第1章 第1节 磁场对通电导线的作用力（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中物理选择性必修 第二册（人教版2019）

第一章　安培力与洛伦兹力 第1节　磁场对通电导线的作用力 [学习目标] 1.通过实验认识安培力的方向，会计算安培力的大小，了解安培力在生产、生活中的应用；观察磁电式电流表的结构，知道其工作原理(物理观念).2.会用左手定则判断安培力的方向；经历一般情况下安培力表达式的得出过程，体会矢量分析的方法(科学思维).3.经历得出安培力、磁感应强度和电流三者方向关系的过程，体会归纳推理的方法(科学探究).4.在实验探究的过程中，体会物理知识与科学技术的关系，有较强的学习和研究物理的兴趣，具有实事求是的态度(科学态度与责任)． 安培力的方向 1．安培力：__通电导线__在磁场中受到的力． 2．安培力的方向与__磁场方向__、__电流方向__有关；安培力垂直于__磁场方向__与__电流方向__决定的平面． 3．左手定则：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线__从掌心垂直进入__，并使四指指向__电流的方向__，这时__拇指__所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向． 安培力的大小 如图甲、乙所示，导线电流为I，长度为l，磁场的磁感应强度为B． 　　 1．如图甲所示，通电导线与磁场方向垂直，此时安培力F＝__IlB__. 2．如图乙所示，通电导线与磁场方向平行，此时安培力F＝__0__. 3．如图丙所示，当通电导线与磁场不垂直时，此时安培力F＝__BIlsin_θ__. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 磁电式电流表 1．构造：图中磁电式电流表各部件分别为①永久磁铁，②__极靴__，③铁质圆柱，④__螺旋弹簧__，⑤__线圈__，⑥指针． 2．原理：安培力与电流的关系．通电线圈在磁场中受到__安培力__而偏转，线圈偏转的角度越大，被测电流就__越大__.根据指针的__偏转方向__，可以知道被测电流的方向． 3．特点：极靴与铁质圆柱间的磁场都沿__半径__方向，线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线__平行__，且线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都__相等__. 4．优点：灵敏度高，可以测出__很弱__的电流． 缺点：线圈的导线很细，允许通过的电流__很弱__. 1．判断下列说法的正误 (1)安培力的方向与磁感应强度的方向相同．(　×　) (2)应用左手定则时，四指指向电流方向，拇指指向安培力的方向．(　√　) (3)对于磁电式电流表，指针稳定后，线圈受到的螺旋弹簧的阻力与线圈受到的安培力方向是相反的．(　√　) (4)两根通电导线在同一匀强磁场中，若导线长度相同，电流大小相等，则所受安培力大小相等，方向相同．(　×　) 2．(多选)把通有电流I、长度为l的直导线放在磁感应强度为B的匀强磁场中，关于导线所受安培力大小的说法正确的是(　　) A．可能为0 B．一定为BIl C．可能小于BIl D．可能大于BIl 答案　AC 解析　当导线与磁场方向平行时，导线受到的安培力为0，选项A正确；当导线与磁场方向垂直时，导线受到的安培力最大，为BIl，选项C正确，B、D错误. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 安培力的方向 【情境导学】 按照如图所示进行实验．仅上下交换磁极的位置以改变磁场方向，导线受力的方向是否改变？仅改变导线中电流的方向，导线受力的方向是否改变？ 答案　受力的方向改变；受力的方向改变． 1．安培力方向的特点 安培力的方向既垂直于电流方向，也垂直于磁场方向，即垂直于电流I和磁场B所决定的平面． 2．判断安培力方向的步骤 (1)明确研究对象； (2)用安培定则或根据磁体的磁场特征，画出研究对象所在位置的磁场方向； (3)由左手定则判断安培力方向． 【例题1】 下列各图中，表示磁场方向、电流方向及导线所受安培力方向的相互关系，其中正确的是(　　) 思维导引：(1)先明确电流和磁场的方向；(2)按照程序，即伸开左手手掌→磁感线穿过掌心→四指指向电流方向，确定安培力的方向． 