选修3-1学案第3章第4节安培力的应用

第四节安培力的应用学习目标知识脉络(教师用书独具)1.掌握通电导体在磁场中受安培力作用而运动的规律．(重点)2.了解直流电动机的原理．理解通电线圈在磁场中受安培力作用而转动的规律．(重点、难点)3.了解磁电式电表的构造及原理.[自主预习·探新知][知识梳理]一、直流电动机1．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和三相交流电动机．2．原理：如图3-4-1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．图3-4-1二、磁电式电表1．装置：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．线圈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：如图3-4-2所示，当电流通过线圈时，线圈上跟铁芯轴线平行的两边受到安培力产生力矩，使线圈发生转动．同时由于螺旋弹簧被扭转，产生一个阻碍线圈转动的力矩，最终达到平衡．线圈转动的角度由指针显示出来，根据电流与偏角关系，可以得出电流的强弱．图3-4-2[基础自测]1．思考判断(1)电动机是利用安培力使线圈转动的．()(2)电动机工作时，将其他形式的能转化为电能．()(3)电动机的转速可通过改变输入电压调节．()(4)磁电式电表只能测定电流的大小，不能确定被测电流的方向．()(5)磁电式电表的线圈受到的安培力始终与线圈平面垂直．()【答案】(1)√(2)×(3)√(4)×(5)√2．要改变直流电动机的转动方向，可行方法有()A．适当减小电流强度B．适当减弱磁场C．改变线圈中的电流方向或把磁铁两极对调D．改变线圈中的电流方向的同时对调磁铁两极C[线圈的转动方向跟通入的电流方向和磁场方向有关，而与电流强弱、磁场强弱无关，但不可同时改变电流方向和磁感线方向，故只有选项C正确．]3．(多选)要使一台直流电动机的转速增大一些，下面哪些方法可行()A．减小线圈的面积B．增加线圈的匝数C．将磁极对调D．加大磁场的磁感应强度BD[电动机的转速与所受安培力的力矩大小有关，对于相同的线圈，每边受到的安培力随I或B的增大而增大，而减小线圈面积时，安培力的力矩变小．故B、D都有可能增大转速．]4．电流表中蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的，下列说法正确的是()【导学号：】A．目的是使线圈平面始终与磁感线平行B．目的是让磁铁和铁芯间形成匀强磁场C．离转轴越远，越靠近磁极，因此磁感应强度越大D．目的是使线圈平面始终与磁感线垂直A[辐射磁场的目的是使线圈平行于磁感线，线框在转动中安培力大小不变，A正确，D错误；辐射磁场各处磁感应强度方向不同，距离轴线越远磁场越弱，则B、C均不对．][合作探究·攻重难]安培力的实际应用1.直流电动机的结构及原理分析如图3-4-3所示．abcd图3-4-3(1)当线圈由位置d经位置a运动到位置b时，图中左边受力方向向上，右边受力方向向下，使线圈顺时针转动；当线圈在位置b时，由于惯性继续转动；(2)当线圈由位置b经位置c运动到位置d时，由于电流换向，图中左边受力方向向上，右边受力方向向下，使线圈继续顺时针转动；当线圈在位置d时，由于惯性继续转动；然后，线圈重复以上过程转动下去．2．磁电式电流表的原理分析(1)偏转原理(2)偏转角度设线圈所在处的磁场的磁感应强度为B，线框边长为L，宽度为d，匝数为n，通入电流为I时，转过的角度为θ，由相关的知识可以知道θ＝eq\f(nBLd,K)I，由此可以看出，偏转角度正比于电流．图3-4-4[针对训练]1．(多选)关于直流电动机，下列说法正确的是()A．直流电动机的工作原理是磁场对电流的作用B．直流电动机正常工作时将电能转化为磁场能C．直流电动机的换向器是两个彼此绝缘的半铜环组成的D．电源的正负极和磁场的方向都改变，直流电动机的转动方向也改变AC[直流电动机是因为受安培力而转动，故A正确；其正常工作时要消耗电能输出机械能，故B错误；为了保证直流电动机中的线圈在一周之内的转动过程中，线圈中的电流正好换向，必须有一个改变电流方向的装置——换向器，它必须由两部分组成且彼此绝缘，能随线圈一起转动，C正确；直流电动机的转动方向由电流方向和磁场方向共同决定，因此如果两方向同时改变其转动方向不变，D错误．]2．所谓电流表的灵敏度，是指在通入相同电流的情况下，指针偏转角度的大小．偏角越大，灵敏度越高．下列方法不能提高磁电式电流表灵敏度的方法有()A．增强永久磁铁的磁性B．增大螺旋弹簧的劲度系数C．增大线圈的面积D．增加线圈的匝数B[通电线圈在磁场中转动时，螺旋弹簧变形，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．要提高电流表的灵敏度，就要在通入相同电流时，让指针的偏转角度增大．所以要减小螺旋弹簧的劲度系数，同时使安培力变大，即增加磁感应强度、增大线圈面积和增加线圈的匝数．]安培力作用下导体的运动问题1.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，此类问题可按下面步骤进行分析：(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．2．判断安培力作用下导体运动方向的五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受力的方向，然后判断整段导线所受合力的方向，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，然后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；两不平行的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运动方向一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合，如图3-4-5所示．