第1章 1 磁场对通电导线的作用力 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修 第二册（人教版2019，浙江）

DIYIZHANG 第一章 1　磁场对通电导线的作用力 学习目标 1.通过实验探究安培力的方向与哪些因素有关，会用左手定则判断安培力的方向(重点)。 2.结合已学知识，推导安培力的大小的表达式(重点)。 3.观察磁电式电流表的结构，知道其工作原理。 2 内容索引 一、安培力的方向 二、安培力的大小 课时对点练 三、磁电式电流表 3 一 安培力的方向 4 1.安培力： 在磁场中受的力。 2.安培力的方向与 、 有关。 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个平面内；让磁感线 ，并使四指指向 ，这时 所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。 说明：安培力方向既 于电流方向，又 于磁场方向，即 于电流I和 及所决定的平面。 通电导线 磁场方向 电流方向 从掌心垂直进入 电流的方向 拇指 垂直 垂直 垂直 磁场B 思考与讨论 实验探究 组装好器材，进行实验，观察导体棒受力方向。 (1)上下交换磁极的位置以改变磁场的方向，观察导体棒受力方向是否改变。 答案　改变 (2)改变导体棒中电流的方向，观察受力方向是否改变。 答案　改变 　 画出下列各图中磁场对通电导线的安培力的方向。 例1 答案　 7 　　　在图中画出通电导体棒ab所受的安培力的方向。 答案　 针对训练 二 安培力的大小 9 如图所示，导线长度为l，电流为I，匀强磁场的磁感应强度为B。 1.写出甲、乙两图中导线所受安培力的大小； 答案　甲图：F＝BIl　乙图：F＝0 2.试推导丙图中导线所受安培力的大小。 答案　如图所示，分解磁感应强度B F＝B⊥Il＝BIl·sin θ 梳理与总结 安培力的大小：F＝BIl·sin θ 说明：①θ为B与I方向的夹角 当θ＝0°时，即B∥I，F＝0 当θ＝90°时，即B⊥I，F＝BIl ②表达式F＝BIlsin 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。 　 (2022·台州市高二期中)一段通电直导线，长度为l，通过的电流为I，放在同一个匀强磁场中，导线和磁场的相对位置有如图所示的四种情况，通电导线所受到的安培力的大小情况是 A.甲和乙的情况下，导线所受到的安培力都大于丁的情况 B.乙的情况下，导线不受安培力 C.乙、丁的情况下，导线所受安培力大小相等 D.甲、乙、丙、丁四种情况下，导线所受安培力大小都相等 例2 √ 甲、丙情况下导线所受到的安培力大小相等都为BIl，乙情况下导线中电流方向与磁场方向平行，导线不受安培力，丁情况下导线所受的 安培力为F＝BIlsin 60°＝　　 ，故A、C、D错误，B正确。 　 如图所示，一段导线abcd位于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，且与磁场方向(垂直于纸面向里)垂直，线段ab、bc和cd的长度均为L，且∠abc＝∠bcd＝135°。流经导线的电流为I，方向如图中箭头所示，则导线abcd受到的磁场的作用力的合力 例3 √ 三 磁电式电流表 16 1.磁电式电流表的构造：刻度盘、指针、蹄形磁体、极靴(软铁制成)、螺旋弹簧、线圈、圆柱形铁芯(软铁制成)。 2.磁电式电流表的工作原理：通电线圈在磁场中受安培力作用发生转动 (1)被测电流越大， 的角度越大。螺旋弹簧变形，反抗线圈的转动。这两种转动的效果叠加在一起，指针随之发生偏转；最终达到平衡，指针停止偏转。所以根据指针偏转角度的大小，可以确定被测电流的大小。 (2)当线圈中电流方向改变时， 随之改变，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 。 线圈偏转 安培力的方向 被测电流的方向 3.磁电式电流表的特点： (1)磁体和铁芯之间是 的磁场 (2)线圈平面始终与磁感线______ (3)表盘刻度均匀分布 4.优点：灵敏度高，可以测量 的电流。 5.