专题提升：安培力作用下导体的运动 课件 -2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦安培力作用下导体的运动方向判断、平衡及加速问题，通过盐水旋转实验导入，结合导学探究建立现象与原理的联系，知识归纳提供电流元法、等效法等分析支架，衔接前后电磁学知识。 其亮点在于融合科学思维与科学探究，通过多解法典例（如例题1的结论法、等效法）培养模型建构与推理能力，结合电磁轨道炮等实际案例渗透社会责任，助力学生深化理解，提升教师教学效率。

第1章　安培力与洛伦兹力 专题提升　安培力作用下导体的运动 重难探究·能力素养全提升 探究点一　安培力作用下导体运动方向的判断 导学探究 如图所示,在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极,沿边缘内壁放一个圆环形电极,将两电极接在电池的两极上,然后在玻璃皿中放入盐水,把玻璃皿放入蹄形磁铁的磁场中,N极在下,S极在上,通电后盐水就会旋转起来。 通电后的盐水为什么会旋转起来呢?这个现象对你有什么启发? 要点提示 盐水受到磁铁的磁场力作用而发生转动。盐水中 有指向圆心的电流,根据左手定则,半径方向上的电流将受到安培力使得盐水逆时针转动。根据这个特点可以设计出无转子的洗衣机,衣服越脏,导电能力越强,电流越大,受到的安培力就越大,转速就越快,洗涤效果就越好。 知识归纳 安培力作用下导体运动方向的判定 不管是电流还是磁体,对通电导线的作用都是通过磁场来实现的,因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况,然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动。在实际操作过程中,往往采用以下几种方法: 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 通电导线运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,通电螺线管可等效成条形磁铁或多个环形电流,反过来等效也成立。等效后再确定相互作用情况 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的运动或运动趋势的问题,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或运动趋势 闪光语录　(1)判断通电线圈等在磁场中的转动情况,要寻找具有对称关系的电流元。(2)利用特殊位置法要注意利用通电导体所在位置的磁场特殊点的方向。 典例剖析 【例题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 B　 解析 解法一:结论法。环形电流L1、L2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,据此可得从左向右看线圈L1顺时针转动。 解法二:等效法。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I2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极指向垂直于纸面向里,因此应由垂直于纸面向里转为向上,所以从左向右看线圈L1顺时针转动。 解法三:电流元法。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线电流元,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方向向上,据左手定则可得,上部电流元所受安培力均垂直于纸面向外,下部电流元所受安培力均垂直于纸面向里,因此从左向右看线圈L1顺时针转动。 C 对点演练 1.(2025四川成都高二上期末)将矩形线圈按照图示方式静止放置于匀强磁场中,闭合开关后线圈能绕转轴向一个方向持续转动的是(　　) 解析 根据左手定则可知,B、D选项中线圈左右两侧导线受到的安培力合力为0,不会使线圈发生偏转,故B、D错误;根据左手定则,刚开始线圈左侧导线受到的安培力方向向下,右侧导线受到的安培力方向向上,会使导线圈沿逆时针方向转动,但A选项图中,线圈转过半周后受到的安培力方向与线圈原来的速度方向相反,不能使之持续转动,C选项图中转过半周时通过的电流方向与速度方向相同,可以持续转动下去,故A错误,C正确。 