第1章 第2节 安培力的应用-（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第二册教师用书（粤教版2019）

DIYIZHANG 第一章 第二节　安培力的应用 1 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(重点)。 2.进一步熟练掌握安培力公式及左手定则(重难点)。 学习目标 2 一、电流天平 二、磁电式电表 课时对点练 内容索引 三、直流电动机 3 电流天平 一 4 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 怎样增大电流天平的灵敏度？(写出一种方案即可) 讨论与交流 答案　增加线圈的匝数、增大磁感应强度、增加线圈底边的边长等 　电流天平可以用来测量匀强磁场的磁感应强度大小，装 置如图所示。其右臂悬挂着匝数n=10的矩形线圈，线圈水 平边长l=10 cm，处于匀强磁场中，磁感应强度的方向垂直 于线圈平面向外。当线圈中通过I=0.1 A、顺时针方向的电 流时，调节砝码使天平达到平衡，此时左盘中砝码质量m1=0.4 kg，右盘中砝码质量m2=0.5 kg。若悬挂矩形线圈的轻杆及矩形线圈的质量均不计，重力加速度g=10 m/s2，求： (1)线圈所在处磁场的磁感应强度大小； 例1 答案　10 T　 根据左手定则可知，线圈所受安培力方向竖直向上； 安培力大小为FA=nBIl 由平衡条件得m1g=m2g-FA 代入数据解得B=10 T (2)若仅使线圈中电流反向，需要再向左盘中添加质量为多少的砝码，才能使此天平两臂再达到平衡。 答案　0.2 kg 若电流反向，则由左手定则可知，线圈所受安培力方向竖直向下。设还需要在左盘中添加质量为m的砝码，由平衡条件得 m1g+mg=m2g+nBIl 代入数据解得m=0.2 kg。 　(2024·湛江市高二期末)如图所示天平可用来测量磁场的磁感应强度。天平的右臂下面挂一个矩形线圈，底边bc长为L，共N匝，线圈的下部悬在匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面。当线圈中通有电流I(方向如图所示)时，在天平两边加上质量分别为m1、m2的砝码时，天平平衡；当电流反向(大小不变)时，右边再加上质量为m的砝码后，天平又重新平衡，重力加速度为g。由此可知 A.磁感应强度方向垂直纸面向里，大小为 B.磁感应强度方向垂直纸面向外，大小为 C.磁感应强度方向垂直纸面向外，大小为 D.磁感应强度方向垂直纸面向里，大小为 针对训练 √ 返回 因为电流反向时，右边再加砝码才能重新平衡，所以 此时安培力竖直向上，由左手定则判断磁场方向垂直 于纸面向外。电流反向前，有m1g=m2g+m3g+NBIL， 其中m3为线圈质量。电流反向后，有m1g=m2g+m3g+ mg-NBIL，两式联立可得B=，故选C。 磁电式电表 二 12 磁电式电流表由刻度盘、指针、蹄形磁铁、软铁、螺旋弹簧、线圈构成。其结构示意图如图所示。 1.蹄形磁铁和圆柱形铁芯间的磁场均匀辐向分布，如图所示，该磁场是匀强磁场吗？ 答案　磁感应强度大小处处相等，方向不同，故不是匀强磁场。 2.求穿过正方形线圈的磁通量的大小。(已知辐向磁场的磁感应强度为B，线圈的边长为L，通过的电流为I) 答案　磁感线与线圈平面平行，故穿过正方形线圈的磁通量为零。 3.在问题2已知条件下，正方形线圈左边和右边导线受到的安培力的大小和方向？ 答案　左、右两边受到的安培力大小均为BIL，根据左手定则知左边导线受到的安培力方向向上，右边导线受到的安培力方向向下，使线圈转动起来。 4.线圈在转动过程中，线圈受到的安培力大小发生变化吗？线圈会一直转动下去吗？ 答案　由于B、I、L不变，故线圈受到的安培力大小不变。线圈不会一直转下去，因为线圈受安培力作用发生转动，螺旋弹簧变形，阻碍线圈的转动，最终达到平衡，指针停止偏转。电流越大，线圈偏转角度越大，指针偏转角度越大，所以根据指针偏转角度的大小，可以确定被测电流的大小。 5.当线圈中电流方向改变时，线圈(指针)如何转动？ 答案　当线圈中电流方向改变时，安培力的方向随之改变，线圈(指针)的偏转方向也随着改变，所以根据指针的偏转方向可知被测电流的方向。 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。 梳理与总结 零刻度 相当 大小 安培力 偏转 如何提高磁电式电表的灵敏度？