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1、第四节 安培力的应用1.直流电动机是利用安培力使通电线圈转动的原理。2在磁电式电流表中，蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的，通电线圈不管转到什么角度，线圈平面都跟磁感线平行。一、直流电动机1直流电动机的原理如图341所示，在线圈中通以直流电流，矩形线圈在安培力的作用下发生转动，带动机械运行。图3412直流电动机的优点可以通过改变输入电压来调节它的转速。二、磁电式电表1磁电式电流表的结构我们在实验时经常使用的电流表就是磁电式电流表，如图342甲所示。2工作原理磁电式电流表是利用线圈在磁场中受到安培力作用发生旋转来工作的。线圈所在的磁场是均匀辐射分布的，如图342乙所示，这样做的目的是任何位置
2、线圈都与磁感线平行。图3423使用方法对于磁电式电流表，我们根据指针偏转角度的大小可以知道被测电流的强弱，这是因为磁场对电流的作用力跟电流成正比，因而线圈中的电流越大，安培力的转动作用也越大，线圈和指针偏转的角度也就越大。1自主思考判一判(1)电动机转动方向与电流方向无关。()(2)直流电动机和交流电动机都是利用安培力工作的。()(3)磁电式电表指针的偏转角度的大小与通过其内部线圈的电流的大小有关。()(4)有些磁电式电表的指针可以双向摆动，有些则只能正向摆动。()2合作探究议一议(1)通电以后，电动机为什么会转动呢？提示：通电的线圈在磁场内受到了安培力的作用。(2)若磁电式仪表的指针只能从左
3、向右偏，使用时，正负极能不能接反？若指针在中间呢？提示：不能。正负极接反后，电流方向与正常相反，指针向左偏，容易损坏电表。若指针在中间，正负极接反影响不大。(3)如图343所示，两条平行的通电直导线之间会通过磁场发生相互作用，在什么情况下两条直导线相互吸引，什么情况下两条直导线相互排斥？图343提示：每一条通电直导线均处在另一直导线电流产生的磁场中，根据安培定则可判断出直线电流产生的磁场的方向，再根据左手定则可判断出每一条通电直导线所受的安培力，由此可知，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥。安培力的应用1直流电动机的结构及原理分析(1)如图344所示，当线圈由位置d经位置a运动到位置b时，图中
4、左边受力方向向上，右边受力方向向下，使线圈顺时针转动；当线圈在位置b时不受力，由于惯性继续转动。图344(2)当线圈由位置b经位置c运动到位置d时，由于电流换向，图中左边受力方向向上，右边受力方向向下，使线圈继续顺时针转动；当线圈在位置d时不受力，由于惯性继续转动；然后，线圈重复以上过程转动下去。2磁电式电流表的原理分析如图342乙所示是线圈在磁场中受力的示意图。当电流通过线圈时，导线受到安培力的作用，由左手定则知，线圈左右两边所受的安培力的方向相反，于是架在轴上的线圈就要转动，通过转轴收紧螺旋弹簧使其变形，反抗线圈的转动，电流越大，安培力就越大，螺旋弹簧的形变也就越大，所以，从线圈偏转的角度
5、就能判断通过电流的大小。线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变。所以，根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。1(多选)下列关于直流电动机的说法，正确的是()A直流电动机是将电能转化为机械能的装置B直流电动机能把电能全部转化为动能C直流电动机是依靠磁场对电流的作用工作的D直流电动机工作时也会有发热现象，是电流的热效应解析：选ACD从能量角度来看直流电动机是把电能转化成机械能的装置。其工作原理是利用了磁场对电流的作用。但由于线圈有一定的电阻，直流电动机在工作过程中会产生一定的焦耳热。2电流表中蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的，下列说法正确的是()A目的是
6、使线圈平面始终与磁感线平行B目的是让磁铁和铁芯间形成匀强磁场C离转轴越远，越靠近磁极，因此磁感应强度越大D目的是使线圈平面始终与磁感线垂直解析：选A辐向磁场的目的是使线圈平行于磁感线，线框在转动中安培力大小不变，A正确，D错误；辐向磁场各处磁感应强度方向不同，距离轴线越远磁场越弱，则B、C均不对。3所谓电流表的灵敏度，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。下列方法不能提高磁电式电流表灵敏度的方法有()A增强永久磁铁的磁性B增大螺旋弹簧的劲度系数C增大线圈的面积D增加线圈的匝数解析：选B通电线圈在磁场中转动时，螺旋弹簧变形，反抗线圈的转动。电流越大，安培力就越大，
7、螺旋弹簧的形变也就越大。要提高电流表的灵敏度，就要在通入相同电流时，让指针的偏转角度增大。所以要减小螺旋弹簧的劲度系数，同时使安培力变大，即增加磁感应强度、增大线圈面积和增加线圈的匝数。安培力作用下导体的运动问题 典例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，如图345所示。当两线圈中通以图示方向的电流时，从左向右看，线圈L1将()图345A不动B顺时针转动C逆时针转动D向纸面内平动解析方法一(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段直线电流元，电流元处在L2产生的磁场中，根据安培定则可知各电流元所在处的磁场方向向上，由左
