第1章 第1节 磁场对通电导线的作用力-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册五维课堂同步课件PPT（人教版2019）

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辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 物理选择性必修第二册 合作探究攻重难 自主预习探新知 辨析易错提素养 课堂自测夯基础 课后素养提升练 第1节　磁场对通电导线的作用力 知识导图 核心素养 1.物理观念：通过磁场对电流作用力的实验，体会安培力，生成安培力概念 2.科学思维：通过安培力方向及大小的学习，体会物理模型在探索自然规律中的作用 3.科学态度与责任：通过磁电式电流表的原理分析，体会科学技术对社会发展的促进作用 [知识梳理] 知识点一　安培力的方向 1．安培力：通电导线在 磁场 中所受的力． 2．安培力方向的特点 通电导线在磁场中所受安培力方向与 电流 方向、磁感应强度的方向都垂直． 3．安培力的方向：用 左手定则 判断． 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． 知识点二　安培力的大小 1．当I⊥B时，F＝ IlB . 2．当I∥B时，F＝ 0 . 3．当I与B成θ角时，把磁感应强度B分解(如图所示)，此时F＝ IlBsin θ . 知识点三　磁电式电流表 1．原理：通电线圈受到 安培力 而转动． 2．组成：磁电式电流表最基本的组成部分是 磁体 和放在磁体两极之间的 线圈 ．如图所示，当电流通过线圈时，导线受到 安培力 作用． 3．特点：线圈转动时，螺旋弹簧变形，以反抗线圈的转动．电流 越大 ，安培力就越大，螺旋弹簧变形就越大，线圈偏转的角度 越大 ． 4．优点：磁电式电流表的优点是 灵敏度高 ，可以测出很弱的电流． 5．缺点：线圈的导线 很细 ，允许通过的电流 很弱 (几十微安到几毫安)． [基础自测] 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)通电导线所受安培力的方向与磁场的方向垂直．( √ ) (2)通电导线所受安培力的方向与直线电流的方向垂直．( √ ) (3)应用左手定则时，磁感线穿过手心，四指指向电流方向，拇指指向安培力方向．( √ ) (4)若电流和磁场方向都与原来反向，则安培力的方向也与原来反向．( × ) (5)通电导线在磁场中不一定受安培力．( √ ) (6)一通电导线放在磁场中某处不受安培力，该处的磁感应强度一定是零．( × ) (7)若磁场一定，导线的长度和电流也一定的情况下，导线平行于磁场时，安培力最大，垂直于磁场时，安培力最小．( × ) 2．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导线和磁场方向的夹角无关 D．将直导线从中间折成直角，安培力的大小一定变为原来的一半 解析：B　[根据左手定则可知，安培力方向与磁场和电流所决定的平面垂直，即与电流和磁场方向都垂直，故A错误，B正确；磁场与电流不垂直时，安培力的大小为F＝BIlsin θ(θ为B和I的夹角)，则安培力的大小与通电导线和磁场方向的夹角有关，故C错误；当电流方向与磁场的方向平行时，所受安培力为0，将直导线从中间折成直角，安培力的大小一定变为eq \f(1,2)BIl，将直导线在垂直于磁场的方向的平面内从中间折成直角，安培力的大小一定变为原来的eq \f(\r(2),2)，故D错误．] 安培力的方向 ◆[探究导引] 　如图所示，把一段导体棒悬挂在蹄形磁铁的两极间，当导线中通以电流时，你能看到通电导线在磁场中朝一个方向摆动，这个实验现象说明了什么？改变电池的正负极接线柱或将磁铁的N极、S极交换位置，闭合开关，你能看到通电导线的摆动方向发生改变，这个实验现象说明了什么？ 提示　说明磁场对通电导线有力的作用．磁场中导线所受安培力的方向与磁场方向和电流方向都有关． ◆[探究归纳] 1．