2019-2020学年高中物理第三章磁场第四节安培力的应用学案粤教版选修3

1、第四节安培力的应用学科素养与目标要求物理观念：1.知道直流电动机、磁电式电表的基本造及工作原理.2.进一步熟练掌握安培力公式及方向的判断.科学思维：会用电流元法、特殊位置法、等效法、结论法、转化法分析导体在安培力作用下的运动和平衡问题.一、直流电动机1 .定义：电动机是利用安培力使通电线圈转动,将电能转化为机械能的重要装置.2 .分类：电动机有直流电动机和交流电动机,交流电动机又分为单相交流电动机和三相交流电动机.3 .原理：如图1所示，当电流通过线圈时，右边线框受到的安培力方向向下，左边线框受到向上的安培力，在安培力作用下线框转动起来.4 .直流电动机突出的优点是可以通过改变输入电压调节其转

2、速,而交流电动机的调速就不太方便.二、磁电式电表1 .构造：磁电式电流表是在强蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯,铁芯外面套有一个可以转动的铝框，在铝框上绕有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针,线置_的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈2 .原理：通电线圈在磁场中受到安培力而偏转.线圈偏转的角度越大，被测电流就越大.3 .特点：如图2所示，蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的,通电线圈不管转到什么角度，线圈的平面都跟磁感线平行.当电流通过线圈的时候，线圈上跟铁芯轴线平行的两边受到的安培力产生力矩，使线圈发生转动.同时，螺旋弹簧被扭转，产生一个阻碍线圈转

3、动的力矩，其大小随线圈转动角度的增大而增大.直至上述两个力矩相平衡时,线圈才会停下来.判断下列说法的正误.(1)当电动机线圈与磁场垂直时，磁通量最大.(V)(2)直流电动机通过改变输入电压很容易调节转速，交流电动机不容易调速.(V)(3)磁电式电表内的磁场是匀强磁场.(X)4 4)磁电式电流表表盘的刻度是均匀的.(V)5 5)磁电式电表指针的偏转是由于线框受安培力的作用.(V)6 6)对于磁电式电表，指针稳定后，线圈受到螺旋弹簧的阻力与线圈受到的安培力方向是相反的.(V)、安培力的实际应用1如图3甲是磁电式电流表的结构示意图，蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布，如图乙所示，边长为L的正方形线圈

4、中通以电流I，线圈中的某一条a导线电流方向垂直纸面向外，b导线电流方向垂直纸面向里，a、b两条导线所在处的磁感应强度大小均为B,则（）图3A. 该磁场是匀强磁场B. 该线圈的磁通量为BL2C. a导线受到的安培力方向向下D. b导线受到的安培力大小为BIL答案D解析匀强磁场应该是一系列平行的磁感线，方向相同，该磁场明显不是匀强磁场，故A错误；线圈与磁感线平行，故磁通量为零，故B错误；a导线电流方向垂直纸面向外，磁场方向向右，根据左手定则，安培力方向向上，故C错误；导线b始终与磁感线垂直，故受到的安培力大小一直为ILB,故D正确.磁电式电表内的磁场均匀辐向分布，通电线圈不管转动什么角度，线圈的平

5、面都跟磁感线平行，线圈受到的安培力都垂直于线圈平面.2如图4所示，在一直流电动机的气隙中（磁极和电枢之间的区域），磁感应强度为0.8T.假设在匀强磁场中垂直放有400匝电枢导线，电流为10A,导线的有效长度为0.15m,求：(1)电枢导线ab边所受的安培力的大小；(2)线圈转动的方向.答案(1)480N(2)从外向里看为顺时针方向解析(1)根据安培力公式，电枢导线ab边所受的安培力的大小为F安=NBLI=400X0.8X0.15X104480N.(2)在题图位置，由左手定则知ab边受安培力方向向上，dc边受安培力方向向下.则从外向里看，线圈顺时针方向转动.二、安培力作用下导体运动方向的判断判断

6、安培力作用下导体的运动方向或运动趋势方向，常有以下几种方法：(1) 电流元法即把整段电流等效为多段直线电流元，运用左手定则判断出每小段电流元受安培力的方向，从而判断出整段电流所受合力的方向.(2) 特殊位置法把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置后再判断所受安培力方向，从而确定其运动方向.(3) 等效法环形电流和通电螺线管都可以等效成条形磁铁.条形磁铁也可以等效成环形电流或通电螺线管.通电螺线管也可以等效成很多匝的环形电流来分析.(4) 利用结论法两电流相互平行时无转动趋势，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥；两电流不平行时，有转动到相互平行且电流方向相同的趋势(5) 转换研究对象法电流与磁体

