第1章 2 安培力的应用-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第二册同步导学案配套PPT课件（教科版）

2　安培力的应用 第一章　磁场对电流的作用 [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)。 课时作业 巩固提升 要点1　直流电动机 要点2　电磁炮 要点3　磁电式电流表 内容索引 要点1　直流电动机 一 4 梳理 必备知识 自主学习 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 [思考与讨论] (1)如图所示,生活中不少设备装配了直流电动机,请结合上节课学到的知识,简单叙述一下这些设备是如何“动”起来的。 提示:(1)直流电动机是利用安培力使通电线圈转动起来的。 (2)直流电动机滑环的作用是什么? 提示: (2)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。 [典例1]　(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,永磁铁置于线圈下方。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 归纳 关键能力 合作探究 AD 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,转过半周后电路不导通,由于惯性,线圈回到竖直位置,此时线圈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,转过半周后因受到相反方向的安培力而使其停止转动,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。 [针对训练]　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,从上而下看去,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 A 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。 二 要点2　电磁炮 14 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。  梳理 必备知识 自主学习 安培 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。 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 [思考与讨论] 如图为人们研制出的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。 (1)若电流方向与图中相同,则磁场方向应向哪? 提示:(1)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。 (2)增大磁感应强度B的值,炮弹受到的安培力如何变化? 提示: (2)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。 [典例2]　电磁轨道炮利用电流和磁场的作用使炮弹获得超高速度,其原理可用来研制新武器和航天运载器。电磁轨道炮示意图如图所示,电源电动势为E,内阻不计。两根固定于水平面内的光滑平行金属导轨间距为L,电阻不计。炮弹可视为一质量为m、电阻为R的金属棒MN,垂直放在两导轨间处于静止状态,并与导轨良好接触。导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大小为B的匀强磁场(图中未画出),闭合开关,MN开始向右加速运动直到达到最大速度之后离开导轨。求: 归纳 关键能力 合作探究 (1)磁场的方向; [答案]　(1)垂直于导轨平面向里 (1)根据题意,电流方向由M流向N,电磁炮受到的安培力方向水平向右,根据左手定则判断知磁场的方向为垂直于导轨平面向里。 (2)MN刚开始运动瞬间加速度a的大小。 [答案]　(2) (2)MN刚开始运动瞬间,两极板间电压为E,根据欧姆定律,电路中的电流 I= 金属棒受到的安培力F=BIL 根据牛顿第二定律F=ma 联立解得MN刚开始运动瞬间加速度a的大小a=。 [针对训练]　2.(2024·河北衡水高二期中)电磁轨道炮发射的基本原理图如图所示,两条平行的金属导轨充当传统火炮的炮管,弹丸放置在两导轨之间,并与导轨保持良好接触,当电磁炮中通过如图虚线所示的强电流时,轨道电流在弹丸处形成垂直于轨道平面的磁场,弹丸获得很大的加速度,最终高速发射出去,下列说法正确的是(　　) C A.电磁炮的本质是一种大功率的发电机 B.若通入与图示方向相反的电流,弹丸不能发射出去 C.其他条件不变的情况下,弹丸的质量越小,发射速度越大 D.两导轨中的强电流(如图所示)在导轨之间产生的磁场,方向竖直向下 电磁炮的本质是电磁发射技术,不是大功率的发电机,故A错误;若通入与图示方向相反的电流,弹丸也能发射出去,故B错误;电磁炮是将电磁能量转化为弹丸的动能,则其他条件不变的情况下,弹丸的质量越小,发射速度越大,故C正确;根据安培定则可知,两导轨中的强电流(如题图所示)在导轨之间产生的磁场方向竖直向上,故D错误。 三 要点3　磁电式电流表 25   1.磁电式电流表的结构如图甲所示。 梳理 必备知识 自主学习 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。  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。 相等 半径 4.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。 [思考与讨论] 磁电式电流表中磁场分布如图所示,结合安培力大小的决定因素,思考磁场这样分布的原因是什么。 提示:磁电式电流表中磁体与铁芯之间的磁场是均匀辐向分布的,不管线圈处于什么位置,线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度,该磁场并非匀强磁场,但在以铁芯为中心的圆周上,各点的磁感应强度B的大小是相等的。这样的磁场,可使线圈转动时,它的两个边所经过位置的磁场强弱都相同,使线圈转过的角度与电流成正比,从而能够使表盘的刻度均匀。 1.磁电式电流表的磁场特点 两磁极间装有极靴,极靴中间有铁质圆柱,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。 归纳 关键能力 合作探究 2.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导线所受的安培力增大,可通过增加线圈的匝数、增大永磁体的磁感应强度、增加线圈的面积和减小转轴处摩擦等方法实现。 [典例3]　图甲是磁电式电流表的结构示意图,蹄形磁体和铁芯间的磁场均匀辐向分布,如图乙所示,边长为l的正方形单匝线圈中通以电流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.该磁场是匀强磁场 B.通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IlB D 该磁场明显不是匀强磁场,匀强磁场应该是一系列平行的磁感线,方向相同,故A错误;线圈与磁感线平行,故通过该线圈的磁通量为零,故B错误;a导线电流向外,磁场向右,根据左手定则,安培力方向向上,故C错误;导线b始终与磁感线垂直,故受到的安培力大小一直为IlB,故D正确。 [针对训练]　3.(多选)实验室经常使用的电流表是磁电式仪表,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电流,下列说法正确的是(　 　) A.线圈转到任意角度,它的平面都跟磁感线平行 B.线圈转动时,游丝被扭动阻碍线圈转动 C.当线圈转到图乙所示的位置时,b端受到的 安培力方向向上 D.当线圈转到图乙所示的位置时,安培力的 作用是使线圈沿顺时针方向转动 ABD 均匀辐向分布的磁场的特点是: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 向总是沿半径方向指向圆心或反向延长线过 圆心,线圈转到任意位置,其平面均与磁感线平 行,故A正确;线圈转动时,游丝被扭动产生弹力,弹力方向与扭动方向相反,阻碍线圈转动,故B正确;由左手定则可知a端受到的安培力方向向上,b端受到的安培力方向向下,所以安培力的作用是使线圈沿顺时针方向转动,故C错误,D正确。 四 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [A组　基础巩固练] 1.下列设备中,使用的电动机不是直流电动机的是(　　) A.电力机车　　　　　　　　 B.货运电瓶车 C.电磁起重机 D.家用电风扇 D A选项中的电力机车和B选项中的货运电瓶车都采用直流电源供电,即使用的电动机是直流电动机,均不符合题意;C选项是根据电流的磁效应制成的,其内部没有电动机,也不符合题意;由于家庭电路是交流电,所以D选项中的家用电风扇使用的是交流电动机,故选D。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2.(多选)几位同学课后讨论直流电动机时,有下面几种说法,你认为正确的是(　 　) A.