第1节安培力及其应用第1章2021内容索引0102课前篇 自主预习课堂篇 探究学习学习目标1.通过实验,认识安培力科学探究)2.能判断安培力的方向,会计算安培力的大小科学思维)3.了解安培力在生产生活中的应用科学态度与责任)思维导图课前篇 自主预习【必备知识】一、安培力1.定义:物理学中,将磁场对通电导线的作用力称为安培力2.方向(1)影响因素:安培力的方向与电流方向、磁场方向有关2)判断方法:安培力的方向遵循左手定则,即伸开左手,拇指与其余四指垂直,且都与手掌处于同一个平面内,让磁感线垂直穿过手心,四指指向电流的方向,此时拇指所指的方向即为安培力的方向想一想安培力的方向与磁场方向有何关系?与电流方向有何关系?提示 垂直,垂直3.大小(1)在匀强磁场中,通电直导线电流方向与磁场方向平行时,导线所受安培力F等于零2)在匀强磁场中,通电直导线电流方向与磁场方向垂直时,导线所受安培力跟电流I和直导线长度l的乘积成正比,比例系数就是磁感应强度,表示为F=IlB3)在非匀强磁场中,公式F=IlB可用于很短的一段通电直导线二、安培力的应用1.生活中的应用:电动机、电流计等都是安培力的应用2.磁电式电流计(1)构造:如图(a)所示,是U形磁铁,是铁芯,是游丝,是线圈,是指针。
圆柱形铁芯固定于U形磁铁两极间,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2)原理:当被测电流通入线圈时,线圈受安培力作用而转动,使游丝扭转形变,从而对线圈的转动产生阻碍当安培力产生的转动与游丝形变产生的阻碍达到平衡时,指针停留在某一刻度电流越大,安培力就越大,针偏转角度就越大自我检测】1.正误判断(判定结果为错误的小题请写出原因)(1)安培力的方向可能与磁场方向垂直,也可能不垂直)解析 安培力的方向一定与磁场方向垂直答案 (2)通电导线在磁场中一定会受到安培力的作用)解析 当导线与磁场平行时不受安培力答案 (3)安培力的方向与导线方向一定垂直)答案 (4)通电导体在磁场中所受安培力F一定等于IlB)解析 只有导线与磁场垂直时,才有F=IlB答案 (5)两根通电导线在同一磁场中,若导线的长度相同,电流大小相等,则所受安培力大小相等,方向相同)解析 安培力与导线在磁场中的位置有关,若一根导线与磁场垂直,则F=IlB;另一根与磁场不垂直,则FIlB答案 (6)用磁电式电流表测量电流时,通电线圈的四条边都受到安培力的作用)解析 线圈中与磁场垂直的两条边受安培力,另外两条边与磁场平行,不受安培力作用。
答案 2.下图中分别标明了通电直导线中电流I、匀强磁场的磁感应强度B和电流所受安培力F的方向,其中正确的是()解析 伸开左手,四指指向电流方向,让磁感线垂直穿过手心,拇指指向为安培力方向,故A中的安培力方向竖直向上,B中的安培力为零,C中安培力方向竖直向下,D中安培力方向垂直纸面向外,故A正确答案 A课堂篇 探究学习问题问题 一安培力的方向【情境探究】用两根细铜丝把一根直导线悬挂起来,放入蹄形磁铁形成的磁场中当导线中通以电流时,你能看到通电导线在磁场中朝一个方向摆动,这个实验现象说明了什么?改变电池的正负极接线柱或将磁铁的N极、S极上下交换位置,闭合开关,你能看到通电导线发生什么现象?说明了什么?要点提示 说明磁场对通电导线有力的作用磁场中导线所受安培力的方向与磁场方向和电流方向都有关系知识点拨】理解安培力方向的三个角度1.特点:不管电流方向与磁场方向是否垂直安倍力的方向 ,总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面,即总有FI和FB,即F垂直于B、I决定的平面2.关系:(1)已知I、B的方向,可唯一确定F的方向;(2)已知F、B的方向,且导线的位置确定时,可唯一确定I的方向;(3)已知F、I的方向时,磁感应强度B的方向不能唯一确定。
两垂直3.判断:在判断安培力方向时首先确定磁场和电流所确定的平面,从而判断出安培力的方向在哪一条直线上,然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向典例剖析】例1画出图中通电直导线A受到的安培力的方向解析 (1)中电流与磁场垂直,由左手定则可判断出A所受安培力的方向如图甲所示 (2)中条形磁铁在A处的磁场分布如图乙所示,由左手定则可判断A受到安培力的方向如图乙所示3)中由安培定则可判断出电流A处磁场方向如图丙所示,由左手定则可判断出A受到安培力的方向如图丙所示4)中由安培定则可判断出电流A处的磁场如图丁所示,由左手定则可判断出A受到安培力的方向如图丁所示答案 规律总结 1.安培力方向的判断流程 2.安培定则与左手定则的两个区别(1)安培定则判断电流的磁场方向,左手定则判断电流在磁场中的受力方向2)安培定则用右手判断,左手定则用左手判断变式训练1长度为l、通有电流为I的导线放入一匀强磁场中,电流方向与磁场方向如图所示,已知磁感应强度为B,下列各图中,导线所受安培力的方向如何?解析 A图中,由左手定则可判断出导线所受安培力的方向为垂直纸面向外;B图中,由左手定则可判断出导线所受安培力的方向为垂直于导线斜向左上方;C图中,由左手定则可判断出导线所受安培力的方向为垂直于导线斜向左上方;D图中,由左手定则可判断出导线所受安培力的方向为水平向右。
