第2节 安培力的应用-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（粤教版）

第二节　安培力的应用 【素养目标】　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。2.进一步熟练掌握安培力的公式及其方向的判断。 知识点一　电流天平 【情境导入】　如图所示，等臂电流天平右端挂一矩形线圈，线圈匝数为n，底边cd长为L，线圈的下半部分在磁感应强度为B的匀强磁场中，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的砝码使天平平衡。试分析： (1)底边线框受到的安培力的大小和方向？ (2)若保持线圈中电流的大小不变，使电流方向反向，安培力如何变化？ (3)电流反向后，通过在天平左盘加上质量为m的砝码使天平再次平衡，则匀强磁场的磁感应强度为多大？ 提示：(1)大小为nBIL，方向竖直向上。 (2)安培力大小不变，方向反向。 (3)根据左手定则、平衡条件，有m1g＝m2g－nBIL，(m1＋m)g＝m2g＋nBIL，联立解得B＝。 学生用书第5页 【教材梳理】 (阅读教材P8完成下列填空) 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。 【师生互动】　相同电流下线圈所受的安培力越大，电流天平越灵敏，请写出一种增大电流天平灵敏度的方案。 提示：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 (多选)(2025·中山市高二统考期末)如图为电流天平，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段线圈长为l，线圈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。下列说法正确的是(　　) A．线圈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，此时安培力的大小和方向都不变，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。故选BC。 当电流反向时，安培力反向，安培力变化量为2nILB，若天平仍平衡，则安培力变化量与砝码的重力变化量相等。　　 电磁炮 (2025·广州市高二期中)电磁炮是利用电磁发射技术制成的新型武器，如图为电磁炮的原理结构示意图。若某水平发射轨道长7.5 m，宽1.5 m，发射的炮弹质量为50 g，炮弹被发射时从轨道左端由静止开始加速。当电路中的电流恒为20 A 时，炮弹被发射后的最大速度可达3×103 m/s，轨道间磁场为匀强磁场，不计空气及摩擦阻力。下列说法正确的是(　　) A．磁场方向为竖直向下 B．磁场方向为水平向右 C．磁场的磁感应强度大小为1×103 T D．炮弹的加速度大小为3×105 m/s2 答案：C 解析：由题意可知，炮弹所受的安培力水平向右，根据左手定则可判断出磁场方向为竖直向上，A、B错误；由v2＝2as可得a＝6×105 m/s2，D错误；由BIL＝ma可得B＝1×103 T，C正确。 应用安培力解决实际问题的一般步骤 1．确定研究对象，一般为导体棒或线框。 2．对导体棒、线框进行受力分析和运动分析 (1)若研究对象处于静止或匀速直线运动状态，则需利用平衡方程解题。　　 (2)若研究对象处于非平衡状态，则利用牛顿第二定律解题。　　 针对练．(2025·佛山市高二校联考)电磁轨道炮是指以电能为发射能源，利用电磁导轨之间流过的大功率瞬态电流产生强大磁场作用力驱动弹体的一种 学生用书第6页 杀伤武器，其工作原理如图所示。轨道电流在弹体处形成垂直于轨道面的磁场(可视为匀强磁场)，磁感应强度B＝kI(k为常数)。电流I从一条轨道流入质量为m的弹体后从另一条轨道流回，弹体在磁场力作用下在两平行轨道之间无阻尼加速运动，并与轨道保持良好接触。轨道有效长度为L、宽度为d，则弹体的出射速度约为(　　) A．I B．I C．I D．I 答案：A 解析：根据动能定理可知BIdL＝mv2－0，解得v＝I ，故选A。 知识点二　磁电式电表 【情境导入】　如图是磁电式电表的内部结构示意图，其测量原理：利用磁场对通电小线圈的安培力使线圈偏转带动指针指示数。不通电时，线圈不受力，指针指在表盘正中间。 (1)通电后，电流越大，线圈受到的安培力如何变化，螺旋弹簧的形变如何变化，指针偏转角度如何变化？ (2)电流反向，安培力方向如何变化，指针偏转方向呢？该表能否判断电流的方向？ 提示：(1)安培力越大，弹簧形变越大，指针偏转角度越大。 (2)安培力反向，指针反向偏转，能。 