安培力的方向 不管电流方向与磁场方向是否垂直，安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面，即总有F⊥I和F⊥B. (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 安培定则(右手螺旋定则) 左手定则 用途 判断电流的磁场方向 判断通电导线在磁场中的受力方向 适用 对象 直线电流 环形电流或通电螺线管 通电导线在磁场中 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 拇指指向轴线上磁感线的方向 拇指指向电流受到的安培力的方向 [例1]　某同学画的表示磁感应强度B、电流I和安培力F的相互关系如下列选项图所示，其中正确的是(　　) 解析：D　[A图中磁场方向和电流方向平行，导线不受安培力作用，根据左手定则可知，B图中安培力的方向应垂直于磁场方向向上，C图中安培力的方向应垂直于导线向下，D图中安培力的方向垂直于导线向右．故选项D正确]． [规律总结] 判断安培力方向常见的两类问题 ◆[跟进训练] [多维训练1]　安培力方向的理解 　关于通电导线所受安培力F的方向、磁感应强度B的方向和电流I的方向之间的关系，下列说法正确的是(　　) A．F、B、I三者必须保持相互垂直 B．F必须垂直B、I，但B、I可以不相互垂直 C．B必须垂直F、I，但F、I可以不相互垂直 D．I必须垂直F、B，但F、B可以不相互垂直 解析：B　[F、B、I三者间的关系是：F⊥I、F⊥B、I与B不一定垂直．] [多维训练2]　左手定则的应用 画出下列图中各磁场对通电导线的安培力的方向． 解析：无论B、I是否垂直，安培力总是垂直于B与I所决定的平面，且满足左手定则． 答案：如图所示 安培力的大小 ◆[探究导引] 　(1)在图所示的实验中，探究安培力的大小与磁场强弱、电流大小、导线长度的关系．在B、L一定时，增大电流I，导线受力怎么变化？ (2)在B、I一定时，增大导线的长度L，导线受力怎么变化？ (3)当导线和磁场方向的夹角为θ时，如何计算安培力的大小？ 提示　(1)安培力变大． (2)安培力变大． (3)将磁感应强度B沿导线方向和垂直导线方向进行分解，分别计算两分磁感应强度对导线的作用力． ◆[探究归纳] 1．F＝BIlsin θ适用于匀强磁场中的通电直导线，求弯曲导线在匀强磁场中所受安培力时，l为有效长度，即导线两端点所连直线的长度，相应的电流方向沿l由始端流向末端，如图所示． 2．同样情况下，通电导线与磁场方向垂直时，它所受的安培力最大；导线与磁场方向平行时，它不受安培力；导线与磁场方向斜交时，它所受的安培力介于0和最大值之间． 3．在非匀强磁场中，只要通电直导线l所在位置的各点B矢量相等(包括大小和方向)，则导线所受安培力也能用上述公式计算． 4．当电流同时受到几个安培力时，则电流所受的安培力为这几个安培力的矢量和． [例2]　如图，等边三角形线框LMN由三根相同的导体棒连接而成，固定于匀强磁场中，线框平面与磁感应强度方向垂直，线框顶点M、N与直流电源两端相接，已知导体棒MN受到的安培力大小为F，则线框LMN受到的安培力的大小为(　　) A．2F　　　　　　 B．1.5F C．0.5F D．0 解析：B　[设导体棒MN的电流为I，则MLN的电流为eq \f(I,2)，根据F＝BIl，所以ML和LN受安培力为eq \f(F,2)，根据力的合成，线框LMN受到的安培力的大小为F＋2×eq \f(F,2)sin 30°＝1.5F.] [规律总结] 应用安培力公式F＝BIlsin θ解题的技巧 (1)公式F＝BIlsin θ中θ是B和I方向的夹角，不能盲目应用题目中所给的夹角，要根据具体情况进行分析． (2)公式F＝BIlsin θ中的lsin θ也可以理解为垂直于磁场方向的“有效长度”． ◆[跟进训练] [多维训练1]　安培力大小的计算 如图所示，导线框中电流为I，导线框垂直于磁场放置，磁感应强度为B，AB与CD相距为d，则MN所受安培力大小为(　　) A．