高三物理人教版選修3-1課件：第3章第四節(jié)《磁場對(duì)通電導(dǎo)線的作用力》

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第四節(jié)通電導(dǎo)線在磁場中受到的力 課標(biāo)定位 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 掌握安培力方向的判斷方法 左手定則 2 掌握安培力大小的計(jì)算方法 3 了解磁電式電流表的原理 重點(diǎn)難點(diǎn) 安培力的大小計(jì)算和方向判定 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 第四節(jié)通電導(dǎo)線在磁場中受到的力 課前自主學(xué)案 課前自主學(xué)案 一 安培力的方向1 安培力 通電導(dǎo)線在磁場中受的力稱為安培力 2 圖3 4 1 安培力方向的判定 左手定則伸出左手 使拇指與其余四個(gè)手指垂直 并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi) 讓 從掌心進(jìn)入 并使四指指向 的方向 這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受 的方向 如圖3 4 1所示 磁感線 電流 安培力 3 方向特點(diǎn) 安培力的方向一定垂直于B和I決定的平面 二 安培力的大小1 當(dāng)B與I垂直時(shí) 安培力的大小F 2 當(dāng)B與I平行時(shí) 安培力的大小F 3 當(dāng)B與I成 角時(shí) 安培力的大小F 是磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與導(dǎo)線方向的夾角 ILB 0 ILBsin 思考感悟通電導(dǎo)體如果是彎曲的 如何確定它的有效長度 提示 導(dǎo)體兩端的連線即為有效長度 三 磁電式電流表1 構(gòu)造 螺旋彈簧 又叫游絲 指針 極靴 圓柱形鐵芯等 2 原理 當(dāng)被測電流通入線圈時(shí) 線圈受 作用而轉(zhuǎn)動(dòng) 線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)使螺旋彈簧扭轉(zhuǎn)形變 產(chǎn)生阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩 當(dāng)發(fā)培力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)與螺旋彈簧形變產(chǎn)生的阻礙達(dá)到 時(shí) 指針停留在某一刻度 越大 就越大 就越大 磁鐵 線圈 安培力 平衡 電流 安培力 指針偏角 核心要點(diǎn)突破 一 安培力方向的判斷 左手定則1 安培力的方向總是垂直于磁場方向和電流方向所決定的平面 在判斷時(shí)首先確定磁場與電流所確定的平面 從而判斷出安培力的方向在哪一條直線上 然后再根據(jù)左手定則判斷出安培力的具體方向 2 當(dāng)電流方向跟磁場方向不垂直時(shí) 安培力的方向仍垂直電流與磁場所決定的平面 所以仍可用左手定則來判斷安培力的方向 只是磁感線不再垂直穿過手心 電流與B垂直時(shí) 一定要讓磁感線垂直穿過手心 否則可能出現(xiàn)錯(cuò)誤 3 注意區(qū)別安培力的方向和電場力的方向與場的方向的關(guān)系 安培力的方向總是與磁場的方向垂直 而電場力的方向與電場的方向平行 特別提醒 1 F安 I F安 B 但B與I不一定垂直 2 判斷通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力時(shí) 注意一定要用左手 并注意各方向間的關(guān)系 3 若已知B I方向 F安方向唯一確定 但若已知B 或I F安方向 I 或B 方向不唯一 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 1 圖3 4 2中的通電導(dǎo)線在磁場中受力分析正確的是 圖3 4 2解析 選C 注意安培定則與左手定則的區(qū)別 判斷通電導(dǎo)線在磁場中的受力用左手定則 二 對(duì)安培力大小計(jì)算公式的深刻理解1 