(写出一种方案即可) 讨论与交流 答案　增加线圈的匝数、增大磁感应强度、换劲度系数更小的弹簧。 　(2023·珠海市高二期中)图甲为实验室里某型号磁电式电流表结构。矩形线圈匝数为n，电阻为R。矩形线圈处在均匀辐射状磁场中，如图乙所示，线圈左右两边所在处的磁感应强度大小均为B。线圈受到的安培力和螺旋弹簧的弹力达到平衡时，指针达到稳定。下列说法正确的是 A.如图甲所示，线圈顺时针转动过程中，穿过线圈的磁通量减少 B.在线圈转动范围内，线圈所受安培力大小与电流大小有关，而 与所在位置无关 C.通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转角度就越小 D.更换劲度系数更小的螺旋弹簧，可以减小电流表的灵敏度(灵 敏度即) 例2 √ 线圈顺时针转动过程中，线圈平面与磁感线始终平行，故磁通量始终为零，穿过线圈的磁通量不变，故A错误； 线圈左右两边所在处的磁感应强度大小均为B，无论什么位置磁感应强度大小都相等，根据安培力的表达式F=BIL，可知，安培力的大小只与电流大小相关，与所在位置无关，故B正确； 线圈中的电流越大，线圈所受到的安培力越大，电流表指针偏转角度也就越大，故C错误； 更换劲度系数更小的螺旋弹簧，电流变化量相等时，安培力变化量相等，但转动角度变化量大，故灵敏度增加，故D错误。 返回 直流电动机 三 22 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？ 答案　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的？ 答案　换向器。 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。 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。 梳理与总结 安培力 机械能 周期性 转速 　(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 例3 √ √ √ 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。 返回 课时对点练 四 27 考点一　电流天平 1.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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 基础对点练 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 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。 12 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 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。 12 3.(多选)(2024·中山市高二期末)如图所示为电流天平，可以 测量匀强磁场的磁感应强度B。它的右臂挂着矩形线圈，线 圈匝数为n，b段导线长为l，导线a、b、c段处于匀强磁场中， 磁感应强度方向与线圈平面垂直。当线圈没有通电时，天平 处于平衡状态。当线圈中通入电流I时，在右盘加质量为m的砝码可使天平重新平衡。重力加速度为g，下列说法正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A.线圈中受到的安培力方向竖直向下 B.在右盘加质量为m的砝码后，若同时将磁场和电流反向， 天平仍然平衡 C.由以上测量数据可以求出磁感应强度B= D.若仅将电流反向，可在右盘加质量为2m的砝码使天平重新平衡 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 根据左手定则可知线圈中受到的安培力方向竖直向上， 故A错误； 在右盘加质量为m的砝码后，若同时将磁场和电流反 向，此时安培力大小方向都不变，所以天平仍然平衡， 故B正确； 根据题意可知nBIL=mg，解得B=，故C正确； 若仅将电流反向，安培力竖直向下，在右盘加质量为2m的砝码，无法使天平重新平衡，故D错误。 12 考点二　磁电式电表 4.(多选)(2023·汕头市高二期中)如图甲为磁电式电流表的结构图，图乙为蹄形磁铁和铁质圆柱间的磁场分布，线圈a、b两边通以图示方向电流，线圈两边所在处的磁感应强度大小相等。