人教版(新教材)高中物理选择性必修2学案2：1 1 磁场对通电导线的作用力

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE11.1磁场对通电导线的作用力〖学习目标〗1．知道什么是安培力，会推导安培力公式F＝IlB或F＝IlBsinθ，明确它们的使用条件。2．知道左手定则的内容，并会用它判断安培力的方向。3．了解磁电式电流表的工作原理。〖自主学习〗知识点一安培力的方向〖新知导入〗观察安培力的方向的实验装置如图所示。请思考下列问题：(1)接通电源之后，会观察到原来静止的导体棒发生了摆动，为什么？(2)实验中上下交换磁极的位置改变磁场的方向，观察导体棒摆动方向是否改变。(3)实验中改变导体棒中电流的方向，观察导体棒摆动方向是否改变。〖知识梳理〗1．安培力：通电导线在磁场中受的力。2．左手定则：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个平面内；让磁感线从掌心垂直进入，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。3．安培力方向与磁场方向、电流方向的关系：F⊥B,F⊥I,即F垂直于B和I所决定的平面。〖小试牛刀〗1．判断正误。(1)安培力的方向与磁感应强度的方向相同。()(2)安培力的方向与磁感应强度的方向垂直。()(3)应用左手定则时，四指指向电流方向，拇指指向安培力方向。()(4)通电直导线在磁场中受到安培力时一定满足B与I垂直。()2．〖多选〗如图所示，F是磁场对通电直导线的作用力，其中正确的示意图是()知识点二安培力的大小〖新知导入〗处在匀强磁场中的通电导线，如果放置的方式不同，其所受安培力的大小是否相同？〖知识梳理〗1．垂直于磁场B的方向放置的长为l的一段导线，当通过的电流为I时，它所受的安培力F＝IlB。2．当磁感应强度B的方向与通电导线的方向平行时，导线所受安培力为eq\a\vs4\al(0)。3．当磁感应强度B的方向与导线成θ角时，导线所受安培力F＝IlBsinθ。〖小试牛刀〗1．判断正误。(1)在磁感应强度为B的磁场中放置长为l的一段导线，当通过电流为I时，它所受安培力为BIl。()(2)一通电导线放在某处不受安培力作用，则该处的磁感应强度一定为零。()(3)通电导线在磁场中不一定受安培力。()(4)若磁感应强度一定，导线的长度和电流也一定的情况下，导线平行于磁场方向时，安培力最小；导线垂直于磁场方向时，安培力最大。()2．长度为l、通有电流为I的直导线放入一匀强磁场中，电流方向与磁场方向如图所示。已知磁感应强度为B，对于下列各选项图中，导线所受安培力的大小计算正确的是()知识点三磁电式电流表〖新知导入〗如图所示，通电线圈在磁场中所受安培力方向如何？线圈将如何运动？〖知识梳理〗1．构造：最基本的组成部分是磁体和放在磁体两极之间的线圈。如图所示。2．原理(1)通电线圈在磁场中受安培力发生转动时，螺旋弹簧变形，以反抗线圈的转动。(2)电流越大，安培力就越大，螺旋弹簧的形变也就越大，线圈偏转的角度也越大，达到新的平衡。所以，从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小。(3)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。3．特点：极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等。4．优、缺点(1)优点：灵敏度高，可以测出很弱的电流。(2)缺点：线圈的导线很细，允许通过的电流很小。〖小试牛刀〗1．判断正误。(1)磁电式电流表内是均匀辐向磁场，不是匀强磁场。()(2)磁电式电流表指针偏转角与电流大小成正比。()(3)磁电式电流表根据指针偏转方向，可以知道被测电流方向。()(4)磁电式电流表的灵敏度不高，不能测出很弱的电流。()2．磁电式电流表的结构示意图如图甲所示，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()A．该磁场是匀强磁场 B．穿过该线圈的磁通量为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〖要点突破〗一、安培力方向的理解及判断〖课堂探究〗电场中，电荷所受静电力方向与电场方向相同或相反。