物理：3.3 探究安培力 课件（粤教版选修3-1）

(共45张PPT)
第三节　探究安培力
课标定位
学习目标：
1.掌握安培力方向的判断方法——左手定则．
2．掌握安培力大小的计算方法．
重点难点：安培力的大小计算和方向判定．
1．磁场对电流的作用力称为_______
2．左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面内，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__________，那么，_______所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．
安培力．
电流的方向
大拇指
二、安培力的大小
1．实验表明：把一段通电直导线放在磁场里，当导线方向与磁场方向____时，导线所受到的安培力最大；当导线方向与磁场方向____时，导线所受到的安培力等于零；当导线方向与磁场方向斜交时，所受到的安培力介于_______和__之间．
2．磁感应强度
(1)定义：当通电导线与磁场方向____时，通电导线所受的安培力F跟_____和_________的乘积IL的____叫做磁感应强度．
垂直
一致
最大值
零
垂直
电流I
导线长度L
比值
特
磁场方向．
磁感线
大小
切线方向
3．匀强磁场：如果磁场的某一区域里，磁感应强度的____和____处处相同，这个区域的磁场叫做匀强磁场．在匀强磁场中，在通电直导线与磁场方向垂直的情况下，导线所受的安培力F＝ ____.
大小
方向
BIL
思考感悟
当导线和磁感线不垂直时是否可以用左手定则来判断安培力的方向？
提示：可以，只要把磁感应强度分解为平行导线的分量和垂直导线的分量，让垂直分量穿过手心即可利用左手定则．
三、磁通量
1．在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个与磁场方向____的平面S，B和S的乘积，叫做穿过这个面积的磁通量．
2．公式：Φ＝BS.
3．单位：1 Wb＝1 T·m2.
4．当平面和磁场方向不垂直时(如图3－3－1所示)，穿过它的磁通量就比垂直时小；此时：Φ＝BSsinθ.
垂直
图3－3－1　　　图3－3－2
磁通密度．
一、安培力方向的判断
1．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，在判断安培力方向时首先确定磁场和电流所确定的平面，从而判断出安培力的方向在哪一条直线上，然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向．
2．已知I、B的方向，可唯一确定F的方向；已知F、B的方向，且导线的位置确定时，可唯一确定I的方向；已知F、I的方向时，磁感应强度B的方向不能唯一确定．
3．由于B、I、F的方向关系在三维立体空间中，所以解决该类问题时，应具有较好的空间想像力．如果是在立体图中，还要善于把立体图转换成平面图．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
1．如图3－3－3所示，其中A、B图已知电流方向及其所受磁场力的方向，试判断并在图中标出磁场方向．C、D图已知磁场方向及其对电流作用力的方向，试判断电流方向并在图中标出．
图3－3－3
解析：磁场的方向、电流的方向、安培力的方向三者遵守左手定则，电流的方向跟磁场的方向可以不垂直，但安培力的方向一定垂直于磁场和电流所决定的平面．
答案：A图磁场方向垂直纸面向外　B图磁场方向在纸面内垂直F向下　C、D图电流方向均垂直于纸面向里
3．磁感应强度的定义式也适用于非匀强磁场，这时L应很短，IL称作“电流元”，相当于静电场中的试探电荷．
4．通电导线受力的方向不是磁场磁感应强度的方向．
5．磁感应强度与电场强度的区别
磁感应强度B是描述磁场的性质的物理量，电场强度E是描述电场的性质的物理量，它们都是矢量，现把它们的区别列表如下：
特别提醒：磁感应强度是矢量，遵循平行四边形定则．如果空间同时存在两个或两个以上的磁场时，某点的磁感应强度B是各磁感应强度的矢量和．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
2．(单选)关于磁感应强度的说法中正确的是(　　)
A．一小段通电导体在磁场中某处不受磁场力，则该处的磁感应强度一定为零
B．一小段通电导体在磁场中某处受到的磁场力越小，说明该处的磁感应强度越小
C．磁场中某点的磁感应强度方向，就是放在该点的一小段通电导体的受力方向
D．磁场中某点的磁感应强度的大小和方向与放在该点的导体受力情况无关
解析：选D.磁场的强弱是由磁场本身决定的，与磁场中是否放入通电导线、导线放置的位置无关．我们在磁场中放入通电导线是为了让磁场的基本特性——对其中的电流有磁场力作用表现出来，以便定量研究．磁感应强度的方向与放在该点的一小段通电导体的受力方向是两回事，故正确选项为D.
