高二物理人教版選修3-1課件 第3章磁場 第4節(jié)《磁場對通電導線的作用力》

歡迎進入物理課堂 第四節(jié)磁場對通電導線的作用力 學習目標 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算方法 3 了解磁電式電流表的原理 重點難點 安培力的大小計算和方向判定 易錯問題 1 安培力方向的判定 2 計算安培力大小時 導體有效長度的確定 一 安培力的方向1 人們把通電導線在磁場中受的力稱為 2 通電導線在磁場中所受安培力的方向 與電流 磁感應強度的方向都 安培力 垂直 3 左手定則 伸開左手 使拇指與其余四個手指垂直 并且都與手掌在同一平面內 讓磁感線從進入 并使四指指向 這時拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向 掌心 電流的方向 4 研究庫侖力時 用來檢驗電場的是 檢驗電荷受庫侖力的方向與電場的方向相同或相反 研究安培力時 用來檢驗磁感應強度的是一個有方向的電流元 電流元受力的方向 磁場的方向 電流的方向三者不但不在一條直線上 而且不在一個里 因此研究安培力問題要涉及三維空間 點電荷 平面 1 左手定則是用來判定安培力的方向與磁感應強度的方向和電流方向三者之間關系的 這三個量的方向一定是兩兩垂直嗎 思考 5 通過實驗可得出 平行通電直導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 平行通電直導線相互吸引 平行通電直導線相互排斥 二 安培力的大小1 垂直于磁場B放置長為L的通電導線 當通過的電流為I時 它所受的安培力F為 2 當磁感應強度B的方向與導線方向成 角時 公式F ILB ILBsin 2 通電導體如果是彎曲的 如何確定它的有效長度 思考 提示 2 導體兩端的連線即為有效長度 思考 三 磁電式電流表1 磁電式電流表的原理是的關系 2 磁電式儀表的構造特點 1 構造 磁鐵 線圈 螺旋彈簧 軟鐵 極靴 2 特點 兩極間裝有極靴 極靴和極靴中間的鐵質圓柱 使極靴與圓柱間的磁場都沿方向 使線圈平面都與磁場方向 使表盤刻度 安培力與電流 半徑 平行 均勻 3 線圈偏轉的越大 被測電流就越大 根據線圈偏轉的 可以知道被測電流的方向 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方向和電流方向所決定的平面 在判斷時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 然后再根據左手定則判斷出安培力的具體方向 2 當電流方向跟磁場方向不垂直時 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 一定要讓磁感線垂直穿過手心 否則可能出現(xiàn)錯誤 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 1 F安 I F安 B 但B與I不一定垂直 2 判斷通電導線在磁場中所受安培力時 注意一定要用左手 并注意各方向間的關系 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 有效長度 當B與I垂直時 F最大 F ILB 當B與I平行時 F 0 2 彎曲導線的有效長度L 等于連接兩端點直線的長度 如圖3 4 1所示 相應的電流沿L由始端流向末端 圖3 4 1 3 若磁場和電流成 角時 如圖3 4 2所示 可以將磁感應強度B正交分解成B Bsin 和B Bcos 而B 對電流是沒有作用的 F ILB ILBsin 即F ILBsin 圖3 4 2 三 安培力作用下導體運動方向的判斷如果通電導體放置在非勻強磁場中 則不能夠運用F BIL進行定量的計算 但可用F BIL和左手定則進行定性的討論 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 最后確定運動方向 注意一般取對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通電導體在特殊位置所受安培力的方向 判斷其運動方向 然后推廣到一般位置 4 結論法兩平行直線電流在相互作用過程中 無轉動趨勢 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 有轉到平行且電流方向相同的趨勢 四 安培力與力學相結合的綜合問題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 2 與閉合電路歐姆定律相結合的題目 主要應用 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習的共點力平衡相似 一般也是先進行受力分析 再根據共點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 安培力作為通電導體所受的外力參與受力分析 產生了通電導體在磁場中的平衡 加速及做功問題 這類問題與力學知識聯(lián)系很緊密 解題時把安培力等同于重力 彈力 摩擦力等性質力 對物體進行受力分析時 注意安培力大小和方向的確定 求解時注意運用力學中靜力學 動力學及功和能等有關知識 解此類題可以有效地培養(yǎng)綜合分析能力 必須引起重視 為方便對問題的分析和便于列方程 在受力分析時將立體圖畫成平面圖 即畫成俯視圖 剖面圖或側視圖等 如圖3 4 3所示 a b為平行放置的兩根長直導線 當a b中通入方向相同的電流時 a b將發(fā)生怎樣的作用 圖3 4 3 例1 思路點撥 當直導線a中通入電流時 在它的周圍就產生了磁場 磁場方向可用安培定則確定 另一通電直導線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 解析 由安培定則可知a導線中的電流在a導線的右側產生從外向里的磁場 