第1节 安培力及其应用（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版2019 福建专版）

第1章 安培力与洛伦兹力 安培力及其应用 (强基课—逐点理清物理观念) 第1节 课标要求 学习目标 1.通过实验,认识安培力。 2.能判断安培力的方向。 3.会计算安培力的大小。 4.了解安培力在生活中的应用。 1.能认识安培力的内涵,会计算安培力的大小,并会判断其方向。 2.能用安培力的知识解释一些相关物理现象。 3.能分析物理现象,提出有针对性的物理问题。 4.能认识到电磁技术的应用对人类生活的影响。 1 逐点清(一) 安培力的方向 2 逐点清(二) 安培力的大小 3 逐点清(三) 安培力的应用 4 课时跟踪检测 CONTENTS 目录 逐点清(一) 安培力的方向 1.安培力:______对通电导线的作用力。 2.左手定则:如图所示,伸开左手,拇指与其余四指______,且都与手掌处于同一平面内,让磁感线垂直穿过______,四指指向______的方向,此时拇指所指的方向即为安培力的方向。 多维度理解 磁场 垂直 手心 电流 3.安培力F、磁感应强度B、电流I的关系 (1)已知I、B的方向,可唯一确定F的方向。 (2)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。 (3)已知F、I的方向,磁感应强度B的方向不能唯一确定。 1.安培定则与左手定则的选取原则 2.两平行通电直导线的相互作用规律 (1)同向电流互相吸引; (2)反向电流互相排斥。 1.判断下列说法是否正确。 (1)安培力的方向与磁场方向可能垂直,也可能不垂直。 ( ) (2)安培力的方向与电流方向一定垂直。 ( ) (3)电流的方向与磁场的方向不一定垂直。 ( ) 全方位练明 × √ √ 2.把柔软的铝箔条折成“天桥”状并用胶纸粘牢两端固定在桌面上,电池的正极通过导线与铝箔条相连,负极直接按压在铝箔条上,以下情形中,会使“天桥”中部的铝箔条向上运动的是(忽略导线产生磁场的影响) (　　) √ 解析:因为选项A中铝箔条没有在磁场中,所以通电后铝箔条不受安培力,故A错误;B、C、D三个选项中铝箔条均处在从N极指向S极的磁场中,结合电流方向由左手定则可知,只有选项D中的铝箔条受向上的安培力,铝箔条向上运动,故B、C错误,D正确。 3.截面为正方形的绝缘弹性长管中心有一固定长直导 线,长管外表面固定着对称分布的四根平行长直导线。若 中心直导线通入电流I1,四根平行直导线均通入电流I2,I1≫I2,电流方向如图所示。下列截面图中可能正确表示通电后长管发生形变的是(　　) √ 解析:因I1≫I2,则可不考虑四个边上的直导线之间的相互作用。根据两通电直导线间的安培力作用满足“同向电流相互吸引,异向电流相互排斥”,则正方形左右两侧的直导线I2要受到I1吸引的安培力,形成凹形,正方形上下两边的直导线I2要受到I1排斥的安培力,形成凸形,故变形后的形状可能如选项C所示。 逐点清(二) 安培力的大小 安培力大小计算的三种情况 同一通电导线,按不同方式放在同一磁场中,受到的安培力情况不同,如图所示。 多维度理解 1.如图甲,通电导线与磁场方向平行,此时所受安培力最小,F=0。 2.如图乙,通电导线与磁场方向垂直,此时所受安培力最大,F=IlB。 3.如图丙,通电导线与磁场方向成θ角,此时可以分解磁感应强度,如图丁所示,于是所受安培力大小为F=IlBsin θ,这也是一般情况下通电导线所受安培力的表达式。 1.公式适用条件:导线所处的磁场应为匀强磁场;在非匀强磁场中,公式F=IlBsin θ仅适用于很短的通电直导线(我们把这样的直线电流称为直线电流元)。 2.对公式F=IlBsin θ的理解 (1)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)适用于电流处于匀强磁场中计算安培力大小的情况。 (3)B是外加磁场的磁感应强度大小,不要与电流所产生的磁场的磁感应强度相混淆。 (4)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的长度(如图所示),相应的电流沿导线由始端流向末端。 [典例]　如图所示,匀强磁场区域足够大,磁感应 强度大小为B,方向水平向右,将一段圆弧形导体ab置 于磁场中,圆弧圆心为O,半径为r。现在导体ab中通以方向从b a的恒定电流I,并将磁场从图示位置沿顺时针方向在纸面内缓慢旋转,下列说法正确的是(　　) A.圆弧形导体受到的安培力方向始终垂直纸面向外 B.圆弧形导体受到的安培力大小不可能为0 C.圆弧形导体受到的安培力大小可能为BIr D.圆弧形导体受到的安培力最大值为πBIr √ [解析]　根据左手定则可知,磁场水平向右时,圆弧形导体所受安培力垂直纸面向外,当磁场与弦ba平行时,圆弧形导体所受安培力为0,当磁场水平向左时,安培力垂直纸面向里,故A、B错误;圆弧形导体的有效长度为L=r,当磁感应强度B与弦ba垂直时,圆弧形导体所受安培力最大,为Fmax=BIL=BIr,当磁感应强度B与弦ba平行时,圆弧形导体所受安培力为0,所以圆弧形导体所受安培力的大小范围为0≤F≤Fmax,C正确,D错误。 