则下列选项正确的是 A.该磁场为匀强磁场 B.线圈将顺时针转动 C.线圈平面总与磁场方向垂直 D.图示位置线圈b边受安培力方向竖直向下 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 根据磁感线分布可知，该磁场不是匀强 磁场，故A错误； 根据左手定则，图示位置a边受安培力方 向竖直向上，b边受安培力方向竖直向下，则a向上转动，b向下转动，即线圈将顺时针转动，故B、D正确； 根据磁感线分布可知，线圈平面总与磁场方向平行，故C错误。 12 5.(多选)(2024·深圳市高二期末)如图所示，某磁电式电流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.指针稳定后螺旋弹簧形变产生的阻碍效果与线圈 受到的安培力的转动效果是相反的 B.指针稳定后螺旋弹簧形变产生的阻碍效果与线圈 受到的安培力的转动效果是相同的 C.通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转角度也 越大 D.更换劲度系数更小的螺旋弹簧，可增大电流表的量程 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 螺旋弹簧形变产生的阻碍效果与线圈受到的 安培力的转动效果相反线圈才能停止转动， 使指针稳定，A正确，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，电流表指针偏转角度也越大，C正确； 由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，电流表的量程减小，D错误。 12 考点三　直流电动机 6.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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 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。 7.如图所示是直流电动机的模型，闭合开关后线圈顺时针转动，现要使线圈逆时针转动，下列方法中可行的是 A.只改变电流方向 B.只改变电流大小 C.换用磁性更强的磁铁 D.对换磁极同时改变电流方向 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 直流电动机的转动方向与线圈中的电流方向和磁 场方向有关，与磁场强弱无关，若使通入线圈的 电流方向改变或磁场的方向改变，它的转动方向 都将改变，但如果同时改变电流的方向和磁场的 方向，线圈的转动方向将不变，故A正确。 8.(2023·茂名市电白区高二期中)如图所示，电磁炮是一 种新型的发射炮弹的装置，把待发射的炮弹放在匀强磁 场中的两平行导电导轨上，给导轨通以电流，炮弹作为 一个载流导体在磁场作用下沿导轨加速，使炮弹获得极 大的发射速度。下列各俯视图中正确表示磁场B方向的是 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 根据左手定则可知，A图中安培力方向向左，不能 使炮弹沿导轨向右加速，A错误； B图中炮弹所受安培力向右，使炮弹向右加速，B 正确； C、D图中炮弹中电流方向与磁场平行，不受安培力，C、D错误。 12 9.(2024·江门市高二期末)如图甲所示是我国研制的高速磁浮交通系统成功下线的情景。常导磁吸式(EMS)利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁线圈和铺设在线路导轨上的磁铁，在两者的相互作用下产生的吸引力使车辆浮起，轨道磁铁受列车速度影响，速度大磁性强，轨道磁铁外部磁感应强度随距离增大而减小。车体运行时，通过精确控制车身线圈中的电流I磁，形成稳定的吸引力，使车体与轨道之间始终保持10 mm的悬浮气隙，如图乙所示。下列选项正确的是 A.车身悬浮时受到的竖直方向安培力大于重力 B.当悬浮间隙小于10 mm时，应增大电流I磁使之恢复 C.车体满载时悬浮较空载所需的电流I磁较小 D.列车高速时更难悬浮 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 车身悬浮时受到的安培力大小等于重力，A错误； 当悬浮间隙小于10 mm时，应增大电流I磁，从而 增大向上的安培力，使之恢复，B正确； 车体满载时会使车重增加，要增大安培力才能稳 定悬浮，根据F=BIL应增大电流，C错误； 轨道磁铁受列车速度影响，速度大，磁性强，根据 F=BIL列车高速时B更强，安培力增大，更容易磁悬浮，D错误。 