第1章 第二节 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（粤教版）

第二节　安培力的应用 第一章　磁场 [学习目标]　1.知道电流天平、磁电式电表、直流电动机的基本构造及工作原理。　2.进一步熟练掌握安培力公式及左手定则。 课时作业 巩固提升 要点1　电流天平 要点2　磁电式电表 要点3　直流电动机 内容索引 要点1　电流天平 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.普通天平是应用　　　　　　把被测物与已知质量的砝码进行力学平衡,利用　　　　　　测量出被测物体的质量。  2.电流天平同样运用等效替代法,结合　　　　　的相关知识和现代电子技术,通常用于实验室中测量两平行通电导体之间的_____________ 和　　　　　　。  杠杆原理 等效替代法 安培力 相互作用力 磁感应强度 [思考与讨论] 如图所示,等臂电流天平右端挂一矩形线圈,线圈匝数为n,底边cd长为L,放在待测匀强磁场中,线圈中通入图示方向的电流I时,天平平衡,分析: (1)底边线框受到的安培力的大小和方向。 提示:(1)大小为nBIL,方向竖直向上。 (2)若保持线圈中电流的大小不变,使电流方向反向,安培力如何变化? 提示: (2)安培力大小不变,方向反向。 (3)电流反向后,通过在天平左盘加上质量为m的砝码使天平再次平衡,则匀强磁场的磁感应强度多大? 提示: (3)根据等效的思想可知,左侧压力的变化量等于右侧安培力的变化量,即mg=2nBIL,解得B=。 电流天平 (1)原理:等效替代法结合安培力平衡。 (2)忽略线圈质量,根据左手定则、安培力表达式和平衡条件,有m1g=m2g-nBIL,(m1+m)g=m2g+nBIL,综合以上两式,可得该匀强磁场的磁感应强度。 电流天平常用于实验室中测量两平行通电导体之间的相互作用力和磁感应强度。 归纳 关键能力 合作探究 [例1]　(2024·湛江高二期末)如图,在等臂电流天平的右端托盘下固定一矩形线圈,线圈匝数为n,底边cd长为L,调平衡后放在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中,线圈平面与磁场垂直。当线圈中通入图示方向的电流I时,在天平左、右两边加上质量分别为m1、m2的砝码使天平再次平衡,重力加速度为g,则以下关系式正确的是(　　) A.nBIL=(m1-m2)g　　　　 B.nBIL=(m2-m1)g C.BIL=(m2-m1)g D.BIL=(m1+m2)g B 根据左手定则可知线圈所受安培力方向为竖直向上,根据平衡条件有m2g-nBIL=m1g,解得nBIL=(m2-m1)g,故选B。 [针对训练]　1.(2024·广州华南师大附中高二期末)如图所示为电流天平,可用来测定磁感应强度。天平的右臂上挂有一匝数为N的矩形线圈,线圈宽度为L,线圈悬挂于右盘且下端处于匀强磁场中,磁场方向垂直纸面,在天平左、右两边加上质量分别为m1、m2的砝码使天平平衡。当线圈中通有顺时针方向的电流I时,发现天平的右端低左端高,在左盘中增加质量为Δm的砝码,天平重新平衡,则下列分析正确的是(重力加速度为g)(　　) A.磁场的方向垂直纸面向外 B.本装置必须用顺时针方向电流 C.可测得B= D.线圈匝数越少测量得越精确 答案:C 当线圈中通有顺时针方向的电流I时,发现天平的右端低左端高,说明通电导线产生的安培力向下,根据左手定则判断出磁场的方向垂直纸面向里,故A错误;本装置施加的电流方向与磁场方向有关,并不一定固定,故B错误;根据平衡关系可知,增大的安培力等于左盘中增加的砝码的重力,故Δmg=NBIL,解得B=,故C正确;线圈的匝数越少,受到的安培力越小,测量增加的砝码质量误差越大, 越不精确,故D错误。 二 要点2　磁电式电表 14 1.当磁电式电表的线圈没有电流通过时,螺旋弹簧处于自然状态,线圈处于水平位置,指针指向　　　　　。  2.当安培力与螺旋弹簧阻力作用效果　　　　时,线圈停在某一位置,电表指针指示表盘相应刻线,进而得到相应电流的　　　　。  3.改变通入线圈的电流方向,　　　　的方向随之改变,指针的________ 方向也随之改变。  梳理 必备知识 自主学习 零刻度 相当 大小 安培力 偏转 [思考与讨论] 如图所示为磁电式电表的内部构造,思考下列问题: (1)为什么电表指针偏转角度大小可以反映通过电表的电流大小? 