1.2 安培力的应用(Word教参)-【优化指导】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

第2节　安培力的应用 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.进一步熟练掌握安培力公式及方向的判断。 2．知道直流电动机、磁电式电流表的基本构造及工作原理。 　　会用电流元法、特殊位置法、等效法、结论法、转化法分析导体在安培力作用下的运动和平衡问题。 　　在了解直流电动机、电磁炮、磁电式电流表的原理的过程中，学会合作，培养学科学、爱科学的科学态度。 [对应学生用书P6] 一、直流电动机 1．定义：电动机是利用安培力使通电线圈转动，将电能转化为机械能的重要装置。 2．构造：由磁场(磁体)、转动线圈、滑环、电刷等组成。其中，滑环分为两个半圆环，它们之间互相绝缘。 3．原理：如图所示，当电流通过线圈时，右边线框受到的安培力方向向下，左边线框受到向上的安培力，在安培力作用下线框转动起来。滑环在其中起了一个换向器的作用。 二、电磁炮 1．定义：利用电磁系统中的安培力发射弹丸的一种先进的动能杀伤性武器，也叫轨道炮。 2．分类：分为电磁轨道炮、电磁线圈炮和重接炮三类。 3．原理 强电流通过导轨A、B和弹丸，在导轨间形成强磁场，弹丸受到安培力的作用在导轨上以很大的加速度加速运动并发射出去。 4．电磁炮的优点 (1)方便携带； (2)安全隐患小； (3)射击精度高。 三、磁电式电流表 1．磁电式电流表是利用通电线圈在磁场中受到安培力作用的原理制成的。 2．构造：在强蹄形永磁体的两个磁极上各加一个软铁制极靴；中心固定一个圆柱形的软铁芯，在极靴和铁芯间产生沿径向均匀分布的辐向磁场，线圈绕在铁芯上并连接在转轴上，轴的上、下两端各连有一盘游丝(螺旋弹簧)，指针固定在转轴上。 3．辐向磁场的特点：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，如图所示。 4．原理：通电线圈在磁场中受到安培力而偏转(如图)。线圈偏转的角度越大，被测电流就越大。 5．优缺点：(1)优点：灵敏度高 ；(2)缺点：易烧坏。 判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)当电动机线圈与磁场垂直时，磁通量最大。 (　　√　　) (2)直流电动机通过改变输入电压很容易调节转速，交流电动机不容易调速。 (　　√　　) (3)电磁炮是将电能转化为机械能的装置。 (　　√　　) (4)磁电式电流表内的磁场是匀强磁场。 (　　×　　) (5)磁电式电流表表盘的刻度是均匀的。 (　　√　　) (6)磁电式电流表指针的偏转是由于线圈受安培力的作用。 (　　√　　) [对应学生用书P8] 探究点一___直流电动机 当通电导线垂直放置在磁场中时，会受到安培力作用。 [问题设计] 如果放在磁场中的不是一段通电导线，而是一个通电的矩形线圈会发生什么现象？ 提示：受到安培力而发生转动。 1．基本结构 如图所示为直流电动机模型。 它由定子和转子两部分组成。 (1)定子：主要部分是磁极。 (2)转子：主要由电枢绕组(线圈)、换向器(两个铜半环)和转轴组成。 2．工作原理 直流电动机是利用线圈在磁场中受力转动的原理制成的。它把电能转化为机械能。给矩形线圈通电后，线圈便在磁力矩作用下绕轴转动。 3．直流电动机的起动力矩大，容易调整，广泛应用在电车、电力机车、矿井提升机等起重设备中。 【例1】 如图所示，电动机模型的矩形线圈长边的长为5 cm，共20匝，通入1 A电流，磁场的磁感应强度是0.5 T(当作匀强磁场考虑)，线圈长边一侧受到的最大安培力是多少？如果通入2 A的电流呢？ 答案：0.5 N　1 N 解析：通入1 A电流时，线圈长边一侧受到的最大安培力F1＝nI1lB＝20×1×0.05×0.5 N＝0.5 N 通入2 A电流时，受到的最大安培力 F2＝nI2lB＝20×2×0.05×0.5 N＝1 N。 [练1] (多选)几位同学课后讨论直流电动机时，有下面几种说法，其中正确的是 (　　) 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 ACD　解析：直流电动机将电能转化为机械能，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，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，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，D正确。 探究点二___安培力作用下物体的运动 一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘并垂直放置，且两个线圈的圆心重合，如图所示。 [问题设计] 当两线圈中通以图示方向的电流时，从左向右看，线圈L1将怎样转动？ 提示：环形电流I1、I2不平行，则必有相对转动，直到两环形电流平行，因此，从左向右看，线圈L1将顺时针转动。 1．安培力作用下导体运动方向的判断 电流 元法 把整段弯曲导线分为多段直线电流元，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，从而确定导线的运动方向 特殊位 置法 通电导线转动到某个便于分析的特殊位置时，判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向 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体或多个环形电流，反过来等效也成立。然后根据同极相斥、异极相吸或者根据同向电流相吸、反向电流相斥判断相互作用情况 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或运动趋势的问题时，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 2.安培力作用下导体的加速运动 (1)解决在安培力作用下导体的加速运动问题，首先对研究对象进行受力分析，其中重要的是不要漏掉安培力，然后根据牛顿第二定律列方程求解。 (2)选定观察角度画好平面图，标出电流方向和磁场方向，然后利用左手定则判断安培力的方向。 (3)与闭合电路欧姆定律相结合的题目，主要应用以下几个知识点：①闭合电路欧姆定律；②安培力公式F＝BIL sin θ；③牛顿第二定律。 