12 10.(2023·广州市铁一、广大附、广外三校高二期末)如图所示， 某兴趣小组制作了一种可“称量”磁感应强度大小的实验装 置。蹄形磁铁置于水平电子测力计上，蹄形磁铁两极之间的 磁场可视为水平匀强磁场，不计两极间以外区域磁场。一水 平导体棒垂直磁场方向放入蹄形磁铁两极之间(未与磁铁接 触)，导体棒由两根绝缘杆固定于铁架台上。导体棒没有通电时，测力计的示数为G0；导体棒通以图示方向电流I(如图所示)时，测力计的示数为G1。测得导体棒在两极间的长度为L，磁铁始终静止，不考虑导体棒电流对磁铁磁场分布的影响。下列说法正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A.导体棒所在处磁场的磁感应强度大小为B= B.若使图示方向电流增大，被“称量”的磁感应强度将增大 C.若使图示方向电流增大，被“称量”的磁感应强度将减小 D.若通以图示大小相等、方向相反的电流I，测力计示数将 变为2G0-G1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 当导体棒通以图示方向电流I时，根据左手定则可知，导 体棒受安培力向上，由牛顿第三定律知磁铁受到向下的 作用力，由平衡条件可知F安=BIL=G1-G0，解得B=， 选项A错误； 磁铁两极间的磁感应强度只与磁铁本身有关，若使图示方向电流增大，被“称量”的磁感应强度不变，选项B、C错误； 若通以图示大小相等、方向相反的电流I，则安培力反向，此时测力计示数将变为FN=G0-F安=2G0-G1，选项D正确。 12 11.(2024·东莞市高二月考)如图所示，是物理兴趣小组 自制的电流表原理图。质量为m的均匀细金属杆MN与 一竖直悬挂的绝缘轻弹簧相连，弹簧劲度系数为k，在 边长ab=L1、bc=L2的矩形区域abcd内有匀强磁场，磁感 应强度大小为B，方向垂直纸面向外。MN的右端连接一绝缘轻指针，可指示出标尺上的刻度，MN的长度大于ab。当MN中没有电流通过且处于静止时，MN与ab边重合，且指针指在标尺的零刻度。当MN中有电流时，指针示数可表示电流大小。MN始终在纸面内且保持水平，重力加速度为g，则 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A.金属杆中电流方向不影响电流表正常工作 B.当该电流表的示数为零时，弹簧的伸长量为零 C.该电流表的刻度在有效范围内是不均匀的 D.该电流表的最大量程是Im= 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 电流表正常工作时金属杆所受安培力应向下，即电 流方向应M→N，故电流方向改变，所受安培力方 向改变，会影响电流表正常工作，A错误； 当该电流表的示数为零时，满足kΔx=mg，可得弹簧的伸长量为Δx=≠0，B错误； 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 设电流表满偏时通过MN的电流为Im，此时金属杆达 到cd位置，由平衡条件可得mg+BImL1=k(Δx+L2)，联 立可解得最大量程为Im=，同理可知，在未达到最 大量程时满足I=，I与x成正比，故该电流表的刻度在有效范围内是 均匀的，C错误，D正确。 12 12.(2024·广州市高二月考)某电子天平原理如图所示， 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，磁极宽度均为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，当质量为m的重物放在秤盘上时，弹簧被压缩，秤盘和线圈一起向下运动(骨架与磁极不接触)，随后外电路对线圈供电，秤盘和线圈恢复到未放重物时的位置并静止。此时根据对应的供电电流I，可确定重物的质量。已知线圈匝数为n，线圈电阻为R，重力加速度为g。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 尖子生选练 12 (1)供电电流I是从C端还是从D端流入？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　D端流入　 根据左手定则可知，若想使弹簧恢复形变，安培力必须向上，根据左手定则可知电流应从D端流入。 (2)求重物质量与电流的关系。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　m=I　 根据受力平衡mg=nBI·2L，解得m=I (3)不法商贩发现了秤中E形磁铁，打算在两侧各加一块铁片，试问这样对称重有没有影响？称重是变大还是变小了？说明理由。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　有影响，称重变小，理由详见解析 有影响，称重质量变小。 由于两侧增加铁片后，磁感应强度变大。根据(2)中质量与电流的关系式可知，当质量不变时，磁感应强度变大，所需的供电电流I变小。故电子秤表盘的读数变小，即称重变小。 返回 BENKEJIESHU 本课结束 $$ 第二节　安培力的应用 ［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（重点）。2.进一步熟练掌握安培力公式及左手定则（重难点）。 一、电流天平 1.普通天平是应用杠杆原理把被测物与已知质量的砝码进行力学平衡。利用等效替代法测量出被测物体的质量。 2.电流天平同样运用等效替代法，结合安培力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相互作用力和磁感应强度。 怎样增大电流天平的灵敏度？（写出一种方案即可） 答案　增加线圈的匝数、增大磁感应强度、增加线圈底边的边长等 例1　电流天平可以用来测量匀强磁场的磁感应强度大小，装置如图所示。其右臂悬挂着匝数n=10的矩形线圈，线圈水平边长l=10 cm，处于匀强磁场中，磁感应强度的方向垂直于线圈平面向外。当线圈中通过I=0.1 A、顺时针方向的电流时，调节砝码使天平达到平衡，此时左盘中砝码质量m1=0.4 kg，右盘中砝码质量m2=0.5 kg。若悬挂矩形线圈的轻杆及矩形线圈的质量均不计，重力加速度g=10 m/s2，求： （1）线圈所在处磁场的磁感应强度大小； （2）若仅使线圈中电流反向，需要再向左盘中添加质量为多少的砝码，才能使此天平两臂再达到平衡。 答案　（1）10 T　（2）0.2 kg 解析　（1）根据左手定则可知，线圈所受安培力方向竖直向上； 安培力大小为FA=nBIl 由平衡条件得m1g=m2g-FA 代入数据解得B=10 T （2）若电流反向，则由左手定则可知，线圈所受安培力方向竖直向下。设还需要在左盘中添加质量为m的砝码，由平衡条件得 m1g+mg=m2g+nBIl 代入数据解得m=0.2 kg。 针对训练　（2024·湛江市高二期末）如图所示天平可用来测量磁场的磁感应强度。天平的右臂下面挂一个矩形线圈，底边bc长为L，共N匝，线圈的下部悬在匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面。当线圈中通有电流I（方向如图所示）时，在天平两边加上质量分别为m1、m2的砝码时，天平平衡；当电流反向（大小不变）时，右边再加上质量为m的砝码后，天平又重新平衡，重力加速度为g。由此可知（　　） A.磁感应强度方向垂直纸面向里，大小为 B.磁感应强度方向垂直纸面向外，大小为 C.磁感应强度方向垂直纸面向外，大小为 D.磁感应强度方向垂直纸面向里，大小为 答案　C 解析　因为电流反向时，右边再加砝码才能重新平衡，所以此时安培力竖直向上，由左手定则判断磁场方向垂直于纸面向外。电流反向前，有m1g=m2g+m3g+NBIL，其中m3为线圈质量。电流反向后，有m1g=m2g+m3g+mg-NBIL，两式联立可得B=，故选C。 二、磁电式电表 磁电式电流表由刻度盘、指针、蹄形磁铁、软铁、螺旋弹簧、线圈构成。其结构示意图如图所示。 1.蹄形磁铁和圆柱形铁芯间的磁场均匀辐向分布，如图所示，该磁场是匀强磁场吗？ 答案　磁感应强度大小处处相等，方向不同，故不是匀强磁场。 2.求穿过正方形线圈的磁通量的大小。（已知辐向磁场的磁感应强度为B，线圈的边长为L，通过的电流为I） 答案　磁感线与线圈平面平行，故穿过正方形线圈的磁通量为零。 3.在问题2已知条件下，正方形线圈左边和右边导线受到的安培力的大小和方向？ 答案　左、右两边受到的安培力大小均为BIL，根据左手定则知左边导线受到的安培力方向向上，右边导线受到的安培力方向向下，使线圈转动起来。 4.线圈在转动过程中，线圈受到的安培力大小发生变化吗？线圈会一直转动下去吗？ 答案　由于B、I、L不变，故线圈受到的安培力大小不变。