F＝BId B．F＝BIdsin θ C．F＝eq \f(BId,sin θ) D．F＝BIdcos θ 解析：C　[导线与B垂直，F＝eq \f(BId,sin θ).] [多维训练2]　有效长度的理解 　如图所示，直角形导线abc通以恒定电流I，两段导线的长度分别为3L和4L，导线处于垂直于导线平面的磁感应强度为B的匀强磁场中，则导线受到的安培力为(　　) A．3BIL，方向b→c B．4BIL，方向b→a C．7BIL，方向垂直于ac连线斜向上 D．5BIL，方向垂直于ac连线斜向上 解析：D　[导线受到的安培力相当于直线ac受到的安培力，由左手定则可知，安培力的方向垂直于ac连线斜向上．导线在磁场内有效长度为：eq \r(3L2＋4L2)＝5L，故该通电导线受到安培力大小为F＝5BIL，选项D正确．] 安培力作用下导体的运动问题 ◆[探究导引] 如图所示，一根质量为m的金属棒MN，两端用细软导线连接后悬于a、b 两点，棒的中端处于方向垂直于纸面向里的匀强磁场中，电流方向如图所示，悬线上的拉力为F. (1)若使悬线上的拉力F变为零，可以采取什么方法？ (2)若使悬线向外摆动，磁感应强度方向应该怎样？(举一种满足题意的情况) 提示　(1)适当增大磁感应强度或电流． (2)根据左手定则磁感应强度方向应竖直向上． ◆[探究归纳] 安培力作用下导体运动方向的五种判断方法 电流 元法 把整段导线分为许多段直电流元，先用左手定则判断每段电流元受力的方向，然后判断整段导线所受合力的方向，从而确定导线运动方向 等效法 环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流，反过来等效也成立 特殊位 置法 通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置(如转过90°)，然后判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向 结论法 两平行直线电流在相互作用过程中，无转动趋势，同向电流互相吸引，反向电流互相排斥；两不平行的直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势 转换研究 对象法 定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向 [例3]　如图所示，在条形磁铁S极附近悬挂一个线圈，线圈与水平磁铁位于同一平面内，当线圈中电流沿图示方向流动时，将会出现(　　) A．线圈向磁铁平移 B．线圈远离磁铁平移 C．从上往下看，线圈顺时针转动，同时靠近磁铁 D．从上往下看，线圈逆时针转动，同时靠近磁铁 解析：D　[解法一：电流元法结合特殊位置法和等效法 线圈所在处的磁场向左，由左手定则可知线圈左侧受力向外，右侧受力向里，所以从上往下看，线圈逆时针转动，转过90°后将环形电流等效成小磁针，由安培定则知其N极向左，与条形磁体的关系为异名磁极相对，所以相互吸引． 解法二：等效法 将环形电流等效成小磁针，由安培定则知其N极向里，受到条形磁体作用后其N极要指向左侧且相互靠近．] [规律总结] 判断安培力作用下通电导体的运动方向的思路 (1)首先应判出通电导体(或通电线圈)所在位置的磁场方向． (2)根据左手定则确定通电导体(或通电线圈)所受安培力的方向或利用等效法、结论法判断相互作用． (3)由通电导体(或通电线圈)的受力情况判断通电导体(或通电线圈)的运动方向． ◆[跟进训练] 1.一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合．当两线圈通以如图所示的电流时，从左向右看，则线圈L1将(　　) A．不动 B．顺时针转动 C．逆时针转动 D．向纸面内平动 解析：B　[方法一：直线电流元分析法 把线圈L1沿转动轴分成上下两部分，每一部分又可以看成无数直流电流元，电流元处在L2产生的磁场中，据安培定则可知各电流元所在处磁场向上．