提示:(1)偏转角度越大即线框所受安培力越大,由F=BIL可知,在B与L不变的情况下,F越大,通过的电流越大。 (2)能否通过指针偏转方向判断电流的方向? 提示: (2)偏转方向取决于线圈所受安培力方向,而安培力方向与电流方向有关,故可以判断电流的方向。 磁电式电流表的原理分析 (1)偏转原理 归纳 关键能力 合作探究 (2)偏转角度 设线圈所在处的磁场的磁感应强度为B,线框边长为L,宽度为d,匝数为n,通入电流为I时,转过的角度为θ,由相关的知识可以知道θ=I,由此可以看出,偏转角度正比于电流。 [例2]　(多选)实验室经常使用的电流表是磁电式电表。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时,下列说法正确的是(　 　) A.线圈转到什么角度,它的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.当线圈转到如图乙所示的位置,b端受到的 安培力方向向上 D.当线圈转到如图乙所示的位置,安培力的作用使线圈沿顺时针方向转动 ABD 磁场是均匀辐向分布,所以磁感线始终与线圈平面平行,故A正确;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,产生一个阻力从而阻碍线圈转动,故B正确;由左手定则可判定,当线圈转到如题图乙所示的位置,b端受到的安培力方向向下,故C错误;由左手定则可判定,当线圈转到如题图乙所示的位置,b端受到的安培力方向向下,a端受到的安培力方向向上,因此安培力 使线圈沿顺时针方向转动,故D正确。 [针对训练]　2.(2024·深圳高二期末)如图所示,某磁电式电表的矩形线圈处在均匀辐射状磁场中,线圈左右两边所在之处的磁感应强度大小均相等。线圈受到的安培力和螺旋弹簧的弹力达到平衡时,指针稳定,下列说法正确的是(　　) A.该辐射状磁场为匀强磁场 B.线圈顺时针转动过程中,穿过线圈的 磁通量减少 C.通电线圈中的电流越大,线圈所受的安培力就越大 D.更换劲度系数更小的螺旋弹簧,可增大电表的量程 C 该磁场方向不同,所以不是匀强磁场,A错误;磁场是均匀辐射分布的,无论线圈转到什么位置,线圈平面都与磁感线平行,故磁通量始终为零,穿过线圈的磁通量不变,B错误;安培力与电流大小成正比,所以通电线圈中的电流越大,线圈所受的安培力就越大,C正确;线圈受到的安培力和螺旋弹簧的弹力达到平衡时,指针稳定, 更换劲度系数更小的螺旋弹簧,相同弹力 (安培力)弹簧形变量更大,电表的量程 减小,D错误。 三 要点3　直流电动机 24 1.直流电动机是利用　　　　使通电线圈转动的典型应用。从能量的角度看,它是将电能转换成　　　　的旋转电机。  2.直流电动机线圈两端与两个半圆形铜环相连,同时安装与半圆形铜环接触的电刷,由此通过电流的　　　　换向,确保线圈受到的安培力始终起到推动线圈往同一个方向持续转动的效果。  3.优点:只需改变输入电流的大小就能直接调节电动机的　　　　,常被应用于需要调速的设备。  梳理 必备知识 自主学习 安培力 机械能 周期性 转速 [思考与讨论] 直流电动机的结构示意图如图所示。 (1)当线圈处于如图所示位置时,所受安培力情况如何? 提示:(1)ab边中通入由a到b的电流,根据左手定则可知,ab边受向上的安培力,同理可判断cd边受向下的安培力,线圈顺时针转动。 (2)直流电动机的线圈通过哪个部件实现连续不停地朝一个方向转动。 提示: (2)换向器。 直流电动机的结构及原理分析(如图所示) 归纳 关键能力 合作探究 a　　　　　　　b c　　　　　　　d (1)当线圈由图d位置经图a位置运动到图b位置时,图中左边受力方向向上,右边受力方向向下,使线圈顺时针转动;当线圈在图b位置时,由于惯性继续转动。 (2)当线圈由图b位置经图c位置运动到图d位置时,由于电流换向,图中左边受力方向向上,右边受力方向向下,使线圈继续顺时针转动;当线圈在图d位置时,由于惯性继续转动;然后,线圈重复以上过程转动下去。 [例3]　(多选)关于直流电动机,下列说法正确的是(　　) A.直流电动机的工作原理是磁场对电流的作用 B.直流电动机正常工作时将电能转换成磁场能 C.直流电动机的换向器是两个彼此绝缘的半铜环组成的 D.