线圈不会一直转下去，因为线圈受安培力作用发生转动，螺旋弹簧变形，阻碍线圈的转动，最终达到平衡，指针停止偏转。电流越大，线圈偏转角度越大，指针偏转角度越大，所以根据指针偏转角度的大小，可以确定被测电流的大小。 5.当线圈中电流方向改变时，线圈（指针）如何转动？ 答案　当线圈中电流方向改变时，安培力的方向随之改变，线圈（指针）的偏转方向也随着改变，所以根据指针的偏转方向可知被测电流的方向。 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，指针指向零刻度。 2.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。 3.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。 如何提高磁电式电表的灵敏度？（写出一种方案即可） 答案　增加线圈的匝数、增大磁感应强度、换劲度系数更小的弹簧。 例2　（2023·珠海市高二期中）图甲为实验室里某型号磁电式电流表结构。矩形线圈匝数为n，电阻为R。矩形线圈处在均匀辐射状磁场中，如图乙所示，线圈左右两边所在处的磁感应强度大小均为B。线圈受到的安培力和螺旋弹簧的弹力达到平衡时，指针达到稳定。下列说法正确的是（　　） A.如图甲所示，线圈顺时针转动过程中，穿过线圈的磁通量减少 B.在线圈转动范围内，线圈所受安培力大小与电流大小有关，而与所在位置无关 C.通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转角度就越小 D.更换劲度系数更小的螺旋弹簧，可以减小电流表的灵敏度（灵敏度即） 答案　B 解析　线圈顺时针转动过程中，线圈平面与磁感线始终平行，故磁通量始终为零，穿过线圈的磁通量不变，故A错误； 线圈左右两边所在处的磁感应强度大小均为B，无论什么位置磁感应强度大小都相等，根据安培力的表达式F=BIL，可知，安培力的大小只与电流大小相关，与所在位置无关，故B正确； 线圈中的电流越大，线圈所受到的安培力越大，电流表指针偏转角度也就越大，故C错误； 更换劲度系数更小的螺旋弹簧，电流变化量相等时，安培力变化量相等，但转动角度变化量大，故灵敏度增加，故D错误。 三、直流电动机 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？ （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的？ 答案　（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）换向器。 1.直流电动机是利用安培力使通电线圈转动的典型应用。从能量的角度看， 它是将电能转换成机械能的旋转电机。 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，由此通过电流的周期性换向，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。 3.优点：只需改变输入电流的大小就能直接调节电动机的转速，常被应用于需要调速的设备。 例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 答案　ACD 解析　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。 课时对点练　［分值：100分］ 1~7题每题7分，共49分 考点一　电流天平 1.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 答案　B 解析　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。 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 答案　C 解析　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.（多选）（2024·中山市高二期末）如图所示为电流天平，可以测量匀强磁场的磁感应强度B。它的右臂挂着矩形线圈，线圈匝数为n，b段导线长为l，导线a、b、c段处于匀强磁场中，磁感应强度方向与线圈平面垂直。当线圈没有通电时，天平处于平衡状态。当线圈中通入电流I时，在右盘加质量为m的砝码可使天平重新平衡。重力加速度为g，下列说法正确的是（　　） A.线圈中受到的安培力方向竖直向下 B.