公式F ILB中L指的是 有效長度 當(dāng)B與I垂直時(shí) F最大 F ILB 當(dāng)B與I平行時(shí) F 0 2 彎曲導(dǎo)線的有效長度L 等于連接兩端點(diǎn)直接的長度 如圖3 4 3所示 相應(yīng)的電流沿L由始端向末端 圖3 4 3 3 若磁場和電流成 角時(shí) 如圖3 4 4所法 圖3 4 4 可以將磁感應(yīng)強(qiáng)度B正交分解成B Bsin 和B Bcos 而B 對(duì)電流是沒有作用的 F ILB ILBsin 即F ILBsin 特別提醒 1 公式F ILBsin 中 是B和I方向的夾角 不能盲目應(yīng)用題目中所給的夾角 要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析 2 公式中的L可以理解為垂直于磁場方向的 有效長度 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 2 2010年高考上海卷 如圖3 4 5所示 長為2l的直導(dǎo)線折成邊長相等 夾角為60 的V形 并置于與其所在平面相垂直的勻強(qiáng)磁場中 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 當(dāng)在該導(dǎo)線中通以電流強(qiáng)度為I的電流時(shí) 該V形通電導(dǎo)線受到的安培力大小為 圖3 4 5 A 0B 0 5BIlC BIlD 2BIl解析 選C V形通電導(dǎo)線的等效長度為圖中虛線部分 所以F BIl 故C對(duì) 三 安培力作用下導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向的判斷如果通電導(dǎo)體放置在非勻強(qiáng)磁場中 則不能夠運(yùn)用F BIL進(jìn)行定量的計(jì)算 但可用F BIL和左手定則進(jìn)行定性的討論 常用的方法有以下幾種 1 電流元分析法把整段電流等效分成很多段直線電流元 先用左手定則判斷出每小段電流元所受安培力的方向 從而判斷出整段電流所受合力的方向 最后確定運(yùn)動(dòng)方向 注意一般取對(duì)稱的兩段電流元分析 2 等效分析法環(huán)形電流可以等效為小磁針 或條形磁鐵 條形磁鐵也可等效成環(huán)形電流 通電螺線管可以等效成很多的環(huán)形電流來分析 3 特殊位置分析法根據(jù)通電導(dǎo)體在特殊位置所受安培力的方向 判斷其運(yùn)動(dòng)方向 然后推廣到一般位置 4 結(jié)論法兩平行直線電流在相互作用過程中 無轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì) 同向電流互相吸引 反向電流互相排斥 兩不平行的直線電流相互作用時(shí) 有轉(zhuǎn)到平行且電流方向相同的趨勢(shì) 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 3 如圖3 4 6所示 兩個(gè)完全相同的線圈套在一水平光滑絕緣圓柱上 但能自由移動(dòng) 若兩線圈內(nèi)通以大小不等的同向電流 則它們的運(yùn)動(dòng)情況是 A 都繞圓柱轉(zhuǎn)動(dòng)B 以不等的加速度相向運(yùn)動(dòng)C 以相等的加速度相向運(yùn)動(dòng)D 以相等的加速度背向運(yùn)動(dòng) 解析 選C 同向環(huán)形電流間相互吸引 雖然兩電流大小不等 但由牛頓第三定律知 兩線圈作用力必大小相等 故C正確 圖3 4 6 四 安培力作用下的平衡問題1 安培力作為通電導(dǎo)體所受的外力參與受力分析 產(chǎn)生了通電導(dǎo)體在磁場中的平衡 加速及做功問題 這類問題與力學(xué)知識(shí)聯(lián)系很緊密 解題時(shí)把安培力等同于重力 彈力 摩擦力等性質(zhì)力 對(duì)物體進(jìn)行受力分析時(shí) 注意安培力大小和方向的確定 求解時(shí)注意對(duì)力學(xué)中靜力學(xué) 動(dòng)力學(xué)及功和能等有關(guān)知識(shí)的綜合應(yīng)用 2 在安培力作用下的物體平衡的解決步驟和前面學(xué)習(xí)的共點(diǎn)力平衡相似 一般也是先進(jìn)行受力分析 