答案　C 解析　A图，电流的方向向上，让磁场垂直于左手掌心向里穿过，根据左手定则可得，安培力的方向向左，选项A错误；B图，电流的方向与磁场的方向平行，电流不受安培力的作用，选项B错误；C图，电流的方向向右，让磁场垂直于左手掌心向里穿过，根据左手定则可得，安培力的方向向上，选项C正确；D图，电流的方向向里，让磁场垂直于左手掌心穿过，根据左手定则可得，安培力的方向向左，选项D错误． 【变式1】 如图所示，D是置于电磁铁两极间的一段通电直导线，电流方向垂直于纸面向里，在开关S接通后，导线D所受安培力的方向是(　　) A．竖直向上 B．竖直向下 C．水平向左 D．水平向右 答案　A 解析　在开关S接通后，线圈中电流由左侧流入，由安培定则可知电磁铁右侧为N极，故导线所在处的磁场方向向左，由左手定则可知，导线所受安培力方向竖直向上，选项A正确． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 安培力的大小 【情境导学】 在如图甲所示的探究影响安培力大小的有关因素的实验中，把导线垂直放入磁场(磁感应强度为B)中，得出的安培力F与导线长度l、电流大小I有怎样的关系？当导线平行磁场方向放入时，它受到的安培力多大？如图乙所示，当导线和磁场方向的夹角为θ时，它受到的安培力多大？ 　 答案　F＝BIl；0；将磁感应强度B沿平行导线方向和垂直导线方向进行分解，如图所示，则B⊥＝Bsin θ，F＝B⊥Il＝IlBsin θ. 对公式F＝IlBsin θ的理解 1．公式F＝IlBsin θ中B对放入的通电导线来说是外加磁场的磁感应强度，不必考虑导线自身产生的磁场对外加磁场的影响． 2．公式F＝IlBsin θ中θ是B和I方向的夹角 (1)当θ＝90°时，即B⊥I，sin θ＝1，公式变为F＝IlB．　 (2)当θ＝0时，即B∥I，F＝0. 3．公式F＝IlBsin θ中l指的是导线在磁场中的“有效长度”，弯曲导线的有效长度l等于连接两端点直线段的长度(如图虚线所示)；相应的电流沿导线由始端流向末端． 推论：对任意形状的闭合平面线圈，当线圈平面与磁场方向垂直时，线圈的有效长度l＝0，故通电后线圈在匀强磁场中所受安培力的矢量和一定为零，如图所示． 【例题2】 如图所示，导线框中电流为I，导线框垂直于磁场放置，磁感应强度大小为B，AB与CD相距为d，则棒MN所受安培力大小为(　　) A．F＝BId B．F＝BIdsin θ C．F＝　　　　 D．F＝BIdcos θ 思维导引：(1)磁场与电流方向是否垂直；(2)在本问题情形中，用F＝BIl求解时，导线的长度应为 . 答案　C 解析　棒MN在磁场中有效电流的长度L＝，则F＝BIL＝，选项C正确． 【变式2】 如图所示，AC是一个用长为L的导线弯成的以O为圆心的四分之一圆弧，将其放置在与平面AOC垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中．当在该导线中通过由C到A、大小为I的恒定电流时，该导线受到的安培力的大小和方向是(　　) A．BIL，平行于OC向左 B．，平行于OC向右 C．，垂直A、C的连线指向左下方 D．2BIL，垂直A、C的连线指向左下方 答案　C 解析　由于四分之一圆弧的长度为L＝，即 R＝，AC的有效长度为l＝R＝，所受安培力大小为FA＝BIl＝，由左手定则判断方向，垂直A、C的连线指向左下方，选项C正确． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 磁电式电流表 【知识拓展】 1．磁电式电流表的工作原理 通电线圈在磁场中受到安培力作用而发生偏转，偏转的方向不同，被测电流的方向不同． 2．磁电式电流表的磁场特点 两磁极间装有极靴，极靴中有铁质圆柱，使极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，保持线圈转动时，所受安培力的方向总与线圈平面垂直，使表盘刻度均匀． 3．磁电式电流表的灵敏度 (1)电流表的灵敏度：是指在通入相同电流的情况下，指针偏转角度的大小，偏角越大，灵敏度越高． (2)提高灵敏度的方法：如果要提高磁电式电流表的灵敏度，就要使在相同电流下线圈所受的安培力增大，可通过增加线圈的匝数、增大永磁铁的磁感应强度、增加线圈的面积和减小转轴处摩擦等方法实现． 【例题3】 如图甲所示是磁电式电流表的结构示意图，极靴和铁芯间的磁场均匀辐向分布，如图乙所示，边长为L的正方形线圈中通以电流I，线圈中的a导线电流方向垂直纸面向外，b导线电流方向垂直纸面向里，a、b两条导线所在处的磁感应强度大小均为B，则(　　) 　 A．