7、之间的相互作用满足牛顿第三定律.定性分析磁体在电流产生的磁场中的受力和运动时，可先分析电流在磁体的磁场中受到的安培力，然后由牛顿第三定律，再确定磁体所受电流的作用力.3如图5所示，把一重力不计的通电直导线AB水平放在蹄形磁铁磁极的正上方（虚线过AB的中点），导线可以在空间自由运动，当导线通以图示方向电流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，同时上升答案C解析如图所示，将导线AB分成左、中、右三部分.中间一小段开始时电流方向与磁场方向一致，不受力；左端一段所在处的磁场方向斜向右上，根

8、据左手定则其受力方向向外；右端一段所在处的磁场方向斜向右下，受力方向向里.当转过一定角度时，中间一小段电流不再与磁场方向平行，由左手定则可知其受力方向向下，所以从上往下看导线将一边逆时针方向转动，一边向下运动，C选项正确.判断导体在磁场中运动情况的常规思路不管是电流还是磁体，对通电导体的作用都是通过磁场来实现的，因此，此类问题可按下列步骤进行分析：(1) 确定导体所在位置的磁场分布情况.(2) 结合左手定则判断导体所受安培力的方向.(3) 由导体的受力情况判定导体的运动方向.学科素养例3根据安培力的方向来判断导体的运动方向.这是基于事实证据进行科学推理，体现了“科学思维”的学科素养.针对训练(

9、2018扬州中学高二期中)如图6所示，通电直导线ab位于两平行导线横截面MN的连线的中垂线上.当平行导线M、N通以同向等值电流时，下列说法中正确的是()A. ab顺时针旋转B. ab逆时针旋转C.a端向外，b端向里旋转D.a端向里，b端向外旋转答案C解析首先分析出两个平行电流在直导线ab处产生的磁场情况，如图所示，两电流产生的在直导线ab上部分处的磁感线方向都是从左向右，则ab上部分电流受到的安培力方向垂直纸面向外；在ab下部分处的磁感线方向都是从右向左，故ab下部分电流受到的安培力方向垂直纸面向里.所以，导线的a端向外旋转，导线的b端向里旋转.4 如图7所示，一重为G1的通电圆环置于水平桌面

10、上，圆环中电流方向为顺时针方向（从上往下看），在圆环的正上方用轻绳悬挂一条形磁铁，磁铁的中心轴线通过圆环中心，磁铁的上端为N极，下端为S极，磁铁自身的重力为G.则关于圆环对桌面的压力F和磁铁对轻绳的拉力F'的大小，下列关系中正确的是（）图7A.F>G,F'>GB.FvG,F'>GC.FvG,F'<GD.F>G,F'vG答案D解析顺时针方向的环形电流可以等效为一个竖直放置的“小磁针”，由安培定则可知，“小磁针”的N极向下，S极向上，故与磁铁之间的相互作用力为斥力，所以圆环对桌面的压力F将大于圆环的重力G,磁铁对轻绳的拉力F&#

11、39;将小于磁铁的重力G,选项D正确.5 如图8所示，条形磁铁放在桌面上，一根通电直导线由S极的上端平移到N极的上端的过程中，导线保持与磁铁垂直，导线的通电方向如图所示.则这个过程中磁铁受到的摩擦力(磁铁保持静止)()A. 为零B. 方向由向左变为向右C. 方向保持不变D. 方向由向右变为向左答案B解析首先磁铁上方的磁感线从N极出发回到S极，是曲线，直导线由S极的上端平移到N极的上端的过程中，通电导线的受力由左上方变为正上方再变为右上方，根据牛顿第三定律知，磁铁受到的力由右下方变为正下方再变为左下方，磁铁静止不动，所以所受摩擦力方向由向左变为向右，B正确.点拨定性分析磁体在电流产生的磁场中的受

12、力和运动时，可先分析电流在磁体的磁场中受到的安培力，然后由牛顿第三定律，再确定磁体所受电流的作用力.1 .（电动机的原理）如图9所示是直流电动机的模型，闭合开关后线圈顺时针转动.现要线圈逆时针转动，下列方法中可行的是（）图9A. 只改变电流方向B. 只改变电流大小C. 换用磁性更强的磁铁D. 对换磁极同时改变电流方向答案A解析直流电动机的转动方向与线圈中的电流方向和磁场方向有关，若使通入直流电动机的电流方向改变或磁场的方向改变，它的转动方向将改变.但是如果同时改变电流的方向和磁场的方向，线圈的转动方向将不变，故A正确.2 .（磁电式电表）（多选）实验室经常使用的电流表是磁电式电流表.这种电流表

