1.1磁场对通电导线的作用力（培优教学课件）物理人教版选择性必修第二册

1. 磁场对通电导线的作用力 第一章 安培力与洛伦兹力 人教版选择性必修第二册 导入新课 在必修三的学习中，我们学习了描述磁场强弱的物理量“磁感应强度”，磁感应强度的表达式：表达式中的“F” 就是“磁场对通电导线的作用力”，为了纪念“安培”在研究磁场与通电导线的相互作用中的突出贡献，人们把磁场对通电导线的作用力称为“安培力” 物理观念 掌握安培力的产生条件、方向、大小，建立磁场对电流的力的认知模型。 科学思维 会用左手定则判断安培力方向，能结合 F=BIL 定量计算、分析导线在磁场中的受力变化与临界情况。 科学态度 与责任 了解安培力在磁电式电流表等的应用，树立学以致用的科学意识。 学习目标 重点 左手定则，F=BIL 的适用条件。 难点  电流与磁场不垂直时安培力的有效长度，立体空间中磁场、电流、安培力三者方向的空间判断，安培力的受力平衡和动态分析。 重点难点 1. 安培力的方向 2. 安培力的大小 3. 磁电式电流表 4. 电磁炮 5. 课堂总结 6. 练习与应用 第1节 磁场对通电导线的作用力 学习内容 一、安培力的方向 第1节 磁场对通电导线的作用力 1、探究安培力的方向 通过实验探究安培力方向与哪些因素有关？ 实验方案： 1.实验方法：控制变量法 2.实验步骤：如图所示，组装好器材，进行实验，观察导体棒受力方向。 （1）保持电流方向不变，改变磁场方向，观察导体棒受力方向是否改变。 （2）保持磁场方向不变，改变电流方向，观察导体棒受力方向是否改变。 1、探究安培力的方向 实验结论：通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流方向、磁感应强度的方向都垂直。 通过以上实验，我们发现了安培力的方向与磁感应强度方向和电流方向的关系，人们把这种关系总结为—左手定则 2、左手定则 左手定则： 1.伸开左手，让拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一个平面内． 2.让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流方向． 3.这时大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． 思考：如果磁感应强度方向和电流方向不垂直，该如何使用左手定则判断安培力的方向呢？ 2、左手定则 当磁感应强度方向与电流方向夹角为θ时: 1.将磁感应强度B分解为B⊥和B∥ B⊥：垂直于电流I的分量 B∥ ：平行于电流I的分量 2.伸开左手，让拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一个平面内． 3.让B⊥对应的磁感线从掌心进入，并使四指指向电流方向． 4.这时大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． B F B⊥ B∥ I 注意：F一定垂直B和I所在的平面，B和I不一定垂直 2、左手定则 使用左手定则涉及三维空间，为了描述方便，我们要将立体图转变为平面图，物理学用“×进·出”描述磁感应强度和电流的方向。立体图和平面图的灵活转换是用好左手定则的前提！ 垂直于纸面向里的磁场 垂直于纸面向外的磁场 垂直于纸面向里的电流 垂直于纸面向外的电流 3、左手定则练习 练一练：判断下面8幅图安培力的方向 3、左手定则练习 4、左手定则和安培定则 左手定则 安培定则(右手螺旋定则) 适用情况 求电流在磁场中受到的安培力方向 求电流产生的磁场方向 适用对象 电流在磁场中 直线电流 环形电流或通电螺线管 使用方法 磁感线穿过左手掌心，四指指向电流的方向。 大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 结 果 大拇指指向电流受到的磁场力的方向 四指弯曲的方向表示磁感线的方向 大拇指指向轴线上磁感线的方向 左手定则和安培定则的对比 5、电流间相互作用 我们现在学习了左手定则和安培定则，你能否结合两种定则解释电流与电流之间的相互作用？ 5、电流间相互作用 ① ② ③ ④ 同向电流相互吸引，反向电流相互排斥（巧记：道不同不相为谋） F1 F2 F3 F4 二、安培力的大小 第1节 磁场对通电导线的作用力 1、安培力的大小 思考：学习了用左手定则确定安培力的方向后，我们该如何定量计算安培力的大小呢？ 回顾： 得出：F = BIL 适用条件：I和L垂直 适用条件：1.I和L垂直 2.匀强磁场 思考：当B和I不垂直时，该如何求安培力的大小？ 