电源的正负极和磁场的方向都改变,直流电动机的转动方向也改变 AC 直流电动机是因为受安培力而转动,故A正确;其正常工作时将电能转换成机械能,故B错误;为了保证直流电动机中的线圈在一周之内的转动过程中,线圈中的电流正好换向,必须有一个改变电流方向的装置——换向器,它必须由两部分组成且彼此绝缘,且能随线圈一起转动,故C正确;直流电动机的转动方向由电流方向和磁场方向共同决定,因此如果两方向同时改变其转动方向不变,故D错误。 [针对训练]　3.(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可以连续调节转动速度 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可以连续调节转动速度,故D正确。 四 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 [A组　基础巩固练] 1.(2024·佛山高明区第一中学高二校考)如图所示为等臂电流天平,可用来测定磁感应强度B。调节天平平衡,当单匝矩形线圈中通有电流I(方向如图)时,在天平的另一端加上质量为m的砝码,天平重新平衡,线圈的水平边长为l,重力加速度为g,则磁感应强度B大小为(　　) A.　　　　　　　　　　 B. C.mgIl D.0 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 线圈受到的安培力为F安=BIl,根据平衡条件可得F安=BIl=mg,解得B=,故选A。 2.如图甲所示,用电流天平测量匀强磁场的磁感应强度,挂在天平右臂下方的单匝矩形线圈中通入如图乙所示的电流,此时天平处于平衡状态,现保持边长和电流大小、方向都不变,将该矩形线圈短边放在磁场中,如图丙所示,挂在天平的右臂下方,则(　　) A.天平仍平衡 B.线圈受安培力变大 C.天平向右下方倾斜 D.天平向左下方倾斜 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 根据左手定则可知,线圈所受安培力方向向上,由于F=BIL,则当短边放入磁场时线圈受到的向上的安培力减小,则天平向右下方倾斜,故选项C正确。 3.直流电动机通电后,使线圈发生转动的力是(　　) A.重力 B.电场力 C.安培力 D.摩擦力 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 直流电动机通电后,线圈中有电流通过,通电线圈在磁场中受到安培力的作用开始转动,A、B、D错误,C正确。 4.某物理兴趣小组利用课外活动时间制作了一部温控式电扇(室温较高时,电扇就会启动),其设计图分为温控开关、转速开关及电动机三部分,如图所示,其中温控开关为甲、乙两种金属材料制成的双金属片。对电动机而言,电扇启动后,下列判断正确的是(　　) A.要使电扇转速加大,滑动片P应向B移动 B.面对电扇,电扇沿顺时针方向转动 C.面对电扇,电扇沿逆时针方向转动 D.电扇有时顺时针方向转动,有时逆时针方向转动 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 滑动片P向B移动时,线圈中电流减小,电扇转速减小;由左手定则可判断线圈各边所受安培力的方向,可知电扇顺时针转动,故B正确。 5.关于通电直导线在匀强磁场中所受的安培力,下列说法正确的是(　　) A.安培力的方向可以不垂直于直导线 B.安培力的方向总是垂直于磁场的方向 C.安培力的大小与通电直导线和磁场方向的夹角无关 D.将直导线从中点折成直角,安培力的大小一定变为原来的一半 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 本题考查安培力的大小和方向。安培力总是垂直于磁场与电流所决定的平面,因此,安培力总与磁场和电流垂直,A错误,B正确;安培力F=BILsin θ,其中θ是导线与磁场方向的夹角,C错误;导线受到安培力的大小不仅与有效长度有关,还与导线在磁场中的相对位置有关,将直导线从中点折成直角,安培力的大小不一定变为原来的一半,D错误。 6.在如图所示的电路中,电池均相同,当开关S分别置于a、b两处时,导线MM'与NN'之间的安培力的大小为Fa、Fb,判断这两段导线(　　) A.相互吸引,Fa>Fb B.相互排斥,Fa>Fb C.相互吸引,Fa<Fb D.