答案 垂直纸面向外;垂直于导线斜向左上方;垂直于导线斜向左上方;水平向右问题问题 二安培力的大小【情境探究】从前面的学习中我们已经知道,垂直于磁场B放置长为l的一段导线,当通过的电流为I时,它受到的安培力F=IlB,这时导线受到的安培力最大,导线与磁场平行时所受的安培力为零,试讨论下面两种情况下安培力的大小1)当磁感应强度B的方向与导线方向成角时2)导线ABC为垂直折线,其中电流为I,AB=BC=l,导线所在的平面与匀强磁场垂直要点提示 (1)当磁感应强度B的方向与导线方向成角时,可以把它分解成与导线垂直的分量B和与导线平行的分量B,B=Bsin ,B=Bcos 其中B不产生安培力,导线受到的安培力只由B产生,所以一般情况下的安培力的表达式为F=IlBsin ,为磁感应强度方向与导线方向的夹角2)AB段所受的安培力大小FAB=IlB,方向向右,BC段所受的安培力大小FBC=IlB,方向向上,所以该导线所受安培力为这两个力的合力,如图所示,F= IlB,方向沿ABC的角平分线斜向上知识点拨】理解安培力F=IlBsin 的三个要点(1)式中各量:B是导线自身产生的磁场以外的磁场的磁感应强度; 不一定等于导线的长度l是导线的有效长度,匀强磁场中弯曲导线的有效长度l等于连接两端点直线的长度(如图所示),相应的电流沿l由始端流向末端;是B与电流I方向之间的夹角。
2)适用条件:导线所处的磁场应为匀强磁场;在非匀强磁场中,公式仅适用于很短的通电导线3)合成法则:当电流同时受到几个安培力时,则电流所受的安培力为这几个安培力的矢量和电荷在电场中一定会受到静电力作用,但是通电导线在磁场中不一定受安培力作用当电流方向与磁场方向平行时,通电导线不受安培力作用典例剖析】例2由导线组成的直角三角形框架静止放在匀强磁场中(如图所示),若导线框中通以图示方向的电流时,导线框将()A.沿与ab边垂直的方向加速运动B.仍然静止C.以c为轴转动D.以b为轴转动解析 ab和bc两段电流可等效为长度等于ac,方向由a到c的一段电流,由左手定则以及安培力公式可知ab和bc两段电流所受安培力的合力和ac受到的安培力方向相反、大小相等,线框整体合力为0,仍然静止,故选B答案 B变式训练2如图所示,长为2l的直导线折成边长相等、夹角为60的V形,并置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中,磁感应强度为B当在该导线中通以大小为I的电流时,该V形通电导线受到的安培力大小为()A.0B.0.5IlBC.IlBD.2IlB解析 V形通电导线的等效长度为图中虚线部分,所以F=IlB,故选C 答案 C 问题问题 三磁电电式电电流表【情境探究】磁电式电流表中磁场分布如图所示,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。
要点提示 磁电式电流表中磁铁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度,该磁场并非匀强磁场,但在以铁芯为中心的圆周上,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知识点拨】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,且强弱相同,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 非匀强磁场3.磁电式电流表的灵敏度(1)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典例剖析】例3(多选)以下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.圈转动的范围内,各处的磁场都是匀强磁场D.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,正确的选项为A、B、D。
答案 ABD变式训练3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的正方形线圈中通以电流I,线圈中的某一条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.该线圈的磁通量为Bl2C.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解析 该磁场明显不是匀强磁场,匀强磁场应该是一系列平行的磁感线,方向相同,故A错误;线圈与磁感线平行,故磁通量为零,故B错误;a导线电流向外,磁场向右,根据左手定则,安培力向上,故C错误;导线b始终与磁感线垂直,故受到的安培力大小一直为IlB,故D正确答案 D 随堂检测检测1.画出下列各图中磁场对通电导线的安培力的方向 解析 无论B、I是否垂直,安培力总是垂直于B与I决定的平面,且满足左手定则答案 如图所示2.将一段通电直导线abc从中点b折成120,分别放在如图所示的匀强磁场中,图甲中导线所在平面与磁场的磁感线平行,图乙中导线所在平面与磁场的磁感线垂直若两图中两导线中的电流大小相等,并且两导线所受的安培力大小也相等,则甲、乙两图中磁场的磁感应强度大小之比 为()答案 B 3.在赤道上空,有一条沿东西方向水平架设的导线,当导线中的自由电子自西向东沿导线做定向移动时,导线受到地磁场的作用力的方向为()A.向北 B.向南C.向上 D.向下解析 导线中的自由电子自西向东沿导线定向移动时,形成的电流自东向西。
赤道上空地磁场方向由南指向北,由左手定则可判断导线受到的安培力方向向下故D正确答案 D4.下图为某同学设计的研究磁场对通电金属棒的作用的实验装置当闭合开关时,有电流通过金属棒,观察到金属棒向左运动,则下列说法正确的是()A.此时通过金属棒的电流是由电源经b流向aB.若调换U形磁铁的磁极,则金属棒仍向左运动C.若调换流经金属棒的电流方向,则金属棒仍向左运动D.若同时调换U形磁铁的磁极和流经金属棒的电流方向,则金属棒仍向左运动答案 D5.如图所示,在匀强磁场中有下列各种形状的通电导线,电流为I,磁感应强度为B,求各导线。