物理：3.4 安培力的应用 课件（粤教版选修3-1）

(共30张PPT)
第四节　安培力的应用
课标定位
学习目标：
1.理解直流电动机的原理．
2．理解磁电式电表的原理．
重点难点：直流电动机和磁电式电表的原理．
一、直流电动机
1．电动机的分类：电动机有____电动机与____电动机之分， ____电动机还可分为单相交流电动机与三相交流电动机．
直流
交流
交流
2．直流电动机的结构及原理(如图3－4－1)：
图3－4－1
(1)当线圈由位置丁经位置甲运动到位置乙时，图中左边受力方向____ ，右边受力方向____ ，使线圈顺时针转动；当线圈在位置乙时不受力，由于惯性继续转动．
(2)当线圈由位置乙经位置丙运动到位置丁时，由于电流换向，图中左边受力方向____ ，右边受力方向____ ，使线圈继续顺时针转动；当线圈在位置丁时不受力，由于惯性继续转动；然后，线圈重复以上过程转动下去．
3．直流电动机的优点：通过改变输入电压很容易调节它的____ ，而__________的调速就不太方便．
向上
向下
向上
向下
转速
交流电动机
思考感悟
1．在开关闭合前，能否让线圈停在上图中的乙、丁两图所示的位置上？
提示：不能．
二、磁电式电表
1．电流表是测量____的电学仪器，我们在实验时经常使用的电流表是______电流表．
2．在磁电式电流表中，强蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个转动的铝框，在铝框上绕有线圈．铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针，线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈．
电流
磁电式
如图3－4－2所示，蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的，通电线圈不管转到什么角度，线圈的平面都跟磁感线平行．当电流通过线圈的时候，线圈上跟铁芯轴线平行的两边受到的安培力产生力矩，使线圈发生转动．同时，螺旋弹簧被扭转，产生一个阻碍线圈转动的力矩，其大小随线圈转动角度的增大而增大．直至上述两个力矩相____时，线圈才会停下来．
均匀辐射分布的磁场
图3－4－2
平衡
磁场对电流的作用力跟电流成____，因而线圈中的电流越大，安培力产生的力矩也越大，线圈和指针偏转的角度也就越大．因此，根据指针偏转角度的____，可以知道被测电流的强弱．
正比
大小
思考感悟
2．磁电式电流表中磁铁与铁芯之间的磁场是匀强磁场吗？
提示：不是．
一、直流电动机的原理
如图3－4－3所示，矩形线圈abcd的转轴OO′垂直于匀强磁场B的方向，且线圈平面与磁场方向的夹角为θ.为了便于分析通入恒定电流I时各边的受力情况，首先将立体空间图转化为平面图，即顺着转轴OO′看线圈所看到的结果如图3－4－4所示，ad与磁场方向的夹角就是线圈平面与磁场方向的夹角．
图3－4－3
图3－4－4
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
图3－4－5
1．(单选)一单匝线圈abcd，面积为S，通入电流为I，方向如图3－4－5所示．在磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈平面与B成θ角，此时线圈所受磁力矩为(　　)
A．M＝BISsinθ，顺时针
B．M＝BISsinθ，逆时针
C．M＝BIScosθ，顺时针
D．M＝BIScosθ，逆时针
二、磁电式电表的原理
1．电流表中磁铁与铁芯之间的磁场是均匀辐向分布的
所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，不管线圈处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度．该磁场并非匀强磁场，但在以铁芯为中心的圆圈上，各点的磁感应强度B的大小是相等的．
2．电流表的工作原理
如图3－4－6矩形线框两条边所受安培力大小相等，方向相反，大小为F＝BIL，但两力不在一条直线上，两个力形成一对力偶，设两力间距为d，则安培力矩M＝F·d＝BIL·d＝BIS(其中S为线圈面积)．
图3－4－6
由于线圈由N匝串联而成，所以线框所受力矩应为M1＝NBIS，电流表内的弹簧产生一个阻碍线圈偏转的力矩，已知弹簧产生的弹性力矩M2与指针的偏转角度θ成正比，即M2＝kθ，(其中k由弹簧决定)当M1＝M2时，线圈就停在某一偏角θ上，固定在转轴上的指针也转过同样的偏角θ，并指示刻度盘上的某一刻度，从刻度的指示数就可以测得电流强度．
由M1＝M2可得
NBIS＝kθ，θ＝·I.