当两线圈中通以图示方向的电流时，从左向右看，线圈L1将()图3-4-5A．不动 B．顺时针转动C．逆时针转动 D．向纸面内平动B[方法一(电流元法)把线圈L1沿转动轴分成上下两部分，每一部分又可以看成无数段直线电流元，电流元处在L2产生的磁场中，根据安培定则可知各电流元所在处的磁场方向向上，由左手定则可得，上半部分电流元所受安培力均指向纸外，下半部分电流元所受安培力均指向纸内，因此从左向右看线圈L1将顺时针转动．方法二(等效法)把线圈L1等效为小磁针，该小磁针刚好处于环形电流I2的中心，通电后，小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向，由安培定则知I2产生的磁场方向在其中心处竖直向上，而L1等效成小磁针后转动前，N极指向纸内，因此小磁针的N极应由指向纸内转为向上，所以从左向右看，线圈L1将顺时针转动．方法三(结论法)环形电流I1、I2之间不平行，则必有相对转动，直到两环形电流同向平行为止，据此可得，从左向右看，线圈L1将顺时针转动．][针对训练]3．如图3-4-6所示，把轻质导线圈用细线挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈中心，且在线圈平面内．当线圈通以图示方向的电流时线圈将()图3-4-6A．发生转动，同时靠近磁铁B．发生转动，同时远离磁铁C．不发生转动，只靠近磁铁D．不发生转动，只远离磁铁A[由右手螺旋定则可知，线圈向外一面为S极，因为异名磁极相互吸引，因此从上往下看，线圈做顺时针方向转动，同时靠近磁铁，故A正确，B、C、D错误．]安培力作用下导体的平衡1．解题步骤(1)明确研究对象；(2)先把立体图改画成平面图，并将题中的角度、电流的方向、磁场的方向标注在图上；(3)正确受力分析(包括安培力)，然后根据平衡条件：F合＝0列方程求解．2．分析求解安培力时需要注意的问题(1)首先画出通电导体所在处的磁感线的方向，再根据左手定则判断安培力的方向；(2)安培力大小与导体放置的角度有关，但一般情况下只要求导体与磁场垂直的情况，其中L为导体垂直于磁场方向的长度，为有效长度．如图3-4-7所示，用两根轻细金属丝将质量为m、长为l的金属棒ab悬挂在c、d两处，置于匀强磁场内，当棒中通以从a到b的电流I后，两悬线偏离竖直方向θ角而处于平衡状态．为了使棒平衡在该位置上，所需的磁场的最小磁感应强度的大小、方向为()图3-4-7A.eq\f(mg,Il)tanθ，竖直向上B.eq\f(mg,Il)tanθ，竖直向下C.eq\f(mg,Il)sinθ，平行于悬线向下D.eq\f(mg,Il)sinθ，平行于悬线向上D[要求所加磁场的磁感应强度最小，应使棒平衡时所受的安培力有最小值．由于棒的重力恒定，悬线拉力的方向不变，由画出的力的三角形可知，安培力的最小值为Fmin＝mgsinθ，即IlBmin＝mgsinθ，得Bmin＝eq\f(mg,Il)sinθ，方向应平行于悬线向上．故选D.]解决安培力作用下的受力平衡问题，受力分析是关键，解题时应先画出受力分析图，必要时要把立体图转换成平面图．例如：立体图平面图[针对训练]4．如图3-4-8所示，金属棒MN两端由等长的轻质细线水平悬挂，处于竖直向上的匀强磁场中，棒中通以由M向N的电流，平衡时两悬线与竖直方向夹角均为θ.如果仅改变下列某一个条件，θ角的相应变化情况是()【导学号：】图3-4-8A．棒中的电流变大，θ角变大B．两悬线等长变短，θ角变小C．金属棒质量变大，θ角变大D．磁感应强度变大，θ角变小A[金属棒的受力情况如图所示，则有tanθ＝eq\f(F安,mg)＝eq\f(BIL,mg).当棒中的电流I变大或者磁感应强度B变大时，因为重力不变，所以θ角会变大，选项A对，D错；两悬线等长变短对θ角没有影响，选项B错；当金属棒的质量变大时，θ角变小，选项C错．][当堂达标·固双基]1．(多选)下列关于直流电动机的说法，正确的是()A．直流电动机是将电能转化为机械能的装置B．直流电动机能把电能全部转化为动能C．直流电动机是依靠磁场对电流的作用工作的D．直流电动机工作时也会有发热现象，是电流的热效应ACD[从能量角度来看直流电动机是把电能转化成机械能的装置．其工作原理是利用了磁场对电流的作用．但由于线圈有一定的电阻，直流电动机在工作过程中会产生一定的焦耳热．]2．(多选)一只电流表，发现读数偏小，为纠正这一偏差，可行的措施是()【导学号：】A．减少表头线圈的匝数B．减小永久磁铁的磁性C．增加分流电阻的阻值D．增加表头线圈的匝数CD[电流大小一定的情况下，线圈匝数越多，磁感应强度越大，安培力越大，偏转角度越大，所以A、B错误，D正确．电流表表头和分流电阻并联，在总电流一定的情况下，欲使读数增大，必须增大通过表头的电流，根据并联电路的电阻之比等于电流的反比，表头电阻不变，增加分流电阻的阻值，可使线圈中电流增大，C正确．]3.如图3-4-9所示，在蹄形磁铁的上方放置一个可以自由运动的通电线圈abcd，最初线圈平面与蹄形磁铁处于同一竖直面内，则通电线圈运动的情况是()图3-4-9A．ab边转向纸外，cd边转向纸里，同时向下运动B．ab边转向纸里，cd边转向纸外，同时向下运动C．ab边转向纸外，cd边转向纸里，同时向上运动D．ab边转向纸里，cd边转向纸外，同时向上运动B[在图示位置时，根据左手定则判断可知：ad边左半边所受磁场力方向向里，右半边所受磁场力方向向外，则ab边转向纸里，cd边转向纸外，从图示位置转过90°时，根据左手定则判断可知：ad边所受磁场力方向向下，所以线圈ab边转向纸里，cd边转向纸外，同时向下运动，故B正确，A、C、D错误．]4．质量为