第1章 2 安培力的应用 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第二册（教科版2019）

DIYIZHANG 第一章 2　安培力的应用 学习目标 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(难点)。 2.了解直流电动机、电磁炮、磁电式电流表的工作原理(重点)。 2 一、直流电动机 二、电磁炮 课时对点练 三、磁电式电流表 内容索引 3 一 直流电动机 4 1.直流电动机的组成 直流电动机由磁场(磁体)、转动 、滑环、 等组成，由直流电源供电，工作模型如图所示。 线圈 电刷 2.直流电动机的工作原理 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 方向就变换一次，从而可以连续转动。 3.电动机的能量转化 能量转化方面，是利用 力做功把电能转化为机械能。 电流 安培 直流电动机滑环的作用是什么？ 讨论交流 答案　滑环分成两个相互绝缘的半圆环A与B，当电流由A流入时，则从B流出；当电流由B流入时，则从A流出。因此，滑环在其中起了一个换向器的作用。 (多选)某同学自制的简易电动机示意图如图所示。矩形线圈由一根漆包线绕制而成，漆包线的两端分别从线圈的一组对边的中间位置引出，并作为线圈的转轴。将线圈架在两个金属支架之间，线圈平面位于竖直面内，永磁体置于线圈下方。为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来，该同学应将 A.左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉 B.左、右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉 C.左转轴上侧的绝缘漆刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉 D.左转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉 例1 √ √ 为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来，若将左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉，这样当线圈在题图所示位置时，线圈 的上、下边受水平方向的安培力而转动，转过一周后再次受到同样的安培力而使其转动，选项A正确； 若将左、右转轴上、下两侧的绝缘漆都刮掉，则当线圈在题图所示位置时，线圈的上、下边受水平方向的安培力而转动，转过半周后仍受到安培力而使其来回摆动，选项B错误； 若将左转轴上侧的绝缘漆刮掉，右转轴下侧 的绝缘漆刮掉，电路不能接通，选项C错误； 若将左转轴上、下两侧的绝缘漆都刮掉，右 转轴下侧的绝缘漆刮掉，这样当线圈在题图所示位置时，线圈的上、下边受水平方向的安培力而转动，转过半周后电路不导通，由于惯性，线圈回到竖直平面，此时线圈再次受到同样的安培力而使其转动，选项D正确。 二 电磁炮 11 1.电磁炮 也叫作轨道炮，是利用电磁系统中的 力发射弹丸的一种先进的动能杀伤性武器。 2.电磁炮的原理 如图所示是电磁轨道炮发射的基本原理图，其中两条 平行的金属导轨A和B充当传统火炮的炮管，弹丸放在 两导轨间，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，经弹丸从导轨B流回，两导轨中的强电流在两导轨间产生强磁场，弹丸在安培力作用下以很大的加速度做加速运动，最终高速发射出去。 安培 3.电磁炮的优点 (1)弹丸体积小，重量轻，方便携带。 (2)飞行时的空气阻力小，发射稳定性好，初速度大，射程 ，射击精度 。 (3)安全隐患小。 远 高 　(多选)根据磁场对电流有安培力作用的原理，人们研制出一种新型的发射炮弹的装置——电磁炮，其原理如图所示：把待发炮弹(导体)放置在强磁场中的两平行导轨上，给导轨通以大电流，使炮弹作为一个通电导体在磁场作用下沿导轨加速运动，并以某一速度向右发射出去，若电流方向与图中相同，则下列说法正确的是 A.磁场方向应竖直向上 B.磁场方向应竖直向下 C.增大磁感应强度B的值，炮弹受到的安培力变大 D.若同时将电流方向和磁场方向反向，安培力方向也会反向 例2 √ √ 炮弹所受安培力向右，根据左手定则可知， 磁场方向应竖直向上，选项A正确，B错误； 根据F＝BIL可知，增大磁感应强度B的值， 炮弹受到的安培力变大，选项C正确； 根据左手定则，若同时将电流方向和磁场方向反向，安培力方向不变，选项D错误。 　电磁炮是利用电磁发射技术制成的新型武器。如图所示为电磁炮的原理结构示意图。若某水平发射轨道长7.5 m，宽1.5 m，发射的炮弹质量为50 g，炮弹被发射时从轨道左端由静止开始加速。