1.1 磁场对通电导线的作用力（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（人教版2019）

第1节　磁场对通电导线的作用力 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 　　掌握安培力的概念，了解安培力的产生条件。会用左手定则判断安培力的方向。 1.经历得出安培力、磁感应强度和电流三者方向关系的过程，体会归纳推理的方法。经历一般情况下安培力表达式的得出过程，体会矢量分析的方法。 2．观察磁电式电流表的结构，知道磁电式电流表的工作原理。 　　通过实验探究安培力的方向与电流的方向、磁感应强度的方向之间的关系。 　　了解安培力在生产生活中的运用，体会物理知识与科学技术的关系。 1．(物理与生活)为了保护古建筑，都会在建筑物顶部加装避雷针。假设某次雷雨时，有一团带大量负电荷的乌云经过某建筑正上方时，发生放电现象。电流流经避雷针及与其相连的导线，则可能受到地磁场的作用。判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)通过避雷针的电流方向是从云到建筑物。(　　×　　) (2)通过避雷针的电流不受安培力的作用。(　　×　　) (3)通过避雷针的电流所受安培力的方向偏西。(　　√　　) (4)放电过程中，若与避雷针相连通向大地的某段导线不受安培力，说明该处磁感应强度为零。(　　×　　) (5)假设建筑物所处位置的地磁场为匀强磁场，则与避雷针相连的导线任意长度相同的两段，所受安培力大小相等，方向相同。(　　×　　) 2．(教材点拨P4)“思考与讨论” 除了教材所给的方法，也可以把通电导线向与磁场垂直的方向投影，得出导线的投影长度为l sin θ，则安培力大小为F＝IlB sin θ；方向按教材图1.15判断。 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、安培力的方向 1．定义：通电导线在磁场中受的力。 2．方向：用左手定则判断。 (1)判断方法：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；让磁感线从掌心垂直进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。 (2)安培力方向的特点：安培力的方向与电流方向、磁感应强度的方向都垂直，即垂直于导线、磁感应强度决定的平面。 二、安培力的大小 如图甲、乙、丙所示，导线中的电流为I，长度为l，磁场的磁感应强度为B。 1．如图甲所示，通电导线与磁场的方向垂直，此时安培力F＝IlB。 2．如图乙所示，通电导线与磁场的方向平行，此时安培力F＝0。 3．如图丙所示，当通电导线与磁场不垂直时，此时安培力F＝IlB_sin_θ。 三、磁电式电流表 1．构造：磁铁、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴。(如图甲所示) 2．原理 (1)通电线圈在磁场中受安培力作用发生转动。螺旋弹簧变形，反抗线圈的转动。 (2)线圈偏转的角度越大，被测电流就越大，所以根据线圈偏转角度的大小，可以确定被测电流的大小；根据指针偏转的方向，可以知道被测电流的方向。 3．特点：两极间的极靴和极靴中间的铁质圆柱，使极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，使线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等，从而使刻度盘刻度均匀。(如图乙所示) 4．优缺点：优点是灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是线圈的导线很细，允许通过的电流很弱。 探究点一___安培力的方向 磁场对电流的作用力通常称为安培力，是为了纪念法国物理学家安培研究磁场对电流的作用力所做出的杰出的贡献。在探究电流、磁场和安培力的方向间关系时，按照如图所示的装置进行实验。 [问题设计] (1)仅上下交换磁极的位置以改变磁场方向，导线受力的方向是否改变？ (2)仅改变导线中电流的方向，导线受力的方向是否改变？ (3)仔细分析实验现象，结合课本说明安培力的方向与磁场方向、电流方向有怎样的关系？ 答案：(1)改变 (2)改变 (3)安培力的方向与磁场方向、电流方向的关系满足左手定则 1．安培力的方向 (1)已知I、B的方向，可用左手定则唯一确定F的方向。 (2)已知F、B的方向，当导线的位置确定时，可唯一确定I的方向。 (3)已知F、I的方向，B的方向不能唯一确定。 2．安培定则(右手螺旋定则)与左手定则的区别 项目 安培定则(右手螺旋定则) 左手定则 用途 判断电流产生的磁场的方向 判断通电导线在磁场中的受力方向 因果 关系 电流是因，磁场是果 电流和磁场都是因，安培力是果 适用 对象 直线电流 环形电流或通电螺线管 磁场中的通电导线 应用 方法 拇指指向电流的方向 四指弯曲的方向表示电流的环绕方向 磁感线垂直穿过手掌心，四指指向电流的方向 结果 四指弯曲的方向表示磁感线的方向 拇指指向表示轴线上磁感线的方向 拇指指向表示电流所受安培力的方向 3.