三、安培力的大小
1．公式F＝BIL中L指的是“有效长度”．当B与I垂直时，F最大，F＝BIL；当B与I平行时，F＝0.
2．弯曲导线的有效长度L，等于连接两端点直线的长度，如图3－3－4；相应的电流沿L由始端流向末端．
图3－3－4
3.若磁场和电流成θ角时，如图3－3－5所示．
可以将磁感应强度B正交分解成B⊥＝Bsinθ和B∥＝Bcosθ，而B∥对电流是没有作用的．
F＝ILB⊥＝ILBsinθ，即F＝ILBsinθ.
图3－3－5
特别提醒：(1)由公式F＝ILBsinθ中θ是B和I方向的夹角，不能盲目应用题目中所给的夹角，要根据具体情况进行分析．
(2)公式F＝IBLsinθ中的Lsinθ也可以理解为垂直于磁场方向的“有效长度”．
(3)用公式计算安培力适用于电流处于匀强磁场中．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
3．如图3－3－6所示，在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线，通入导线的电流为I，磁感应强度为B，求各导线所受到的安培力．
图3－3－6
四、对磁通量的理解
1．磁通量表示穿过某一面积磁感线条数(这是在人为规定画磁感线时要使穿过单位面积的磁感线条数等于该处的磁感应强度之后的一种形象说明)．对于匀强磁场Φ＝BS，其中S是垂直于磁场方向上的面积．若平面与磁场不垂直，则要求出它在垂直于磁场方向上的投影面积，才能用上式计算．
2．磁通量是标量，其正负不表示大小，只表示与规定的正方向相同或相反．若磁感线沿相反方向通过同一平面，且正向磁感线条数为Φ1，反向磁感线条数为Φ2，则磁通量等于穿过该平面的磁感线的净条数(磁通量的代数和)即Φ＝Φ1－Φ2.
3．磁通量的变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1.
(1)当B不变，有效面积S变化时，ΔΦ＝B·ΔS.
(2)当B变化，S不变时，ΔΦ＝ΔB·S.
(3)B和S同时变化，则ΔΦ＝Φ2－Φ1.但此时ΔΦ≠ΔB·ΔS.
特别提醒：计算穿过某面的磁通量变化量时，要注意前、后磁通量的正、负值，如原磁通量Φ1＝BS，当平面转过180°后，磁通量Φ2＝－BS，磁通量的变化量ΔΦ＝|Φ2－Φ1|＝2BS.