从公式中可以看出：
(1)对于同一电流表N、B、S和k为不变量，所以θ∝I，可见θ与I一一对应，从而用指针的偏角来测量电流强度I的值；
(2)因为θ∝I，θ随I的变化是线性的，所以表盘的刻度是均匀的．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
2．(双选)关于磁电式电流表，下列说法中正确的有(　　)
A．电流表的线圈处于匀强磁场中
B．电流表的线圈处于均匀辐向磁场中
C．电流表的线圈转动时，安培力不变
D．电流表指针的偏转角与所测电流成正比
解析：选BD.匀强磁场的磁感线是间隔相等的平行直线，A错；电流表的线圈转动时，所受安培力的大小不变，方向变化，C错．
如图3－4－7是一种测定磁感应强度B的装置，在天平的一端挂个矩形线圈，它的底边放在待测的匀强磁场中，磁场方向与线圈平面垂直，线圈匝数n＝10，底边长L＝20 cm.当线圈通0.2 A电流时，天平达到平衡，然后保持电流大小不变，使电流反向，此时发现天平左盘再加入Δm＝36 g的砝码才能使天平平衡．求磁感应强度B的大小．(g取10 m/s2)
例1
通电导体在安培力作用下的平衡
图3－4－7
【答案】　0.45 T
【方法总结】　正确分析受力是解决此类问题的关键．
电磁炮是一种理想的兵器，它的主要原理如图3－4－8所示，1982年澳大利亚国立大学制成了能把2.2 g的弹体(包括金属杆EF的质量)加速到10 km/s的电磁炮(常规炮弹速度大小约为2 km/s)，若轨道宽2 m，长为100 m，通过的电流为10 A，则轨道间所加匀强磁场的磁感应强度多大？磁场力的最大功率多大？(轨道摩擦不计)
通电导体在安培力作用下的平动
例2
图3－4－8
【精讲精析】　如图3－4－9所示，电磁炮受重力G、轨道支持力FN和磁场对炮弹的安培力F，做匀加速直线运动，由运动学知识vt2－v02＝2as得：
a＝104×2/2×100 m/s2＝5×105 m/s2.
由牛顿第二定律得：F＝ma＝BIL，
即得：B＝2.2×10－3×5×105/10×2 T＝55 T.
由瞬时功率P＝Fv，可得磁场力的最大功率为：
Pm＝Fvm＝mavt＝1.1×107 W.
图3－4－9
【答案】　55 T　1.1×107 W
【方法总结】　炮弹从静止开始做匀加速直线运动，可利用运动规律和牛顿第二定律求解，也可利用动能定理求解．
通电线圈在磁场中的转动
例3
如图3－4－10甲所示是磁电式电流表的结构图，图乙是磁极间的磁场分布图，以下选项中正确的是(　　)
图3－4－10
①指针稳定后，线圈受到螺旋弹簧的力矩与线圈受到的磁力矩方向是相反的
②通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转的角度也越大
③在线圈转动的范围内，各处的磁场都是匀强磁场
④在线圈转动的范围内，线圈所受磁力矩与电流有关，而与所处位置无关
A．①②　　　　　　　　 B．③④
C．①②④ D．①②③④
【思路点拨】　辐射状磁场保证了线圈转动到任何位置，其转动力矩都不受B和转动角度的影响，而只与电流强度有关．
【自主解答】　当阻碍线圈转动的力矩增大到与安培力产生的使线圈转动的力矩平衡时，线圈停止转动，即两力矩大小相等、方向相反，故①正确，磁电式电流表蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的，不管线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，均匀辐向分布的磁场特点是大小相等、方向不同，故③错误，④正确．电流越大，电流表指针偏转的角度也越大，故②正确．
【答案】　C
变式训练　(双选)如图3－4－11所示，匀强磁场中，矩形通电线框可绕中心轴OO′转动，则下列说法正确的是(　　)
图3－4－11
A．在图示位置线框所受磁力矩为零
B．转过90°时线框所受磁力矩为零
C．转过90°时线框四条边都不受磁场力作用
D．转动中，ad、cd边所受磁场力均恒定不变
当线框转过90°时，从左向右侧视图如图乙所示．从图示可知，此时线框四条边都受安培力，整个线框的合外力为零．整个线框受磁力矩M＝0.转动过程中，任一位置的俯视图如图丙所示，受力大小、方向均不变，所以答案选B和D.