第1章 第2节 安培力的应用（Word练习）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（教科版）

第2节　安培力的应用 核心素养导学 物理观念 (1)了解直流电动机、电磁炮的结构和原理。 (2)了解磁电式电流表的结构,知道其工作原理。 科学态度与责任 认识到电磁技术的应用对人类生活的影响。 一、直流电动机 1.构造:由磁场(磁体)、转动线圈、两个半圆滑环、两个电刷等组成。 2.原理:通过两个半圆滑环,每转半圈,线圈内电流方向就改变　　　次,从而使线圈受到安培力作用后转动方向不变,线圈可以连续转动起来。  二、电磁炮 1.分类:电磁轨道炮、电磁线圈炮、重接炮。 2.电磁轨道炮 (1)原理示意图 (2)工作原理 当两金属导轨接入电源时,强大的电流在两导轨间产生竖直向上的强磁场,弹丸受到水平向　　　的安培力,以很大的　　　　做加速运动,最终高速发射出去。  3.特点:弹丸体积小,重量轻,飞行时的空气阻力　　　　,因而发射稳定性好,初速度大,射程远。  1.如图为一台直流电动机的简化示意图。已知转子为n匝、长L、宽d的矩形线圈,匀强磁场的磁感应强度为B。当线圈中通有恒定电流I,转子绕线圈平面内垂直于磁场的轴,由图示位置顺时针(从a看向b)转过θ角时(转动过程中线圈平面与磁场方向始终平行),则此时ab边中的电流方向沿什么方向,ab边所受安培力大约是多少? 2.如图所示为电磁轨道炮的工作原理图,判断下列说法是否正确。 (1)电磁轨道炮发射过程中,化学能转化为弹丸的动能。 (　 ) (2)电磁轨道炮发射过程中,弹丸的动能是由电能转化而来的。 (　 ) (3)电流越大,磁场越强,同一弹丸获得的初速度越大。 (　 ) 三、磁电式电流表 1.构造:永磁体、线圈、指针、铁芯、游丝、极靴、刻度盘、机械调零螺旋等。 2.原理 (1)当被测电流流入线圈时,线圈受　　　　作用而转动,线圈的转动使游丝扭转变形,产生阻碍线圈转动的效果。  (2)当安培力产生的转动与游丝形变产生的阻碍达到　　　时指针便停留在某一刻度。  (3)根据线圈　　　　　的大小,可以确定被测电流的大小;根据　　　　　的方向,可以知道被测电流的方向。  3.磁电式电流表的原理如图所示,判断下列说法的正误。 (1)磁电式电流表指针偏转角度随电流的增大而增大。 (　 ) (2)磁电式电流表只能测定电流的大小,不能确定被测电流的方向。 (　 ) (3)磁电式电流表内是均匀辐射磁场,不是匀强磁场。 (　 ) 新知学习(一)|安培力作用下导体的运动| [任务驱动] 　如图所示,将一根柔软的弹簧悬挂起来,使它的下端刚好跟槽中的水银接触。 (1)通电后,你会观察到什么现象? (2)为什么会出现这种现象? [重点释解] 判断通电导线在磁场中运动的五种方法 电流元法 分割为电流元安培力方向→整段导线所受合力方向→运动方向 特殊位置法 在特殊位置→安培力方向→运动方向 等效法 环形电流→小磁针 通电螺线管→条形磁铁 结论法 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,有转到平行位置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,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 [典例体验] 　　[典例]　如图所示,两个完全相同且相互绝缘、正交的金属环A、B,可沿轴线OO'自由转动。现通以图示方向电流,沿OO'看去会发现 (　 ) A.A环、B环均不转动 B.A环将逆时针转动,B环也逆时针转动,两环相对不动 C.A环将顺时针转动,B环也顺时针转动,两环相对不动 D.A环将顺时针转动,B环将逆时针转动,两者吸引靠拢至重合为止 听课记录: /方法技巧/ 判断安培力作用下通电导体的运动方向的思路 　　(1)首先应画出通电导体所在位置的磁感线方向。 (2)根据左手定则确定通电导体所受安培力的方向。 (3)由通电导体的受力情况判断通电导体的运动方向。 [针对训练] 1.如图所示,将通电直导线AB用丝线悬挂在电磁铁的正上方,直导线可自由转动,则接通开关K的瞬间 (　 ) A.A端向上运动,B端向下运动,悬线张力不变 B.A端向下运动,B端向上运动,悬线张力不变 C.A端向纸外运动,B端向纸内运动,悬线张力变小 D.A端向纸内运动,B端向纸外运动,悬线张力变大 2.(2025·雅安高二检测)(多选)某同学自制的简易电动机示意图如图所示。矩形线圈由一根漆包线绕制而成,漆包线的两端分别从线圈的一组对边的中间位置引出,并作为线圈的转轴。将线圈架在两个金属支架之间,线圈平面位于竖直面内,永磁铁置于线圈下方。为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来,该同学应将 (　 ) A.左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉 B.左、右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉 C.