磁场中，通电导线在磁场中所受安培力的方向与磁场方向相同吗？〖要点归纳〗1．安培力方向的特点(1)当电流方向跟磁场方向垂直时，安培力的方向、磁场方向和电流方向两两相互垂直。应用左手定则判断时，磁感线从掌心垂直进入，拇指、其余四指和磁感线三者方向两两垂直。(2)当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直于电流方向，也垂直于磁场方向。应用左手定则判断时，拇指与四指、拇指与磁感线方向均垂直，但磁感线与四指方向不垂直。2．安培定则与左手定则对比理解安培定则左手定则用途判断电流产生的磁场方向判断通电导线在磁场中的受力方向因果关系电流是因，磁场是果电流和磁场都是因，安培力是果结论判断安培力的方向不是用安培定则，而是用左手定则〖例题1〗〖多选〗图中装置可演示磁场对通电导线的作用。电磁铁上下两磁极之间某一水平面内固定两条平行金属导轨，L是置于导轨上并与导轨垂直的金属杆。当电磁铁线圈两端a、b，导轨两端e、f，分别接到两个不同的直流电源上时，L便在导轨上滑动，下列说法正确的是()A．若a接正极，b接负极，e接正极，f接负极，则L向右滑动B．若a接正极，b接负极，e接负极，f接正极，则L向右滑动C．若a接负极，b接正极，e接正极，f接负极，则L向左滑动D．若a接负极，b接正极，e接负极，f接正极，则L向左滑动规律方法判断电流方向选取定则的原则当已知磁感线的方向，要判断产生该磁场的电流方向时，选用安培定则判断；当已知通电导线所受安培力的方向时，用左手定则判断。二、安培力大小的分析与计算〖课堂探究〗仔细观察上面图片(1)甲图中计算通电导线所受安培力时，能利用公式F＝BIl吗？如果不能，该如何计算？(2)乙图中设磁感应强度为B，电流大小为I，AB＝BC＝l，整个导线ABC所受安培力如何？与公式F＝BIl对比可以得到什么结论？〖要点归纳〗1．公式F＝IlB中l指的是“有效长度”。当B与I垂直时，F最大，F＝IlB；当B与I平行时，F＝0。2．弯曲导线的有效长度l等于连接两端点线段的长度(如图)。相应的电流沿l由始端流向末端。3．若磁场方向和电流方向成θ角时，如图所示，可以将磁感应强度B正交分解成B⊥＝Bsinθ和B∥＝Bcosθ，而B∥对通电导线是没有作用力的。所以F＝IlB⊥＝IlBsinθ。4．当电流同时受到几个安培力时，则电流所受的安培力为这几个安培力的矢量和。〖例题2〗如图所示，由均匀的电阻丝组成的等边三角形导体框，垂直匀强磁场放置，将M、N两点接入电压恒定的电源两端，通电时，线框受到的安培力为1.2N，若将MON边移走，则余下线框受到的安培力大小为()A．0.6NB．0.8NC．1.2ND．1.6N规律方法应用安培力公式F＝IlBsinθ解题的技巧应用公式F＝IlBsinθ求安培力大小时不能死记公式，应正确理解公式中各物理量的实质，可将Bsinθ理解为有效磁感应强度或将lsinθ理解为有效长度，θ为磁场方向与直导线l之间的夹角。三、安培力作用下导体的平衡和加速问题〖课堂探究〗一通电导线放置于光滑的斜面上，分别施加如图甲、乙、丙、丁四种情况的磁场，请指出哪些情况导体棒可能保持静止不动，并指出安培力的方向。〖要点归纳〗1．安培力作用下导体棒的平衡问题和加速问题，题目所给出的图形一般为“立体图”，如果把物体的受力直接画在导体棒上，则较为抽象，不利于问题的求解，一般把抽象的立体图转换为直观的“平面图”，即画出“侧视图”。2．画平面图时应准确标明辅助方向，如磁感应强度B的方向，电流的方向，导体棒端点的名称，磁感应强度B的方向与平面的夹角，磁感应强度B的方向与电流的夹角，线框与水平面或与竖直面之间的夹角等，最后根据安培力方向一定垂直于电流和磁场所决定的平面的特点准确画出安培力的方向。〖例题3〗如图所示，在倾角θ＝30°的斜面上固定一平行金属导轨，导轨间距离l＝0.25m，两导轨间接有滑动变阻器R和电动势E＝12V、内阻不计的电池。垂直导轨放有一根质量m＝0.2kg的金属棒ab，它与导轨间的动摩擦因数μ＝eq\f(\r(3),6)。整个装置放在垂直斜面向上的匀强磁场中，磁感应强度B＝0.8T。当调节滑动变阻器R的阻值在什么范围内时，可使金属棒静止在导轨上？