8、手定则可得，上半部分电流元所受安培力均指向纸外，下半部分电流元所受安培力均指向纸内，因此从左向右看线圈L1将顺时针转动。方法二(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处竖直向上，而L1等效成小磁针后转动前，N极指向纸内，因此小磁针的N极应由指向纸内转为向上，所以从左向右看，线圈L1将顺时针转动。方法三(结论法)环形电流I1、I2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将顺时针转动。答案B判断安培力作用下导体运动方向的五种常用方法
9、电流元法把整段导线分为多段电流元，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，从而确定导线运动方向等效法环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流，反过来等效也成立特殊位置法通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置，然后判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向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如何运动的问题，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反作
10、用力，从而确定磁体所受合力及运动方向1.如图346所示，带负电的金属环绕其轴OO匀速转动时，放在环顶部的小磁针最后将()图346AN极竖直向上BN极竖直向下CN极水平向左D小磁针在水平面内转动解析：选C带负电金属环，如题图所示的旋转，则金属环的电流方向与旋转方向相反。再由右手螺旋定则可知电流产生的磁极的方向是：右端是N极，左端是S极；小磁针所在处的磁场的方向与OO轴的磁场的方向是相反的，所以小磁针处的磁极的方向：左端N极，右端S极。因此小磁针N极水平向左。故C正确，A、B、D错误。2.用两根细线把两个完全相同的圆形导线环悬挂起来，让二者等高平行放置，如图347所示，当两导线环中通入方向相同的电
11、流I1、I2时，则有()图347A两导线环相互吸引B两导线环相互排斥C两导线环无相互作用力D两导线环先吸引后排斥解析：选A通电的导线环周围能够产生磁场，磁场的基本性质是对放入其中的磁体或电流产生力的作用。由于导线环中通入的电流方向相同，二者同位置处的电流方向完全相同，相当于通入同向电流的直导线，据同向电流相互吸引的规律，判知两导线环应相互吸引，故A正确。3.如图348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()图348AA端向上运动，B端向下运动，悬线张力不变BA端向下运动，B端向上运动，悬线张力不变CA端向纸外运动，B端向纸内运动，悬线张力变小D
12、A端向纸内运动，B端向纸外运动，悬线张力变大解析：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左端受力指向纸内，右端受力指向纸外，故导线将转动，转到与磁感线接近垂直时，整个导线受到的磁场力将竖直向下，故悬线张力变大，选项D正确。安培力作用下导体的平衡问题安培力作用下的物体平衡问题的解题步骤和前面学习的共点力平衡相似，一般也是先进行受力分析，再根据共点力平衡的条件列出平衡方程，不同的是在对物体进行受力分析时，需要注意安培力大小和方向的确定。典例如图349所示，在倾角为30的斜面上，固定一宽L0.25 m的平行金属导轨，在导轨上端接入电源和变阻器。电
13、源电动势E12 V，内阻r1.0 ，一质量m20 g的金属棒ab与两导轨垂直并接触良好。整个装置处于磁感应强度B0.80 T、垂直于斜面向上的匀强磁场中(导轨与金属棒的电阻不计)。金属导轨是光滑的，取g10 m/s2，要保持金属棒在导轨上静止，求：图349(1)金属棒所受到的安培力大小；(2)通过金属棒的电流；(3)滑动变阻器R接入电路中的阻值。解析(1)金属棒的受力如图所示。则有Fmgsin 30F0.1 N。(2)根据安培力公式FBIL得I0.5 A。(3)设变阻器接入电路的阻值为R，根据闭合电路欧姆定律EI(Rr)解得Rr23 。答案(1)0.1 N(2)0.5 A(3)23 在分析导线
14、受到的安培力的方向时，把立体图转化为平面图，然后根据左手定则判断就方便了。立体图平面图1(多选)如图3410所示，一条形磁铁放在水平桌面上，在它的左上方固定一直导线，若给导线通以垂直于纸面向里的电流，则()图3410A磁铁对桌面压力增大B磁铁对桌面压力减小C桌面对磁铁没有摩擦力D桌面对磁铁摩擦力向左解析：选AD根据条形磁铁磁感线分布情况得到直线电流所在位置磁场方向，根据左手定则判断安培力方向，如图甲所示。根据牛顿第三定律，电流对磁体的作用力向右下方，如图乙，根据平衡条件，可知通电后支持力变大，静摩擦力向左。2.如图3411所示，导体杆ab的质量为m，电阻为R，放置在与水平面夹角为的倾斜金属导轨上，导轨间距为d，电阻不计，系统处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B，电池内阻不计，问：若导轨光滑，电源电动势E多大才能使导体杆静止在导轨上？图3411解析：由闭合电路欧姆定律得：EIR导体杆受力情况如图所示，则由共点力平衡条件可得F安mgtan F安BId由以上各式可得出E。答案：1如图1所示，均匀绕制的螺线管水平放置，在其正中心的上方附近用绝缘绳水平吊起通电直导线A，A与螺线管垂直，A导线中的电流方向垂直纸面向里，开关S闭合，A受到通电螺线管磁场的作用力的方向是()
