
【答案】　D
解决此类问题通常是先用安培定则分析磁场，再用左手定则分析通电导线受力(注意有时应将电流分区、分段考虑)．
1.在赤道上空，有一条沿东西方向水平架设的导线，当导线中的自由电子自东向西沿导线做定向移动时，导线受到地磁场的作用力的方向为(　　)
A．向北　　　　　　 B．向南
C．向上 D．向下
【解析】　电流方向自西向东，赤道上空地磁场方向由南向北，则由左手定则得安培力方向向上，应选C.
【答案】　C
如右图所示，导体杆ab的质量为m，电阻为R，放置在与水平面夹角为θ的倾斜金属导轨上，导轨间距为d，电阻不计，系统处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B，电池内阻不计，问：若导线光滑，电源电动势E多大才能使导体杆静止在导轨上？
【解析】　本题考查闭合电路欧姆定律、共点力的平衡、安培力公式的应用．解题时可先根据受力情况求出安培力，并进一步求出电流，最后由闭合电路欧姆定律求出电源电动势．
由闭合电路欧姆定律得：E＝IR
导体杆受力情况如右图，则由共点力平衡条件可得
F安＝mgtan θ
F安＝BId
这是一道力、电、磁综合问题，解决这类问题的基本思路是：
1．若是立体图，则必须先将立体图转换为平面图．
2．对物体受力分析，要注意安培力方向的确定．
3．根据平衡条件或物体的运动状态列出方程．
4．如果用到其他规律，如闭合电路欧姆定律、牛顿第二定律、能量的转化与守恒等，也要列出相应的方程．
5．解方程求解并验证结果．
2．如右图所示，条形磁铁放在水平桌面上，在其正中央上方固定一根长直导线，导线与条形磁铁垂直．当导线中通以垂直纸面向里的电流时，用N表示磁铁对桌面的压力，用f表示桌面对磁铁的摩擦力，则导线通电后与通电前受力相比较是(　　)
A．N减小，f＝0　　　B．N减小，f≠0
C．N增大，f＝0 D．N增大，f≠0
【解析】　用牛顿第三定律分析．画出一条通电电流为I的导线所在处的磁铁的磁感线，电流I处的磁场方向水平向左，由左手定则知，电流I受安培力方向竖直向上．根据牛顿第三定律可知，电流对磁铁的反作用力方向竖直向下，所以磁铁对桌面压力增大，而桌面对磁铁无摩擦力作用，故正确答案为选项C.
【答案】　C
1．安培力
(1)定义：通电导线在磁场中受到的磁场力．
(2)安培力的方向
①方向：与电流、磁感应强度的方向都 ，即 于电流、磁感应强度所决定的平面．
②判断方法：左手定则：
伸开左手，使拇指与其余四个手指 ，并且都与手掌在同一平面内．让磁感线从 进入，并使四指指向 ，这时 所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．
垂直
垂直
垂直
掌心
电流的
方向
拇指
2．安培力的大小
(1)垂直于磁场B放置的通电导线，公式F＝ .
(2)当磁感应强度B的方向与导线方向成θ角时，公式：
F＝ .
ILB
ILBsinθ
1．(考查点：磁感应强度的单位)下列可用来表示磁感应强度的单位关系的是(　　)
A．1 T＝1 kg/m2　　　　　　B．1 T＝1 kg/(A·s2)
C．1 T＝1 kg·m2/(A·s2) D．1 T＝1 N/(A·m)
【答案】　BD
2．(考查点：安培力方向的判断)关于磁场对通电直导线的作用力(安培力)，下列说法正确的是(　　)
A．通电直导线在磁场中一定受到安培力的作用
B．通电直导线在磁场中所受安培力的方向一定跟磁场的方向垂直
C．通电直导线在磁场中所受安培力的方向一定跟电流的方向垂直
D．通电直导线在磁场中所受安培力的方向垂直于由B和I所确定的平面
【解析】　当电流方向与磁场方向平行时，通电直导线不受安培力作用，故A错误；据左手定则，判定安培力方向总垂直于电流方向和磁场方向所确定的平面，故B、C、D均正确。
【答案】　BCD
3．(考查点：左手定则的应用)
一根长直导线穿过载有恒定电流的环形导线中心且垂直于环面，导线与环中的电流如图所示，则环的受力(　　)
A．沿环的半径向外 B．沿环的半径向里
C．水平向左 D．不受力
【解析】　电流I2产生的磁场方向与I1的环绕方向处处平行，所以I1不受磁场力．
【答案】　D
4. (考查点：安培力的大小与方向)一根有质量的金属棒MN，两端用细软导线连接后悬挂于a、b两点，如右图所示．棒的中部处于方向垂直纸面向里的匀强磁场中，棒中通有电流，方向从M流向N，此时悬线上有拉力．为了使拉力等于零，可(　　)
A．适当减小磁感应强度 B．使磁场反向
C．适当增大电流强度 D．使电流反向
【答案】　C
5．(考查点：磁感应强度的理解)下列关于磁感应强度大小的说法中正确的是(　　)
A．磁感应强度的大小等于通电导线受到的磁场力的大小F与电流I及导线长度L的乘积的比值
B．通电导线所受磁场力大的地方磁感应强度一定大
C．电流在磁场中的某点不受磁场力，则该点的磁感应强度一定为零
D．磁感应强度的大小跟放在磁场中的通电导线受力的大小无关
【解析】　定义磁感应强度时，导线与磁场方向垂直，A中无“垂直”，故A错误；磁感应强度大小与导线受力大小无关，故B错误；当导线与磁场平行时，导线受磁场力为零，因此，电流在磁场中某点不受磁场力，并不能说明此处磁感应强度为零，故C错误；磁感应强度是磁场本身的属性，它的大小决定于磁场本身，跟F、I、L无关，D正确．
【答案】　D
练考题、验能力、轻巧夺冠