探究点二　安培力作用下导体的平衡 导学探究 如图所示,用两根轻细金属丝将质量为m的金属棒悬挂在蹄形磁铁的两极间,当棒两端连接电源后,棒的位置如图中虚线所示,两悬线偏离竖直方向θ角而处于平衡状态,此时棒中的电流为I,棒所在处的磁场近似认为是匀强磁场,宽度近似等于磁铁的宽度l,磁场的方向竖直向下。 导线所在处的磁场的磁感应强度大约为多大? 要点提示 由画出的力的三角形可知,安培力的大小为F=mgtan θ,且F=IlB得 知识归纳 求解安培力作用下导体棒平衡问题的基本思路 典例剖析 【例题2】　如图所示,用两根轻细金属丝将质量为m、长为l的金属棒ab悬挂在c、d两处,置于匀强磁场内。当棒中通以从a到b的电流I后,两悬线偏离竖直方向θ角而处于平衡状态。为了使棒平衡在该位置上,所需的磁场的最小磁感应强度的大小、方向为(　　) D　 解析 画出题中装置从右向左看的侧视图,棒的受力分析如图所示。要求所加磁场的磁感应强度最小,应使棒平衡时所受的安培力最小。由于棒的重力恒定,悬线拉力的方向不变,由画出的力的三角形可知,安培力的最小值为Fmin=mgsin θ,即IlBmin=mgsin θ,得 方向应平行于悬线向上。选项D正确。 规律方法　安培力作用下导体棒平衡问题的求解关键 (1)电磁问题力学化,即把电磁问题通过受力分析,归结为力学问题。 (2)选定观察角度(俯视、主视、侧视),画出受力分析平面图。 对点演练2 如图所示,在与水平方向成60°角的光滑金属导轨间连一电源,在相距1 m的平行导轨上放一重3 N的金属棒ab,棒上通以3 A的电流,磁场方向竖直向上,这时棒恰好静止,求: (1)金属棒ab对导轨的压力大小。 (2)匀强磁场的磁感应强度大小。 解析 导体ab处于静止状态,则其受力平衡,所以沿斜面方向有mgsin 60° =F安cos 60°,垂直于斜面方向有N=mgcos 60°+F安sin 60°,式中F安=IlB,由以上三式可得B= T,N=6 N,由牛顿第三定律得,金属棒ab对导轨的压力N'=N=6 N。 探究点三　安培力作用下导体棒的加速 导学探究 电磁轨道炮发射的炮弹的初速度可以达到2 500 m/s,射程可以达到185 km。电磁轨道炮的原理如图所示,它由两条平行的导轨组成,弹丸夹在两条导轨之间。两轨接入电源,电流经一导轨流向弹丸再流向另一导轨,磁场与电流相互作用,产生强大的安培力推动弹丸,从而使弹丸具有很大的加速度,短时间内达到很高的速度。 请思考:有哪些因素会影响弹丸的加速度? 要点提示 根据牛顿第二定律,弹丸的加速度取决于弹丸的质量和所受到的安培力,而安培力又取决于磁场和电流。 知识归纳 1.解决在安培力作用下物体的加速运动问题时,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,其中安培力公式是联系力、电、磁的桥梁;(2)安培力求解公式 F=IlBsin θ;(3)牛顿第二定律。 典例剖析 【例题3】　如图所示,光滑的平行导轨倾角为θ,处在磁感应强度为B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、长度为 l 的导体棒由静止释放,求导体棒在释放瞬间的加速度的大小。 解析 画出题中装置的侧视图,导体棒受力分析如图所示,导体棒受重力mg、支持力N和安培力F,由牛顿第二定律得mgsin θ-Fcos θ= ma,F=IlB, 对点演练3 如图所示,PQ和MN为水平平行放置的金属导轨,相距1 m,导体棒ab跨放在导轨上,棒的质量为m=0.2 kg,棒的中点用与导轨平行的细绳经光滑滑轮与一物体相连,物体的质量m0=0.3 kg,棒与导轨间的动摩擦因数为μ=0.5,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,匀强磁场的磁感应强度B=2 T,方向竖直向下,g取10 m/s2,为了使物体以加速度a=3 m/s2加速上升,应在棒中通入多大的电流?方向如何? 解析 导体棒所受的滑动摩擦力大小为f=μmg=1 N 要使物体加速上升,则安培力方向必须水平向左,则根据左手定则判断得知棒中电流的方向由a到b对导体棒及物体整体进行受力分析,由牛顿第二定律有F安-m0g-f=(m+m0)a F安=BIL 联立解得I=2.75 A。 答案 2.75 A　方向由a到b 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 4 1.