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
4. (单选)如图3－3－7所示，在条形磁铁中部垂直套有A、B两个圆环，设通过线圈A、B的磁通量为ΦA、ΦB，则(　　)
A．ΦA＝ΦB　　　　　　 B．ΦA＜ΦB
C．ΦA＞ΦB D．无法判断
图3－3－7
解析：选B.在条形磁铁的周围，磁感线是从N极出发，经外空间磁场由S极进入磁铁内部．在磁铁内部的磁感线从S极指向N极，又因磁感线是闭合的平滑曲线，所以条形磁铁内外磁感线条数一样多，从下向上穿过A、B环的磁感线条数一样多，而从上向下穿过A环的磁感线多于B环，则从下向上穿过A环的净磁感线条数少于B环，所以B环的磁通量大于A环的磁通量．
(单选)如图3－3－8所示，把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面，当线圈内通入如图方向的电流后，则线圈(　　)
A．向左运动 B．向右运动
C．静止不动 D．无法确定
课堂互动讲练
例1
通电导体在安培力作用下运动方向的判定
【精讲精析】　法一：等效法．把通电线圈等效成小磁针．由安培定则，线圈等效成小磁针后，左端是S极，右端是N极，异名磁极相吸引，线圈向左运动．
法二：电流元法．如图3－3－9所示，取其中的上、下两小段分析，根据其中心对称性线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向左运动．
图3－3－9
【答案】　A
【方法总结】　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，然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动，在实际操作过程中，往往采用以下几种方法：
电流元法 把整段导线分为多段直电流元，先用左手定则判断每段电流元受力的方向，然后判断整段导线所受合力的方向，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
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，然后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；两不平行的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运动方向
变式训练1如图3－3－10所示，把一通电直导线放在蹄形磁铁磁极的正上方，导线可以自由移动，当导线中通过如图所示方向的电流I时，试判断导线的运动情况．
图3－3－10
解析：根据图示的导线所处的特殊位置
判断其转动情况．将导线AB从N、S极的中
间O分成两段，AO、BO段所处的磁场方向如甲图所示，由左手定则可得AO段受安培力方向垂直于纸面向外，BO段受安培力的方向垂直纸面向里，可见从上向下看，导线AB将绕O点逆时针转动．再根据导线转过90°时的特殊位置判断其上下运动情况．
甲
如图乙所示，导线AB此时受安培力方向竖直向下，导线将向下运动．
由上述两个特殊位置的判断可知，当导线在题中所给状态时，所受安培力使AB逆时针转动的同时还要向下运动．
乙
答案：逆时针转动的同时向下运动
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．如果赤道某处的磁感应强度大小为0.5×10－4T，在赤道上有一根东西方向的直导线，长为20 m，载有从东往西的电流30 A，则地磁场对这根导线的作用力有多大？方向如何？
安培力大小的计算
例2
【精讲精析】　如图3－3－11所示，地磁场的磁感应强度为0.5×10－4T，方向由南向北；导线垂直于地磁场放置，长度为20 m，载有电流30 A，则其所受安培力F＝BIL＝0.5×10－4×30×20 N＝3.0×10－2N
根据左手定则可以判断导线所受安培力的方向垂直指向地面．
图3－3－11
【答案】　3.0×10－2N　方向垂直指向地面
【方法总结】　本题是关于公式F＝BIL和左手定则的简单应用，只要建立好地磁场的空间模型，是很容易解答的．
磁通量大小的计算
例3
有一个100匝，边长为L＝0.20 m的正方形线圈，放在磁感应强度B＝0.50 T的匀强磁场中，线圈平面与磁场垂直．求穿过线圈的磁通量．
【精讲精析】　正方形线圈的面积S1＝L2＝(0.20)2 m2＝4.0×10－2 m2，穿过线圈的磁通量Φ1＝BS1＝0.50×4.0×10－2Wb＝2.0×10－2 Wb.
【答案】　2.0×10－2 Wb
【方法总结】　穿过某一面积的磁通量是由穿过该面的磁感线条数的多少决定的，与匝数无关．只要n匝线圈的面积相同，放置情况也相同，n匝线圈与单匝线圈的磁通量相同．也就是磁通量大小不受线圈匝数的影响．同理，磁通量的变化是ΔΦ＝Φ2－Φ1也不受线圈匝数的影响．所以，分析、计算Φ、ΔΦ时，不必考虑线圈匝数n.
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3－3－12所示，试问：
安培力作用下物体的平衡问题
例4
图3－3－12
【思路点拨】　对导线受力分析，根据平衡条件确定安培力的大小和方向，进而确定磁感应强度的大小和方向．
(1)欲使棒静止在斜面上，外加匀强磁场的磁感应强度B的最小值和方向．
(2)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．
变式训练2　(双选)(2011年天津检测)如图3－3－13所示，直导体棒放在倾斜的导轨上，当导体棒通以垂直于纸面向里的电流时，恰能在导轨上静止．下列情况中，棒与导轨间的摩擦力可能为零的是(　　)
图3－3－13
解析：选AC.对导体棒受力分析，由平衡条件可知A、C正确．