1、安培力的大小 当导线（电流I）与磁场B方向夹θ角时: 方法一：分解磁感应强度B F = B2IL＝BILsinθ(θ为B与I的正向夹角) 方法二.投影导线 F = BIL1＝BILsinθ(θ为B与I的正向夹角) 1、安培力的大小 注意：1.由F＝BILsinθ 可知，当θ=0时即B和I平行时，安培力等于0. 2.公式F＝BILsinθ 可知，L指的是导线在磁场中的"有效长度"，弯曲导线的有效长度L等于连接两端点直线的长度(如图中虚线所示);相应的电流沿L由始端流向末端. 2、安培力的大小练习 下列图中，通有电流大小为 的导体ab所受安培力的大小正确的是（ ） A． B． C． D． 2、安培力的大小练习 【答案】B 【详解】A．图中导体ab放置的方向与磁场方向平行，其受到的安培力为零，故A错误； B．图中导体ab为圆心角为90°的圆弧，由几何关系可知其有效长度为 ，导体所在平面与磁场方向垂直，根据安培力公式有 ，解得 ，可知图中所给表达式正确，故B正确； C．图中磁场方向水平向右，导体ab与垂直磁场方向的虚线夹角为θ，则导体在垂直磁场方向的有效长度为L2=Lcos⁡θ，根据安培力公式有 ，解得 ，故C错误； D．图中磁场方向垂直纸面向里，导体ab与磁场方向相互垂直，根据安培力公式有F=ILB，故D错误。 三、磁电式电流表 第1节 磁场对通电导线的作用力 1、磁电式电流表 极靴 线圈 磁电式电流表：利用通电线圈在辐向磁场中受安培力转动、力矩平衡原理制成的，专门测量直流微弱电流的精密电表。 1、磁电式电流表 1、磁电式电流表 力矩平衡M安=M弹 n匝导线框的安培力力矩 M安=nBIL1r1+nBIL1r2=nBIL1L2=nBIS 螺旋弹簧的弹力力矩M弹=kθ 1、磁电式电流表 磁电式电流表 工作原理 线圈通电受到安培力发生转动 弹簧扭转力矩与之平衡 指针偏转角和电流成正比 特点 表盘刻度均匀 灵敏度高、量程小 指针偏转方向随电流方向改变 适用范围 只能测微弱直流，不能测交流 2、磁电式电流表练习 电流计等磁电式电表是利用永久磁铁对通电线圈的作用原理制成的，其优点是灵敏度高。构造如图甲所示，圆柱形铁芯固定于U形磁铁两极间，其中磁场是均匀辐向分布，铁芯外面套有缠绕着线圈并可转动的铝框，铝框的转轴上装有指针和游丝（又称螺旋弹簧）。下列说法中正确的是（ ） A．极靴和铁质圆柱之间磁场是匀强磁场 B．线圈中电流越大，安培力就越大，螺旋弹簧的形变也越大，线圈偏转的角度也越大 C．图乙中当线圈通以如图所示电流，图中指针往右偏 D．线圈无论转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，所以线圈不受安培力 2、磁电式电流表练习 【答案】BC 【详解】A．匀强磁场的定义为磁感应强度大小和方向处处不变的磁场，本题中极靴和铁柱之间的磁场为均匀辐向变化。虽然大小不变但方向不同，因此不是匀强磁场。故A错误； B．根据安培力公式F=BIL可知，在磁感应强度和导体棒长度不变的前提条件下，线圈中电流越大安培力就越大。故B正确； C．当线圈中通以图乙所示电流时，根据左手定则可知a侧线圈受到向上的安培力、b侧线圈受到向下的安培力，整体线圈有顺时针转动的趋势。根据图甲可知指针将会向右偏转。故C正确； D．线圈平面与磁感线平行不代表电流方向与磁场方向平行，由图乙可知ab两条导线内部电流方向始终与磁感线方向垂直。因此线圈始终受安培力。故D错误。 四、电磁炮 第1节 磁场对通电导线的作用力 1、电磁炮 电磁炮原理：安培力（磁场对通电导线的作用力）。两根平行金属导轨 + 可滑动金属弹体构成闭合回路；通电后，弹体中有电流，在磁场中受到安培力加速，高速射出。 2、电磁炮练习 某航空母舰的舰载机在起飞的过程中，仅靠自身发动机不足以在飞行甲板上达到起飞速度，如果安装辅助起飞的电磁弹射系统（侧视图如图甲所示），飞机从导轨右端离开后能达到起飞速度。电磁弹射系统的俯视图如图乙所示，MN、PQ为两光滑平行金属直导轨（电阻忽略不计），AB是电磁弹射车，回路PBAM中的电流恒定，该电流产生的磁场对弹射车施加力的作用，从而带动舰载机由静止开始向右加速运动。不计空气阻力。下列说法正确的是（　　） A．弹射车所受的安培力与电流的大小成正比 B．弹射车向右做匀加速直线运动 C．弹射车离开导轨时的动能和它本身的质量无关 D．若回路PBAM中的电流反向，则弹射车不能正常被加速 2、电磁炮练习 【答案】BC 【详解】A．当电流的大小变化时，电流产生的磁场的磁感应强度也随之变化，由F=BIL可知，安培力F和电流大小不是正比关系，A项错误； B．