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

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第3講　磁場對通電導(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.會用公式F＝BIL進(jìn)行安培力的簡單計算.4.了解電動機(jī)的工作原理.知道電動機(jī)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用. 一、安培力 1.定義：通電導(dǎo)體在磁場中受到的力稱為安培力. 2.把一段通電直導(dǎo)線放在磁場里，當(dāng)導(dǎo)線方向與磁場方向垂直時，它所受的安培力最大；當(dāng)導(dǎo)線方向與磁場方向一致時，導(dǎo)線不受安培力；當(dāng)導(dǎo)線方向與磁場方向斜交時，所受安培力介于最大值和零之間. 3.公式：F＝BIL(導(dǎo)體垂直磁場放置). 想一想　有的同學(xué)認(rèn)為：放在磁場中的通電導(dǎo)線一定受到安培力的作用.這種想法對嗎？為什么？ 答案　不對.通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的大小跟導(dǎo)線與磁場之間的夾角有關(guān)；若導(dǎo)線方向與磁場方向一致，導(dǎo)線在磁場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)線垂直放在磁場里所受的安培力與導(dǎo)線中的電流和導(dǎo)線的長度的乘積的比值，叫磁感應(yīng)強(qiáng)度. 2.定義式：B＝. 3.單位：特斯拉，簡稱特，符號為T. 4.B反映了磁場的強(qiáng)弱. 5.磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量.小磁針的N極在磁場中某點(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中的通電導(dǎo)線. 三、安培力的方向 1.安培力的方向跟磁場方向和電流方向有關(guān). 2.左手定則：伸開左手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一個平面內(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：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、電動機(jī) 我們使用的電動機(jī)就是利用安培力來工作的.各種電動機(jī)都有定子和轉(zhuǎn)子. 一、對磁感應(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，磁場中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點(diǎn)磁場的方向. 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：各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的磁場. 例1　關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的概念，下列說法中正確的是(　　) A.磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁場本身決定 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)線所受磁場力為零，則該處磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零 答案　A 解析　磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁場本身決定，與安培力和電流的大小均無關(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錯誤；磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，有大小和方向，選項(xiàng)C錯誤；定義式B＝是通電導(dǎo)線垂直放在磁場中所受安培力的大小與導(dǎo)線中的電流和導(dǎo)線所在磁場中的長度的乘積的比值，若導(dǎo)線與磁場方向一致，無論磁感應(yīng)強(qiáng)度多大，導(dǎo)線都不受安培力的作用，選項(xiàng)D錯誤. 針對訓(xùn)練1　關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度，下列說法中正確的是(　　) 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)線所受安培力不為零的地方一定存在磁場，通電導(dǎo)線不受安培力的地方一定不存在磁場 D.磁場中某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁場本身決定，其大小和方向是唯一確定的，與通電導(dǎo)線無關(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是由磁場本身決定的，與有無導(dǎo)體放入其中無關(guān)，故A、B選項(xiàng)錯誤，D正確；另外，當(dāng)導(dǎo)線平行于磁場方向放入時，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)，因而是錯誤的. 二、安培力的大小 安培力的大?。和娭睂?dǎo)線與磁場方向垂直時，所受的安培力最大，F(xiàn)＝BIL；導(dǎo)線方向與磁場方向平行時，導(dǎo)線不受安培力；導(dǎo)線方向與磁場方向斜交時，安培力介于最大值和零之間. 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時小 B.通有電流2I時小 C.一樣大 D.不能確定 答案　A 解析　當(dāng)棒中通有電流I時，棒所受的安培力F＝BIL；當(dāng)棒中通有電流2I時，棒所受的安培力F′＝2BIL，選項(xiàng)A正確. 針對訓(xùn)練2　 如圖2－3－2所示，一根長為0.2 m的通電直導(dǎo)線位于勻強(qiáng)磁場中，導(dǎo)線與磁場方向垂直，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T.當(dāng)導(dǎo)線中的電流為1 A時，導(dǎo)線所受安培力的大小為(　　) 圖2－3－2 A.0.02 N B.0.04 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.可以用左手定則來判定：伸開左手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一個平面內(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方向又垂直于電流方向，即垂直于磁場和電流所決定的平面. 例3　某同學(xué)畫的表示磁感應(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錯誤；C圖中，B與I平行，導(dǎo)線不受安培力，故C錯誤. 針對訓(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 B.加水平向左的磁場 C.加垂直紙面向里的磁場 D.加垂直紙面向外的磁場 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，通有方向相同的電流I.則B導(dǎo)線受到磁場力的方向(　　) 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，B、C、D錯. 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　閉合開關(guān)S瞬間，由右手螺旋定則知螺線管右端為N極，左端為S極，螺線管產(chǎn)生的磁場方向在通電導(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)度是描述磁場的重要概念，磁場的基本性質(zhì)是對電流有磁場力的作用，關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，下列說法中正確的是(　　) A.