当电路中的电流恒为20 A时，炮弹被发射后的最大速度可达3×103 m/s，轨道间磁场为匀强磁场，不计空气及摩擦阻力。下列说法正确的是 A.磁场方向水平向左 B.磁场方向水平向右 C.磁场的磁感应强度大小为1×103 T D.炮弹的加速度大小为3×105 m/s2 例3 √ 由题意可知，炮弹所受的安培力水平向右，根据左手定则可判断出磁场方向为竖直向上，A、B错误； 发射炮弹过程，只有安培力做功，由动能定理可得BILx＝ mv2－0 代入数据解得B＝1×103 T，C正确； 发射炮弹过程，根据牛顿第二定律可得BIL＝ma 代入数据解得a＝6×105 m/s2，D错误。 三 磁电式电流表 18 1.磁电式电流表的结构如图甲所示。 2.辐向磁场：磁场内同一圆周上的任何位置，磁感应强度的大小都 ，方向总是沿 方向，如图乙所示。 相等 半径 3.磁电式电流表的工作原理：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，游丝的形变越厉害，弹力就越大，当弹力和安培力的作用使线圈达到平衡时，指针所指的位置就反映出待测电流的大小。 线圈中的电流方向改变时，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。 　(多选)以下关于磁电式电流表的说法正确的是 A.线圈平面跟磁感线平行 B.通电线圈中的电流越大，指针偏转角度也越大 C.在线圈转动的范围内，各处的磁场都是匀强磁场 D.在线圈转动的范围内，线圈所受安培力大小与电流有关，而与所处位 置无关 例4 √ √ √ 磁电式电流表内磁场是均匀辐向分布的磁场，不管线圈转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，线圈所在各处磁场的磁感应强度大小相等、方向不同，所以安培力大小与电流大小有关而与所处位置无关，电流越大，安培力越大，指针转过的角度越大，选项A、B、D正确。 　磁电式电流表的结构示意图如图甲所示，蹄形磁铁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，线圈中的某一条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 例5 A.该磁场是匀强磁场 B.穿过该线圈的磁通量为BL2 C.a导线受到的安培力方向向下 D.b导线受到的安培力大小为BIL √ 匀强磁场应该是一系列平行且间距相 等的磁感线，方向相同，A错误； 线圈平面与磁感线平行，故穿过线圈 的磁通量为零，B错误； a导线中电流方向垂直纸面向外，该 处磁场方向向右，根据左手定则，知安培力方向向上，C错误； b导线始终与磁感线垂直，故受到的安培力大小一直为BIL，D正确。 四 课时对点练 考点一　直流电动机 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，从上往下看去，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 基础对点练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 磁场方向向右，线圈顺时针转动，根据左手定则可知，线圈中电流方向为由A经线圈流到B，故A为电源正极，B为负极，选项A正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2.(多选)下列关于直流电动机的说法正确的是 A.安培力使直流电动机线圈转动 B.直流电动机是一种将电能转化为机械能的装置 C.直流电动机的换向器的作用是不断改变磁场的方向 D.直流电动机的换向器的作用是不断改变线圈中电流的方向 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ √ √ 安培力使直流电动机线圈转动，A正确； 直流电动机通过安培力做功将电能转化为机械能，B正确； 直流电动机的换向器使线圈每转动半圈，线圈中电流的方向改变一次，从而实现线圈的连续转动，C错误，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 考点二　电磁炮 3.电磁弹射就是采用电磁的能量来推动被弹射的物体向外运动，电磁炮就是利用电磁弹射的原理工作的。电磁炮的原理如图所示，则炮弹导体滑块受到的安培力的方向是 A.竖直向上 B.竖直向下 C.水平向左 D.水平向右 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 根据左手定则可知，炮弹导体滑块受到的安培力方向水平向左，C正确。 4.(2022·广安二中高二阶段练习)如图所示，电磁炮是由电源、金属轨道、炮弹和电磁铁组成。当接通电源后，炮弹中的电流方向为由正极导轨流向负极导轨的方向，磁场对流过炮弹的电流产生力的作用，使炮弹获得极大的发射速度。