左转轴上侧的绝缘漆刮掉,右转轴下侧的绝缘漆刮掉 D.左转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉,右转轴下侧的绝缘漆刮掉 新知学习(二)|安培力作用下导体的综合问题 [典例体验] [典例]　质量为m=0.02 kg的通电细杆ab置于倾角为θ=37°的平行放置的导轨上,导轨间的距离d=0.2 m,杆ab与导轨间的动摩擦因数μ=0.4,磁感应强度B=2 T的匀强磁场与导轨平面垂直且方向向下,如图所示。现调节滑动变阻器的触头,为使杆ab静止不动,求通过杆ab的电流I的大小范围。(设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) 听课记录: 　　[变式拓展]　对应[典例]中的情境,若ab杆中的电流为0.2 A,且导轨是光滑的,其他条件不变,则要使ab杆静止至少要施加一个多大的力?方向如何? /方法技巧/ 解决安培力作用下导体力学问题分析技巧 　　(1)视图转换:对于安培力作用下的力学问题,磁场方向、导体的电流方向及其受力方向往往分布在三维空间的不同方向上,这时应利用俯视图、剖面图或侧视图等,变立体图为二维平面图。 (2)在剖面图中,垂直剖面方向的电流可用“􀱋”或“☉”表示,垂直剖面方向的磁场可用“×”或“·”表示,但垂直剖面方向的力不能用“×”或“·”表示。 (3)安培力作用下的平衡问题与力学中的平衡问题分析方法是相同的,只不过多了安培力,关键仍是受力分析。 　 [系统归纳] 安培力作用下导体问题的解题思路 (1)选定研究对象。 (2)受力分析时,变立体图为平面图,如侧视图、剖面图或俯视图等,并画出平面受力分析图,安培力的方向F安⊥B、F安⊥I。 如图所示: (3)列平衡方程或牛顿第二定律方程进行求解。 [针对训练] 1.(2025·四川广元月考)如图所示,两根相同的轻质弹簧下端挂有质量为m的等腰梯形金属框,金属框的上底、腰和下底长度分别为L、L和2L,空间存在垂直于金属框平面向里的匀强磁场。A、B两端与电源相连,从A端流入的电流大小为I,金属框静止后弹簧的压缩量均为x。已知弹簧的劲度系数为k,重力加速度为g,则磁感应强度大小为 (　 ) A. B. C. D. 2.如图所示,光滑的平行导轨倾角为θ,处在磁感应强度为B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。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 ◉科学思维——电流天平的原理 1.(选自人教版教材课后练习)如图所示为电流天平,可以用来测量匀强磁场的磁感应强度。它的右臂挂着矩形线圈,匝数为n,线圈的水平边长为l,处于匀强磁场内,磁感应强度B的方向与线圈平面垂直。当线圈中通过电流I时,调节砝码使两臂达到平衡。然后使电流反向,大小不变。这时需要在左盘中增加质量为m的砝码,才能使两臂再达到新的平衡。 (1)请用n、m、l、I表示磁感应强度B的表达式。 (2)当n=9,l=10.0 cm,I=0.10 A,m=8.78 g时,磁感应强度是多少? ◉科学态度与责任——无刷直流电动机 2.(粤教版教材资料活页节选)与有刷直流电动机相比,无刷直流电动机具有体积小、重量轻、性能可靠、效率高、节能、抗电磁干扰、噪声小、维修简单、使用寿命长等优点。因此,目前在工业先进的国家,工业现代化领域中有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电动机所替代。随着电子技术和微处理技术的发展、新材料的应用等,无刷直流电动机作为中小功率的高性能调速电机和伺服电机,在纺织机械、印刷机械、数控机床、医疗器械、家用电器等方面的应用越来越广泛。 无刷直流电动机正在大踏步地走进我们的生产生活中。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.如图所示,某兴趣小组制作了一个简易电动机,此装置中的铜线框能在竖直平面内在磁场作用下从静止开始以虚线OO'为中心轴转动起来,那么 (　 ) A.若磁铁上方为N极,从上往下看,铜线框将顺时针旋转 B.若磁铁上方为S极,从上往下看,铜线框将顺时针旋转 C.不管磁铁上方为N极还是S极,从上往下看,铜线框都将逆时针旋转 D.在铜线框加速转动过程中,电池的化学能全部转化为铜线框的动能 2.电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。如图所示为某型号电磁炮的轨道,该轨道长10 m、宽2 m。若发射质量为100 g的炮弹,从轨道左端以初速度为零开始加速,当回路中的电流恒为100 A时,最大速度可达2 km/s,假设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.磁场方向竖直向下 B.磁场方向水平向左 C.电磁炮的最大加速度大小为4×105 m/s2 D.磁感应强度的大小为100 T 课下请完成课时跟踪检测(二) 9 / 9 学科网（北京）股份有限公司 第2节　安培力的应用 落实必备知识 [预读教材] 一、 2.