粤教版物理选修3-1三维设计 3.4安培力的应用(可自主编辑)

1．原理直流电动机是利用__________使通电线圈转动的。2．优点通过改变__________来调节它的转速。[自读教材·抓基础]

第四节

安培力的应用直流电动机安培力输入电压通电以后，电动机为什么会转动呢？提示：通电的线圈在磁场内受到了安培力的作用。[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(想一想)

1．直流电动机的原理如图3－4－1所示，在线圈中通以直流电流，矩形线圈在磁场力的作用下发生转动，带动机械运行。[跟随名师·解疑难]

图3－4－1

2．结构及原理分析如图3－4－2所示。图3－4－2直流电动机

(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时不受力，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时不受力，由于惯性继续转动；然后，线圈重复以上过程转动下去。下列关于直流电动机的说法，错误的是(

)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，是电流的热效应解析：选B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。[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)

(1)电流表是测量__________的电学仪器，我们在实验时经常使用的电流表是__________电流表。(2)不论是电动机，还是磁电式电流表，都是磁场中的线圈受到安培力作用而旋转起来的，线圈所在的磁场是__________分布的，这样做的目的是任何位置线圈都与磁感线__________。[自读教材·抓基础]

磁电式电表电流磁电式均匀辐射平行(3)对于磁电式电流表，我们根据指针偏转角度的大小可以知道被测电流的强弱，这是因为磁场对电流的作用力跟电流成__________，因而线圈中的电流越大，安培力的转动作用也越________，线圈和指针偏转的角度也就越________。正比大大若磁电式仪表的指针只能从左向右偏，使用时，正负极能不能接反？若指针在中间呢？提示：不能。正负极接反后，电流方向与正常相反，指针向左偏，容易损坏电表。若指针在中间，正负极接反影响不大。[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(想一想)

1．电流表中磁铁与铁芯之间的磁场是均匀辐射分布的所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，

不管线圈处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度。该磁场并非匀强磁场，但在以铁芯为中心的圆圈上，各点的磁感应强度B的大小是相等的。[跟随名师·解疑难]

2．电流表的工作原理如图3－4－3矩形线框两条边所受安培力大小相等，方向相反，大小为F＝BIL，但两力不在一条直线上，两个力形成一对力偶，设两力间距为d，则安培力矩M＝F·d＝BIL·d＝BIS(其中S为线圈面积)。

图3－4－3电流表的工作原理

从公式中可以看出：(1)对于同一电流表N、B、S和k为不变量，所以θ∝I，可见θ与I一一对应，从而用指针的偏角来测量电流强度I的值；(2)因为θ∝I，θ随I的变化是线性的，所以表盘的刻度是均匀的。(多选)关于磁电式电流表，下列说法中正确的有(

)A．电流表的线圈处于匀强磁场中B．电流表的线圈处于均匀辐向磁场中C．电流表的线圈转动时，安培力大小不变D．电流表指针的偏转角与所测电流成反比解析：选BC电流表的线圈所处的磁场并非是匀强磁场，是均匀辐向磁场，线圈两条边所在处的磁感应强度大小相同，但方向不同，而且离转动轴距离不同的位置其磁感应强度大小也不同，所以不是匀强磁场。[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)

1．如图3－4－4甲所示是磁电式电流表的结构图，图3－4－4乙是磁极间的磁场分布图，以下选项中正确的是(

)[典题例析]

磁电式电流表原理的理解图3－4－4

①指针稳定后，线圈受到螺旋弹簧的力矩与线圈受到的磁力矩方向是相反的②通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转的角度也越大③在线圈转动的范围内，各处的磁场都是匀强磁场④在线圈转动的范围内，线圈所受磁力矩与电流有关，而与所处位置无关A．①②

B．③④C．①②④

D．①②③④[思路点拨]

辐射状磁场保证了线圈转动到任何位置，其转动力矩都不受B和转动角度的影响，而只与电流有关。[解析]

当阻碍线圈转动的力矩增大到与安培力产生的使线圈转动的力矩平衡时，线圈停止转动，即两力矩大小相等、方向相反，故①正确。磁电式电流表蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的，不管线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，均匀辐向分布的磁场特点是大小相等、方向不同，故③错，④正确。电流越大，电流表指针偏转的角度也越大，故②正确。故C正确。[答案]

C2．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[跟踪演练]

解析：选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。分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法(1)电流元法。把整段电流等效为多段直线电流元，先用左手定则判断出每小段电流元所受安培力的方向，从而判断整段电流所受合力方向，最后确定运动方向。安培力作用下通电导体的运动(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安培力的方向，从而确定运动方向。(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。1．如图3－4－5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[思路点拔]

此题可以采用等效法，也可以采用电流元法。[典题例析]图3－4－5

[解析]

方法一：等效法。把通电线圈等效成小磁针。由安培定则可知，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。方法二：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，对通电导体的作用都是通过磁场来实现的，因此必须要清楚导体所在位置的磁场分布情况。(2)结合左手定则准确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。[探规寻律]2．螺线管正中间的上方悬挂一个通有顺时针方向电流的小线圈，线圈的平面与螺线管的轴线在同一竖直面内，如图3－4－6所示。当开关S合上时(一小段时间内)，从上方俯视，线圈应该(

)[跟踪演练]

图3－4－6

A．顺时针方向转动，同时向左移动B．逆时针方向转动，同时向右移动C．顺时针方向转动，同时悬线的拉力减小D