下列各俯视图中磁场B方向正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 根据左手定则可知A中炮弹所受安培力方向向左，故A错误； 根据左手定则可知B中安培力方向向右，使炮弹做加速运动，故B正确； C、D中电流方向和磁场方向平行，不受安培力，故C、D错误。 5.(2023·山西高二期末)2022年10月，我国成功运行了世界首个“电磁橇”，它对吨级物体的最高推进速度达到每小时1 030公里(286 m/s)。如图为简化后的“电磁橇”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，滑块质量为m＝1 000 kg，设通电后滑块开始做匀加速直线 运动，其加速度大小为50 m/s2，求： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 滑块在两导轨间做匀加速运动，根据牛顿第二定律有F安＝BIL＝ma 解得I＝5 000 A (1)滑块匀加速过程中电源提供的电流大小； 答案　5 000 A (2)滑块沿导轨运动9 m时所受安培力的瞬时功率。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案　1.5×106 W 根据速度位移关系有v2＝2ax 安培力的瞬时功率为P＝F安v 代入数据解得P＝1.5×106 W。 考点三　磁电式电流表 6.(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。蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的。当线圈通以如图乙所示的恒定电流时(a端电流方向垂直纸面向外，b端电流方向垂直纸面向内)，下列说法正确的是 A.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 B.线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线圈转动 C.线圈通过的电流越大，指针偏转角度越小 D.若改变电流的方向，则指针的偏转方向也改变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ √ 由左手定则可判定：当线圈在题图乙所示的位置时， b端受到的安培力方向向下，故A错误； 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，则线圈受到弹簧的阻力，从 而阻碍线圈转动，故B正确； 线圈中通过的电流越大，线圈受到的安培力越大，指针偏转的角度越大，故C错误； 若改变通入线圈的电流方向，安培力的方向随之改变，指针的偏转方向也随之改变，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7.(2023·菏泽东明县第一中学高二阶段练习)磁电式电流表的构造如图甲所示，在蹄形磁铁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。蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布，如图乙所示。当电流通过线圈时，线圈在安培力的作用下转动，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)偏转角，k是与螺旋弹 簧有关的常量。不考虑电磁感应现象， 由题中的信息可知 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A.线圈转动过程中受到的安培力逐渐变大 B.若线圈中通以如图乙所示的电流时，线 圈将沿逆时针方向转动 C.线圈(指针)偏角θ与通过线圈的电流I成 正比 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 磁场均匀辐向分布，线圈转动过程中各个位置的磁感应强度大小不变，电流大小不变，故受到的安培力大小不变，故A错误； 若线圈中通以题图乙所示的电流时，根据左手定则，左侧所受安培力向上，右侧所受安培力向下，线圈将沿顺时针方向转动，故B错误； 根据题意线圈停止转动时满足NBIS＝kθ 可知线圈(指针)偏角θ与通过线圈的电流I成正比，故C正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 可知更换k值更大的螺旋弹簧，电流表的灵敏度减小，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8.(多选)将一段裸铜导线弯成如图甲所示形状的线框，使线框上端的弯折位置与一节五号干电池的正极良好接触，一块圆柱形强磁铁N极吸附在电池的负极(N极在上，S极在下)线框下面的两端P、Q与磁铁表面及电池的负极均保持良好接触，放手后线框就会转动，从而制成了一个“简易电动机”，如图乙所示。