2018-2019版高中物理 第二章 磁場(chǎng) 第3講 磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用學(xué)案 新人教版選修1-1

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1、 第3講 磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用 [目標(biāo)定位] 1.知道什么是安培力.知道勻強(qiáng)磁場(chǎng)中影響通電導(dǎo)線所受安培力大小和方向的因素.2.理解磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義式和物理意義.知道磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位.知道用磁感線的疏密程度可以形象地描述磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小.3.會(huì)用公式F=BIL進(jìn)行安培力的簡(jiǎn)單計(jì)算.4.了解電動(dòng)機(jī)的工作原理.知道電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用. 一、安培力 1.定義:通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的力稱為安培力. 2.把一段通電直導(dǎo)線放在磁場(chǎng)里,當(dāng)導(dǎo)線方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),它所受的安培力最大;當(dāng)導(dǎo)線方向與磁場(chǎng)方向一致時(shí),導(dǎo)線不受安培力;當(dāng)導(dǎo)線方向與磁場(chǎng)方向斜交時(shí),所受安培力介于最大值和零之間.

2、 3.公式:F=BIL(導(dǎo)體垂直磁場(chǎng)放置). 想一想 有的同學(xué)認(rèn)為:放在磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線一定受到安培力的作用.這種想法對(duì)嗎?為什么? 答案 不對(duì).通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的大小跟導(dǎo)線與磁場(chǎng)之間的夾角有關(guān);若導(dǎo)線方向與磁場(chǎng)方向一致,導(dǎo)線在磁場(chǎng)中不受安培力的作用. 二、磁感應(yīng)強(qiáng)度 1.定義:一段通電直導(dǎo)線垂直放在磁場(chǎng)里所受的安培力與導(dǎo)線中的電流和導(dǎo)線的長(zhǎng)度的乘積的比值,叫磁感應(yīng)強(qiáng)度. 2.定義式:B=. 3.單位:特斯拉,簡(jiǎn)稱特,符號(hào)為T(mén). 4.B反映了磁場(chǎng)的強(qiáng)弱. 5.磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量.小磁針的N極在磁場(chǎng)中某點(diǎn)受力的方向,就是這點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向. 想一想 根據(jù)B=是否可以得

3、出:當(dāng)電流一定的情況下,通電導(dǎo)線在某點(diǎn)所受的力越大,說(shuō)明該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大. 答案 不可以.必須是垂直放在磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線. 三、安培力的方向 1.安培力的方向跟磁場(chǎng)方向和電流方向有關(guān). 2.左手定則:伸開(kāi)左手,使拇指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在同一個(gè)平面內(nèi),讓磁感線穿入手心,并使四指指向電流的方向,那么,拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線所受安培力的方向. 想一想 能不能說(shuō):通電導(dǎo)線在某點(diǎn)所受安培力的方向就是該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向? 答案 不能. 通電導(dǎo)線在某點(diǎn)所受安培力的方向永遠(yuǎn)與該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直. 四、電動(dòng)機(jī) 我們使用的電動(dòng)機(jī)就是利用安培力來(lái)工作的.各種電動(dòng)機(jī)都有定子和

4、轉(zhuǎn)子. 一、對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的理解 1.物理意義:磁感應(yīng)強(qiáng)度是表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量. 2.矢量性:磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量,既有大小,又有方向,磁場(chǎng)中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點(diǎn)磁場(chǎng)的方向. 3.描述:磁感線的疏密程度表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小,磁感線的切線方向表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向. 4.勻強(qiáng)磁場(chǎng):各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等,方向相同的磁場(chǎng). 例1 關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的概念,下列說(shuō)法中正確的是(  ) A.磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁場(chǎng)本身決定 B.磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該處電流受力方向 C.磁感應(yīng)強(qiáng)度雖然有大小、方向,但磁感應(yīng)強(qiáng)度是標(biāo)量 D.由定義式B=可知,一小段通電導(dǎo)線所受磁場(chǎng)力為零,則該處磁感