一小段通電直導(dǎo)線在磁場中某處受的力越大，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)線垂直磁場放置時所受的磁場力 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)強(qiáng)度的定義可知A、B、C錯誤，根據(jù)磁感線的特點(diǎn)可知D對. 4.下列關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向的說法中，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)體放在該處時所受磁場力的方向 B.小磁針N極所受磁場力的方向就是該處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 C.垂直于磁場放置的通電導(dǎo)線的受力方向就是該處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 D.磁場中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點(diǎn)的磁場方向 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.磁場中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向表示該點(diǎn)的磁場方向，磁場方向也就是小磁針N極受力的方向，但電流受力的方向不代表磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場的方向.故正確答案為B、D. (時間：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，B、C、D錯. 2.有關(guān)磁感應(yīng)強(qiáng)度的下列說法中，正確的是(　　) A.磁感應(yīng)強(qiáng)度是用來表示磁場強(qiáng)弱的物理量 B.若有一小段通電導(dǎo)體在某點(diǎn)不受磁場力的作用，則該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零 C.若有一小段長為L，通以電流為I的導(dǎo)體，在磁場中某處受到的磁場力為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，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描述磁場強(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)線長度L無關(guān)的物理量，且B＝中的B、F、L相互垂直，所以選項(xiàng)B、C、D都是錯誤的. 3.關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度，下列說法中正確的是(　　) A.勻強(qiáng)磁場中的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以這樣測定：測出一段通電導(dǎo)線放在磁場中受到的安培力F，及該導(dǎo)線的長度L，通過的電流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)度是磁場本身的屬性，與放不放通電導(dǎo)線無關(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“在磁場中垂直于磁場方向的通電導(dǎo)線”，只有在這個方向上導(dǎo)線所受的安培力才最大，故A錯誤；當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向平行時，不受安培力作用，故B錯誤；在磁場源穩(wěn)定的情況下，磁場內(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錯誤. 題組二、安培力與左手定則 4.把長0.10 m的直導(dǎo)線全部放入勻強(qiáng)磁場中，保持導(dǎo)線和磁場方向垂直.已知磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為5.010－3 T，當(dāng)導(dǎo)線中通過的電流為3.0 A時，該直導(dǎo)線受到的安培力的大小是(　　) A.3.010－3 N B.2.510－3 N C.2.010－3 N D.1.510－3 N 答案　D 解析　導(dǎo)線受到的安培力的大小F＝BIL＝5.010－33.00.10 N＝1.510－3 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)線垂直磁場方向置于磁場中某處.當(dāng)導(dǎo)線中電流為I時，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，導(dǎo)線所受安培力大小為(　　) 圖2－3－7 A.2F B.F C. D. 答案　C 解析　由F＝BIL可知C對，A、B、D錯. 6.在赤道上，地磁場可以看作是沿南北方向并且與地面平行的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度是510－5 T.如果赤道上有一條沿東西方向的直導(dǎo)線，長40 m，載有20 A的電流，地磁場對這根導(dǎo)線的作用力大小是(　　) A.410－8 N B.2.510－5 N C.910－4 N D.410－2 N 答案　D 解析　磁場方向是南北方向，電流方向是東西方向，它們相互垂直，可以利用公式F＝BIL來計算此安培力的大小，其大小為F＝BIL＝510－52040 N＝410－2 N. 7.電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)的動能殺傷武器.如圖2－3－8為美國試驗(yàn)所采用的電磁軌道，該軌道長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始加速，當(dāng)回路中的電流恒為20 A時，最大速度可達(dá)3 km/s.軌道間所加磁場為勻強(qiáng)磁場，不計空氣及摩擦阻力.下列說法正確的是(　　) 圖2－3－8 A.磁場方向?yàn)樨Q直向下 B.磁場方向?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3105 m/s2 答案　C 解析　由左手定則知磁場方向應(yīng)豎直向上，A、B均不正確；由v2＝2 ax得a＝＝6105 m/s2，D不正確；又BIL＝ma，所以B＝＝1.0103T，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)磁場中.金屬細(xì)桿的長度為1 m，質(zhì)量為8.910－3 kg.當(dāng)金屬細(xì)桿中通以0.89 A的電流時，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　 (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)磁場中，已知磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.5 T，導(dǎo)體棒長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， 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，求導(dǎo)體棒所受安培力的大小F. (2)導(dǎo)體棒中通過的電流I′為多大時，細(xì)線中拉力剛好為零？ 答案　(1)向上　1 N　(2)10 A 解析　(1)由左手定則知，導(dǎo)體棒所受安培力的方向向上；當(dāng)電流I＝2 A時，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，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)磁場中，MN是質(zhì)量為3 kg的金屬棒，通以5 A的電流時，棒沿導(dǎo)軌做勻速運(yùn)動；當(dāng)棒中電流增加到8 A時，棒能獲得2 m/s2的加速度，求勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小. 圖2－3－11 答案　1 T 解析　金屬棒勻速運(yùn)動時，BI1L＝Ff① 金屬棒勻加速運(yùn)動時，BI2L－Ff＝ma② 由①②解得B＝1 T.