13、的构造如图10甲所示.蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的.当线圈通以如图乙所示的恒定电流（b端电流流向垂直纸面向内），下列说法正确的是（）A. 当线圈在如图乙所示的位置时，b端受到的安培力方向向上B. 线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线圈转动C. 线圈通过的电流越大，指针偏转角度越小D. 电流表表盘刻度均匀答案BD解析由左手定则可判定：当线圈在如题图乙所示的位置，b端受到的安培力方向向下，故A错误；当通电后，处于磁场中的线圈受到安培力作用，使其转动，螺旋弹簧被扭动，则线圈受到弹簧的阻力，从而阻碍线圈转动，故B正确；线圈中通过的电流越大，线圈受到的安培力越大，指针偏转的角度越大，C错误；在线

14、圈转动的范围内，线圈平面始终与磁感线平行，且磁感应强度大小相等，故各处安培力大小相同，表盘刻度均匀，D正确.3 .(安培力作用下导体的运动)一重力不计的直导线平行于通电螺线管的轴线放置在螺线管的上方，如图11所示，如果直导线可以自由地运动且通以方向为由a到b的电流，则导线ab受到安培力的作用后的运动情况为()A. 从上向下看顺时针转动并靠近螺线管B. 从上向下看顺时针转动并远离螺线管C. 从上向下看逆时针转动并远离螺线管D. 从上向下看逆时针转动并靠近螺线管答案D解析先由安培定则判断通电螺线管的南、北两极，找出导线左、右两端磁场的方向，并用左手定则判断这两端受到的安培力的方向，如图甲所示.可以

15、判断导线受到磁场力作用后从上向下看按逆时针方向转动，再分析导线转过90°时导线位置的磁场方向，再次用左手定则判断导线所受磁场力的方向，如图乙所示，可知导线还要靠近螺线管，所以D正确，AB、C错误.4 .（安培力作用下导体运动方向的判断）如图12所示，把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在条形磁. 当线圈内通以图示方向的电流( 从铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直线圈平面右向左看沿逆时针方向)后，线圈的运动情况是()图12A. 线圈向左运动B. 线圈向右运动C. 从上往下看顺时针转动D. 从上往下看逆时针转动答案A解析将环形电流等效成小磁针，如图所示，根据异名磁极相互吸引知，线圈将向左运

16、动，也可将左侧条形磁铁等效成环形电流，根据结论“同向电流相吸引，异向电流相排斥”也可判断出线圈向左运动，选A.一、选择题考点一安培力的实际应用1.某物理兴趣小组利用课外活动时间制作了一部温控式电扇(室温较高时，电扇就会启动)，其设计图分为温控开关、转速开关及电动机三部分，如图1所示，其中温控开关为甲、乙两种金属材料制成的双金属片.对电动机而言，电扇启动后，下列判断正确的是()图1A. 要使电扇转速加大，滑动片P应向B移动B. 面对电扇，电扇沿顺时针方向转动C. 面对电扇，电扇沿逆时针方向转动D. 电扇有时顺时针方向转动，有时逆时针方向转动答案B解析滑动片P向B移动时，线圈中电流减小，电扇转速减

17、小；由左手定则可判断线圈各边所受安培力的方向，可知电扇顺时针转动.2.（2018北京市朝阳区高二上期末）一种可测量磁感应强度大小的实验装置，如图2所示.磁铁放在水平放置的电子测力计上，两极之间的磁场可视为水平匀强磁场.其余区域磁场的影响可忽略不计.此时电子测力方t的示数为G.将一直铜条AB水平且垂直于磁场方向静置于磁场中.两端通过导线与电源、开关、滑动变阻器和电流表连成回路.闭合开关，调节滑动变阻器的滑片.当电流表示数为I时，电子测力计的示数为G,测得铜条在匀强磁场中的长度为L.铜条始终未与磁铁接触，对上述实验下列说法正确的是（）A.铜条所受安培力方向竖直向下B.铜条所在处磁场的磁感应强度大小

18、为C.铜条所在处磁场的磁感应强度大小为D.铜条所在处磁场的磁感应强度大小为G-GILG-GILG+GIL答案 C解析 由左手定则可知，铜条所受安培力方向竖直向上,选项A错误；由牛顿第三定律可知,导体棒对磁铁有向下的作用力，使得电子测力计的示数增加，由平衡知识可知：GG=BIL,»，r G G , .解得B=选项C正确,B、D错误.3.（多选）如图3甲所示，扬声器中有一线圈处于磁场中，当音频电流信号通过线圈时，线圈带动纸盆振动，发出声音.俯视图乙表示处于辐射状磁场中的线圈（线圈平面平行于纸面），磁场方向如图中箭头所示，在图乙中 （）A. 当电流沿顺时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于

19、纸面向里B. 当电流沿顺时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外C. 当电流沿逆时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里D. 当电流沿逆时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外答案BC解析将线圈看成由无数小段直导线组成，由左手定则可以判断，当电流沿顺时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外，选项B正确，A错误；当电流沿逆时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里，选项C正确，D错误.4.如图4所示的天平可用来测量磁场的磁感应强度.天平的右臂下面挂一个矩形线圈，宽为L，共N匝，线圈的下部悬在匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面.当线圈中通有电流I（方向如图所示）时，在天平两