在右盘加质量为m的砝码后，若同时将磁场和电流反向，天平仍然平衡 C.由以上测量数据可以求出磁感应强度B= D.若仅将电流反向，可在右盘加质量为2m的砝码使天平重新平衡 答案　BC 解析　根据左手定则可知线圈中受到的安培力方向竖直向上，故A错误； 在右盘加质量为m的砝码后，若同时将磁场和电流反向，此时安培力大小方向都不变，所以天平仍然平衡，故B正确； 根据题意可知nBIL=mg，解得B=，故C正确； 若仅将电流反向，安培力竖直向下，在右盘加质量为2m的砝码，无法使天平重新平衡，故D错误。 考点二　磁电式电表 4.（多选）（2023·汕头市高二期中）如图甲为磁电式电流表的结构图，图乙为蹄形磁铁和铁质圆柱间的磁场分布，线圈a、b两边通以图示方向电流，线圈两边所在处的磁感应强度大小相等。则下列选项正确的是（　　） A.该磁场为匀强磁场 B.线圈将顺时针转动 C.线圈平面总与磁场方向垂直 D.图示位置线圈b边受安培力方向竖直向下 答案　BD 解析　根据磁感线分布可知，该磁场不是匀强磁场，故A错误； 根据左手定则，图示位置a边受安培力方向竖直向上，b边受安培力方向竖直向下，则a向上转动，b向下转动，即线圈将顺时针转动，故B、D正确； 根据磁感线分布可知，线圈平面总与磁场方向平行，故C错误。 5.（多选）（2024·深圳市高二期末）如图所示，某磁电式电流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.指针稳定后螺旋弹簧形变产生的阻碍效果与线圈受到的安培力的转动效果是相反的 B.指针稳定后螺旋弹簧形变产生的阻碍效果与线圈受到的安培力的转动效果是相同的 C.通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转角度也越大 D.更换劲度系数更小的螺旋弹簧，可增大电流表的量程 答案　AC 解析　螺旋弹簧形变产生的阻碍效果与线圈受到的安培力的转动效果相反线圈才能停止转动，使指针稳定，A正确，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，电流表指针偏转角度也越大，C正确； 由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，电流表的量程减小，D错误。 考点三　直流电动机 6.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 答案　C 解析　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。 7.如图所示是直流电动机的模型，闭合开关后线圈顺时针转动，现要使线圈逆时针转动，下列方法中可行的是（　　） A.只改变电流方向 B.只改变电流大小 C.换用磁性更强的磁铁 D.对换磁极同时改变电流方向 答案　A 解析　直流电动机的转动方向与线圈中的电流方向和磁场方向有关，与磁场强弱无关，若使通入线圈的电流方向改变或磁场的方向改变，它的转动方向都将改变，但如果同时改变电流的方向和磁场的方向，线圈的转动方向将不变，故A正确。 8~11题每题9分，共36分 8.（2023·茂名市电白区高二期中）如图所示，电磁炮是一种新型的发射炮弹的装置，把待发射的炮弹放在匀强磁场中的两平行导电导轨上，给导轨通以电流，炮弹作为一个载流导体在磁场作用下沿导轨加速，使炮弹获得极大的发射速度。下列各俯视图中正确表示磁场B方向的是（　　） 答案　B 解析　根据左手定则可知，A图中安培力方向向左，不能使炮弹沿导轨向右加速，A错误；B图中炮弹所受安培力向右，使炮弹向右加速，B正确；C、D图中炮弹中电流方向与磁场平行，不受安培力，C、D错误。 9.（2024·江门市高二期末）如图甲所示是我国研制的高速磁浮交通系统成功下线的情景。常导磁吸式（EMS）利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁线圈和铺设在线路导轨上的磁铁，在两者的相互作用下产生的吸引力使车辆浮起，轨道磁铁受列车速度影响，速度大磁性强，轨道磁铁外部磁感应强度随距离增大而减小。车体运行时，通过精确控制车身线圈中的电流I磁，形成稳定的吸引力，使车体与轨道之间始终保持10 mm的悬浮气隙，如图乙所示。下列选项正确的是（　　） A.车身悬浮时受到的竖直方向安培力大于重力 B.当悬浮间隙小于10 mm时，应增大电流I磁使之恢复 C.车体满载时悬浮较空载所需的电流I磁较小 D.