(导轨与金属棒的电阻不计，g取10m/s2)规律方法对物体进行受力分析时，应注意以下两点(1)受力分析时，将表示磁场的箭头在受力图中标出，便于确定安培力的方向。(2)画完图后，要检查一下，看安培力是否垂直于B、I所决定的平面。四、安培力作用下导体运动方向的判断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。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体分为多段电流元，先用左手定则判断每段电流元所受安培力的方向，然后判断整段导体所受安培力的方向，从而确定导体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体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〖例题4〗如图所示，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，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，同时上升规律方法判断安培力作用下通电导体的运动方向的思路(1)首先应画出通电导体(或通电线圈)所在位置的磁感线方向。(2)根据左手定则确定通电导体(或通电线圈)所受安培力的方向。(3)由通电导体(或通电线圈)的受力情况判断通电导体(或通电线圈)的运动方向。

▁▃▅▇█参*考*答*案█▇▅▃▁〖自主学习〗知识点一安培力的方向〖新知导入〗(1)因为导体棒受到了磁场对它的力的作用。(2)会发生改变。(3)会发生改变。〖小试牛刀〗1．××√√2．〖答案〗AD〖解析〗由左手定则可判断，选项B中安培力的方向向左，选项C中安培力的方向向下，选项A、D中安培力的方向如题图所示，选项A、D正确。知识点二安培力的大小〖新知导入〗不同的放置方式，通电导线所受的安培力大小不同。〖小试牛刀〗1．×√√×2．〖答案〗A〖解析〗A图中，导线不和磁场垂直，将导线投影到垂直磁场方向上，故F＝BIlcosθ，A正确；B图中，导线和磁场方向垂直，故F＝BIl，B错误；C图中，导线和磁场方向垂直，故F＝BIl，C错误；D图中，导线和磁场方向垂直，故F＝BIl，D错误。知识点三磁电式电流表〖新知导入〗左边导线所受安培力方向向上，右边导线所受安培力方向向下，线圈将沿顺时针方向转动。〖小试牛刀〗1．√√√×2．〖答案〗D〖解析〗该磁场明显不是匀强磁场，匀强磁场应该是一系列平行的磁感线，方向相同，故A错误；线圈平面与磁感线平行，故穿过线圈的磁通量为零，B错误；a导线电流向外，磁场向右，根据左手定则，安培力向上，C错误；b导线始终与磁感线垂直，故受到的安培力大小一直为BIl，D正确。〖要点突破〗一、安培力方向的理解及判断〖课堂探究〗不同，安培力方向与磁场方向垂直。〖例题1〗〖答案〗BD〖解析〗若a接正极，b接负极，由安培定则(右手螺旋定则)知电磁铁上下两磁极间磁场方向向上；若e接正极，f接负极，由左手定则知L受到的安培力向左；若e接负极，f接正极，L受到的安培力向右。选项A错误，选项B正确。同理，若a接负极，b接正极，磁场方向向下；e接正极，f接负极，L所受的安培力向右；e接负极，f接正极，L所受的安培力向左。选项C错误，选项D正确。二、安培力大小的分析与计算〖课堂探究〗(1)不能F＝BIlsinθ。(2)所受安培力大小F＝eq\r(2)BIl，方向垂直于AC向上；可将ABC导线等效成沿虚线的导线AC(电流从A到C)，导线AC受到的安培力大小、方向与ABC导线相同，即导线ABC受到的安培力可用导线AC受到的安培力代替，设导线ABC段的等效长度即lAC为l等效，则F＝BIl等效。〖例题2〗〖答案〗B〖解析〗根据左手定则判断出各段受到的安培力的方向，如图所示，令电源电压为U，等边三角形MON的电阻为3R，曲线MON上产生的安培力合力竖直向上，与MN边受到的安培力方向相同，并联后总电阻为eq\f(2R,3)，根据欧姆定律，并联电路的总电流为I1＝eq\f(U,\f(2R,3))＝eq\f(3U,2R)，则安培力为F＝BI1l＝eq\f(3BUl,2R)＝1．2N，将MON边移走，余下线框受到的安培力大小为F′＝BI2l＝eq\f(BUl,R)，可得F′＝0.8N。故B正确。三、安培力作用下导体的平衡和加速问题〖课堂探究〗甲图可能，安培力的