高中物理 第3章 第4节 通电导线在磁场中受到的力课件 新人教版选修3-1

第4节　通电导线在磁场中受到的力1．知道安培力的概念，会用左手定则判定安培力的方向．2．理解并掌握安培力的 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 F＝BILsinθ.3．了解磁电式电表的构造及原理．要点一　安培力的方向1．安培力通电导线在磁场中受到的力称为安培力．2．决定安培力方向的因素磁场方向和电流方向．3．左手定则如图所示，伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．4．对安培力方向的理解(1)安培力方向的特点：F⊥B，F⊥I，即F垂直于B、I决定的平面．(2)当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直电流与磁场所决定的平面，所以仍可用左手定则来判断安培力的方向，只是磁感线不再垂直穿过手心．(1)安培力总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面，但磁场方向和电流方向不一定垂直．(2)若已知B、I方向，F方向唯一确定，但若已知B(或I)、F方向，I(或B)方向不唯一．(3)判断电流的磁场方向用安培定则，确定通电导体在磁场中的受力方向用左手定则．5．通电平行直线电流间的作用情况(1)两平行电流间同向电流相互吸引，异向电流相互排斥．(2)两非平行直线电流有转到互相平行且电流方向相同的趋势．6．安培力方向与电场力方向的比较力内容项目电场力安培力研究对象点电荷电流元受力特点正电荷受力方向，与电场方向相同，沿电场线切线方向，与负电荷受力方向相反安培力方向与磁场方向和电流方向都垂直判断方法结合电场方向和电荷的正、负判断用左手定则判断要点二　安培力的大小1．当通电导线与磁感线垂直时，即电流方向与磁感线垂直时，所受的安培力最大：F＝BIL.2．当B与I成θ角时，安培力的大小F＝ILBsinθ，θ是磁感应强度B的方向与导线方向的夹角．3．当通电导线与磁感线平行时，所受安培力为零．导线L所处的磁场应为匀强磁场．安培力表达式F＝ILB(或F＝ILBsinθ)一般适用于匀强磁场，若通电导线所在区域的B的大小和方向不相同，应将导体分成若干段，使每段导线所处范围B的大小和方向近似相等，求出各段导线所受的磁场力，然后再求合力．4．磁场中通电导线的等效长度(1)公式F＝IBL中的L对弯曲长度来说指的是“等效长度”．弯曲通电导线的有效长度L等于连接曲线两端点直线的长度，相应的电流沿L的始端流向末端，如图甲所示．　　(2)任意闭合通电导线的有效长度为零，所受安培力(即各电流元所受安培力的合力)为零，如图乙所示．(1)公式F＝ILBsinθ中θ是B和I方向的夹角，不能盲目应用题目中所给的夹角，要根据具体情况进行分析．(2)公式F＝ILBsinθ中的Lsinθ也可以理解为L在垂直于磁场方向上的“有效长度”．要点三　磁电式电流表1．原理：安培力与电流的关系．2．构造：磁铁、线圈、螺旋弹簧、指针、软铁、极靴．如图所示．3．特点：两极间的极靴和极靴中间的铁质圆柱，使极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，使线圈平面都与磁场方向平行，从而使表盘刻度均匀．4．工作原理：如图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．5．优缺点：优点是灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是线圈的导线很细，允许通过的电流很弱．如果希望它测量较大的电流值，就要扩大其量程．有的同学误认为线圈处的磁场是匀强磁场．　　　　一段通电导线垂直于磁场方向放入匀强磁场中，导线中的电流方向自上而下，如图所示．在导线以其中心点为轴逆时针转动180°的过程中，导线受到的安培力(　　)题型1对安培力大小和方向的理解A．大小不变，方向不变B．大小由最大减小到零再增至最大，方向时刻改变C．大小由最大减小到零再增至最大，方向不变D．大小由最大减小到零再增至最大，方向由垂直纸面向外变为垂直纸面向里【解析】　安培力公式F＝ILBsinθ，导线转动前，电流方向与磁场方向垂直，θ＝90°；当导线转过一个小角度θ后，电流方向与磁场方向不再垂直，安培力变小；当导线转过90°时，电流方向与磁场方向平行，安培力为零．