高中物理选修3-1人教新课标3.4通电导线在磁场中受到的力同步课件（32张PPT）

(共32张PPT)
第三章
磁场
第四节
通电导线在磁场中受到的力
现在我们的生活中到处都有家用电器的身影，如：洗衣机、电风扇、电动车等。这些电器中都有电动机，通电后就会转动工作，你知道它们的工作原理吗？
安培力
磁场对电流的作用力称为安培力，是为了纪念安培而命名的。
麦克斯韦称赞安培的工作是“科学上最光辉的成就之一，还把安培誉为“电学中的牛顿”。
André-Marie
Ampère
1775
─
1836
在电场中，正电荷所受电场力的方向就是电场强度的方向。那么，在磁场中，通电导体在磁场中的受力方向是不是磁感应强度的方向呢？
表示电流方垂直纸面向里
归纳总结安培力的方向判断
表示电流方垂直纸面向外
次数
磁场方向
电流方向
安培力方向
图
4
3
1
2
向上
向下
垂直于纸面向外
垂直于纸面向外
垂直于纸面向里
水平
向右
水平
向左
水平
向左
水平
向右
F
F
F
F
结论：安培力方向既与磁场方向垂直，也与电流方向垂直
实验现象
左手定则：伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面内，让磁感线从掌心垂直穿入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的就是通电导体在磁场中所受安培力的方向。
B
I
F
安培力的方向
通过视频回顾平行通电直导线之间的相互作用。
反向电流相互排斥
F
F
F
F
同向电流相互吸引
旋转的液体
如图所示，在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极，沿边缘内壁放一个圆环形电极，将两电极接在电池的两极上，然后在玻璃皿中放入盐水，把玻璃皿放入蹄形磁铁的磁场中，N
极在下，S
极在上，盐水就会旋转起来。
F
I
B
F
I
B
α
α
B
B
I
F
α
B
I
判定以下通电导线所受安培力的方向
30°
F
F
I
I
I
B
B
B
（1）当
I⊥B
且为匀强磁场，此时电流所受的安培力最大。
（2）当导线方向与磁场方向一致时(即
I∥B
)，电流所受的安培力最小，等于零。
（3）当导线方向与磁场方向
成
θ
角时，所受安培力介于最大值和最小值之间：
1.
大小：当导线方向与磁场方向垂直时，通电导线在磁场中受到的安培力的大小，既与导线的长度成正比，又与导线中的电流
I
成正比，即与
I
和
L
的乘积成正比。
2.
公式：F
=
BIL
F安
=
BILsin
θ
B
I
θ
B⊥
B∥
安培力的大小
1.
B
垂直于
I
，匀强磁场，直导线。
2.
不垂直变垂直(分解
B，或投影
L
)。
3.
弯曲导线变成直导线L是有效长度，不一定是导线实际长度。
若是弯曲导线，可视为起点到终点的一条通电直导线。
对公式
F
=
BIL
的理解
0
0.02
N
水平向右
0.02
N
垂直导线斜向左上方
I
B
I
B
30°
I
B
例1.
将长度为
20
cm、通有
0.1
A
电流的直导线放入一匀强磁场中，电流与磁场的方向如图所示，已知磁感应强度为
1
T。试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向。
1.
如图所示，将通电导线圆环平行于纸面缓慢地坚直向下放入水平方向垂直纸面各里的匀强磁场中,则在通电圆环完全进入磁场的过程中，所受的安培力大小变化是
(
)
A.
逐渐变大
B.
先变大后变小
C.
逐渐变小
D.
先变小后变大
B
I
B
在实验室中，常用到一种测电流强弱和方向的电学仪器——电流表，它就是根据磁场对电流作用的安培力制成的。
磁电式电流表
铁芯、线圈和指针是一个整体可以转动。
.
1.
磁电式电流表的构造
刻度盘、指针、蹄形磁铁、极靴（软铁制成）
、螺旋弹簧、线圈、圆柱形铁芯（软铁制成）。
该磁场并非匀强磁场
2.
该磁场是否匀强磁场？
3.
该磁场有什么特点？
1.
电流表中磁场分布有何特点呢？
电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。所谓均匀辐向分布，就是说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。
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。
(
1
)
蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐射分布的，不管通电线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感应线平行，当电流通过线圈时线圈上跟铁轴平行的两边都要受到安培力，这两个力产生的力矩使线圈发生转动。
2.