角度1　安培力作用下导体运动方向的判断 【例2】 如图所示，把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁体两极的正上方，导线可以自由转动。当导线通入图示方向电流I时，导线的运动情况是(从上向下看) (　　) A．顺时针方向转动，同时下降 B．顺时针方向转动，同时上升 C．逆时针方向转动，同时下降 D．逆时针方向转动，同时上升 [点拨]　本题可以利用电流元法和特殊位置法判断。 A　解析：电流元法：如图所示，把直导线电流等效为AO、OB两段电流元，由左手定则可以判断出AO段受安培力方向垂直纸面向外，OB段受安培力方向垂直纸面向内。因此，从上向下看时，导线AB将以中心O为轴顺时针转动。 特殊位置法：用导线转过90°的特殊位置来分析，根据左手定则判得安培力的方向向下，故导线在顺时针转动的同时向下移动。综合所述，A正确。 [练2] 如图所示，在条形磁体S极附近悬挂一个线圈，线圈与水平磁体位于同一平面内。当线圈中电流沿图示方向流动时，将会出现 (　　) A．线圈向磁体平移 B．线圈远离磁体平移 C．从上往下看，线圈顺时针转动，同时靠近磁体 D．从上往下看，线圈逆时针转动，同时靠近磁体 D　解析：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，由安培定则可知其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。综上所述，D正确。 角度2　安培力作用下导体的加速运动 【例3】 如图所示，光滑的平行导轨倾角为θ，间距为l，处在磁感应强度为B的竖直向下的匀强磁场中，导轨中接入电动势为E、内阻为r的直流电源。电路中有一阻值为R的电阻，其余电阻不计。将质量为m、电阻不计的导体棒由静止释放，已知重力加速度为g，求导体棒在释放瞬间的加速度的大小。 答案：g sin θ－ 解析：画出题中装置的侧视图，对导体棒受力分析如图所示，导体棒受到重力mg、支持力N和安培力F，沿导轨斜面方向由牛顿第二定律得 mg sin θ－F cos θ＝ma 导体棒受安培力F＝BIl 由闭合电路欧姆定律得回路中电流I＝ 联立各式解得a＝g sin θ－。 [练3] 某科研单位制成了能把2.2 g的弹体(包括金属杆EF的质量)加速到10 km/s的电磁炮(常规炮弹的速度约为2 km/s)。如图所示，若轨道宽为2 m，长为100 m，通过的电流为10 A，求轨道间所加匀强磁场的磁感应强度大小。(轨道摩擦不计) 答案：55 T 解析：根据2ax＝v2得炮弹的加速度大小为a＝＝ m/s2＝5×105 m/s2 根据牛顿第二定律F＝ma得炮弹所受的安培力F＝ma＝2.2×10-3×5×105 N＝1.1×103 N 根据安培力公式F＝IlB得B＝＝ T＝55 T。 探究点三___磁电式电流表 磁电式电流表中磁场分布如图所示。 [问题设计] 结合安培力的大小决定因素，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，该磁场并非匀强磁场，但在以铁芯为中心的同一圆周上，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，从而能够使得表盘的刻度均匀。 1．磁电式电流表的工作原理 通电线圈在磁场中受到安培力作用而发生偏转。线圈偏转的角度越大，被测电流就越大；线圈偏转的方向不同，被测电流的方向不同。 2．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。 3．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、增大永磁铁的磁感应强度、增加线圈的面积和减小转轴处摩擦等方法实现。 【例4】 (多选)下列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 ABD　解析：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，A、B、D正确。 [练4] 图甲是磁电式电流表的结构示意图，蹄形磁铁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　解析：该磁场明显不是匀强磁场，匀强磁场的磁感线应该是一系列平行的直线，方向相同，A错误；线圈与磁感线平行，故通过该线圈的磁通量为零，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，C错误；b导线始终与磁感线垂直，故受到的安培力大小一直为IlB，D正确。 [对应学生用书P11] 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　解析：电力机车和货运电瓶车都采用直流电源供电，使用的电动机是直流电动机，A、B错误；电磁起重机是据电流的磁效应制成的，其内部没有电动机，C错误；由于家庭电路使用的是交流电，所以家用电风扇使用的是交流电动机，D正确。 2．如图所示，水平桌面上有一根条形磁铁，把一根通电长直导线固定在条形磁铁的右上方，若在导线中通以如图所示方向的电流，则条形磁铁受到水平桌面给它的摩擦力方向应该是 (　　) A．无摩擦力 B．水平向左 C．水平向右 D．无法确定摩擦力方向 C　解析：以导线为研究对象，由左手定则判断可知，导线所受安培力方向斜向右上方，根据牛顿第三定律可知，导线对磁铁的安培力方向斜向左下方，磁铁有向左运动的趋势，受到桌面向右的摩擦力，C正确。 3．(多选)关于磁电式电流表内的磁体和铁芯之间的均匀辐向分布的磁场，下列说法正确的是 (　　) A．该磁场的磁感应强度大小处处相等，方向相同 B．该磁场的磁感应强度的方向处处相同，大小不等 C．使线圈平面始终与磁感线平行 D．该磁场中距轴线等距离处的磁感应强度大小都相等 CD　解析：磁电式电流表内的磁体和铁芯之间均匀辐向分布的磁场，使线圈平面始终与磁感线平行，C正确；该磁场中距轴线等距离处的磁感应强度大小处处相等，但方向不同，A、B错误，D正确。 4．如图所示，在水平放置的光滑绝缘杆ab上挂有两个相同的金属环M和N。当两环均通以图示的相同方向的电流时，则下列说法正确的是 (　　) A．两环静止不动 B．两环互相靠近 C．两环互相远离 D．两环同时向左运动 B　解析：由同向电流相互吸引，反向电流相互排斥可知，两线圈的运动情况是相互靠近，B正确，A、C、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$