【教材梳理】 (阅读教材P9完成下列填空) 1．装置：磁电式电表的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，在铝框上绕有铜线圈。电表指针固定在线圈上，可与线圈一起转动。线圈的两端分别接在两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈。 2．工作原理：当线圈通入电流时，根据左手定则，可知线圈的两对边受到大小相等、方向相反的一对安培力作用。在安培力作用下，线圈绕中心轴转动。线圈的转动导致螺旋弹簧被扭转，产生一个阻碍线圈转动的阻力。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。改变通入线圈的电流方向，安培力的方向通之改变，指针的偏转方向也随之改变。所以，根据指针的偏转方向，可以知道通过电表的电流方向。 3．优缺点：优点是灵敏度高，能够测出很弱的电流；缺点是线圈的导线很细，允许通过很弱的电流。如果要用它测量较大的电流值，需要根据电表改装方法扩大其量程。 【师生互动】　如何提高磁电式电表的灵敏度？(写出一种方案即可) 提示：增加线圈的匝数、增大磁感应强度、换劲度系数更小的弹簧。 (多选)(2025·汕尾华中师范大学海丰附属学校高二月考)实验室经常使用的电流表是磁电式电表。这种电流表的构造如图甲所示。蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的。当线圈通以如图乙所示的电流，下列说法正确的是(　　) 学生用书第7页 A．线圈转到什么角度，它的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．当线圈转到如图乙所示的位置，b端受到的安培力方向向上 D．当线圈转到如图乙所示的位置，安培力的作用使线圈沿顺时针方向转动 答案：ABD 解析：磁场是均匀辐射分布的，所以磁感线始终与线圈平面平行，故A正确；当通电后，处于磁场中的线圈受到安培力作用，使其转动，螺旋弹簧被扭动，产生一个阻力从而阻碍线圈转动，故B正确；由左手定则可判定，当线圈转到如题图乙所示的位置，b端受到的安培力方向向下，a端受到的安培力方向向上，因此安培力使线圈沿顺时针方向转动，故D正确，C错误。 针对练．(2025·珠海市第一中学高二期中)如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，线圈左右两边所在之处的磁感应强度大小均为B。若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，穿过铝框的磁通量减少 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，而与所处位置无关 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：顺时针旋转的过程中，穿过铝框的磁感线条数增加，磁通量增加，故A错误；线圈左右两边所在之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，线圈受到的安培力越大，电流表指针偏转也就越大，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。故选B。 知识点三　直流电动机 【情境导入】　如图是直流电动机的工作原理图，它主要由蹄形磁铁、线圈、电刷和换向器等部件组成。其中两磁极间的磁场可近似看作匀强磁场。换向器是一对相互绝缘的半圆形铜环，它们通过固定的电刷与直流电源相连。 (1)当线圈处于如图所示位置时，试判断线圈ab边和cd边所受安培力的方向； (2)当ab边转至cd边所在位置时，速度反向。若ab边中电流方向不变，其所受安培力方向变化吗？安培力此时充当动力还是阻力？如何解决这个矛盾？ 提示：(1)当线圈处于如图所示位置时，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)安培力方向不变。安培力充当阻力。 解决方案：改变电流方向，从而改变安培力的方向。 【教材梳理】 (阅读教材P10—P11完成下列填空) 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．结构：直流电动机由蹄形磁铁、线圈、电刷和换向器等部件组成。 3．工作过程：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，左边线框受到的安培力向上，在安培力作用下线框转动起来。为了让线圈能够持续转动下去，技术人员巧妙地安装了一个换向器，确保安培力始终推动线圈向同一个方向持续转动。 