1.2 安培力的应用-【金版教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册创新导学案教用Word（教科版2019）

物理 选择性必修 第二册(教科) 2．安培力的应用 1．能用安培力解释一些物理现象，了解安培力在生产生活中的应用。2.了解直流电动机、电磁炮、磁电式电流表的工作原理。 一　直流电动机 1．电动机是安培力的一个重要应用。电动机使电能转化为机械能。 2．直流电动机由磁场(磁体)、转动线圈、滑环、电刷等组成，由直流电源供电。 二　电磁炮 1．电磁炮也叫作轨道炮，是利用电磁系统中的安培力发射弹丸的一种先进的动能杀伤性武器。 2．电磁炮的优点 (1)炮弹体积小，重量轻，减小后勤负担。 (2)发射稳定性好，初速度大，射程远，精度高。 (3)安全隐患小。 三　磁电式电流表 1．磁电式电流表是利用通电线圈在磁场中受到安培力作用的原理制成的。 2．磁电式电流表结构：如图1所示，主要部件为：装在蹄形永磁体两个磁极上由软铁制成的极靴，中间固定的圆柱形软铁芯，连接在转轴上的线圈、指针，以及轴的上、下两端各连着的一盘游丝(即螺旋弹簧)。 3．辐向磁场 (1)定义：在极靴与铁芯之间均匀的空隙中，磁感线均匀地沿着径向分布，这种磁场叫作辐向磁场。 (2)特点：磁场内同一圆周上的任何位置，磁感应强度的大小都相等，方向总是沿半径方向。如图2所示。 4．工作原理：如图2所示，当有待测电流通过线圈时，磁场就对线圈产生安培力，使它偏转。游丝发生形变产生弹力，阻止线圈继续偏转，线圈(指针)偏转的角度越大，待测电流越大。 5．磁电式电表的优缺点 (1)优点：灵敏度高，可以测出很微弱的电流。 (2)缺点：对过载很敏感，容易被烧坏。 判一判 (1)电动机转动线圈的转动方向可用左手定则判断。(　　) (2)只增大电流，电磁炮弹丸受到的安培力减小。(　　) (3)磁电式电流表线圈左右两边所受安培力始终垂直于线圈平面。(　　) (4)对于磁电式电流表，在线圈转动的范围内，线圈所受安培力大小与电流大小有关，而与所处位置无关。(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)√ 探究　直流电动机　电磁炮 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：如图甲所示，将线圈abcd放置在匀强磁场中，通以图示电流，通过左手定则判断图示时刻线圈abcd所受安培力方向，并判断线圈如何运动。 提示：ab边所受安培力方向竖直向上，cd边所受安培力方向竖直向下；线圈顺时针转动。 活动2：如图乙所示，为一直流电动机的工作模型，滑环分成两个相互绝缘的半圆环A与B，分别与线圈两端固定连接，电刷压在滑环上。从图乙位置开始，当滑环空隙转到电刷处时，线圈中电流为0，之后线圈如何运动？ 提示：图乙中电流由A流入线圈，由B流出线圈，根据活动1，线圈顺时针转动。当滑环空隙转到电刷处时，线圈中电流为0，不受安培力，由于惯性继续转动。之后电流由B流入线圈，由A流出线圈。根据左手定则，线圈继续受沿旋转方向的安培力而转动，并且每转半圈，线圈内电流方向就变换一次，从而可以连续转动。 活动3：如图丙所示，为一个简单的电磁轨道炮发射的基本原理图。两条水平平行的金属导轨A和B通入强大电流I，则A、B中电流在弹丸处产生的磁场方向是怎样的？ 提示：A、B的电流在弹丸处产生的磁场方向均是竖直向上。 活动4：弹丸所受安培力方向是怎样的？ 提示：弹丸所受安培力方向水平向右。 活动5：直流电动机和电磁轨道炮都伴随着能量变化，请说说它们的能量转化。 提示：均是电能转化为机械能。 1．直流电动机 (1)组成：由磁场(磁体)、转动线圈、滑环、电刷等组成，由直流电源供电。 (2)滑环的结构、作用：分成两个半圆环A与B，相互绝缘。滑环起到改变线圈中电流方向的作用，所以也叫换向器。 (3)工作原理：当线圈通电后，由于受到安培力的作用，线圈在磁场中旋转起来，并且每转半圈，线圈内电流方向就变换一次，从而可以连续转动。 