1.(多选)下列四幅图中,导体棒的长度均为L,磁场的磁感应强度大小均为B,在各导体棒中通有大小相同的电流I。则下列选项正确的是 (　　) 全方位练明 A.图甲中导体棒所受的安培力大小为BIL B.图乙中导体棒所受的安培力大小为BIL C.图丙中导体棒所受的安培力大小为BIL D.图丁中导体棒所受的安培力大小为BIL √ √ 解析:题图甲中,因导体棒与磁场平行,所以导体棒所受的安培力为零,A错误;题图乙中,导体棒与磁场垂直,则导体棒所受的安培力的大小为F1=BIL,B正确;题图丙中,导体棒与磁场垂直,则导体棒所受的安培力的大小为F2=BIL,C错误;题图丁中,导体棒与磁场成60°角,则导体棒所受的安培力的大小为F3=BILsin 60°=BIL,D正确。 2.(2023·江苏高考)如图所示,匀强磁场的磁感应强度 为B。L形导线通以恒定电流I,放置在磁场中。已知ab边 长为2l,与磁场方向垂直,bc边长为l,与磁场方向平行。该 导线受到的安培力为 (　　) A.0 B.BIl C.2BIl D.BIl √ 解析:bc段与磁场方向平行,不受安培力;ab段与磁场方向垂直,所受安培力为Fab=BI·2l=2BIl,则该导线受到的安培力为2BIl。故选C。   逐点清(三) 安培力的应用 1.电动机的构造 (1)定子:固定不动的部分,通常由两个______组成。 (2)转子:能够转动的部分,通常是_____。 2.电动机的原理:通电的线圈——转子,在定子产生的磁场中受______而运动。 多维度理解 磁极 线圈 安培力 3.电动机的应用:生活、生产、建设、交通、科研、娱乐等一切通过用电获得动力的设备、机器,如电风扇、洗衣机、吹风机、电动车、磁盘的驱动、制冷设备的压缩机都离不开由_______使其转动的电动机。 安培力 4.电流计工作原理 (1)构造:圆柱形铁芯、________、线圈、指针和游丝, 如图所示。 (2)原理:当被测电流通入线圈时,线圈受安培力作用而 转动,当安培力的作用与游丝形变产生的阻碍达到平衡时,指针便停留在某一刻度。_____越大,安培力越大,_______________ 越大。 U形磁铁 电流 指针偏转角度 1.判断下列说法是否正确。 (1)电动机的转子转动是线圈受安培力作用的结果。 ( ) (2)磁电式电流表内部是均匀辐射磁场,而不是匀强磁场。 ( ) (3)磁电式电流表指针偏转角度越大,线圈受到的安培力越大。 ( ) 全方位练明 √ √ √ 2.(2024·宁德高二检测)下列关于磁电式电流表(结构 如图所示)的说法不正确的是 (　　) A.磁电式电流表最基本的组成部分是磁铁和放在 磁铁两极之间的线圈 B.表盘的刻度是不均匀的 C.根据指针的偏转方向,可以知道被测电流的方向 D.优点是灵敏度高,缺点是允许通过的电流很弱 √ 解析:磁电式电流表最基本的组成部分是磁铁和放在磁铁两极之间的线圈,优点是灵敏度高,缺点是允许通过的电流很弱,A、D正确;极靴与软铁之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,因此刻度盘的刻度是均匀的,B错误;线圈中电流方向改变时,安培力的方向随着改变,指针的偏转方向跟着改变,C正确。 3.如图甲所示是磁电式电流表的结构,蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布,线圈匝数为n,面积为S,线圈a、b两边导线长均为l,所在处的磁感应强度大小均为B,当线圈中通电流I时,a、b边所受安培力F方向如图乙所示。则 (　　) A.该辐向磁场是匀强磁场 B.穿过线圈的磁通量为BS C.转动过程中安培力F大小总为nBIl D.线圈a边导线电流方向垂直纸面向外 √ 解析:匀强磁场的磁感线处处平行,而辐向磁场的磁感线不平行,所以不是匀强磁场,故A错误;由题图乙根据对称性可知,穿过线圈的磁通量为零,故B错误;根据安培力公式可得,转动过程中安培力大小为F=nBIl,故C正确;根据左手定则可知,线圈a边导线电流方向为垂直纸面向里,故D错误。 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A级——基础达标 1.(2024·浙江嘉兴高二联考)电风扇的核心部件是电动机,电风扇通电后电动机线圈开始转动,使电动机线圈发生转动的力是(　　) A.库仑力 B.电场力 C.万有引力 D.安培力 解析:电动机线圈会转动是由于通电线圈受到安培力的作用,故选D。 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2.(多选)下面的各图显示了磁场对通电直导线的作用力,其中正确的是 (　　) 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解析:题图A,磁场方向竖直向上,电流方向垂直纸面向里,由左手定则可知,磁场对通电直导线的作用力方向水平向右,A错误;题图B,磁场方向水平向右,电流方向垂直纸面向外,由左手定则可知,磁场对通电直导线的作用力方向竖直向上,B正确;题图C,磁场方向垂直纸面向里,电流方向水平向左,由左手定则可知,磁场对通电直导线的作用力方向竖直向下,C正确;题图D,磁场方向垂直纸面向外,电流方向垂直纸面向外,磁场方向与电流方向平行,磁场对通电直导线不产生作用力,D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 3.