列车高速时更难悬浮 答案　B 解析　车身悬浮时受到的安培力大小等于重力，A错误； 当悬浮间隙小于10 mm时，应增大电流I磁，从而增大向上的安培力，使之恢复，B正确； 车体满载时会使车重增加，要增大安培力才能稳定悬浮，根据F=BIL应增大电流，C错误； 轨道磁铁受列车速度影响，速度大，磁性强，根据 F=BIL列车高速时B更强，安培力增大，更容易磁悬浮，D错误。 10.（2023·广州市铁一、广大附、广外三校高二期末）如图所示，某兴趣小组制作了一种可“称量”磁感应强度大小的实验装置。蹄形磁铁置于水平电子测力计上，蹄形磁铁两极之间的磁场可视为水平匀强磁场，不计两极间以外区域磁场。一水平导体棒垂直磁场方向放入蹄形磁铁两极之间（未与磁铁接触），导体棒由两根绝缘杆固定于铁架台上。导体棒没有通电时，测力计的示数为G0；导体棒通以图示方向电流I（如图所示）时，测力计的示数为G1。测得导体棒在两极间的长度为L，磁铁始终静止，不考虑导体棒电流对磁铁磁场分布的影响。下列说法正确的是（　　） A.导体棒所在处磁场的磁感应强度大小为B= B.若使图示方向电流增大，被“称量”的磁感应强度将增大 C.若使图示方向电流增大，被“称量”的磁感应强度将减小 D.若通以图示大小相等、方向相反的电流I，测力计示数将变为2G0-G1 答案　D 解析　当导体棒通以图示方向电流I时，根据左手定则可知，导体棒受安培力向上，由牛顿第三定律知磁铁受到向下的作用力，由平衡条件可知F安=BIL=G1-G0，解得B=，选项A错误；磁铁两极间的磁感应强度只与磁铁本身有关，若使图示方向电流增大，被“称量”的磁感应强度不变，选项B、C错误； 若通以图示大小相等、方向相反的电流I，则安培力反向，此时测力计示数将变为FN=G0-F安=2G0-G1，选项D正确。 11.（2024·东莞市高二月考）如图所示，是物理兴趣小组自制的电流表原理图。质量为m的均匀细金属杆MN与一竖直悬挂的绝缘轻弹簧相连，弹簧劲度系数为k，在边长ab=L1、bc=L2的矩形区域abcd内有匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向外。MN的右端连接一绝缘轻指针，可指示出标尺上的刻度，MN的长度大于ab。当MN中没有电流通过且处于静止时，MN与ab边重合，且指针指在标尺的零刻度。当MN中有电流时，指针示数可表示电流大小。MN始终在纸面内且保持水平，重力加速度为g，则（　　） A.金属杆中电流方向不影响电流表正常工作 B.当该电流表的示数为零时，弹簧的伸长量为零 C.该电流表的刻度在有效范围内是不均匀的 D.该电流表的最大量程是Im= 答案　D 解析　电流表正常工作时金属杆所受安培力应向下，即电流方向应M→N，故电流方向改变，所受安培力方向改变，会影响电流表正常工作，A错误； 当该电流表的示数为零时，满足kΔx=mg，可得弹簧的伸长量为Δx=≠0，B错误； 设电流表满偏时通过MN的电流为Im，此时金属杆达到cd位置，由平衡条件可得mg+BImL1=k（Δx+L2），联立可解得最大量程为Im=，同理可知，在未达到最大量程时满足I=，I与x成正比，故该电流表的刻度在有效范围内是均匀的，C错误，D正确。 12.（15分）（2024·广州市高二月考）某电子天平原理如图所示，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，磁极宽度均为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，当质量为m的重物放在秤盘上时，弹簧被压缩，秤盘和线圈一起向下运动（骨架与磁极不接触），随后外电路对线圈供电，秤盘和线圈恢复到未放重物时的位置并静止。此时根据对应的供电电流I，可确定重物的质量。已知线圈匝数为n，线圈电阻为R，重力加速度为g。 （1）（4分）供电电流I是从C端还是从D端流入？ （2）（4分）求重物质量与电流的关系。 （3）（7分）不法商贩发现了秤中E形磁铁，打算在两侧各加一块铁片，试问这样对称重有没有影响？称重是变大还是变小了？说明理由。 答案　（1）D端流入　（2）m=I　（3）有影响，称重变小，理由详见解析 解析　（1）根据左手定则可知，若想使弹簧恢复形变，安培力必须向上，根据左手定则可知电流应从D端流入。 （2）根据受力平衡mg=nBI·2L，解得m=I （3）有影响，称重质量变小。 由于两侧增加铁片后，磁感应强度变大。根据（2）中质量与电流的关系式可知，当质量不变时，磁感应强度变大，所需的供电电流I变小。故电子秤表盘的读数变小，即称重变小。 学科网（北京）股份有限公司 $$