缺点：线圈的导线很细，允许通过的电流 。 辐向均匀分布 平行 很弱 很弱 思考与讨论 结合磁电式电流表的工作原理，若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 (填“增加”或“减少”)线圈的匝数、 (填“增大”或“减小”)磁体的磁感应强度、_____(填“增加”或“减少”)线圈的面积和减小转轴处摩擦等方法实现。 增加 增大 增加 　 (多选)(2023·浙江联考)磁电式电流表的外部构造如图甲所示，在蹄形磁体的两极间有一个可以绕轴转动的线圈，转轴上装有螺旋弹簧和指针(如图乙所示)。蹄形磁体和铁芯间的磁场均匀辐向分布。当电流通过线圈时， 例4 线圈在安培力的作用下转动，如图丙，螺旋弹簧被扭动，线圈停止转动时满足NBIS＝kθ，式中N为线圈的匝数，S为线圈的面积，I为通过线圈的电流，B为磁感应强度，θ为线圈(指针)的偏角，k是与螺旋弹簧有关的常量。不考虑电磁感应现象， 下列说法正确的是 A.铁芯内部的磁感线会相交 B.线圈转动过程中受到的安培力始终与 　线圈平面垂直 C.若线圈中通以如图丙所示的电流时， 　此时线圈将沿顺时针方向转动 D.更换k值相对小的螺旋弹簧，则电流 　表的灵敏度(灵敏度即　 )将会增大 √ √ √ 每条磁感线都是闭合曲线，任意两条磁感线不相交，A错误； 蹄形磁体产生均匀辐向的磁场，线圈转动过程中磁场的方向始终与切割磁感线的两条边垂直，受到的安培力始终与线框平面垂直，B正确； 若线圈中通以题图丙所示的电流时，根据左手定则，此时线圈将沿顺时针方向转动，C正确； 四 课时对点练 考点一　安培力的方向　左手定则 1.(2022·嘉兴市高二期中)如图所示的四个图中，分别标明了通电导线在磁场中的电流方向、磁场方向以及通电导线所受安培力的方向，其中正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 基础对点练 √ 根据左手定则，A图中导线受安培力向下，A错误； B图中导线不受安培力，B错误； C图中导线所受安培力方向向下，C正确； D图中导线所受安培力方向应垂直于导线，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2.如图，均匀绕制的螺线管水平放置，在其正中心的上方附近用绝缘绳水平吊起通电直导线A，A与螺线管垂直，A导线中的电流方向垂直纸面向里。闭合开关S，A受到的通电螺线管产生的磁场的 作用力的方向是 A.竖直向上 B.竖直向下 C.水平向右 D.水平向左 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 首先根据安培定则判断出通电螺线管右端为N极，左端为S极，所以在A处产生的磁场方向水平向左。根据左手定则判断可知A受到的通电螺线管产生的磁场的作用力的方向竖直向上，选项A正确，B、C、D错误。 3.(2023·浙江检测)一新型电磁船的船体上安装了用于产生强磁场的超导线圈，在两船舷之间装有电池，导电的海水在磁场力作用下即可推动该船前进。如图是电磁船的简化原理图，其中MN和PQ是与电池相连的导体，MN、PQ、电池与海水构成闭合回路，且与船体绝缘，要使该船水平向左运动，则超导线圈在MNPQ所在区域产生 的磁场方向是 A.竖直向上 B.竖直向下 C.水平向左 D.水平向右 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 海水中电流方向从MN流向QP，且船向左运动，则船体所受的安培力方向向左，根据牛顿第三定律可知，海水所受的安培力方向向右，结合左手定则可知，磁场方向竖直向下。故选B。 考点二　安培力的大小 4.(2023·浙江高二期末)在赤道上，地磁场可看成是沿南北方向的磁场，磁感应强度的大小是5.0×10－5 T。如果赤道上有一根沿东西方向的直导线，长为30 m，载有自西向东的电流1.6 A，地磁场对这根导线的安培力大小和方向是 A.2.4×10－3 N，竖直向上 B.1.2×10－3 N，竖直向上 C.2.4×10－3 N，竖直向下 D.1.2×10－3 N，竖直向下 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 地磁场对这根导线的安培力大小 F＝BIL＝5.0×10－5×1.6×30 N＝2.4×10－3 N 根据左手定则可知，安培力的方向竖直向上。