如图所示,把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方,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(从上往下看)(　　) 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 C　 1 2 3 4 解析 在导线处于如图甲所示的位置时,将导线AB从N、S极的中间O处分成两段,AO、BO段所处的磁场方向如图甲所示,由左手定则可得AO段受安培力的方向垂直纸面向外,BO段受安培力的方向垂直纸面向里,则从上往下看,导线AB将绕O点逆时针转动。当导线转过90°处于如图乙所示的特殊位置时,由左手定则可知导线AB此时受安培力方向竖直向下,导线将向下运动。因此导线所受安培力使导线逆时针转动的同时还要向下运动。 1 2 3 4 D 2.(2025河北保定高二上期末)如图所示,金属导轨所在的平面与水平面的夹角θ=37°,导轨间的距离为1 m,金属导轨电阻不计,其上端接有电动势为6 V、内阻为1 Ω的直流电源。空间中存在竖直向上的匀强磁场(图中未画出),现把一质量为2 kg、电阻为2 Ω的导体棒ab垂直放在金属导轨上,导体棒处于静止状态。已知导体棒与导轨间动摩擦因数为0.5,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g取10 m/s2,则下列说法正确的是(　　) A.流过导体棒ab的电流大小为3 A B.导体棒ab受到的安培力方向水平向左 C.为保证导体棒ab处于静止状态,磁感应强度最小值为2.5 T D.为保证导体棒ab处于静止状态,磁感应强度最大值为20 T 1 2 3 4 解析 根据闭合电路欧姆定律可知,流过导体棒ab的电流大小为I= A=2 A,故A错误;根据左手定则可知,导体棒ab受到的安培力方向水平向右,故B错误;设导体棒ab处于静止状态的磁感应强度最小值为B1,根据平衡条件有mgsin θ=B1ILcos θ+μ(mgcos θ+B1ILsin θ),解得B1= T,故C错误;设导体棒ab处于静止状态的磁感应强度最大值为B2,根据平衡条件有 mgsin θ=B2ILcos θ-μ(mgcos θ+B2ILsin θ),解得B2=20 T,故D正确。 1 2 3 4 3.如图所示,在同一水平面的两导轨相互平行,并处在竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度为0.2 T,一根质量为0.6 kg,有效长度为2 m的金属棒放在导轨上,当金属棒中的电流为5 A时,金属棒做匀速直线运动;当金属棒中的电流突然增大为8 A时,求金属棒能获得的加速度的大小。 1 2 3 4 解析 当金属棒中的电流为5 A时,金属棒做匀速直线运动,有I1Bl=f 当金属棒中的电流为8 A时,金属棒能获得的加速度为a,则I2Bl-f=ma 联立解得a= =2 m/s2。 答案 2 m/s2 1 2 3 4 4.如图所示,在倾角为θ=30°的斜面上,固定一宽L=0.5 m的平行光滑金属导轨,在导轨上端接入电源和滑动变阻器R,电源电动势E=10 V,内阻r=2 Ω,一质量m=100 g的金属棒ab与两导轨垂直并接触良好,其余电阻不计。整个装置处于磁感应强度B=1 T、垂直于斜面向上的匀强磁场中。g取10 m/s2。 (1)当金属棒在导轨上静止时,求金属棒受到的安培 力大小以及此时滑动变阻器R接入电路中的阻值。 (2)若金属棒以大小为3 m/s2的加速度沿轨道下滑,求滑动变阻器R接入电路中的阻值。(忽略ab运动切割磁感线产生的感应电动势) 1 2 3 4 解析 (1)作出金属棒的受力图,如图所示 则有F=mgsin θ 解得F=0.5 N 又安培力F=BIL 设滑动变阻器接入电路的阻值为R',根据闭合电路欧姆定律有E=I(R'+r) 1 2 3 4 (2)若金属棒的加速度沿轨道向下,根据牛顿第二定律可得 mgsin 30°-F安=ma 又F安=BI1L,E=I1(R1+r) 联立解得R1=23 Ω 若金属棒的加速度沿轨道向上,根据牛顿第二定律可得 F安'-mgsin 30°=ma 又F安'=BI2L,E=I2(R2+r) 联立解得R2=4.25 Ω。 答案 (1)0.5 N　8 Ω　(2)23 Ω或4.25 Ω B=tan θ。 A.tan θ,竖直向上 B.tan θ,竖直向下 C.sin θ,平行悬线向下 D.sin θ,平行悬线向上 Bmin=sin θ, 答案 (1)6 N　(2) T I=,联立解得a=gsin θ-。 答案 gsin θ- 解得I==1 A 代入数值解得R'=-r=8 Ω。 $