5、應(yīng)強(qiáng)度一定為零 答案 A 解析 磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁場(chǎng)本身決定,與安培力和電流的大小均無(wú)關(guān),選項(xiàng)A正確;通電導(dǎo)線受力的方向總是和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量,有大小和方向,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;定義式B=是通電導(dǎo)線垂直放在磁場(chǎng)中所受安培力的大小與導(dǎo)線中的電流和導(dǎo)線所在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度的乘積的比值,若導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向一致,無(wú)論磁感應(yīng)強(qiáng)度多大,導(dǎo)線都不受安培力的作用,選項(xiàng)D錯(cuò)誤. 針對(duì)訓(xùn)練1 關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度,下列說(shuō)法中正確的是(  ) A.由B=可知,B與F成正比、與IL成反比 B.通電導(dǎo)線放在磁場(chǎng)中的某點(diǎn),那點(diǎn)就有磁感應(yīng)強(qiáng)度,如果將通電導(dǎo)線拿走,那點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就為零 C.通電導(dǎo)線所

6、受安培力不為零的地方一定存在磁場(chǎng),通電導(dǎo)線不受安培力的地方一定不存在磁場(chǎng) D.磁場(chǎng)中某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁場(chǎng)本身決定,其大小和方向是唯一確定的,與通電導(dǎo)線無(wú)關(guān) 答案 D 解析 磁感應(yīng)強(qiáng)度B=只是定義式,而不是決定式,磁感應(yīng)強(qiáng)度B是由磁場(chǎng)本身決定的,與有無(wú)導(dǎo)體放入其中無(wú)關(guān),故A、B選項(xiàng)錯(cuò)誤,D正確;另外,當(dāng)導(dǎo)線平行于磁場(chǎng)方向放入時(shí),通電導(dǎo)體所受到的安培力為零,而此處的B≠0,C項(xiàng)忽略了這一點(diǎn),因而是錯(cuò)誤的. 二、安培力的大小 安培力的大?。和娭睂?dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),所受的安培力最大,F(xiàn)=BIL;導(dǎo)線方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí),導(dǎo)線不受安培力;導(dǎo)線方向與磁場(chǎng)方向斜交時(shí),安培力介于最大值和零之

7、間. 例2 如圖2-3-1所示,把一水平導(dǎo)體棒置于豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,棒中分別通有電流I和2I,則棒所受安培力(  ) 圖2-3-1 A.通有電流I時(shí)小 B.通有電流2I時(shí)小 C.一樣大 D.不能確定 答案 A 解析 當(dāng)棒中通有電流I時(shí),棒所受的安培力F=BIL;當(dāng)棒中通有電流2I時(shí),棒所受的安培力F′=2BIL,選項(xiàng)A正確. 針對(duì)訓(xùn)練2  如圖2-3-2所示,一根長(zhǎng)為0.2 m的通電直導(dǎo)線位于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T.當(dāng)導(dǎo)線中的電流為1 A時(shí),導(dǎo)線所受安培力的大小為(  ) 圖2-3-2 A.0.02 N B.0.04

8、N C.0.06 N D.0.08 N 答案 B 解析 根據(jù)F=BIl解得導(dǎo)線所受安培力的大小為0.04 N. 三、安培力的方向 1.可以用左手定則來(lái)判定:伸開(kāi)左手,使拇指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在同一個(gè)平面內(nèi),讓磁感線穿入手心,并使四指指向電流的方向,那么,拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線所受安培力的方向. 2.安培力的方向與磁場(chǎng)方向有關(guān),與電流方向也有關(guān).安培力的方向既垂直于磁場(chǎng)方向又垂直于電流方向,即垂直于磁場(chǎng)和電流所決定的平面. 例3 某同學(xué)畫(huà)的表示磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流I和安培力F的相互關(guān)系的圖如圖所示,其中正確的是(  ) 答案 D 解析 由于F、B、I三