2．电磁炮 基本原理：弹丸放置在两金属导轨A、B间，它与两导轨间接触良好且摩擦很小。当两导轨接入电源时，强大的电流I从导轨A流入，经弹丸从另一导轨B流回，两导轨中的强电流在两导轨间产生强磁场，磁场方向竖直向上。利用左手定则可以判定，弹丸受到的安培力方向水平向右，它将在导轨上以很大的加速度做加速运动，最终高速发射出去。 例1　如图甲所示，2022年10月，我国成功运行了世界首个“电磁撬”，它对吨级物体的最高推进速度达到每小时1030公里(286 m/s)。如图乙为简化后的“电磁撬”模型：两根平行长直金属导轨沿水平方向固定，其间安放金属滑块，滑块可沿导轨无摩擦滑行，且始终与导轨保持良好接触。电源提供的强大电流经导轨—滑块—导轨流回电源，滑块被导轨中电流形成的磁场推动而加速。将滑块所处位置的磁场简化为方向垂直纸面的匀强磁场，磁感应强度B＝5 T，若两导轨间的距离L＝2 m，滑块质量m＝1000 kg，设通电后滑块开始做匀加速直线运动，其加速度大小a＝50 m/s2，求滑块匀加速过程中电源提供的电流大小。 (1)已知物体的加速度与其质量，如何求解其所受合力？ 提示：根据牛顿第二定律F＝ma进行求解。 (2)如何求解回路中的电流I? 提示：根据安培力公式F＝BIL进行求解。 [规范解答]　滑块在两导轨间做匀加速直线运动，根据牛顿第二定律有 F安＝ma 又安培力F安＝ILB 解得I＝＝ A＝5000 A。 [答案]　5000 A [变式训练1]　如图所示为直流电动机的示意图，当它接通不计内阻的直流电源后，从上向下看去，线圈沿顺时针方向转动。则电源的极性为(　　) A．A正B负 B．B正A负 C．没有要求 D．无法判断 答案　A 解析　由题图可知，磁场的磁感线水平向右，根据线圈的转动方向可知，线圈左边受到的安培力垂直纸面向里，根据左手定则，可知线圈左边中的电流方向竖直向上，线圈右边受到的安培力垂直纸面向外，则线圈右边中的电流方向竖直向下，所以题图中A为电源正极，B为电源负极，故A正确，B、C、D错误。 探究　磁电式电流表 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：图甲是磁电式电流表的结构图，请说明该电流表指针转动的原因。 提示：当电流通过线圈时，线圈受到安培力的作用。由左手定则可以判定，线圈左右两边所受的安培力的方向相反，于是安装在轴上的线圈就要转动，从而带动指针转动。 活动2：图甲电流表转轴的上下两端各连有一盘游丝(螺旋弹簧)，它们的绕向相反(一个顺时针，一个逆时针)。线圈未通入电流时，游丝有什么作用？ 提示：若线圈受外力向右转动，图甲中一个游丝收紧，另一个游丝伸展，均产生弹力以阻止线圈的转动。所以在未通入电流时，线圈静止在平衡位置，指针停在刻度盘零刻度线处。 活动3：如图乙所示，电流表的两磁极装有极靴，极靴中间还有一个用软铁制成的圆柱铁芯，这样，极靴与圆柱铁芯间的磁场是沿径向均匀分布的辐向磁场。这样设计时，线圈左右两边所受安培力有什么特点？ 提示：线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，线圈左右两边所在处的磁感应强度的大小都相等。所以线圈左右两边所受安培力始终垂直于线圈平面，且安培力的大小只与电流大小有关。 活动4：磁电式电流表是如何测量电流大小的？磁电式电流表能测出电流的方向吗？ 提示：电流越大，安培力就越大，游丝平衡时的弹力越大，游丝的形变也就越大，线圈平衡时偏转的角度也越大。所以，从线圈(指针)偏转的角度就能判断通过电流的大小。线圈中的电流方向改变时，线圈所受安培力的方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变。所以，根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。 1．