根据BIL=ma可知，加速度a恒定，弹射车向右做匀加速直线运动，B项正确； C．设电流为I，磁感应强度大小为B，导轨间距为L，弹射车在导轨上运动的距离为x，由动能定理 可知 ，弹射车离开导轨时的动能和它本身的质量无关，C项正确； D．当回路PBAM中的电流反向时，导轨之间产生的磁场反向，同时AB中的电流方向反向，根据左手定则，则AB所受的安培力方向不变，弹射车能正常被加速，D项错误。 五、课堂总结 第1节 磁场对通电导线的作用力 1、总结 安培力的方向：左手定则 安培力的 大小：F＝BILsinθ 磁电式电流表和电磁炮 六、练习与应用 第1节 磁场对通电导线的作用力 六、练习与应用 1.如图，四个相同的金属圆环（圆心为O）固定在绝缘轻质细线上，圆环的一部分置于匀强磁场中，磁感应强度大小相等、方向垂直于圆环平面，虚线是磁场的边界。当给圆环通入沿顺时针方向、大小相等的电流时，四幅图中的细线均有弹力，则细线所受弹力最小的是（ ） 六、练习与应用 【答案】C 【详解】AB．圆环中通有顺时针电流，所以圆环下半部分的电流方向为从右向左，下半部分等效电流向左，磁场垂直纸面向里，由左手定则可知安培力方向向下，细线拉力需增大来平衡，细线所受弹力较大，故A错误，B错误； CD．圆环中通有顺时针电流，所以圆环下半部分的电流方向为从右向左，下半部分等效电流向左，磁场垂直纸面向外，由左手定则可知安培力方向向上，可以抵消一部分重力，又有等效长度LC>LD，根据安培力公式有F=BIL 因此有安培力大小FC>FD，即C图抵消的重力更多，细线所受弹力最小，故C正确，D错误。 六、练习与应用 2.如图所示为电流天平，可以用来测量匀强磁场中的磁感应强度。它的右臂挂着矩形线圈，匝数为n，线圈的水平边长为L，处于虚线方框的被测匀强磁场中，磁场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，才能使天平再次平衡。重力加速度为g，则测得的磁感应强度大小为_____。 六、练习与应用 【答案】mg/2nIL 【详解】因电流反向后，需要在左盘中增加质量为m的砝码，可见电流反向后线圈所受安培力竖直向下，可以判断磁场方向垂直线圈平面向里，电流方向改变前m左 g=m右 g-nBIL，电流方向改变后 m左 g+mg=m右 g+nBIL，由以上两式可得B=mg/2nIL 六、练习与应用 3.如图所示，两根相互平行的长直导线与一矩形导线框固定在同一竖直平面内，导线框的对称轴与两长直导线间的距离相等。已知左、右两长直导线中分别通有方向相反的恒定电流I1、I2，且I1<I2，则当导线框中通有顺时针方向的电流时，导线框所受安培力的合力方向（ ） A．水平向左 B．水平向右 C．竖直向上 D．竖直向下 六、练习与应用 【答案】B 【详解】对于任一根长直导线，线框上、下两边电流方向相反，所受竖直方向的安培力等大反向，合力为零。线框左、右两边与长直导线平行，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥，且离长直导线较近的一边所受安培力较大。因此，左侧长直导线对线框的水平合力向左，右侧长直导线对线框的水平合力向右。线框关于两长直导线对称，在对应位置的几何条件相同，安培力大小随长直导线中的电流增大而增大。由于右侧长直导线中的电流较大，向右的安培力大于向左的安培力，故线框所受安培力的合力水平向右。 六、练习与应用 4.中国海军076两栖攻击舰“四川舰”正式下水，该舰是全球首个采用电磁弹射技术的两栖攻击舰。其原理简图如图所示，间距为L的平行导轨水平放置，整个空间有竖直方向的匀强磁场；电源电动势为E、内阻为r，导电金属杆安装上无人机垂直放在导轨上，已知无人机与金属杆总质量为m，电阻为R，导轨电阻不计，忽略一切摩擦。闭合开关后，无人机沿图示方向运动，下列说法正确的是（　　） A．磁场方向竖直向下 B．无人机运动中安培力对金属杆不做功 C．开关闭合瞬间，无人机的加速度大小a=EBL/m(R+r) D．若同时将电流和磁场方向改为反向，则金属杆受安培力方向也改为反向 六、练习与应用 【答案】C 【详解】A．无人机受安培力方向向右，根据左手定则可知，磁场方向竖直向上，A错误； B．无人机运动中安培力方向与其运动方向相同，安培力对其做正功，B错误； C．开关闭合瞬间，炮弹的加速度大小a=BIL/m=EBL/m(R+r) ，C正确； D．由左手定则，若同时将电流和磁场方向改为反向，则金属杆受安培力方向不变，D错误。 感谢观看 Thank you for listening Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v1.0.4 $