故选A。 5.如图所示，水平放置的U形导线框中接有电源，电流为I，导线框垂直于匀强磁场放置，磁感应强度大小为B，导线框间距为d，一导体棒与竖直虚线成θ角放置，则导体棒所受安培力的大小和方向分别为 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 导体棒中电流方向与磁场方向垂直，导体棒受到的安培力大小为F＝BIL＝　　，由左手定则可知安培力的方向垂直导体棒向右，故选D。 6.如图所示，水平导轨接有电源，导轨上固定有三根导体棒a、b、c，c为直径与b等长的半圆，长度关系为c最长，b最短，将装置置于竖直向下的匀强磁场中，在接通电源后，三根导体棒中有等大的电流通过，则三根导体棒受到的安培力大小关系为 A.Fa＞Fb＞Fc B.Fa＝Fb＝Fc C.Fb＜Fa＜Fc D.Fa＞Fb＝Fc √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 设a、b两棒的长度分别为La和Lb，c的直径为d。由于导体棒都与匀强磁场垂直，则a、b、c三棒所受安培力的大小分别为：Fa＝BILa；Fb＝BILb＝BId；c棒所受安培力与长度为d的直导体棒所受安培力的大小相等，则Fc＝BId；因为La＞d，则Fa＞Fb＝Fc，D正确。 7.如图所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，OP、OQ是两根长度均为L的金属导体棒，∠POQ＝60°，当给导体棒中通入大小为I的电流时，关于两导体棒受到的安培力的合力，下列说法中正确的是 A.当电流方向为P→O→Q时，合力大小为BIL，方向与 　OP成30°斜向右下方 B.当电流方向为P→O→Q时，合力大小为　　　，方向 　与OP成30°斜向左下方 C.当电流方向为Q→O→P时，合力大小为 　 　 ，方向与OP成30°斜向左下方 D.当电流方向为Q→O→P时，合力大小为BIL，方向与OP成30°斜向右下方 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 当电流方向为Q→O→P时，等效长度为PQ的长度，即为L，等效电流方向为Q→P，则合力大小为BIL，方向垂直PQ斜向下，即方向与OP成30°斜向右下方，选项D正确，C错误。 当电流方向为P→O→Q时，等效长度为PQ的长度，即为L，等效电流方向为P→Q，则合力大小为BIL，方向垂直PQ斜向上，即方向与OP成30°斜向左上方，选项A、B错误； 考点三　磁电式电流表 8.(2022·浙江高二阶段练习)电流计等磁电式电表是利用永久磁铁对通电线圈的作用原理制成的，其优点是灵敏度高。构造如图甲所示，圆柱形铁芯固定于U形磁铁两极间，其中磁场是均匀辐向分布，铁芯外面套有缠绕着线圈并可转动的铝框，铝框的转轴上装有指针和游丝(又称螺旋弹簧)。下列说法中正确的是 A.极靴和圆柱形铁芯之间磁场是匀强磁场 B.图乙中当线圈通以如图所示电流，图中指针往 　右偏 C.根据指针偏转角度的大小可以知道被测电流的大小 D.磁电式电流表可以直接测100 A左右的电流 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 匀强磁场的磁感线平行，而极靴和铁芯之间磁感线呈辐向分布，不是匀强磁场，故A错误； 根据左手定则可知，图乙中当线圈通以如 图所示电流，a所受安培力向下，b所受安培力向上，则图中指针往左偏，故B错误； 通过电流表的电流越大，线圈所受安培力越大，螺旋弹簧的形变也就越大，根据指针偏转角度的大小可以知道被测电流的大小，故C正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 磁电式电流表的线圈导线很细，允许通过的电流很小，不能直接测100 A左右的电流，故D错误。 9.(2022·温州市高二期中)水平面内有一通有恒定电流的直导线，电流方向如图所示，导线处于水平向右的匀强磁场B1中。