磁电式电流表的物理学原理 当有待测电流通过线圈时，磁场就对线圈产生安培力，使它偏转。线圈偏转时，游丝发生形变，产生的弹力，阻止线圈继续偏转。线圈偏转的角度越大，游丝的形变越大，弹力就越大，当弹力和安培力达到平衡时，指针所指的位置就反映出待测电流的大小。经过标准电流计量仪器校准和标定之后，就可以直接从指针位置读出待测电流的值。 2．磁电式电流表的特点 (1)辐向磁场的特点 ①方向：沿径向均匀地辐向分布； ②大小：在距轴线等距离处的磁感应强度大小相等。 (2)线圈所受安培力的特点 ①方向：安培力的方向与线圈平面垂直； ②大小：安培力的大小与通过的电流成正比。 3．磁电式电流表的优、缺点 优点：灵敏度高，可以测出很弱的电流； 缺点：对过载很敏感，容易被烧坏。 注：我们在实验室里经常使用的电流表和电压表都是磁电式电流表改装成的。 例2　(多选)实验室经常使用的电流表是磁电式电流表。这种电流表的构造如图甲所示。蹄形永磁体上的极靴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，则下列说法中正确的是(　　) 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．更换较“硬”的螺旋弹簧，可以增大电流表的灵敏度 (1)怎么判断线圈的转动方向？ 提示：可以根据磁场方向和电流方向用左手定则判断。 (2)电流表的灵敏度是指什么？ 提示：电流变化一定值时指针偏转角度的变化大小。 [规范解答]　由于磁场辐向分布，且线圈与铁芯共轴，故线圈平面总是与磁感线平行，A正确。通有电流时，线圈在安培力的作用下转动，从而使螺旋弹簧发生形变，螺旋弹簧因为形变而产生阻碍线圈转动的力，故B正确。当线圈在如图乙所示的位置时，由左手定则知，b端受到的安培力方向向下，故C错误。电流变化相同时，安培力变化相同，螺旋弹簧的弹力变化相同，螺旋弹簧较“硬”时，形变量的变化较小，灵敏度较小，故D错误。 [答案]　AB [变式训练2]　(多选)磁电式电流表内的极靴和铁芯之间有均匀辐向分布的磁场，下列关于磁电式电流表的说法正确的是(　　) A．该磁场的磁感应强度大小处处相等，方向相同 B．该磁场的磁感应强度的方向处处相同，大小不等 C．该磁场穿过线圈的磁通量始终为零 D．该电流表的刻度是均匀的 答案　CD 解析　磁电式电流表内的极靴和铁芯之间均匀辐向分布的磁场，使线圈平面始终与磁感线平行，故该磁场穿过线圈的磁通量始终为零，C正确。该磁场中距轴线等距离处的磁感应强度大小都相等，但方向不同，由F＝ILB可知，安培力大小只与电流大小有关，且成正比，所以电流表的刻度均匀，故A、B错误，D正确。 1．(磁电式电流表)如图，是磁电式电流表的结构，蹄形永磁体上的极靴和铁芯间的磁场辐向均匀分布，线圈中a、b两条导线长均为l，通以图示方向的电流I，两条导线所在处的磁感应强度大小均为B。则(　　) A．该磁场是匀强磁场 B．线圈平面总与磁场方向垂直 C．线圈将沿顺时针方向转动 D．a、b导线受到的安培力大小总为IlB 答案　D 解析　该磁场是辐向均匀分布的，不是匀强磁场，A错误；线圈平面总与磁场方向平行，B错误；根据左手定则可知，线圈中a导线受到向下的安培力，b导线受到向上的安培力，线圈将沿逆时针方向转动，C错误；a、b导线始终与磁场垂直，受到的安培力大小总为IlB，D正确。 2．(安培力的应用)(多选)超导电磁船是一种不需要螺旋桨推进的低噪音新型船，如图是电磁船的简化原理图，MN和CD是与电源相连的导体板，MN与CD之间部分区域浸没在海水中并有垂直纸面向里的匀强磁场(磁场由固定在船上的超导线圈产生，其独立电路部分未画出)。以下说法正确的是(　　) A．使船前进的力，是磁场对海水的安培力 B．要使船前进，海水中的电流方向从CD板流向MN板 C．仅改变超导线圈中电流的方向，可控制船前进或倒退 D．