关于该“简易电动机”，下列说法正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 能力综合练 A.线框转动是由于受到电场力的作用 B.从上向下看，线框沿顺时针方向转动 C.若其他条件不变，仅将磁铁的磁极调换， 则线框转动的方向将反向 D.在线框由静止开始转动至转动稳定的过程中，通过线框的电流不变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ √ 线框转动是由于受到安培力的作用，选项A错误； 在题图乙所示位置，线框左半部分所受安培力的合力 方向向里，右半部分所受安培力的合力方向向外，从 上向下看，线框沿顺时针方向转动，选项B正确； 将磁铁的磁极调换后，磁场方向反向，根据左手定则，安培力方向也反向，故线框转动的方向将反向，选项C正确； 线框转动的过程中切割磁感线，产生反向感应电流，则通过线框的电流比刚开始转动的电流小，选项D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9.航空母舰的舰载机在起飞的过程中，仅靠自身发动机喷气不足以在飞行甲板上达到起飞速度，如果安装辅助起飞的电磁弹射系统(如图甲所示)就能达到起飞速度。电磁弹射系统的一种设计可简化为乙图所示，图中MN、PQ是光滑平行金属直导轨(电阻忽略不计)，AB是电磁弹射车，回路PBAM中电流恒定，该电流产生的磁场对弹射车施加力的作用，从而带动舰载机由静止开始向右加速起飞，不计空气阻力，关于该系统，下列说法正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A.MN、PQ间的磁场是匀强磁场 B.弹射车的速度与运动的时间成正比 C.弹射车所受的安培力与电流的大小成正比 D.回路PBAM中通以大小不变方向周期性变化的电流，弹射车不能正常加速 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 根据左手定则可知，MN、PQ间 有竖直向上的磁场，且通电直导 线产生的磁场为环形磁场，离导 线越远磁场越弱，故不是匀强磁场，故A错误； 沿导轨方向磁场不变，且回路PBAM中电流恒定，导轨间距不变，由F＝BIL可知，安培力大小不变，由牛顿第二定律F＝ma可知，加速度不变，由v＝at，可知弹射车的速度与运动的时间成正比，故B正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 安培力F＝BIL，当电流增大时，磁 感应强度也增大，故弹射车所受的 安培力与电流的大小不是正比关系， 故C错误； 根据右手螺旋定则可知电流方向沿回路PBAM时，导轨之间产生竖直向上的磁场，结合左手定则可知电磁弹射车所受安培力方向向右；当电流方向沿回路MABP时，根据右手螺旋定则可知导轨之间产生竖直向下的磁场，结合左手定则可知电磁弹射车所受安培力方向依然向右，故电流的变化不改变电磁弹射车所受安培力的方向，即电磁弹射系统能够正常工作，故D错误。 10.(多选)如图所示，某同学在玻璃皿中心放一个圆柱形电极接电源的负极，沿边缘放一个圆环形电极接电源的正极，做“旋转的液体”实验，若蹄形磁铁两极间正对部分的磁场可视为匀强磁场，磁感应强度大小为B＝0.1 T，玻璃皿横截面的半径为a＝0.05 m，电源的电动势为E＝3 V，内阻为r＝0.1 Ω，限流电阻R0＝4.9 Ω，玻璃皿中两电极间液体的等效电阻为R＝0.9 Ω，闭合开关后，若液体旋转时电压表的示数为1.5 V，则 A.由上往下看，液体做顺时针旋转 B.液体所受的安培力大小为1.5×10－3 N C.液体热功率为0.081 W D.闭合开关10 s，液体具有的动能是3.69 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 通过液体的电流由边缘流向中心，器皿所在处的磁场方向竖直向上，由左手定则可知，从上向下看，液体受到的安培力沿逆时针方向，因此液体沿逆时针方向旋转，故A错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 玻璃皿中两电极间液体的等效电阻为R＝0.9 Ω，则液体热功率为P热＝I2R＝0.32×0.9 W＝0.081 W，故C正确； 10 s末液体的动能等于安培力对液体做的功，通过液体的电流的功率P＝UI＝1.5×0.3 W＝0.45 W，所以闭合开关10 s，液体具有的动能是Ek＝W－W热＝(P－P热)t＝(0.45－0.081)×10 J＝3.69 J，故D正确。 D.电流表的灵敏度定义为，更换k值更大的螺旋弹簧，可以增大电流 表的灵敏度 电流表的灵敏度定义为，根据题意NBIS＝kθ 解得θ＝I 解得＝ 电压表的示数为1.5 V，则根据闭合电路的欧姆定律得E＝U＋IR0＋Ir，所以电路中的电流为I＝＝ A＝0.3 A，液体所受的安培力大小为F＝ILB＝IaB＝0.1×0.3×0.05 N＝1.5×10－3 N，故B正确； $$