高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 磁场对通电导线的作用力备课ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 磁场对通电导线的作用力备课ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了伸直的拇指，弯曲的四指，磁场强弱和方向，特斯拉，磁通量，垂直磁场，IlB，IlBsinθ，安培力，探究一磁感应强度等内容，欢迎下载使用。
1　磁场对通电导线的作用力
知识点一 　磁场　磁感线
答案:闭合开关前,小磁针静止时N极指向北方,这是因为小磁针受地磁场的影响.直导线沿南北方向水平放置实验效果比较明显.
1.磁场.(1)电和磁的联系.奥斯特发现电流磁效应的实验装置示意图如图所示.
闭合开关前,小磁针静止时N极指向哪个方向?为什么?闭合开关后,小磁针受电流产生的磁场的影响发生转动,直导线如何放置实验效果比较明显?
(2)磁场的基本性质.磁场对处于其中的磁体、通电导体有力的作用;磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间、通电导体与通电导体之间的相互作用都是通过 发生的.(3)地磁场的特点.地磁场的方向并不是正南正北方向,即地磁两极与地理两极并不重合.地磁南极在地理 附近,地磁北极在地理 附近.
2.磁感线.实验中我们常用铁屑的分布来反映磁场的分布.如图所示,在条形磁体上方放置一块玻璃板,在玻璃板上均匀地撒一层细铁屑,轻敲玻璃板,细铁屑就会有规则地排列起来.
(1)为什么细铁屑会有规则地排列起来?试根据细铁屑的分布大致画出条形磁体周围磁感线的分布情况.
(2)根据条形磁体周围磁感线的分布图,如何判断磁场中某点的磁场方向?如何比较两点的磁场强弱?
答案:磁场中某点磁场的方向为磁感线在该点的切线方向.磁感线越密集的地方,磁场越强;磁感线越稀疏的地方,磁场越弱.
答案:细铁屑被磁场磁化变成一个个“小磁针”,“小磁针”受到磁场的作用按照磁场方向排列.条形磁体周围磁感线的分布如图所示.
3.磁感线的特点.(1)在磁体的外部磁感线从 指向 ,在磁体的内部磁感线由 指向 ,磁感线是闭合的曲线.(2)在磁场中,某一点有唯一确定的磁场方向,所以任意两条磁感线不能 或相切.
(3)磁感线是为了形象地描述磁场而人为假想的曲线,为形象、直观、方便地研究磁场提供了依据.(4)同一磁场中,磁感线越密集处磁场 ,磁感线越稀疏处磁场 .
4.安培定则.(1)直线电流的方向跟它产生的磁场的磁感线方向之间的关系可以用安培定则(右手螺旋定则)来判断:用右手握住导线,让 所指的方向与电流方向一致, 所指的方向就是磁感线环绕的方向,如图所示.
(2)通电螺线管可以看作许多匝环形电流串联而成.可以用安培定则(右手螺旋定则)来判断环形电流的磁场方向:让右手 与环形电流的方向一致, 所指的方向就是环形导线轴线上磁场的方向,如图所示.
5.三种电流产生的磁场的特点.(1)直线电流的磁场:如图所示,通电直导线周围的磁感线是以导线上各点为圆心的同心圆.离导线越近的位置磁场 ,离导线越远的位置磁场 .
(2)通电螺线管的磁场:如图所示,通电螺线管外部的磁场跟条形磁体的磁场分布情况相同,两端分别为N极和S极,管内磁场方向由 指向 .
(3)环形电流的磁场:如图所示,环形电流的磁场类似于条形磁体的磁场.因为磁感线均为闭合曲线,所以环内的磁感线条数与环外的相等,故环内的磁场强,环外的磁场弱.
知识点二　磁感应强度　磁通量
小磁针静止时N极所指的方向
2.匀强磁场.匀强磁场中各点的磁感应强度的大小 、方向 ,其磁感线为相互 的等间距的直线.
3.磁通量.如图所示,在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一个与磁场方向垂直的面,面积为S.
(1)我们把B与S的乘积叫作穿过这个面积的 ,简称 .用字母Φ表示磁通量,则Φ= .(2)在国际单位制中,磁通量的单位是 ,简称韦,符号是 ,1 Wb=1 T·m2.
(4)对磁通量的理解.①磁通量的计算公式Φ=BS,其中B表示匀强磁场的磁感应强度,S表示平面与磁感线垂直的面积.②磁通量是标量,但有正、负,若规定磁感线从某一面穿入时磁通量为正值,则磁感线从此面穿出时磁通量为负值.
知识点三　安培力的方向
1.把通电导线在 中受的力称为安培力.2.通电导线在磁场中所受安培力的方向与 方向、 方向有关.
答案: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.阅读教材并结合下图,尝试总结左手定则的内容.
知识点四　安培力的大小
1.如图所示,在磁感应强度为B的匀强磁场中,在垂直于磁场的方向上放置长度为l的导体,当通过导体的电流为I时,它所受的安培力大小为F= ;将导体转过90°,即电流方向与磁场方向平行,此时导体所受的安培力的大小为F= .
2.若磁感应强度B的方向与电流方向成θ角,则导线所受的安培力F= . 
3.在磁场越强的地方通电导线受到的安培力越大吗?为什么?
答案:不一定,通电导线所受安培力的大小与B、I、l及磁场方向与电流方向的夹角θ有关,当θ=0°(B∥I)时,无论磁场多强都有F=0.