再根據(jù)共點(diǎn)力平衡的條件列出平衡方程 其中重要的是在受力分析過程中不要漏掉了安培力 3 與閉合電路歐姆定律相結(jié)合的題目 主要應(yīng)用 1 閉合電路歐姆定律 2 安培力公式F ILB 3 物體平衡條件 特別提醒 1 安培力作為一種性質(zhì)力 在受力分析時(shí)要單獨(dú)分析 不可與其他力混為一談 2 為方便對(duì)問題的分析和便于列方程 在受力分析時(shí)先將立體圖畫成平面圖 即面成俯視圖 剖面圖或側(cè)視圖等 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 4 質(zhì)量為m的通電導(dǎo)體棒ab置于傾角為 的導(dǎo)軌上 如圖3 4 7所示 已知導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為 在圖3 4 8中所加各種磁場中 導(dǎo)體棒均靜止 則導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌間摩擦力為零的可能情況是 圖3 4 7 圖3 4 8 解析 選AB 要使靜摩擦力為零 如果FN 0 必有Ff 0 圖B選項(xiàng)中安培力的方向豎直向上 與重力的方向相反 可能使FN 0 B是正確的 如果FN 0 則導(dǎo)體除受靜摩擦力Ff以外的其他力的合力只要為零 那么Ff 0 在圖A選項(xiàng)中 導(dǎo)體所受到的重力G 支持力FN及安培力F安三力合力可能為零 則導(dǎo)體所受靜摩擦力可能為零 圖C D選項(xiàng)中 從導(dǎo)體所受到的重力G 支持力FN及安培力F安三力的方向分析 合力不可能為零 所以導(dǎo)體所受靜摩擦力不可能為零 故正確的選項(xiàng)應(yīng)為A B 課堂互動(dòng)講練 如圖3 4 9所示 a b為平行放置的兩根長直導(dǎo)線 當(dāng)a b中通入方向相同的電流時(shí) a b將發(fā)生怎樣的作用 圖3 4 9 思路點(diǎn)撥 當(dāng)直導(dǎo)線a中通入電流時(shí) 在它的周圍就產(chǎn)生了磁場 磁場方向可用安培定則確定 另一通電直導(dǎo)線b處在它的磁場中要受到安培力的作用 其方向可用左手定則判斷 同理a也處在b的磁場中要受安培力作用 精講精析 由安培定則可知a導(dǎo)線中的電流在a導(dǎo)線的右側(cè)產(chǎn)生從外向里的磁場 如圖3 4 10所示 b導(dǎo)線受力的方向由左手定則可以判斷出是向左的 同理a將受到向右的安培力 可見 兩同向的電流發(fā)生相互吸引的作用 圖3 4 10 答案 見精講精析 規(guī)律總結(jié) 從上例中可以看出 1 電流與電流之間的作用也是相互的 完全遵從牛頓第三定律 2 作為結(jié)論記住 同向電流相互吸引 異向電流相互排斥 變式訓(xùn)練1在圖3 4 11所示的電路中 電池均相同 當(dāng)開關(guān)S分別置于a b兩處時(shí) 導(dǎo)線MM 與NN 之間的安培力的大小分別為Fa Fb 可判斷兩段導(dǎo)線 圖3 4 11 A 相互吸引 Fa FbB 相互排斥 Fa FbC 相互吸引 Fa FbD 相互排斥 Fa Fb解析 選D 無論開關(guān)置于a還是置于b 兩導(dǎo)線中通過的都是反向電流 相互間作用力為斥力 A C錯(cuò)誤 開關(guān)置于位置b時(shí)電路中電流較大 導(dǎo)線間相互作用力也較大 故D正確 如圖3 4 12所示 把輕質(zhì)導(dǎo)電線圈用絕緣細(xì)線懸掛在磁鐵N極附近 磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直于線圈平面 當(dāng)線圈內(nèi)通入如圖方向的電流后 則線圈 A 向左運(yùn)動(dòng)B 向右運(yùn)動(dòng)C 靜止不動(dòng)D 無法確定 圖3 4 12 思路點(diǎn)撥 此題可以采用電流元法 也可采用等效法 精講精析 法一 等效法 把通電線圈等效成小磁針 由安培定則 線圈等效成小磁針后 左端是S極 右端是N極 異名磁極相吸引 線圈向左運(yùn)動(dòng) 圖3 4 13 法二 電流元法 如圖3 4 13所示 取其中的上 下兩小段分析 根據(jù)其中心對(duì)稱性線圈所受安培力的合力水平向左 