船所获得的推力大小，与通过海水的电流大小和超导线圈产生的磁感应强度有关 答案　BCD 解析　使船前进的力，是海水对超导线圈的作用力，A错误；若海水中的电流方向从CD板流向MN板，根据左手定则，海水所受的安培力向后，根据牛顿第三定律，海水对船的磁场力向前，使船前进，仅改变超导线圈中电流的方向，磁场方向改变，海水所受安培力方向改变，就可以改变海水对超导线圈的磁场力的方向，从而控制船前进或者倒退，B、C正确；根据F＝IlB可知，船所获得的推力大小，与通过海水的电流大小和超导线圈产生的磁感应强度有关，D正确。 3. (直流电动机)如图所示，直流电动机的气隙中(磁极和电枢之间的区域)有磁感应强度为2 T的匀强磁场，400匝的矩形电枢线圈处于匀强磁场中，转轴垂直于磁场，此时线圈平面与磁感线平行，电流为10 A，线圈ab边单匝的长度为0.25 m。 (1)求此时电枢线圈ab边所受安培力的大小； (2)描述此时线圈的运动情况。 答案　(1)2000 N　(2)从外向里看沿顺时针方向转动 解析　(1)根据安培力公式，电枢线圈ab边所受安培力的大小为F安＝NIlB＝400×10×0.25×2 N＝2000 N。 (2)在题图位置，由左手定则可知，电枢线圈ab边所受安培力方向向上，电枢线圈cd边所受安培力方向向下，则从外向里看，线圈沿顺时针方向转动。 4. (安培力的应用)(多选)医院使用血浆时，需利用电磁泵从血库向外抽血。电磁泵的结构示意图如图所示，长方形导管的左右表面绝缘，上下表面为导体，管长为a，内壁高为b，宽为l，且内壁光滑。将导管放入匀强磁场，其左右表面与磁场垂直。因充满导管的血浆中有正、负离子，将上下表面和电源接通后，导管的前后两端便会产生压强差p，从而将血浆匀速抽出，血液匀速流动的速度为v。若血浆的电阻率为ρ，所加电源的电动势为E，内阻为r，匀强磁场的磁感应强度为B，则血浆受到的安培力大小为(　　) A. B. C．pal D．pbl 答案　BD 解析　导管中血浆的电阻为R＝ρ，通过血浆的电流为I＝，血浆受到的安培力大小为F＝IbB，联立解得F＝；血浆匀速流动，则安培力的大小等于导管的前后两端产生的压力差，有F＝pbl。故A、C错误，B、D正确。 5.(安培力的应用)某同学在学习了磁场对电流的作用后产生想法，设计了一个简易的“电磁秤”。如图，两平行金属导轨CD、EF间距为L＝0.1 m，与电动势为E0＝9 V且内阻不计的电源、电流表(量程为0～3 A)、开关、滑动变阻器R(阻值范围为0～100 Ω)相连，质量为M＝0.05 kg、电阻为R0＝2 Ω的金属棒MN垂直于导轨放置构成闭合回路，回路平面与水平面成θ＝30°角，垂直接在金属棒中点的轻绳与导轨平面平行，跨过定滑轮后另一端接有秤盘，空间施加垂直于导轨平面向上的匀强磁场，磁感应强度大小为B＝5 T。在秤盘中放入待测物体，闭合开关，调节滑动变阻器，当金属棒平衡时，通过读取电流表的读数就可以知道待测物体的质量。已知秤盘中不放物体时，使金属棒静止时电流表读数为I0＝0.1 A。其余电阻、摩擦以及轻绳质量均不计，g＝10 m/s2。则： (1)秤盘的质量m0是多少？ (2)求此“电磁秤”称量物体的最大质量及此时滑动变阻器接入电路的阻值； (3)为了便于知道秤盘上物体质量m的大小，请作出其与电流表读数关系的m­I图像。 答案　(1)0.03 kg　(2)0.145 kg　1 Ω (3)图见解析 解析　(1)根据题意，秤盘中不放物体时，对金属棒受力分析有FT＝Mgsinθ＋I0LB 对秤盘受力分析有FT＝m0g 解得m0＝0.03 kg。 (2)当电路中电流最大时，此“电磁秤”称量物体的质量最大，由闭合电路欧姆定律有 Ig＝ 解得R＝1 Ω 此时对金属棒有FTmax＝Mgsinθ＋IgLB 对秤盘和所称物体有FTmax＝(m0＋mmax)g 解得mmax＝0.145 kg。 (3)根据(2)中分析，同理可得，电流与所称物体质量的关系式为Mgsinθ＋ILB＝(m0＋m)g 代入数据得m＝(0.05I－0.005) kg(I≤3 A) 据此作出m­I图像如图所示。 10 学科网（北京）股份有限公司 $$