电流表的工作原理
线圈转动使螺旋弹簧被扭动，产生一个阻碍线圈转动的力矩，其大小随线圈转动的角度增大而增大，当这种阻碍力矩和安培力产生的使线圈转动的力矩相平衡时，线圈停止转动。
（2）磁场对电流的作用力与电流成正比，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越大，因而根据指针的偏转角度的大小，可以知道被测电流的强弱。
表盘的刻度均匀，θ
∝
I
（3）当线圈中的电流方向发生变化时，安培力的方向也随之改变，指针的偏转方向也发生变化，所以根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。
一、通电导体运动方向的判断
例1.
如图所示，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
解析：此题可以采用电流元法，也可采用等效法。
解法一：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。
解法二：电流元法。如图所示，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。
答案：A
电流元法
把整段导线分为多段电流元，先用左手定则判断每段电流元所受安培力的方向，然后判断整段导线所受安培力的方向，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)，然后根据磁体间或电流间的作用规律判断
分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法
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，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；不平行的两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其运动方向
1.
如图所示，把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方，导线可以自由转动，当导线通入图示方向电流
I
时，导线的运动情况是(从上往下看)
(
　
　)
A.
顺时针方向转动，同时下降
B.
顺时针方向转动，同时上升
C.
逆时针方向转动，同时下降
D.
逆时针方向转动，同时上升
C
安培力作用下通电导体的平衡
例
2.
质量为
m，长度为
L
的导体棒
MN
垂直导轨放置且静止于水平导轨上，通过
MN
的电流为
I，匀强磁场的磁感应强度为
B，垂直于电流方向且与导轨平面成
θ
角斜向下，如图所示，求棒
MN
所受的支持力大小和摩擦力大小。
解析：画出平面图，由左手定则判断出安培力方向，对MN
受力分析，如图所示，对导体棒
MN
由平衡条件得：
水平方向：Ff
＝
Fsin
θ
竖直方向：FN
＝Fcos
θ＋mg
安培力
F
＝
BIL，
所以
M所受的支持力
FN
＝
BILcos
θ＋mg
所受摩擦力
Ff
＝
BILsin
θ
答案：BILcos
θ＋mg　BILsin
θ
1.
首先把立体图画成易于分析的平面图，如侧视图、剖视图或俯视图等。
2.
确定导线所在处磁场方向，根据左手定则确定安培力的方向。
3.
结合通电导体、受力分析、运动情况等，根据题目要求，列出方程，解决问题。
解决涉及安培力的综合类问题的分析方法
2.
如图所示，在匀强磁场中用两根柔软的细线将金属棒
ab悬挂在水平位置上，金属棒中通入由
a
到
b
的稳定电流
I，这时两根细线被拉紧，现要想使两根细线对金属棒拉力变为零，可采用哪些方法
(
)
A.
适当增大电流
I
B.
将电流反向并适当改变大小
C.
适当增大磁场
D.
将磁场反向并适当改变大小
AC
B
I
b
a
把立体图转化为平面图进行受力分析
安培力
方向
垂直于
B、I
决定的平面
判断：左手定则
大小
F
=
ILBsin
θ
B
与
I
垂直：
F
=
ILB
B
与
I
平行：F
=
0
电流间的相互作用
先用安培定则判断磁场方向
再用左手定则判断安培力的方向
安培力作用的平衡问题
根据力的平衡条件解未知量
应用
磁电式电流表
构造、原理
应用
关于磁场对通电直导线的作用力，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方向垂直
D.
通电直导线在磁场中所受安培力的方向垂于由
B
和
I所确定的平面
BCD
BCD
2.
一根长为
0.2
m
的电流为
2
A
的通电导线
，放在磁感应强度为
0.5
T
的匀强磁场中，受到的安培力大小可能是（
）
A.
0.4
N
B.
0.2
N
C.
0.1
N
D.
0
×
3.
试画出下列各图中安培力的方向。
4.
在垂直纸面向里的匀强磁场
B
中，有一个垂直磁感线的环形线圈，通有顺时针电流
I，如图所示，则下列叙述中正确的是（
）
A.
环形线圈所受的磁力的合力为零
B.
环形线圈所受的磁力的合力不为零
C.
环形线圈有收缩的趋势
D.
环形线圈有扩张的趋势
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