高二物理人教版選修3-1課件 第3章磁場(chǎng) 第4節(jié)《磁場(chǎng)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)磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力 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 易錯(cuò)問題 1 安培力方向的判定 2 計(jì)算安培力大小時(shí) 導(dǎo)體有效長(zhǎng)度的確定 一 安培力的方向1 人們把通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受的力稱為 2 通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向 與電流 磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向都 安培力 垂直 3 左手定則 伸開左手 使拇指與其余四個(gè)手指垂直 并且都與手掌在同一平面內(nèi) 讓磁感線從進(jìn)入 并使四指指向 這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向 掌心 電流的方向 4 研究庫侖力時(shí) 用來檢驗(yàn)電場(chǎng)的是 檢驗(yàn)電荷受庫侖力的方向與電場(chǎng)的方向相同或相反 研究安培力時(shí) 用來檢驗(yàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的是一個(gè)有方向的電流元 電流元受力的方向 磁場(chǎng)的方向 電流的方向三者不但不在一條直線上 而且不在一個(gè)里 因此研究安培力問題要涉及三維空間 點(diǎn)電荷 平面 1 左手定則是用來判定安培力的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和電流方向三者之間關(guān)系的 這三個(gè)量的方向一定是兩兩垂直嗎 思考 5 通過實(shí)驗(yàn)可得出 平行通電直導(dǎo)線之間有相互作用力 同向電流 異向電流 思考 提示 1 F與B I一定垂直 I與B不一定垂直 平行通電直導(dǎo)線相互吸引 平行通電直導(dǎo)線相互排斥 二 安培力的大小1 垂直于磁場(chǎng)B放置長(zhǎng)為L(zhǎng)的通電導(dǎo)線 當(dāng)通過的電流為I時(shí) 它所受的安培力F為 2 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與導(dǎo)線方向成 角時(shí) 公式F ILB ILBsin 2 通電導(dǎo)體如果是彎曲的 如何確定它的有效長(zhǎng)度 思考 提示 2 導(dǎo)體兩端的連線即為有效長(zhǎng)度 思考 三 磁電式電流表1 磁電式電流表的原理是的關(guān)系 2 磁電式儀表的構(gòu)造特點(diǎn) 1 構(gòu)造 磁鐵 線圈 螺旋彈簧 軟鐵 極靴 2 特點(diǎn) 兩極間裝有極靴 極靴和極靴中間的鐵質(zhì)圓柱 使極靴與圓柱間的磁場(chǎng)都沿方向 使線圈平面都與磁場(chǎng)方向 使表盤刻度 安培力與電流 半徑 平行 均勻 3 線圈偏轉(zhuǎn)的越大 被測(cè)電流就越大 根據(jù)線圈偏轉(zhuǎn)的 可以知道被測(cè)電流的方向 角度 方向 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(chǎng)方向和電流方向所決定的平面 在判斷時(shí)首先確定磁場(chǎng)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(chǎng)方向不垂直時(shí) 安培力的方向仍垂直電流與磁場(chǎng)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(chǎng)力的方向與場(chǎng)的方向的關(guān)系 安培力的方向總是與磁場(chǎng)的方向垂直 而電場(chǎng)力的方向與電場(chǎng)的方向平行 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(chǎng)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 二 F BIL的適用條件及各量的意義1 公式F ILB中L指的是 有效長(zhǎng)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(zhǎng)度L 等于連接兩端點(diǎn)直線的長(zhǎng)度 如圖3 4 1所示 相應(yīng)的電流沿L由始端流向末端 圖3 4 1 3 若磁場(chǎng)和電流成 角時(shí) 如圖3 4 2所示 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 圖3 4 2 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(chǎng)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) 四 安培力與力學(xué)相結(jié)合的綜合問題1 有安培力參與的物體平衡 此平衡與前面所講的物體平衡一樣 也是利用物體平衡條件解題 其中安培力是眾多受力中的一個(gè) 2 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 安培力求解公式F ILB 3 物體平衡條件 3 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 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(chǎng)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)注意運(yùn)用力學(xué)中靜力學(xué) 動(dòng)力學(xué)及功和能等有關(guān)知識(shí) 解此類題可以有效地培養(yǎng)綜合分析能力 必須引起重視 為方便對(duì)問題的分析和便于列方程 在受力分析時(shí)將立體圖畫成平面圖 即畫成俯視圖 剖面圖或側(cè)視圖等 如圖3 4 3所示 a b為平行放置的兩根長(zhǎng)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 3 例1 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(chǎng) 磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)中要受安培力作用 解析 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(chǎng) 如圖3 4 4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 4 答案 見解析 思維總結(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 