根据左手定则判断知，安培力的方向始终垂直纸面向外；在导线再继续转动90°过程中，安培力由零变到最大，安培力的方向始终垂直纸面向里．选项D正确．【答案】　D【方法总结】(1)首先确定磁场方向与电流方向所确定的平面．(2)再依据左手定则，安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面，判断出安培力的方向．(3)根据安培力的公式F＝BILsinθ计算安培力的大小，注意该公式只适用于匀强磁场，θ为电流与磁感线的夹角．(2014·乌鲁木齐模拟)如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里．长度为L的导体中通有恒定电流，电流大小为I.当导体垂直于磁场方向放置时，导体受到的安培力大小为BIL.若将导体在纸面内顺时针转过30°角，导体受到的安培力大小为(　　)变式训练1-1解析：根据安培力公式可知，当通电导体垂直于磁场放置时，导体受到的安培力大小为BIL，图中磁感应强度垂直于纸面向里，故导体在纸面内顺时针转过30°角时，受到的安培力仍然为BIL，B选项正确．答案：B　　　　如图所示，把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面，当线圈内通入如图方向的电流后，则线圈(　　)A．向左运动　　　　B．向右运动C．静止不动　D．无法确定题型2通电导体运动方向的判断【解析】　此题可以采用电流元法，也可采用等效法．解法一：等效法．把通电线圈等效成小磁针．由安培定则，线圈等效成小磁针后，左端是S极，右端是N极，异名磁极相吸引，线圈向左运动．解法二：电流元法．如图所示，取其中的上、下两小段分析，根据其中心对称性线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向左运动．【答案】　A【方法总结】安培力作用下导体运动方向的判断方法：1．判断导体在磁场中运动情况的常规思路(1)不管是电流还是磁体，对通电导线的作用都是通过磁场来实现的，因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况．(2)结合左手定则准确判断导线所受安培力的方向．(3)由导体的受力情况判定导体的运动方向．2．分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法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所受安培力的方向，然后判断整段导线所受安培力的方向，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)，然后根据磁体间或电流间的作用规律判断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，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；不平行的两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用力，从而确定磁体所受合力及其运动方向　　　　　　　　　如图所示，把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方，导线可以自由转动，当导线通入图示方向电流I时，导线的运动情况是(从上往下看)(　　)A．顺时针方向转动，同时下降B．顺时针方向转动，同时上升C．逆时针方向转动，同时下降D．逆时针方向转动，同时上升变式训练2-1解析：根据如图所示的导线所处的特殊位置判断其转动情况．将导线AB从N、S极的中间O分成两段，AO、BO段所处的磁场方向如图所示，由左手定则可得AO段受安培力方向垂直于纸面向外，BO段受安培力的方向垂直纸面向里，可见从上向下看，导线AB将绕O点逆时针转动．再根据导线转过90°时的特殊位置判断其上下运动情况．如图所示，导线AB此时受安培力方向竖直向下，导线将向下运动．由上述两个特殊位置的判断可知，导线所受安培力使AB逆时针转动的同时还要向下运动．答案：C　　　　(2014·肇庆二模)质量为m的通电细杆置于倾角为θ的导轨上，导轨的宽度为d，杆与导轨间的动摩擦因数为μ，有电流通过杆，杆恰好静止于导轨上．