一 二、 2.(2)右　加速度　3.很小 三、 2.(1)安培力　(2)平衡　(3)偏转角度　线圈偏转 [情境创设]　1.提示:a→b;nBIL。 2.(1)×　(2)√　(3)√　3.(1)√　(2)×　(3)√ 强化关键能力 新知学习(一) [任务驱动] 提示:(1)弹簧上下振动。 (2)通电时,弹簧各相邻线圈通有同向电流,线圈相互吸引,弹簧收缩;由于弹簧收缩,电路断开,相互吸引力消失,电路又接通。这个过程反复出现,使得弹簧上下振动,电路交替通断。 [典例]　选D　由安培定则可得,A环在环内产生的磁场方向向下,B环在环内产生的磁场方向向左,两磁场相互作用后磁场的方向趋向一致,所以A环顺时针转动,B环逆时针转动,二者相互靠拢,直至重合,D正确。 [针对训练] 1.选D　当开关K接通时,根据安培定则知电磁铁附近磁感线的分布如图所示,由左手定则知通电直导线此时A端受力指向纸内,B端受力指向纸外,故导线将转动,由特殊位置法知当导线转到与磁感线垂直时,整根导线受到的磁场力方向竖直向下,故悬线张力变大,D正确。 2.选AD　为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来,若将左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉,这样当线圈在图示位置时,线圈的上下边受安培力水平而转动,转过一周后再次受到同样的安培力而使其连续转动,选项A正确;若将左、右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉,则当线圈在图示位置时,线圈的上下边受安培力水平而转动,转过半周后因受到相反方向的安培力而使其停止转动,选项B错误;若将左转轴上侧的绝缘漆刮掉,右转轴下侧的绝缘漆刮掉,电路不能接通,选项C错误;若将左转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉,右转轴下侧的绝缘漆刮掉,这样当线圈在图示位置时,线圈的上下边受安培力水平而转动,转过半周后电路不导通;转过一周后再次受到同样的安培力而使其连续转动,选项D正确。 新知学习(二) [典例]　解析:当ab受到沿导轨向下的最大静摩擦力时,受力如图1所示,有F1-mgsin θ-=0,FN-mgcos θ=0,=μFN,F1=BImaxd,联立解得Imax=0.46 A。 当ab受到沿导轨向上的最大静摩擦力时,受力如图2所示,有F2+-mgsin θ=0,FN'-mgcos θ=0,=μFN',F2=BImind,联立解得Imin=0.14 A。所以通过杆ab的电流的大小范围是0.14 A≤I≤0.46 A。 答案:0.14 A≤I≤0.46 A [变式拓展]　解析:F安=BId=0.08 N,mgsin 37°=0.12 N,F安<mgsin θ,对ab杆受力分析,ab杆受重力、支持力和安培力作用,当施加的外力沿导轨平面向上时外力最小,如图所示,以沿导轨平面向上为正方向,根据平衡条件有F安+F-mgsin 37°=0,则F=mgsin 37°-F安=0.04 N。 答案:0.04 N　方向沿导轨平面向上 [针对训练] 1.选C　设下底通过的电流为I1,上底和腰通过的电流为I2,上底和腰与下底并联,则I1+I2=I,根据平衡条件,结合几何关系,对整体受力分析可得mg+2kx=BI1·2L+BI2·L+2BI2L·sin 30°,解得B=,故选C。 2.解析:对导体棒受力分析如图所示,导体棒受重力mg、支持力FN和安培力F, 由牛顿第二定律: mgsin θ-Fcos θ=ma　① F=BIl　② I=　③ 由①②③式可得a=gsin θ-。 答案:gsin θ- 浸润学科素养和核心价值 一、 1.解析:(1)设电流方向未改变时,天平的左盘内砝码质量为m1,右盘内砝码和矩形线圈的总质量为m2,则由天平的平衡条件,有m1g=m2g-nBIl 电流方向改变后,同理可得(m+m1)g=m2g+nBIl 两式相减,得B=。 (2)将n=9,l=10.0 cm,I=0.10 A,m=8.78 g代入B=,得B≈0.48 T。 答案:(1)B=　(2)0.48 T 二、 1.选A　若磁铁上方为N极,铜线框左边的电流方向是向下的,磁场方向是向左的,根据左手定则可知,安培力方向是向内的;铜线框右边的电流方向也是向下的,磁场方向是向右的,根据左手定则可知,安培力方向是向外的,故从上往下看,铜线框将顺时针转动,同理可判断,若磁铁上方为S极,从上往下看,铜线框将逆时针转动,故A正确,B、C错误。在铜线框加速转动过程中,电池的化学能转化为铜线框的动能和电路中的焦耳热,故D错误。 2.选D　回路中电流方向如题图所示,发射方向水平向右,则根据左手定则可知,磁场方向应竖直向上,故A、B错误;由题意可知,炮弹最大速度v=2 km/s,加速距离x=10 m,由初速度为零的匀加速直线运动速度和位移关系v2=2ax,解得最大加速度大小为a=2×105 m/s2,由牛顿第二定律可得F=ma,又F=BIL,联立解得B=100 T,故C错误,D正确。 $