该磁场的磁感应强度大小处处相等，方向不同 B．该线圈的磁通量为BL2 C．a导线受到的安培力方向向下 D．线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线圈转动 答案　D 解析　根据磁感线疏密表示磁场强弱可知，该磁场的磁感应强度并非处处大小相等，选项A错误；线圈与磁感线平行，故穿过该线圈的磁通量为零，选项B错误；a导线电流方向垂直纸面向外，所在处磁场方向向右，根据左手定则，所受安培力方向向上，选项C错误；线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线圈转动，选项D正确． 【变式3】 磁电式仪表的基本组成部分是磁铁、线圈、铁芯等，下列关于电表的说法正确的是(　　) A．电表里面是匀强磁场 B．电表里面的铁芯是为了减小线圈与磁场间的作用 C．电表中通的电流越大，指针偏转角度越大 D．改变电流方向，指针偏转方向不变 答案　C 解析　电表内的磁场是均匀辐向分布磁场，不是匀强磁场，选项A错误；铁芯被磁化变成了磁铁，它的磁场和线圈的磁场同向、相互叠加加强，增大线圈与磁场间的作用，选项B错误；线圈所受安培力力的大小随电流增大而增大，所以电表中通的电流越大，指针偏转角度越大，选项C正确；改变电流方向，线圈所受安培力的方向发生变化，指针偏转方向发生改变，选项D错误． 1．(安培力的方向)教学中常用如图甲所示的装置演示通电导体在磁场中受力的情况．现将图中的蹄形磁铁改用图乙所示的电磁铁代替，则合上开关时，下列判断正确的是(　　) 　 A．电磁铁上端为N极，下端为S极，导体棒ab向右运动 B．电磁铁上端为N极，下端为S极，导体棒ab向左运动 C．电磁铁上端为S极，下端为N极，导体棒ab向右运动 D．电磁铁上端为S极，下端为N极，导体棒ab向左运动 答案　A 解析　对于电磁铁，根据电池正负极判断线圈电流方向，运用右手定则判断电磁铁上端为N极，下端为S极，选项C、D错误；对于导体棒，根据电源正负极判断电流方向，并且磁场方向向下，运用左手定则可知导体棒所受安培力向右，故导体棒ab向右运动，选项B错误，A正确． 2．(安培力大小的计算)(多选)一根长为0.2 m、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，受到磁场力的大小可能是(　　) A．0.4 N B．0.2 N C.0.1 N D．0 答案　BCD 解析　根据安培力的定义，当磁感应强度B与通电电流I方向垂直时，磁场力有最大值为F＝BIl＝0.5×2×0.2 N＝0.2 N；而当两者方向平行时，磁场力有最小值为0；随着两者方向夹角的不同，磁场力大小可能在0.2 N与0之间取值． 3．(安培力大小的计算)如图所示的各图中，磁场的磁感应强度大小相同，导线两端点距离均相等，导线中电流均相等，则各图中有关导线所受安培力的大小的判断正确的是(　　) A．d图最大 B．b图最大 C．一样大　　 D．无法判断 答案　C 解析　安培力公式F＝BIl⊥，其中l⊥为垂直于磁场方向的有效长度，a、b、c、d四个图中导线的有效长度相等，所以所受的安培力大小相等，选项C正确． 4．(磁电式电流表)磁电式电流表的构造如图甲所示．蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的．若线圈中通以如图乙所示的电流，下列说法错误的是(　　) 　 A．在量程内指针转至任一角度，线圈平面都跟磁感线平行 B．线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线圈转动 C．当线圈在如图乙所示的位置时，b端受到的安培力方向向上 D．若刻度盘最左侧刻度为零，则线圈中所通电流方向只能如图乙所示 答案　C 解析　磁场是均匀地辐向分布，所以磁感线始终与线圈平面平行，选项A正确；当通电后，处于磁场中的线圈受到安培力作用，使其转动，螺旋弹簧被扭动，则受到弹簧的阻力，从而阻碍线圈转动，选项B正确；由左手定则可判定，当线圈转到如图乙所示的位置，b端受到的安培力方向向下，选项C错误；由左手定则可判定，如图乙所示的位置，b端受到的安培力方向向下，a端受到的安培力方向向上，因此安培力使线圈沿顺时针方向转动，因刻度盘最左侧刻度为零，故线圈中所通电流方向只能如图乙所示，选项D正确． 学科网（北京）股份有限公司 $$