直流电动机将电能转化为机械能 B.直流电动机的电源是直流电,线圈中的电流方向是不变的 C.直流电动机中的换向器是由彼此绝缘的两个金属半圆环制成的 D.直流电动机的优点是容易改变转动方向,可以连续调节转动速度 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 ACD 直流电动机将电能转化为机械能,故A正确;直流电动机的电源是直流电,但线圈中电流方向是改变的,故B错误;直流电动机中的换向器是由彼此绝缘的两个金属半圆环制成的,故C正确;线圈中电流的大小决定了线圈转动的快慢,所以直流电动机的优点是容易改变转动方向,可以连续调节转动速度,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3.(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,线圈所受安培力与电流有关,而与所处位置无关 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 ABD 磁电式电流表内磁场是均匀辐射磁场,不管线圈转到什么角度,它的平面都跟磁感线平行,线圈所在各处的磁场大小相等、方向不同,所以安培力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,正确的选项为A、B、D。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 4.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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 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。 5.如图所示,电磁炮是由电源、金属轨道和炮弹组成。 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(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 6.(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(　　) 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 BC 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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 7.电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤性武器。如图所示为某款电磁炮的轨道,该轨道长10 m,宽2 m。若发射质量为100 g的弹丸,从轨道左端以初速度为零开始加速,当回路中的电流恒为100 A时,最大速度可达2 km/s,假设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.磁场方向竖直向下 B.磁场方向为水平向右 C.弹丸的加速度大小为4×105 m/s2 D.磁感应强度的大小为100 T 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 D 回路中电流方向如题图所示,则根据安培定则可知,磁场方向应竖直向上,故A、B错误;由题意可知,弹丸的最大速度v=2 km/s,加速距离x=10 m,由速度和位移关系可知v2=2ax,解得加速度大小a=2×105 m/s2,由牛顿第二定律可得F=ma,又F=ILB,联立解得B=100 T,故C错误,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 8.如图所示是磁电式电流表中的辐向磁场。假设长方形线圈的匝数为n,垂直于纸面的边长为L1,平行于纸面的边长为L2,线圈垂直于纸面的边所在处磁场的磁感应强度大小为B。当通入电流I,线圈以角速度ω绕垂直纸面的中心轴OO'转动到水平位置时,下列判断正确的是(　　) A.穿过线圈的磁通量为BL1L2 B.线圈左侧边所受的安培力方向竖直向上 C.线圈左侧边所受的安培力大小为nBIL1 D.线圈左侧边转动的线速度v= 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 线圈在水平位置时,穿过线圈的磁通量为零,选项A错误;根据左手定则可知,线圈位于水平位置时,其左侧边所受的安培力方向竖直向下,选项B错误;由于线圈匝数为n,根据安培力公式可知,线圈左侧边所受的安培力大小为F=nBIL1,选项C正确;根据线速度与角速度的关系可知,线圈左侧边转动的线速度v=,选项D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [B组　综合强化练] 9.(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.闭合开关后,液体热功率为0.081 W D.闭合开关10 s后,液体具有的动能是3.69 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 BCD 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;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=BIL=BIa=0.1×0.3×0.05 N=1.5×10-3 N,故B正确;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,通过玻璃皿的电流的功率P=UI=1.5×0.3 W=0.45 W,所以闭合开关10 s后,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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 10.(多选)某国研发的强力武器轨道电磁炮在试射过程中将炮弹以5倍音速射向200千米外的目标,射程为海军常规武器的10倍,且破坏力惊人。电磁炮原理如图所示,若炮弹质量为m,水平轨道长为L,宽为d,轨道摩擦不计,炮弹在轨道上做匀加速运动,要使炮弹达到5倍音速(设音速为v),则(　　) A.炮弹在轨道上的加速度为 B.安培力做的功为mv2 C.安培力做功的最大功率为 D.安培力的大小为 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 AC 炮弹在轨道上做初速度为零的匀加速直线运动,由公式v2=2ax得a==,故A正确;不计摩擦,安培力做的功等于炮弹增加的动能,即W=m(5v)2=,故B错误;由动能定理得FL=m(5v)2,安培力的大小F==,则安培力的最大功率Pm=F·(5v)=·(5v)=,故C正确,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 11.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: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (1)滑块匀加速过程中电源提供的电流大小; 答案:(1)5 000 A　 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (1)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。 (2)滑块沿导轨运动9 m时所受安培力的瞬时功率。 答案: (2)1.5×106 W 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (2)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。 [C组　培优选做练] 12.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(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1   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 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 答案:C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 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,解得θ=I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;电流表的灵敏度定义为,根据题意NBIS=kθ,解得=,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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 $$