故線圈向左運(yùn)動(dòng) 答案 A 題后反思 在用電流元法分析問題時(shí) 要在對(duì)稱的特殊位置選取電流元 變式訓(xùn)練2 2011年哈師大附中高二期中 如圖3 4 14所示 兩根垂直紙面 平行且固定放置的直導(dǎo)線M和N 通有同向等值電流 沿紙面與直導(dǎo)線M N等距放置的另一根可自由移動(dòng)的通電導(dǎo)線ab 則通電導(dǎo)線ab在安培力作用下運(yùn)動(dòng)的情況是 圖3 4 14 A 沿紙面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)B 沿紙面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C a端轉(zhuǎn)向紙外 b端轉(zhuǎn)向紙里D a端轉(zhuǎn)向紙里 b端轉(zhuǎn)向紙外解析 選D 根據(jù)長直導(dǎo)線周圍磁場的分布規(guī)律和矢量合成法則 可以判斷兩電流M N連線上方處磁場方向水平向右 ab上半段所受安培力垂直于紙面向里 兩電流M N連線下方處磁場方向水平向左 ab下半段所受安培力垂直于紙面向外 所以a端轉(zhuǎn)向紙里 b端轉(zhuǎn)向紙外 選項(xiàng)D正確 質(zhì)量為m 0 02kg的通電細(xì)桿ab置于傾角為 37 的平行放置的導(dǎo)軌上 導(dǎo)軌的寬度d 0 2m 桿ab與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù) 0 4 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 2T的勻強(qiáng)磁場與導(dǎo)軌平面垂直且方向向下 如圖3 4 15所示 現(xiàn)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的觸頭 試求出為使桿ab靜止不動(dòng) 通過ab桿的電流范圍為多少 圖3 4 15 自主解答 桿ab中的電流為a到b 所受的安培力方向平行于導(dǎo)軌向上 當(dāng)電流較大時(shí) 導(dǎo)體有向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì) 所受靜摩擦力向下 當(dāng)靜摩擦力達(dá)到最大時(shí) 磁場力為最大值F1 此時(shí)通過ab的電流最大為Imax 同理 當(dāng)電流最小時(shí) 應(yīng)該是導(dǎo)體受向上的最大靜摩擦力 此時(shí)的安培力為F2 電流為Imin 正確地畫出兩種情況下的受力圖如圖3 4 16所示 由平衡條件列方程求解 根據(jù)第一幅受力圖列式如下 F1 mgsin Ff1 0FN1 mgcos 0Ff1 FN1F1 BImaxd解上述方程得 Imax 0 46A 圖3 4 16 根據(jù)第二幅受力圖F2 Ff2 mgsin 0FN2 mgcos 0Ff2 FN2F2 BImind 解上述方程得 Imin 0 14A 答案 0 14A Iab 0 46A 規(guī)律總結(jié) 1 必須先將立體圖轉(zhuǎn)換為平面圖 然后對(duì)物體受力分析 要注意安培力方向的確定 最后根據(jù)平衡條件或物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)列出方程 2 注意靜摩擦力可能有不同的方向 因而求解結(jié)果是一個(gè)范圍 變式訓(xùn)練3質(zhì)量為m 長度為L的導(dǎo)體棒MN靜止于水平導(dǎo)軌上 通過MN的電流為I 勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 方向與導(dǎo)軌平面成 角斜向下 如圖3 4 17所示 求棒MN所受的支持力大小和摩擦力大小 圖3 4 17 解析 畫出平面圖 由左手定則判斷出安培力方向 對(duì)MN受力分析如圖所示 由平衡條件得 水平方向 Ff Fsin 堅(jiān)直方向 FN Fcos mg安培力F BIL 所以MN所受的支持力FN BILcos mg 所受摩擦力Ff BILsin 答案 BILcos mgBILsin 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全