由左手定则可得，上部电流元所受安培力均指向纸外，下部电流元所受安培力均指向纸内，因此从左向右看线圈L1顺时针转动． 方法二：等效分析法 把线圈L1等效为小磁针，该小磁针刚好处于环形电流I2的中心，通电后，小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向，由安培定则知L2产生的磁场方向在其中心竖直向上，而L1等效成小磁针后转动前N极指向纸内，因此应由向纸内转为向上，所以从左向右看，线圈L1顺时针转动． 方法三：利用结论法 环形电流I1、I2之间不平行，则必有相对转动，直到两环形电流同向平行为止，据此可得L1的转动方向应是从左向右看线圈L1顺时针转动．] 2.把如图所示的通电圆形导线环悬挂起来，让二者等高平行放置， 当两导线环中通入方向相同的电流I1、I2时，则会出现什么现象？ 解析：根据等效性结合安培定则，环形电流可等效为两个小磁针，判知两导线环应相互吸引． 答案：两导线环相互吸引 [易错点1]　对安培力理解不到位而导致错误 [例1]　 (多选)通电矩形线框abcd与长直通电导线MN在同一平面内，如图所示，ab边与MN平行．关于MN产生的磁场对线框的作用力，下列说法正确的是(　　) A．线框有两条边所受的安培力方向相同 B．线框有两条边所受的安培力大小相等 C．线框所受的安培力的合力为零 D．线框所受的安培力的合力方向向右 [解析]　BD　[直线电流周围的磁场不是匀强磁场，离电流越远处磁场越弱，磁感线是以电流为中心的同心圆，判断电流的磁场方向用安培定制，判断安培力方向用左手定则，由安培定则可知导线MN在线框处所产生的磁场方向垂直于纸面向外，bc边、ad边处于非匀强磁场中，但由于对应位置的磁感应强度相同，由F＝IlB及左手定则可判断出bc边和ad边所受安培力大小相等，方向相反．ab边受到向右的安培力Fab，cd边受到向左的安培力Fcd，因为ab所处位置的磁场较强，cd所处位置的磁场较弱，故Fab>Fcd，线框所受合力方向向右．选项B、D正确．] [易错分析]　若将长直通电导线产生的磁场当成匀强磁场，会错选C，若不能正确理解直线电流的磁场分布规律，会误判A、D. [误区警示]　在非匀强磁场中通电导线上各小段所处位置的磁场强弱、方向的不同，会导致其所受的安培力大小、方向不同，若是闭合线框放在非匀强磁场中，各边所受安培力的合力不等于零． [易错点2]　不能转换角度进行受力分析，思维不严密而导致错误 [例2]　如图所示，导体杆ab的质量为m，电阻为R，放置在与水平面夹角为θ的倾斜金属导轨上，导轨间距为d，电阻不计，系统处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B，电源内阻不计．问： (1)若导轨光滑，电源电动势E为多大才能使导体杆静止在导轨上？ (2)若杆与导轨之间的动摩擦因数为μ(最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，且不通电时导体杆不能静止在导轨上，要使杆静止在导轨上，电源电动势应为多大？ [解析]　 (1)从b向a看可以画出如图甲所示的平面图． F安＝mgtan θ，F安＝BId，E＝IR 由以上各式可得E＝eq \f(mgRtan θ,Bd). (2)当导轨不光滑时，摩擦力有两种可能：一种是沿导轨平面向上，受力情况如图乙所示，采用正交分解法得 mgsin θ＝Ff＋F′安cos θ F′N＝mgcos θ＋F′安sin θ Ff＝μF′N，F′安＝BI′d，E′＝I′R 由以上各式可得E′＝eq \f(mgRsin θ－μcos θ,Bdμsin θ＋cos θ) 另一种情况是摩擦力沿导轨平面向下，同理可得 E″＝eq \f(mgRsin θ＋μcos θ,Bdcos θ－μsin θ) 综上所述，电源电动势的取值范围是 eq \f(mgRsin θ－μcos θ,Bdμsin θ＋cos θ)≤E≤eq \f(mgRsin θ＋μcos θ,Bdcos θ－μsin θ). [答案]　(1)eq \f(mgRtan θ,Bd) (2)eq \f(mgRsin