相互排斥,Fa<Fb 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 开关S分别置于a、b两处时,电源分别为一节干电池和两节干电池,而电路中灯泡电阻不变,则电路中电流Ia<Ib,MM'在NN'处的磁场在接a时较弱,应用安培力公式F=BIL可知Fa<Fb,又MM'与NN'电流方向相反,则二者相互排斥,故D正确。 7.(2024·广东实验中学高二期中)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,处于匀强磁场中,磁感应强度B的方向与线圈平面垂直且垂直纸面向里。当线圈中通过电流I时,调节砝码使两臂达到平衡。下列说法中正确的是(　　) A.线圈受到的安培力大小为BIl B.线圈受到的安培力方向水平指向纸内 C.若发现右盘向上翘起,则应减小线圈中的电流 D.若把电流大小不变而方向反向,线圈仍保持平衡状态 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 线圈匝数为n,在磁场中受到安培力大小为nBIl,A错误;根据左手定则可知线圈受到的磁场对它的力方向竖直向上,B错误;若发现右盘向上翘起,则减小线圈中的电流,使线圈受到的向上的安培力减小,可使天平恢复平衡,C正确;若电流大小不变而方向反向,线圈受到的安培力方向改变,此时线圈不能保持平衡状态,D错误。 [B组　综合强化练] 8.如图所示是磁电式电表中的辐向磁场。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大小v= 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 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大小v=,选项D错误。 9.(多选)实验室经常使用的电流表是磁电式电表,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,如图乙所示,下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 A.磁电式电表内部的蹄形磁铁和铁芯间的磁场是匀强磁场 B.磁电式电表的指针偏转角度的大小与被测电流的大小成反比 C.磁电式电表的优点是灵敏度高,缺点是允许通过的电流很弱 D.磁电式电表的工作原理是安培力对通电线圈的转动作用 答案:CD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 磁电式电表内部的蹄形磁铁和铁芯间的磁感线不是平行等距,不是匀强磁场,故A错误;在安培力作用下,线圈绕中心轴转动,线圈的转动导致螺旋弹簧被扭转,产生一个阻碍线圈转动的阻力,当安培力与螺旋弹簧阻力作用效果相当时,线圈停在某一位置,电表指针指示表盘相应刻线,进而得到相应电流的大小,故B错误;磁电式电表的优点是灵敏度高, 但只能测出很弱的电流,故C正确;磁电式电 表的工作原理是安培力对通电线圈的转动 作用,故D正确。 [C组　培优选做练] 10.如图所示是电子天平的原理示意图,E形磁铁的两侧为N极,中心为S极,两极间磁感应强度的大小均为B,磁极宽度为L,忽略边缘效应,一正方形线圈套于中心磁极,其骨架与秤盘连为一体,线圈两端C、D与外电路连接。秤盘上不放重物时弹簧处于压缩状态,弹簧的长度为l,此时外界通入线圈中的电流为0;重物放在秤盘上后,在安培力作用下弹簧长度恢复为l,可认为此时外界通入线圈的电流为I,数据处理系统可以根据I的大小 计算出托盘上重物的质量M,并在液晶屏中显示 出来,线圈的匝数为N,重力加速度为g。以下说法 正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 A.电流从C端流入线圈,从D端流出 B.线圈所受的安培力方向向下 C.重物质量为M= D.在其他条件都不变的情况下,增加线圈匝数,可以扩大电子天平的量程 答案:D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 秤盘和线圈向上恢复到未放重物时的位置并静止,说明安培力的方向向上,由左手定则即可判断出电流的方向是逆时针方向(从上向下看),电流由C端流出,由D端流入,故A、B错误;两极间的磁感应强度大小均为B,磁极宽度均为L,线圈匝数为N,左右两侧受力相等,得Mg=2NBIL,所以M=,在其他条件都不变的情况下,当N增加 时M也随之增大,所以增加线圈的匝数,可以 扩大电子天平的量程,故C错误,D正确。 $$