如图所示的A、B、C、D四个图中，杆与导轨间的摩擦力一定不为零的是(　　)题型3安培力作用下物体的平衡和加速问题【解析】　A图中，导体受到水平向右的安培力，重力和支持力作用，如果重力和安培力的合力与支持力等大反向，则导体杆不受摩擦力，A选项不符合题意；B图中，导体受到竖直向上的安培力，如果重力和安培力二力平衡，则导体杆不受摩擦力，B选项不符合题意；C图中，导体受到竖直向下的安培力，杆静止在导轨上，必须受到摩擦力作用，C选项符合题意；D图中，导体受到水平向左的安培力，如果重力和安培力的合力沿斜面向下，则导体杆不受摩擦力，D选项不符合题意．【答案】　C【方法总结】解决涉及安培力的综合类问题的分析方法是：(1)首先把立体图画成易于分析的平面图，如侧视图、剖视图或俯视图等．(2)确定导线所在处磁场方向，根据左手定则确定安培力的方向．(3)结合通电导体、受力分析、运动情况等，根据题目要求，列出方程，解决问题．　　　　　　　　　质量为m＝0.02kg的通电细杆AB置于倾角为θ＝37°的平行放置的导轨上，导轨的宽度d＝0.2m，杆AB与导轨间的动摩擦因数μ＝0.4，磁感应强度B＝2T的匀强磁场与导轨平面垂直且方向向下，如图所示．现调节滑动变阻器的触头，试求出为使杆AB静止不动，通过AB杆的电流范围为多少？变式训练3-1解析：杆AB中的电流为A到B，所受的安培力方向平行于导轨向上．当电流较大时，导体有向上的运动趋势，所受静摩擦力向下；当静摩擦力达到最大时，安培力为最大值F1，此时通过AB的电流最大为Imax；同理，当电流最小时，应该是导体受向上的静摩擦力，此时的安培力为最小值F2，电流为Imin.正确地画出两种情况下的受力图，由平衡条件列方程求解．根据第一幅受力图列式如下：F1－mgsinθ－Ff1＝0FN－mgcosθ＝0Ff1＝μFNF1＝BImaxd解上述方程得Imax＝0.46A根据第二幅受力图，得F2＋Ff2－mgsinθ＝0，FN－mgcosθ＝0，Ff2＝μFN，F2＝BImind解上述方程得Imin＝0.14A．答案：0.14A≤I≤0.46A1．电流为I的通电导线放置于磁感应强度为B的匀强磁场中，导线所受安培力为F，下列说法哪些是正确的(　　)A．匀强磁场中通电导线所受安培力F，磁感应强度B及电流I，三者在方向上一定互相垂直B．若I、B方向确定，则F方向唯一确定C．若F与B方向确定，则I方向唯一确定D．若F与B方向确定，则I方向不唯一确定，但I一定在与F垂直的平面内E．若F与I方向确定，则B方向唯一确定F．若F与I方向确定，则B方向不唯一确定，但B一定在与F垂直的平面内解析：安培力F的方向既与磁场方向垂直，又与通电导线垂直，即F跟B、I所在的面垂直．但B与I的方向不一定垂直．A中说三者在方向上一定互相垂直是不对的．已知I、B的方向，可唯一确定F的方向，B是正确的．若F与B或I方向确定，则I或B方向不唯一，故C、E错误，D、F正确．答案：BDF2．如图所示四种情况中，匀强磁场磁感应强度相同，载流导体长度相同，通过的电流也相同，那么，导体受到的磁场力最大，且方向沿着纸面的是(　　)A．甲、乙　　　　B．甲、丙C．乙、丁　D．乙、丙解析：甲图所示情况，B与I不垂直，且安培力垂直纸面向里，乙图所示情况中，B与I垂直，安培力在纸面内竖直向下，丙图所示情况中，B与I平行，安培力为0，丁图所示情况中B与I垂直，安培力在纸面内垂直I斜向左上，综合以上分析可知，符合要求的为乙、丁两种情况，故C正确．答案：C3．(2014·金山区一模)如图，通电导线MN与矩形线圈abcd共面，位置靠近cd且相互绝缘．当线圈中通有abcda方向电流时，线圈所受安培力的合力方向(　　)A．向左B．向右C．垂直纸面向外D．垂直纸面向里解析：同向电流相互吸引，反向电流相互排斥，MN对ab边产生排斥力，MN对cd边产生吸引力，故线圈所受安培力的合力方向向左，A选项正确．答案：A4．(2015·龙岩市武平一中模拟)如图所示，方框中有一能产生磁场的装置，在方框右边放一通电直导线(电流方向如图中箭头方向)，发现通电导线受到向右的作用力，则方框中放置的装置可能是下图中的哪个(　　)解析：根据左手定则可知，通电导线受到向右的作用力时，磁场方向垂直纸面向外，A图中通电螺线管产生的磁场方向向右，A选项错误；B图中产生的磁场方向为顺时针，B选项错误；C图中产生的磁场方向向里，C选项错误；D图中产生的磁场方向垂直纸面向外，D选项正确．答案：D