θ－μcos θ,Bdμsin θ＋cos θ)≤E≤eq \f(mgRsin θ＋μcos θ,Bdcos θ－μsin θ) [易错分析]　分析杆静止在导轨上时，只考虑杆所受摩擦力沿导轨向上，而忽视沿导轨向下的情形就会导致漏解． [误区警示]　(1)分析通电导体在安培力作用下的平衡问题时，应先将立体图转换为平面图，然后对导体进行受力分析，要注意安培力方向的确定，最后根据平衡条件或导体的运动状态列出方程． (2)安培力的变化可能引起摩擦力方向和大小的变化，注意静摩擦力可以有不同的方向，因而求解结果是一个范围． ◆[课堂小结] 1．(安培力的方向)画出下列图中通电直导线A受到的安培力的方向． 解析：(1)中电流与磁场垂直，由左手定则可判断出A所受安培力方向如图甲所示． (2)中条形磁铁在A处的磁场分布如图乙所示，由左手定则可判断A受到的安培力的方向如图乙所示． (3)中由安培定则可判断出A处磁场方向如图丙所示，由左手定则可判断出A受到的安培力方向如图丙所示． (4)中由安培定则可判断出A处磁场如图丁所示，由左手定则可判断出A受到的安培力方向如图丁所示． 答案： 2. (左手定则的应用)如图所示，在xOy平面中有一通电直导线与Ox、Oy轴相交，导线中电流方向如图所示．该区域有匀强磁场，通电直导线所受安培力的方向与Oz轴的正方向相同．该磁场的磁感应强度的方向可能是(　　) A．沿z轴正方向　　 B．沿z轴负方向 C．沿x轴正方向 D．沿y轴负方向 解析：D　[由电流方向、受力方向，根据左手定则可以判断出，磁感应强度的方向沿y轴的负方向，或者沿x轴的负方向都是可以的，故D是正确的．] 3．(安培力大小)如图所示，在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线，电流均为I，磁感应强度均为B，求各导线所受到的安培力的大小． 解析：A图中，F＝IlBcos α，这时不能死记公式而错写成F＝IlBsin α.要理解公式本质是有效长度或有效磁场，正确分解．B图中，B⊥I，导线再怎么放，也在纸平面内，故F＝IlB.C图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，故F＝eq \r(2)IlB.D图中，从a→b的半圆形电流，分析圆弧上对称的每一小段电流，受力抵消合并后，其有效长度为ab，故F＝2IRB.E图中，F＝0. 答案：A：IlBcos α　B：IlB　C：eq \r(2)IlB　D：2IRB　E：0 4. (安培力大小)如图所示，菱形线框abcd由四根完全相同的导体棒连接而成，固定在匀强磁场中，线框所在平面与磁场方向垂直，现将直流电源E连接在菱形线框的a、c两点之间，此时导体棒ab所受安培力大小为F，若每根导体棒的长度均为L，a、c两点间距离为1.5L，则菱形线框abcd所受安培力的大小为(　　) A．F B．2F C．3F D．4F 解析：C　[导体棒ab和bc串联，通过的电流I相等，长度L和磁感应强度B也相同，由F＝BIL知，两导体棒所受安培力大小相等，即Fab＝Fbc＝F，由左手定则和力的平行四边形定则可知，导体棒ab和bc所受安培力的合力大小为Fac＝1.5F，方向沿线框平面垂直ac指向d，同理可知ad和dc两导体棒所受安培力的合力大小F′ac＝1.5F，方向沿线框平面垂直ac向上，故线框所受安培力的合力大小为3F，选项C正确．] 5. (安培力作用下的平衡问题)如图所示，平行金属导轨PQ与MN都与水平面成θ角，相距为l.一根质量为m的金属棒ab在导轨上，并保持水平方向，ab棒内通有恒定电流，电流大小为I，方向从a到b.空间存在着方向与导轨平面垂直的匀强磁场，ab棒在磁场力作用下保持静止，并且棒与导轨间没有摩擦力．求磁感应强度B的大小和方向． 解析：金属棒受力如图所示，根据力的平衡条件可知F安＝mgsin θ 而F安＝BIl 可得B＝eq \f(mgsin θ,Il) 由左手定则可知，磁感应强度B的方向垂直于导轨平面斜向下． 答案：eq \f(mgsin θ,Il)　方向垂直导轨平面斜向下 $$