学生用书第8页 【师生互动】　如图所示的直流电动机工作原理图，若想提高电动机的转速，思考可采用的方案有哪些(提出一种方案即可)? 提示：减小滑动变阻器的电阻或适当提高电源电压或适当增加线圈匝数等。 如图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．对调电源的正负极 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，若使通入直流电动机的电流方向改变或磁场的方向改变，它的转动方向将改变，但是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。 针对练．图甲为市面上常见的一种电动车，图乙为这种电动车的电动机的工作示意图。电动机电路两端电压为10 V，额定功率为200 W，A、B为线圈上的两点。下列选项中不正确的是(　　) A．在额定功率下运行时，电动机电路中的电流大小为20 A B．电刷a接入电路正极，电刷b接入电路负极 C．A点与B点间电流方向在不断变化 D．直流电源可以驱动该电动机正常工作 答案：B 解析：电动机的电功率表达式为P＝UI，代入数据解得I＝20 A，A正确；磁场方向在磁体外部由N极指向S极，由电动机运转方向可知，AB段受力方向向上，由左手定则可知，电流方向由A指向B，故b接正极，a接负极，B错误；电动机转过180°后两半铜环所接电刷互换，A、B间电流方向改变，依次类推可知，A点与B点间电流方向不断改变，C正确；直流电源可以驱动该电动机正常工作，D正确。 1．(2025·佛山市高二联考)如图是等臂电流天平的原理图，在天平的右端挂一质量为m矩形线圈，线圈匝数为n，边cd长为L，放在与纸面垂直的匀强磁场中。当线圈通入如图所示的电流时，在天平左右两边加上质量分别为m1、m2(m1＞m2＋m)的砝码使天平平衡，则(　　) A．磁场方向垂直纸面向里 B．磁感应强度的大小为 C．取走全部砝码，仅改变电流大小，天平可以重新平衡 D．取走全部砝码，仅改变电流，天平重新平衡，电流与原电流大小之比为 答案：D 解析：在天平左右两边加上质量分别为m1、m2(m1＞m2＋m)的砝码使天平平衡，可知，安培力方向向下，根据左手定则可以判断，磁场方向垂直纸面向外，故A错误；根据平衡条件，有m1g＝m2g＋nBIL＋mg，解得B＝g，故B错误；取走全部砝码，仅改变电流大小，安培力方向仍向下，天平不可能平衡，故C错误；取走全部砝码，仅改变电流，天平重新平衡，根据平衡条件，有mg＝nBI′L，电流与原电流大小之比为＝，故D正确。故选D。 2．(粤教版选择性必修第二册P26T2改编)超导电磁船是一种不需要螺旋桨推进的新型动力船只，如图是电磁船的简化原理图，MN、PQ为固定在船上的平行金属板，直流电源接在M、P之间，船上装有产生强磁场的装置，可在两平行金属板间海水中的虚线框内产生强磁场。闭合开关S后，电流通过海水从N流向Q，若船受到海水的反冲向西运动，虚线框中的磁场方向应该(　　) A．竖直向下 B．竖直向上 C．向东 D．向北 答案：A 解析：根据题意可知，船受到海水的反冲向西运动，则海水受作用力向东运动，由左手定则可知，虚线框中的磁场方向应该垂直纸面向里，即竖直向下，故选A。 学生用书第9页 3．(2024·深圳市高二期末)如图所示，某磁电式电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．该辐射状磁场为匀强磁场 B．线圈顺时针转动过程中，穿过线圈的磁通量减少 C．通电线圈中的电流越大，线圈所受的安培力就越大 D．更换劲度系数更小的螺旋弹簧，可增大电流的量程 答案：C 解析：该磁场方向改变，所以不是匀强磁场，A错误；线圈处在如图所示位置时，线圈与磁感线平行，磁通量为零，线圈顺时针转动过程中，穿过线圈的磁通量增大，B错误；安培力与电流成正比，所以通电线圈中的电流越大，线圈所受的安培力就越大，C正确；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，电表的量程减小，D错误。 4．某物理兴趣小组利用课外活动时间制作了一部温控式电扇(室温较高时，电扇就会启动)，其设计图分为温控开关、转速开关及电动机三部分，如图所示，其中温控开关为甲、乙两种金属材料制成的双金属片。对电动机而言，电扇启动后，下列判断正确的是(　　) A．要使电扇转速加大，滑动片P应向B移动 B．面对电扇，电扇沿顺时针方向转动 C．面对电扇，电扇沿逆时针方向转动 D．电扇有时顺时针方向转动，有时逆时针方向转动 答案：B 解析：滑动片P向B移动时，线圈中电流减小，电扇转速减小；由左手定则可判断线圈各边所受安培力的方向，可知电扇沿顺时针转动，故B正确。 学科网（北京）股份有限公司 $