两根互相平行的通电直导线P、Q的横截面如图所示, 电流方向已在图中标出,则导线P中的电流产生磁场的磁感 线环绕方向和导线Q所受的安培力方向分别为 (　　) A.逆时针,向上 B.逆时针,向下 C.顺时针,向上 D.顺时针,向下 解析:根据右手螺旋定则可知导线P中电流产生的磁场为逆时针方向,根据左手定则可知导线Q所受的安培力方向为向上,故A正确。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 4.(2024·济南高二统考)如图所示,金属杆ab处在磁 感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向与导轨平面成θ角 斜向上,ab静止于水平导轨上。则关于金属杆所受安培力的方向,下列说法中正确的是 (　　) A.水平向左 B.水平向右 C.斜向上方 D.斜向下方 解析:根据题图可知,金属杆中的电流方向从a→b,根据左手定则可知,金属杆所受安培力的方向为垂直于磁场斜向左上方,故选C。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 5.如图所示,通电导线在纸面内由Ⅰ位置绕垂直纸面的 固定轴转到Ⅱ位置,则该导线所受安培力大小 (　　) A.变大 B.变小 C.不变 D.不能确定 解析:通电导线由Ⅰ位置绕固定轴转到Ⅱ位置,导线仍然与磁场垂直,则安培力大小F=IlB不变,故C正确,A、B、D错误。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 6.如图为一台直流电动机的简化示意图。已知转子 为n匝、长L、宽d的矩形线圈,ab边所处的磁场的磁感应 强度为B。当线圈中通有恒定电流I,转子绕线圈平面内垂直于磁场的轴,由图示位置顺时针(从a看向b)转过θ角时(转动过程中线圈平面与磁场方向始终平行),转子的ab边受到的安培力大小为 (　　) A.nILBsin θ B.nILBcos θ C.nIdB D.nILB 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解析:转动过程中线圈平面与磁场方向始终平行,根据安培力公式可得转子的ab边受到的安培力大小为F=nILB,选项D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 7.如图所示为演示平行电流之间的作用力的实验装置的 电路简图。M和N为两根平行放置的导体棒,S2为单刀双掷开 关,下列说法正确的是 (　　) A.闭合S1,S2接a,M、N相互吸引 B.闭合S1,S2接b,M、N相互吸引 C.断开S1,S2接a,M、N相互吸引 D.断开S1,S2接b,M、N相互吸引 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解析:闭合S1,S2接a,则两导体棒中电流方向相同,M、N表现为相互吸引,故A正确;闭合S1,S2接b,两导体棒被短路,则导体棒中无电流通过,M、N间无吸引力,故B错误;断开S1,S2接a,导体棒N中无电流通过,M、N间无吸引力,故C错误;断开S1,S2接b,则两导体棒串联,由于平行放置,电流方向相反,M、N间表现为相互排斥,故D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 8.(多选)如果直流电动机转子线圈按如图所示方式连接,则闭合开关后 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A.转子线圈能持续转动 B.应该使用换向器,转子线圈才会持续转动 C.电动机的线圈在左图位置时不会转动 D.电动机的线圈在右图位置时最终会停止转动 解析:直流电动机转子线圈想要持续转动,必须使用换向器,否则最终将停止在题图中的右图所示位置,A错误,B、D正确;电动机的线圈在题图中的左图位置时,ab边受到向上的安培力,cd边受到向下的安培力,所以将会顺时针转动,C错误。 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 9.赤道上的地磁场可视为由南向北的水平匀强磁场,磁感应强度B=5.0×10-5 T。假设赤道上有一根沿东西方向放置的直导线,长L=2.0 m,通有方向由东向西、大小I=10 A的电流。 (1)判断导线所受安培力方向是竖直向上还是竖直向下; 答案:竖直向下　 解析:由左手定则可知,其安培力的方向为竖直向下。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 (2)求导线所受安培力的大小; 答案:1.0×10-3 N　 解析:由安培力公式得F=BIL=5.0×10-5×10×2.0 N=1.0×10-3 N。 (3)如果将上述通电导线沿南北方向放置,则导线所受安培力大小为多少? 答案:0 解析:因通电导线与磁场方向平行,所以导线所受安培力大小为F=0。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 B级——综合应用 10.(2024·湖北高二联考)如图所示,粗细均匀的正方形导 线框ABCD处于匀强磁场中,磁场方向与线框平面垂直。将线 框两端接入电路中,让恒定电流从A端流入、B端流出,关于磁 场对线框四条边作用力的分析,下列选项正确的是(　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A.AB边与CD边受到的力大小相等,方向相同 B.AB边与CD边受到的力大小相等,方向相反 C.AD边与BC边受到的力大小相等,方向相同 D.AD边与BC边受到的力大小相等,方向相反 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解析:AB边电阻小于ADCB边的电阻,则AB边电流大于CD边电流,则根据F=BIL可知AB边与CD边受到的力大小不相等,方向相同,选项A、B错误;AD边与BC边电流相等,根据F=BIL可知,受到的力大小相等,由左手定则可知,安培力方向相反,选项C错误,D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 11.如图,平放的铝锅锅边上焊一接线柱a,锅底部中央 处焊另一接线柱b,竖直向下的强磁场穿过铝锅。在锅中 倒入一定量的水银,若a、b经导线接直流电源,水银将会 旋转起来。下列判断正确的是 (　　) A.若a接正极、b接负极,水银将顺时针旋转 B.若a接正极、b接负极,水银将逆时针旋转 C.若仅将磁场反向,水银的旋转方向将不会改变 D.若把锅中的水银换成盐水,则不会旋转 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解析:由左手定则可知,若a接正极、b接负极,水银将顺时针旋转,所以A正确,B错误;若仅将磁场反向,水银的旋转方向将会改变,因为安培力的方向与磁场的方向有关,所以C错误;若把锅中的水银换成盐水,则也会旋转,因为盐水也能导电,也相当于通电导线在磁场中受到安培力作用,所以D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 12.如图所示的装置可以用来测量磁场的磁感应强度大小。 将白纸置于电子秤上,电子秤水平放置,先将电子秤示数清零,然后 将多粒纽扣型强磁铁叠加后固定于纸上。将匝数为800匝、下边 长为L=0.07 m的线圈竖直固定于铁架台上,置于磁铁上方,线圈下 边框处的磁场恰好水平且垂直于线框所在平面。实验开始后,线圈中电流为I=0.16 A时,电子秤示数为F1=4.77×10-3 N;仅改变线框中电流的方向,电子秤的示数为F2=3.56×10-3 N。忽略磁场对其余边框以及边框与边框之间的作用力,下边框所在区域磁场可视为匀强磁场,则下边框所在区域磁场的磁感应强度大小约为 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A.5.4×10-2 T B.6.8×10-5 T C.4.6×10-4 T D.3.7×10-1 T 解析:设磁铁的总质量为m,由平衡条件,电流方向改变前,mg+nILB=F1, 电流方向改变后,mg-nILB=F2,联立并代入数据可得B≈6.8×10-5 T,选项B正确。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 13.如图所示为电流天平,可以用来测量匀强磁场的磁 感应强度。它的右臂悬挂着矩形线圈,匝数为n,线圈的水平 边长为l,处于匀强磁场内,磁感应强度B的方向垂直于线圈 平面向里。当线圈中通过电流I时,调节砝码使两臂达到平 衡。然后使电流反向,大小不变,这时需要在左盘中增加质量为m的砝码,才能使两臂再次达到新的平衡。重力加速度g取10 m/s2。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 (1)导出用n、m、l、I、g计算B的表达式; 答案:B=　 解析:设电流方向未改变时,等臂天平左盘内砝码的质量为m1,右盘内砝码和线圈的质量为m2,则由等臂天平的平衡条件,有m1g=m2g-nIlB 同理可得电流方向改变后, 有(m+m1)g=m2g+nIlB 联立两式得B=。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 (2)当n=9、l=10.0 cm、I=0.10 A、m=8.78 g时,磁感应强度是多少?(结果保留2位有效数字) 答案:0.49 T 解析:将n=9、l=10.0 cm=0.1 m、I=0.10 A、m=8.78 g=8.78×10-3 kg代入B=,得B≈0.49 T。 2 3 4 $$