两平行通电直导线的相互作用规律：同向电流互相吸引，反向电流互相排斥。 【例1】 画出下列各图中磁场对通电导线的安培力的方向。 答案：如图所示 [练1] 以下四个选项图中标出的磁场B的方向、通电直导线中电流I的方向以及通电直导线所受磁场力F的方向，正确的是(　　) C　解析：根据左手定则：伸开左手，拇指与手掌垂直且共面，磁感线向里穿过手心，四指指向电流方向，A选项安培力方向向下，A错误；B选项通电导线与磁场平行，不受安培力，B错误；C选项安培力方向向下，C正确；D选项安培力方向垂直于纸面向外，D错误。 探究点二___安培力的大小 1．公式F＝IlB sin θ中θ是B和I方向的夹角。 (1)当θ＝90°时，即B⊥I，sin θ＝1，公式为F＝IlB。 (2)当θ＝0时，即B∥I，F＝0。 2．公式F＝IlB sin 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的长度(如图所示)；相应的电流沿导线由始端流向末端。 3．重要推论 对任意形状的闭合平面线圈，当线圈平面与磁场方向垂直时，线圈的有效长度l＝0，故通电后线圈在匀强磁场中所受安培力的矢量和一定为零，如图所示。 【例2】 如图所示，在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线，电流大小为I，磁感应强度为B，求各导线所受安培力的大小。 答案：FA＝ILB cos α　FB＝ILB　FC＝ILB　FD＝2IRB　FE＝0 解析：题图A中，FA＝ILB cos α；题图B中，导线在纸面内，因此B⊥I，故FB＝ILB；题图C中是两根导线组成的折线abc，整体受力实质上是两部分直导线分别受力的矢量和，其有效长度为ac(即从a→c的电流)，故FC＝ILB；题图D中是沿a→b的半圆形电流，其有效长度为ab，则FD＝2IRB；题图E中，用导线将abc接通形成闭合线圈，线圈受力的矢量和为零，故合力为零，所以闭合的通电线圈所受安培力为零，则FE＝0。 [练2] 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(　　) 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 A　解析：导线abcd在磁场中的有效长度为a点到d点之间的距离，即l＝2L sin 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，A正确。 探究点三___磁电式电流表 　　　 磁电式电流表依据的物理学原理就是通电线圈因受安培力而转动。右图给出了极靴与铁质圆柱间的磁场分布情况，请结合安培力大小的决定因素分析。 [问题设计] 磁场这样分布的好处是什么？ 答案：磁电式电流表中磁铁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0，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，从而使得表盘的刻度均匀。 1．磁场的特点 (1)方向：均匀地沿径向分布； (2)大小：在距轴线等距离处的磁感应强度大小相等。 2．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．表盘刻度的特点 指针偏角与通过线圈的电流I成正比，表盘刻度均匀。 【例3】 (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。蹄形磁体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．当线圈在如图乙所示的位置时，安培力的作用使线圈沿顺时针方向转动 ABD　解析：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，B正确；由左手定则知，b端受到的安培力方向向下，a端受到的安培力方向向上，安培力的作用将使线圈沿顺时针方向转动，C错误，D正确。 [练3] 如图甲所示的是磁电式电流表的结构图，蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布。线圈中a、b两条边的长度均为l，未通电流时，a、b处于图乙所示位置，两条边所在处的磁感应强度大小均为B。通电后，a边中的电流方向垂直于纸面向外，大小为I，则(　　) A．该磁场是匀强磁场 B．线圈平面总与磁场方向垂直 C．线圈将逆时针转动 D．a边受到的安培力的大小始终为IlB D　解析：磁场均匀辐向分布，磁场方向与铁芯垂直，但不是匀强磁场，A错误；由于是辐向磁场，线圈平面与磁场方向始终平行，B错误；根据左手定则，在题图中位置，a边受力方向向上，b边受力方向向下，线圈将顺时针转动，C错误；由于在转动过程中，a边始终与磁场垂直，因此受到的安培力的大小始终为IlB，D正确。 探究点四___解决实际问题 [练4] (生活情境)(多选)如图所示，这是自动跳闸的闸刀开关，闸刀处于垂直于纸面向里的匀强磁场中，当CO间的闸刀刀片通过的直流电流超过额定值时，闸刀A端会向左弹开断开电路。