如果在该空间再加一个匀强磁场B2，使得导线所受安培力为零，不考虑导线产生的磁场及地磁场的影响，则B2的方向可能为 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 当B1、B2合磁场方向与电流方向平行时，导线所受的安培力为零，由矢量合成知，只有题图A中B1、B2的合磁场方向有可能与电流方向平行，故选A。 10.如图，一导体棒通过两根导线悬挂在U形铁芯的两板之间，导线的连接和线圈的绕向如图所示。则按图示方向，下列说法正确的是 A.闭合开关后，铁芯上板为N极 B.闭合开关后， 两板之间存在向上的磁场 C.闭合开关后，导体棒向左运动 D.若改变电源的正负极，闭合开关后，导体棒的运动 　方向与原来相反 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 闭合开关后，由导线的绕向和电流流向结合安培定则可知铁芯的上板为S极，下板为N极，两板之间存在向上的磁场，故A错误，B正确； 由左手定则可知导体棒受到向右的安培力，导体棒向右运动，故C错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 若改变电源的正负极，磁场方向和导体棒中的电流方向同时反向，则闭合开关后，导体棒的运动方向与原来相同，故D错误。 11.(2022·浙江省桐庐中学高二阶段练习)如图所示，利用电流天平可以测量匀强磁场的磁感应强度，电流天平的右臂挂着矩形线圈，匝数为n＝5，线圈的bc边长为L＝10 cm，bc边处于匀强磁场内，磁感应强度B的方向与线圈平面垂直，当线圈中通过电流I＝0.1 A(方向如图所示)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＝10 g的砝码，才能使两臂达到新的平衡。 则测得的磁感应强度大小为 A. B.1 T C.2 T D.4 T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 设左盘砝码质量m1，右盘砝码及线圈质量m2，由题意可知第一次天平平衡时有m1g＝m2g－nBIL，第二次天平平衡时有(m1＋m)g＝m2g＋nBIL，联立两式，代入数据求得B＝1 T，故B正确，A、C、D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.(多选)如图所示，由三根相同导体连接而成的正三角形线框abc固定在匀强磁场中，线框所在平面与磁场方向垂直，a、b分别与直流电源两端相接。若导体ab受到的安培力大小为F1，ac段导体受到的安培力大小为F2，acb段导体受到的安培力大小为F3，正三角形abc受到的安培力大小为F4，则下列判断正确的是 A.F1＝2F2 B.F4＝0 C.F4＝1.5F1 D.F4＝2F1 √ √ 尖子生选练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 何关系可知，ab和acb段导体有效长度相等，根据F＝BIL可知，F1＝2F3，F2＝F3，则F1＝2F2，A正确； 正三角形abc受到的安培力大小为F4＝Fab＋Facb＝F1＋F3，其中F3＝F2＝ F1，因此F4＝1.5F1，C正确，B、D错误。 由于acb段导体长度是ab段的2倍，根据电阻定律R＝　　 　 可得，acb段导体电阻是ab段电阻的2倍，由欧姆定律I＝ 可知，流过ab的电流是acb电流的2倍，由几 BIl A.方向沿纸面向上，大小为(＋1)BIL B.方向沿纸面向上，大小为3BIL C.方向沿纸面向下，大小为(＋1)BIL D.方向沿纸面向下，大小为3BIL 导线abcd在磁场中的有效长度为a点到d点之间距离，即l＝2Lsin 45° ＋L＝(＋1)L；根据安培力公式可得导线abcd受到的磁场的作用力的合力大小F＝BIl＝(＋1)BIL；再根据左手定则可判断F的方向为沿纸面向上，故选A。 根据题意NBIS＝kθ，解得＝ 更换k值相对小的螺旋弹簧，电流表的灵敏度增大(灵敏度即)，D正确。 A.BId，方向水平向右 B.，方向水平向右 C.BIdsin θ，方向垂直导体棒向左 D.，方向垂直导体棒向右 BIL BIL T  ρ $$