1 在圖3 4 5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 5 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 6所示 把一通電直導(dǎo)線放在蹄形磁鐵磁極的正上方 導(dǎo)線可以自由移動(dòng) 當(dāng)導(dǎo)線中通過如圖所示方向的電流I時(shí) 試判斷導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)情況 圖3 4 6 例2 解析 根據(jù)圖3 4 6所示的導(dǎo)線所處的特殊位置判斷其轉(zhuǎn)動(dòng)情況 將導(dǎo)線AB從N S極的中間O分成兩段 AO BO段所處的磁場(chǎng)方向如圖3 4 7所示 由左手定則可得AO段受安培力方向垂直于紙面向外 BO段受安培力的方向垂直紙面向里 可見從上向下看 導(dǎo)線AB將繞O點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖3 4 7 再根據(jù)導(dǎo)線轉(zhuǎn)過90 時(shí)的特殊位置判斷其上下運(yùn)動(dòng)情況 如圖3 4 8所示 導(dǎo)線AB此時(shí)受安培力方向豎直向下 導(dǎo)線將向下運(yùn)動(dòng) 由上述兩個(gè)特殊位置的判斷可知 當(dāng)導(dǎo)線在題中所給狀態(tài)時(shí) 所受安培力使AB逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還要向下運(yùn)動(dòng) 圖3 4 8 答案 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)向下運(yùn)動(dòng) 思維總結(jié) 1 判斷安培力作用下物體的運(yùn)動(dòng)方向 要根據(jù)具體問題選擇合適的判斷方法 2 利用電流元分析法 要在合適的位置選取電流元 3 若磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與電流方向不垂直 可將磁感應(yīng)強(qiáng)度B分解為與電流垂直分量和平行分量 2 如圖3 4 9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)通入如圖所示方向的電流后 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 9 解析 選A 法一 等效法 把通電線圈等效成小磁針 由安培定則知 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) 法二 電流元法 如圖所示 取其中的上 下兩小段分析 根據(jù)其中心對(duì)稱性知線圈所受安培力的合力水平向左 故線圈向左運(yùn)動(dòng) 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(chǎng)與導(dǎo)軌平面垂直且方向向下 如圖3 4 10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 例3 圖3 4 10 解析 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(chǎng)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 11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 11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 思維總結(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 3 質(zhì)量為m 長(zhǎng)度為L(zhǎng)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(chǎng)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 12所示 求棒MN所受的支持力大小和摩擦力大小 圖3 4 12 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 1 關(guān)于通電導(dǎo)線所受安培力F的方向 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向和電流I的方向之間的關(guān)系 下列說法正確的是 A F B I三者必須保持相互垂直B F必須垂直B I 但B I可以不相互垂直 C B必須垂直F I 但F I可以不相互垂直D I必須垂直F B 但F B可以不相互垂直解析 選B 安培力F總是與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流I決定的平面垂直 但B與I 即導(dǎo)線 可以垂直 也可以不垂直 如果通電導(dǎo)線受安培力時(shí) 力F與磁場(chǎng)及力F與導(dǎo)線都是垂直的 故A C D均錯(cuò) B正確 2 2009年高考海南卷 一根容易形變的彈性導(dǎo)線 兩端固定 導(dǎo)線中通有電流 方向如圖3 4 13中箭頭所示 當(dāng)沒有磁場(chǎng)時(shí) 導(dǎo)線呈直線狀態(tài) 當(dāng)分別加上方向豎直向上 水平向右或垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí) 描述導(dǎo)線狀態(tài)的四個(gè)圖示中正確的是 圖3 4 13 解析 選D 由左手定則判斷可知D正確 3 如圖3 4 14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) 圖3 4 14 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 4 已知質(zhì)量為m的通電細(xì)桿ab與導(dǎo)軌間的摩擦因數(shù)為 有電流時(shí) ab恰好在導(dǎo)軌上靜止 如圖3 4 15所示 圖3 4 16是它的四個(gè)側(cè)視圖的四種可能的勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向 其中能使桿ab與導(dǎo)軌之間摩擦力為零的圖是 圖3 4 15 圖3 4 16 解析 選AB 由左手定則知A B C D四個(gè)圖中導(dǎo)線所受安培力方向分別為 水平向右 豎直向上 豎直向下 水平向左 所以A B兩圖中摩擦力可能為零 5 將長(zhǎng)為1m的導(dǎo)線ac 從中點(diǎn)b折成如圖3 4 17所示形狀 放入B 0 08T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 abc平面與磁場(chǎng)垂直 若在導(dǎo)線abc中通入25A的直流電 則整根導(dǎo)線所受安培力大小為多少 圖3 4 17 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