9、者的方向關(guān)系滿足左手定則,由左手定則知,D正確,A、B錯(cuò)誤;C圖中,B與I平行,導(dǎo)線不受安培力,故C錯(cuò)誤. 針對(duì)訓(xùn)練3 如圖2-3-3所示,用兩根相同的細(xì)繩水平懸掛一段均勻載流直導(dǎo)線MN,電流I方向從M到N,繩子的拉力均為F.為使F=0,可能達(dá)到要求的方法是(  ) 圖2-3-3 A.加水平向右的磁場(chǎng) B.加水平向左的磁場(chǎng) C.加垂直紙面向里的磁場(chǎng) D.加垂直紙面向外的磁場(chǎng) 答案 C 解析 由于繩子的拉力為零,所以直導(dǎo)線所受的安培力向上,由左手定則可知,磁場(chǎng)方向垂直紙面向里,故C正確. 安培力與左手定則 1.如圖2-3-4所示,在兩平行直導(dǎo)線A、B中,通有方向相同的

10、電流I.則B導(dǎo)線受到磁場(chǎng)力的方向(  ) 圖2-3-4 A.向左        B.向右 C.垂直紙面向外 D.垂直紙面向里 答案 A 解析 根據(jù)安培定則可知,導(dǎo)線A在導(dǎo)線B處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直紙面向里,由左手定則可判定B受安培力方向向左,故A對(duì),B、C、D錯(cuò). 2.如圖2-3-5所示,把一根通電的硬直導(dǎo)線ab,用輕繩懸掛在通電螺線管正上方,直導(dǎo)線中的電流方向由a向b.閉合開(kāi)關(guān)S瞬間,導(dǎo)線a端所受安培力的方向是(  ) 圖2-3-5 A.向上 B.向下 C.垂直紙面向外 D.垂直紙面向里 答案 D 解析 閉合開(kāi)關(guān)S瞬間,由右手螺旋定則知螺線管右端為N極

11、,左端為S極,螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向在通電導(dǎo)線a端斜向左下方,由左手定則可知,導(dǎo)線a端所受安培力的方向垂直紙面向里,D正確. 磁感應(yīng)強(qiáng)度 3.磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)的重要概念,磁場(chǎng)的基本性質(zhì)是對(duì)電流有磁場(chǎng)力的作用,關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小,下列說(shuō)法中正確的是(  ) A.一小段通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中某處受的力越大,該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大 B.一小段通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中某處受的力等于零,則該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定等于零 C.勻強(qiáng)磁場(chǎng)中某處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小等于該處一小段通電直導(dǎo)線垂直磁場(chǎng)放置時(shí)所受的磁場(chǎng)力 D.磁感線密的地方,磁感應(yīng)強(qiáng)度大;磁感線疏的地方,磁感應(yīng)強(qiáng)度小 答案 D 解析 由磁感應(yīng)

12、強(qiáng)度的定義可知A、B、C錯(cuò)誤,根據(jù)磁感線的特點(diǎn)可知D對(duì). 4.下列關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向的說(shuō)法中,正確的是(  ) A.某處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是一小段通電導(dǎo)體放在該處時(shí)所受磁場(chǎng)力的方向 B.小磁針N極所受磁場(chǎng)力的方向就是該處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 C.垂直于磁場(chǎng)放置的通電導(dǎo)線的受力方向就是該處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 D.磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向 答案 BD 解析 小磁針N極受力的方向就是該處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向,而通電導(dǎo)線受力的方向總是和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直.磁場(chǎng)中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向,磁場(chǎng)方向也就是小磁針N極受力的方向,但電流受力的方向不代表磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁

13、場(chǎng)的方向.故正確答案為B、D. (時(shí)間:60分鐘) 題組一、磁感應(yīng)強(qiáng)度 1.如圖2-3-6所示,一通電直導(dǎo)線豎直放置,其右側(cè)A、B兩點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為BA、BB,則(  ) 圖2-3-6 A.BA>BB,方向均垂直紙面向里 B.BA<BB,方向均垂直紙面向里 C.BA>BB,方向均垂直紙面向外 D.BA<BB,方向均垂直紙面向外 答案 A 解析 由右手螺旋定則可判定A、B兩點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向均垂直紙面向里,因A點(diǎn)離通電導(dǎo)線較近,故BA>BB,故A對(duì),B、C、D錯(cuò). 2.有關(guān)磁感應(yīng)強(qiáng)度的下列說(shuō)法中,正確的是(  ) A.磁感應(yīng)強(qiáng)度是用來(lái)表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量

14、B.若有一小段通電導(dǎo)體在某點(diǎn)不受磁場(chǎng)力的作用,則該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零 C.若有一小段長(zhǎng)為L(zhǎng),通以電流為I的導(dǎo)體,在磁場(chǎng)中某處受到的磁場(chǎng)力為F,則該處磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小一定是 D.由定義式B=可知,電流I越大,導(dǎo)線L越長(zhǎng),某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越小 答案 A 解析 磁感應(yīng)強(qiáng)度的引入目的就是用來(lái)描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱,因此選項(xiàng)A是正確的;磁感應(yīng)強(qiáng)度是與電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度L無(wú)關(guān)的物理量,且B=中的B、F、L相互垂直,所以選項(xiàng)B、C、D都是錯(cuò)誤的. 3.關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度,下列說(shuō)法中正確的是(  ) A.勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以這樣測(cè)定:測(cè)出一段通電導(dǎo)線放在磁場(chǎng)中受到的安培力F,及該導(dǎo)線的長(zhǎng)度L,通過(guò)的電

15、流I,則B= B.通電導(dǎo)線在某處不受安培力的作用,則該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零 C.B=只是定義式,磁感應(yīng)強(qiáng)度是磁場(chǎng)本身的屬性,與放不放通電導(dǎo)線無(wú)關(guān) D.通電導(dǎo)線所受安培力的方向就是磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 答案 C 解析 根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義,通電導(dǎo)線應(yīng)為“在磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線”,只有在這個(gè)方向上導(dǎo)線所受的安培力才最大,故A錯(cuò)誤;當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向平行時(shí),不受安培力作用,故B錯(cuò)誤;在磁場(chǎng)源穩(wěn)定的情況下,磁場(chǎng)內(nèi)每一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是唯一確定的,與放入該處的檢驗(yàn)電流無(wú)關(guān),故C正確;由左手定則可確定,安培力的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直,故D錯(cuò)誤. 題組二、安培力與左手定則 4.把長(zhǎng)

16、0.10 m的直導(dǎo)線全部放入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,保持導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向垂直.已知磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為5.0×10-3 T,當(dāng)導(dǎo)線中通過(guò)的電流為3.0 A時(shí),該直導(dǎo)線受到的安培力的大小是(  ) A.3.0×10-3 N B.2.5×10-3 N C.2.0×10-3 N D.1.5×10-3 N 答案 D 解析 導(dǎo)線受到的安培力的大小F=BIL=5.0×10-3×3.0×0.10 N=1.5×10-3 N. 5.探究影響安培力大小因素的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-3-7所示,直導(dǎo)線垂直磁場(chǎng)方向置于磁場(chǎng)中某處.當(dāng)導(dǎo)線中電流為I時(shí),導(dǎo)線所受安培力大小為F;現(xiàn)僅將導(dǎo)線中電流減小為時(shí),導(dǎo)線所受安培力大

17、小為(  ) 圖2-3-7 A.2F B.F C. D. 答案 C 解析 由F=BIL可知C對(duì),A、B、D錯(cuò). 6.在赤道上,地磁場(chǎng)可以看作是沿南北方向并且與地面平行的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度是5×10-5 T.如果赤道上有一條沿東西方向的直導(dǎo)線,長(zhǎng)40 m,載有20 A的電流,地磁場(chǎng)對(duì)這根導(dǎo)線的作用力大小是(  ) A.4×10-8 N B.2.5×10-5 N C.9×10-4 N D.4×10-2 N 答案 D 解析 磁場(chǎng)方向是南北方向,電流方向是東西方向,它們相互垂直,可以利用公式F=BIL來(lái)計(jì)算此安培力的大小,其大小為F=BIL=5