20、边加上质量分别为m1、m2的砝码时，天平平衡；当电流反向（大小不变）时，右边再加上质量为m的祛码后，天平又重新平衡.由此可知（重力加速度为g）（）A.磁感应强度方向垂直纸面向里，大小为B.磁感应强度方向垂直纸面向里，大小为C.磁感应强度方向垂直纸面向外，大小为D.磁感应强度方向垂直纸面向外，大小为答案Bm m g NILmg2N1Lm m g NILmg2NIL解析因为电流反向时，右边再加祛码才能重新平衡，所以此时安培力竖直向上，由左手定则判断磁场方向垂直于纸面向里.电流反向前，有mg=mg+mg+NBIL,其中m为线圈质量一、一，一，一，一一mg,电流反向后，有mg=mg+mg+mg-NBI

21、L.两式联立可得B=2NjL.故选B.考点二安培力作用下导体运动的判断5. 在如图5所示的电路中，电池均相同，当开关S分别置于a、b两处时，导线MM与NN之间的安培力的大小为Fa、Fb,判断这两段导线（）A.相互吸引，Fa>FbB.相互排斥，Fa>FbC.相互吸引，Fa<FbD.相互排斥，FaVFb答案D解析开关S分别置于a、b两处时，电源分别为一节干电池和两节干电池，而电路中灯泡电阻不变，则电路中电流IaIb,MM在nN处的磁场在接a时较弱，应用安培力公式F=BIL可知EvFb,又MM与NN电流方向相反，则二者相互排斥.6. 把一根柔软的螺旋形弹簧竖直悬挂起来，使它的下端刚

22、好跟杯里的导电液体相接触，并使它组成如图6所示的电路图.当开关S接通后，将看到的现象是()A.弹簧向上收缩B. 弹簧被拉长C. 弹簧上下跳动D. 弹簧仍静止不动答案C解析因为通电后，弹簧中每一圈的电流都是同向的，互相吸引，弹簧缩短，电路就断开了，断开后没电流了，弹簧掉下来接通电路如此通断通断，弹簧上下跳动7. 固定导线c垂直纸面，可动导线ab通以如图7所示方向的电流，用测力计悬挂在导线c的上方，导线c中通以如图所示的电流时，以下判断正确的是()图7A. 导线a端转向纸外，同时测力计读数减小B. 导线a端转向纸外，同时测力计读数增大C. 导线a端转向纸里，同时测力计读数减小D. 导线a端转向纸里

23、，同时测力计读数增大答案B解析导线c中电流产生的磁场在右边平行纸面斜向左上，在左边平行纸面斜向左下，在ab左右两边各取一小电流元，根据左手定则，左边的电流元所受的安培力方向向外，右边的电流元所受安培力方向向里，知ab导线逆时针方向(从上向下看)转动.当ab导线转过90。后，两导线电流为同向电流，相互吸引，导致测力计的读数变大，故B正确，A、C、D错误.8. 两个相同的轻质铝环能在一个光滑的绝缘圆柱体上自由移动，设大小不同的电流按如图8所示的方向通入两铝环，则两环的运动情况是()A. 都绕圆柱体转动B. 彼此相向运动，且具有大小相等的加速度C. 彼此相向运动，电流大的加速度大D. 彼此背向运动，

24、电流大的加速度大答案B解析同向环形电流间相互吸引，虽然两电流大小不等，但根据牛顿第三定律知两铝环间的相互作用力大小必相等，选项B正确.9.通有电流的导线Li、L2处在同一平面（纸面）内，Li是固定的，L2可绕垂直纸面的固定光滑转轴O转动（O为匕的中心），各自的电流方向如图9所示.下列哪种情况将会发生（）A.因L2不受磁场力的作用，故L2不动B.因L2上、下两部分所受的磁场力平衡，故L2不动C.L2绕轴O按顺时针方向转动D.L2绕轴O按逆时针方向转动答案D解析由右手螺旋定则可知导线Li上方的磁场的方向为垂直纸面向外，且离导线Li的距离越远的地方，磁场越弱，导线L2上的每一小部分受到的安培力方向都水平向右，由于O点的下方磁场较强，则安培力较大，因此L2绕轴O按逆时针方向转动，D选项对.10 .（多选）如图10所示，在光滑水平面上一轻质弹簧将挡板和一条形磁铁连接起来，此时磁铁对水平面的压力为FNi，现在磁铁左上方位置固定一导体棒，当导体棒中通以垂直纸面向里的电流后，磁铁对水平面的压力为FN2,则以下说法正确