以下说法正确的是(　　) A．闸刀刀片中的电流方向为C→O B．闸刀刀片中的电流方向为O→C C．跳闸时闸刀所受安培力没有做功 D．增大匀强磁场的磁感应强度，可使自动跳闸的电流额定值减小 BD　解析：当MN通电后，闸刀开关会自动跳开，可知安培力应该向左，由左手定则判断，电流方向为O→C，A错误，B正确；闸刀受到安培力而跳闸断开，故跳闸时闸刀所受的安培力做正功，C错误；跳闸时刀片所受的作用力是一定的，依据安培力F＝ILB可知，增大匀强磁场的磁感应强度，电流I变小，D正确。 [练5] (生活情境)我国的“西电东送大动脉”超高压银东直流输电工程，西起宁夏银川，东至山东青岛，线路全长1 333千米，额定输送量400万千瓦，设某段沿东西方向的两条平行输电线在同一个水平面内，且与电源、负载组成闭合回路，已知这段输电线所在处的地磁场方向与地面平行，则(　　) A．两条输电线中电流间相互作用的安培力为斥力 B.两条输电线中电流间相互作用的安培力为引力 C.地磁场对两条输电线中电流的作用力方向均竖直向上 D．地磁场对两条输电线中电流的作用力均为零 A　解析：两条输电线，电流方向相反，根据电流同向相吸，异向相斥，则两条输电线中电流间相互作用的安培力为斥力，A正确，B错误；电流方向不相同，在同一地磁场中，受到的磁场作用力方向不一样，C错误；地磁场方向与电流垂直，由左手定则知，地磁场对两条输电线中电流的作用力一个向上一个向下，D错误。 1．把一小段通电直导线放入磁场中，导线受到安培力的作用。关于安培力的方向，下列说法正确的是(　　) A．安培力的方向一定跟磁感应强度的方向相同 B．安培力的方向一定跟磁感应强度的方向垂直，但不一定跟电流方向垂直 C．安培力的方向一定跟电流方向垂直，但不一定跟磁感应强度的方向垂直 D．安培力的方向一定跟电流方向垂直，也一定跟磁感应强度的方向垂直 D　解析：根据左手定则可知，安培力的方向一定跟电流方向垂直，也一定跟磁感应强度的方向垂直，但磁感应强度的方向不一定跟电流方向垂直，D正确。 2.如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B。L形导线通以恒定电流I，放置在磁场中，已知ab边长为2l，与磁场方向垂直，bc边长为l，与磁场方向平行。下列说法正确的是(　　) A．该导线受到的安培力大小为BIl，方向垂直于纸面向里 B．该导线受到的安培力大小为2BIl，方向垂直于纸面向里 C．该导线受到的安培力大小为3BIl，方向垂直于ab边 D．该导线受到的安培力大小为BIl，方向垂直于ac连线 B　解析：该通电导线的有效长度为ab，该导线受到的安培力大小为F＝BIL＝2BIl，根据左手定则知安培力的方向垂直于纸面向里，B正确，A、C、D错误。 3．如图甲所示是高中物理电学实验中常用的磁电式电流表的结构，其内部磁场分布和线圈中电流流向剖面如图乙所示。下列关于磁电式电流表的各项说法正确的是(　　) A.当线圈在图乙所示位置时b端受到的安培力方向向上 B．线圈中电流越大，安培力就越大，螺旋弹簧的形变也越大，线圈偏转的角度也越大 C．电流表中的磁场是匀强磁场 D．线圈无论转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，所以线圈不受安培力 B　解析：根据左手定则可得线圈b端在磁场中受到的安培力的方向向下，A错误；电流表中的磁场不是匀强磁场，C错误；线圈平面和磁感线平行只能说明磁通量一直为零，但是导线和磁场不平行，所以安培力不可能为零，D错误，B正确。 4.如图所示，一根有质量的金属棒MN，两端用细软导线连接后悬于a、b两点，棒的中部处于方向垂直于纸面向里的匀强磁场中，棒中通有电流，方向从M流向N，此时悬线上有拉力，为了使拉力等于零，可以(　　) A．适当减小磁感应强度　　　 B．使磁场反向 C．适当增大电流 D．使电流反向 C　解析：首先对MN进行受力分析，MN受竖直向下的重力G，受两根软导线的竖直向上的拉力和安培力。处于平衡时：2F＋IlB＝mg，重力mg恒定不变，欲使拉力F减小到0，应增大安培力IlB，所以可增大磁场的磁感应强度B或增加通过金属棒中的电流I，或二者同时增大，C正确。 5．(2024·安徽滁州高二期中)某通电直导线的长度为l，所在空间存在匀强磁场的磁感应强度大小为B，其所受安培力大小为F，下列说法正确的是(　　) A．通过直导线的电流可能为 B．通过直导线的电流可能为 C．安培力的方向可以不垂直于直导线 D．将直导线从中点折成直角，安培力的大小一定变为 A　解析：由F＝IlB sin θ得I＝，当θ＝90°时，I最小为，A正确，B错误；根据左手定则知，安培力方向与电流和磁场方向都垂直，C错误；磁场与电流不垂直时，安培力的大小为F＝IlB sin θ，磁场与电流垂直时，安培力的大小为F＝IlB，当电流方向与磁场的方向平行，所受安培力为零，若初始状态导线与磁场方向垂直，将直导线在平行于磁场方向的平面内从中折成直角(如图甲)，安培力的大小一定变为原来的一半，将直导线在垂直于磁场方向的平面内从中折成直角(如图乙)，安培力的大小一定变为，D错误。 [课时梯级训练(1)见P137] 学科网（北京）股份有限公司 $$