如圖3 4 4所示 b導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 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 當開關S分別置于a b兩處時 導線MM 與NN 之間的安培力的大小分別為Fa Fb 可判斷兩段導線 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 無論開關置于a還是置于b 兩導線中通過的都是反向電流 相互間作用力為斥力 A C錯誤 開關置于位置b時電路中電流較大 導線間相互作用力也較大 故D正確 如圖3 4 6所示 把一通電直導線放在蹄形磁鐵磁極的正上方 導線可以自由移動 當導線中通過如圖所示方向的電流I時 試判斷導線的運動情況 圖3 4 6 例2 解析 根據圖3 4 6所示的導線所處的特殊位置判斷其轉動情況 將導線AB從N S極的中間O分成兩段 AO BO段所處的磁場方向如圖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 導線AB將繞O點逆時針轉動 圖3 4 7 再根據導線轉過90 時的特殊位置判斷其上下運動情況 如圖3 4 8所示 導線AB此時受安培力方向豎直向下 導線將向下運動 由上述兩個特殊位置的判斷可知 當導線在題中所給狀態(tài)時 所受安培力使AB逆時針轉動的同時還要向下運動 圖3 4 8 答案 逆時針轉動的同時向下運動 思維總結 1 判斷安培力作用下物體的運動方向 要根據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 若磁感應強度方向與電流方向不垂直 可將磁感應強度B分解為與電流垂直分量和平行分量 2 如圖3 4 9所示 把輕質導電線圈用絕緣細線懸掛在磁鐵N極附近 磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直于線圈平面 當線圈內通入如圖所示方向的電流后 則線圈 A 向左運動B 向右運動C 靜止不動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 線圈向左運動 法二 電流元法 如圖所示 取其中的上 下兩小段分析 根據其中心對稱性知線圈所受安培力的合力水平向左 故線圈向左運動 質量為m 0 02kg的通電細桿ab置于傾角為 37 的平行放置的導軌上 導軌的寬度d 0 2m 桿ab與導軌間的動摩擦因數(shù) 0 4 磁感應強度B 2T的勻強磁場與導軌平面垂直且方向向下 如圖3 4 10所示 現(xiàn)調節(jié)滑動變阻器的觸頭 試求出為使桿ab靜止不動 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軌向上 當電流較大時 導體有向上的運動趨勢 所受靜摩擦力向下 當靜摩擦力達到最大時 磁場力為最大值F1 此時通過ab的電流最大為Imax 同理 當電流最小時 應該是導體受向上的最大靜摩擦力 此時的安培力為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 1 必須先將立體圖轉換為平面圖 然后對物體受力分析 要注意安培力方向的確定 最后根據平衡條件或物體的運動狀態(tài)列出方程 2 注意靜摩擦力可能有不同的方向 因而求解結果是一個范圍 3 質量為m 長度為L的導體棒MN靜止于水平導軌上 通過MN的電流為I 勻強磁場的磁感應強度為B 方向與導軌平面成 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MN受力分析如圖所示 由平衡條件得 水平方向 Ff Fsin 堅直方向 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 關于通電導線所受安培力F的方向 磁感應強度B的方向和電流I的方向之間的關系 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總是與磁感應強度B和電流I決定的平面垂直 但B與I 即導線 可以垂直 也可以不垂直 如果通電導線受安培力時 力F與磁場及力F與導線都是垂直的 故A C D均錯 B正確 2 2009年高考海南卷 一根容易形變的彈性導線 兩端固定 導線中通有電流 方向如圖3 4 13中箭頭所示 當沒有磁場時 導線呈直線狀態(tài) 當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磁場時 描述導線狀態(tài)的四個圖示中正確的是 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 若兩線圈內通以大小不等的同向電流 則它們的運動情況是 A 都繞圓柱轉動B 以不等的加速度相向運動C 以相等的加速度相向運動D 以相等的加速度背向運動 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 已知質量為m的通電細桿ab與導軌間的摩擦因數(shù)為 有電流時 ab恰好在導軌上靜止 如圖3 4 15所示 圖3 4 16是它的四個側視圖的四種可能的勻強磁場方向 其中能使桿ab與導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四個圖中導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 將長為1m的導線ac 從中點b折成如圖3 4 17所示形狀 放入B 0 08T的勻強磁場中 abc平面與磁場垂直 若在導線abc中通入25A的直流電 則整根導線所受安培力大小為多少 圖3 4 17 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全