18、×10-5×20×40 N=4×10-2 N. 7.電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)的動(dòng)能殺傷武器.如圖2-3-8為美國(guó)試驗(yàn)所采用的電磁軌道,該軌道長(zhǎng)7.5 m,寬1.5 m.若發(fā)射質(zhì)量為50 g的炮彈從軌道左端初速為零開(kāi)始加速,當(dāng)回路中的電流恒為20 A時(shí),最大速度可達(dá)3 km/s.軌道間所加磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng),不計(jì)空氣及摩擦阻力.下列說(shuō)法正確的是(  ) 圖2-3-8 A.磁場(chǎng)方向?yàn)樨Q直向下 B.磁場(chǎng)方向?yàn)樗较蛴? C.磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為103T D.電磁炮的加速度大小為3×105 m/s2 答案 C 解析 由左手定則知磁場(chǎng)方向應(yīng)豎直向上,A、B均不正確;由v2=2

19、ax得a==6×105 m/s2,D不正確;又BIL=ma,所以B==1.0×103T,C正確;綜上,正確選項(xiàng)應(yīng)為C. 題組三、安培力的綜合應(yīng)用 8.如圖2-3-9所示,兩根等長(zhǎng)的絕緣細(xì)線懸掛一水平金屬細(xì)桿MN,處在與其垂直的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)中.金屬細(xì)桿的長(zhǎng)度為1 m,質(zhì)量為8.9×10-3 kg.當(dāng)金屬細(xì)桿中通以0.89 A的電流時(shí),兩絕緣細(xì)線上的拉力均恰好為零.忽略與金屬細(xì)桿連接細(xì)導(dǎo)線的影響.求: 圖2-3-9 (1)金屬細(xì)桿所受安培力的方向; (2)金屬細(xì)桿中電流的方向; (3)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小. 答案 (1)豎直向上 (2)從N到M (3)0.1 T 解析 

20、(1)安培力方向豎直向上. (2)電流方向從N流向M或向左. (3)依據(jù)F=BIL① F=mg② 得到B==0.1 T 9.如圖2-3-10所示,水平導(dǎo)體棒AB被兩根豎直細(xì)線懸掛,置于垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,已知磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5 T,導(dǎo)體棒長(zhǎng)L=1 m,質(zhì)量m=0.5 kg,重力加速度g=10 m/s2.當(dāng)導(dǎo)體棒中通以從A到B的電流時(shí), 圖2-3-10 (1)判斷導(dǎo)體棒所受安培力的方向;當(dāng)電流I=2 A時(shí),求導(dǎo)體棒所受安培力的大小F. (2)導(dǎo)體棒中通過(guò)的電流I′為多大時(shí),細(xì)線中拉力剛好為零? 答案 (1)向上 1 N (2)10 A 解析 (1)由左手定則

21、知,導(dǎo)體棒所受安培力的方向向上;當(dāng)電流I=2 A時(shí),導(dǎo)體棒所受安培力的大?。? F=BIL=1 N (2)當(dāng)安培力與重力平衡時(shí),細(xì)線中拉力剛好為零,即 BI′L=mg 解得I′==10 A 10.如圖2-3-11所示,ab、cd為兩根相距2 m的平行金屬導(dǎo)軌,水平放置在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,MN是質(zhì)量為3 kg的金屬棒,通以5 A的電流時(shí),棒沿導(dǎo)軌做勻速運(yùn)動(dòng);當(dāng)棒中電流增加到8 A時(shí),棒能獲得2 m/s2的加速度,求勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小. 圖2-3-11 答案 1 T 解析 金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),BI1L=Ff① 金屬棒勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí),BI2L-Ff=ma② 由①②解得B=1 T. 11

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