知识点五　磁电式电流表
1.磁电式电流表的构造:磁体、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴等,如图所示.
2.磁电式电流表的特点:两极间的极靴和极靴中间的铁质圆柱,使极靴与圆柱间的磁场都沿 方向均匀分布,使线圈平面都与磁感线 ,线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都 ,如图所示.
3.磁电式电流表的原理.(1)通电线圈在磁场中受 作用发生转动.螺旋弹簧变形,以 线圈的转动.(2)电流越大,安培力就越 ,螺旋弹簧的形变也就越 ,线圈偏转的角度也越 ,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 ,指针的偏转方向也随着 .所以,根据指针的偏转方向,可以知道被测电流的方向.
4.为什么磁电式电流表的表盘的刻度是均匀的?
答案:两极间的极靴和极靴中间的铁质圆柱,使极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向均匀分布,线圈转动时,它的平面总与磁场方向平行,线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等,所以安培力正比于电流大小,螺旋弹簧的形变和指针的偏角也正比于电流的大小,所以表盘刻度均匀.
5.磁电式电流表的特点.(1)优点:灵敏度 ,可以测出 的电流.(2)缺点:线圈的导线很 ,允许通过的电流很 .
1.当通电直导线垂直于磁感应强度方向时,安培力的方向和磁感应强度方向相同.( )2.只要通电导线的方向不与磁场平行,通电导线就会受到安培力.( )3.安培力的方向可能与磁场方向垂直,也可能不垂直.( )4.通电导体棒所受安培力方向只与磁场方向有关.( )5.当磁感应强度B的方向与通电导线的方向平行时,导线受到的安培力为0.( )6.磁电式电流表中的磁场为匀强磁场.( )
(一)如图所示,直导线水平悬挂在磁体的两极间,导线的方向与磁场的方向垂直.导线中的电流大小可以由外部电路控制,用电流表测量.分别接通“2、3”和“1、4”,可以改变导线通电部分的长度.
1.接通“2、3”时,观察悬线摆动的角度,然后断开“2、3”,接通“1、4”,保持电流不变,可以观察到什么现象?此现象说明什么?
答案:电路由接通“2、3”改为接通“1、4”,导线通电部分变长,可以观察到悬线与竖直方向的夹角变大.说明电流一定时,通电导线越长,导线受到的力越大.
2.接通“2、3”时,使导线中的电流变大,可以观察到什么现象?此现象说明什么?
答案:悬线与竖直方向的夹角变大.说明导线长度一定时,电流变大,导线受到的力变大.
3.根据上述实验现象,分析通电直导线垂直放置在磁场中受到的磁场力F的大小可能与什么因素有关.
答案:磁场力F的大小可能与导线中的电流I和导线长度l有关.
(二)如图所示,磁场中的D、E、F三点分别放置长度很短的通电导体,导体中通有电流,且导体与所在位置的磁场垂直.测得导体所受的磁场力情况如下表所示.
4.分析表中数据,计算磁场力与电流和导体长度的乘积的比值,你能得出什么结论?
答案:①在不同位置,垂直磁场方向放入I、l相同的电流元,电流元受到的磁场力与电流和导体长度的乘积的比值不同,磁场较强的地方,比值较大.②在同一位置,垂直磁场方向放入I、l不同的电流元,电流元受到的磁场力与电流和导体长度的乘积成正比,即电流元受到的磁场力与电流和导体长度的乘积的比值相同.③磁场力与电流和导体长度的乘积的比值与垂直磁场方向放置的电流元无关.
5.结合以上探究内容,与同学交流并思考:如何引入一个物理量来表征磁场的强弱?
2.磁感应强度B与电场强度E的比较.
【典例2】如图所示,两根相互平行的长直导线过纸面上的M、N两点,且与纸面垂直,导线中通有大小相等、方向相反的电流.A、O、B在M、N的连线上,C、D位于MN的中垂线上,且A、B、C、D到O点的距离均相等.下列说法正确的是(　　)
A.O点的磁感应强度为0B.A、B两点的磁感应强度大小相等,方向相反C.C、D两点的磁感应强度大小相等,方向相同D.A、C两点的磁感应强度的方向不同
解析:由安培定则分别画出两直导线在A、B、C、D、O点的磁场方向,如图所示.
由平行四边形定则可得,O点的磁感应强度不为0,选项A错误.A、B两点的磁感应强度大小相等,方向相同,选项B错误.C、D两点的磁感应强度大小相等,方向均竖直向下,选项C正确.A、C两点磁感应强度的方向相同,选项D错误.
如图所示,把一段导体棒悬挂在蹄形磁体的两极间,通以电流.研究安培力的方向与哪些因素有关.
答案:导体棒向左摆动,说明安培力的方向和磁场的方向有关.
1.通入如图所示的电流,导体棒向右摆动.如果只上下交换磁极的位置,导体棒摆动方向是否改变?此现象说明了什么?
2.如果只改变导体棒中电流的方向,导体棒摆动方向是否改变?此现象说明了什么?
答案:导体棒向左摆动,说明安培力的方向和电流的方向有关.
3.试根据安培定则和左手定则分析甲、乙两图中通电导线A、B的受力情况,总结两平行通电直导线的相互作用规律.
答案:如图甲所示,根据安培定则,导线A中的电流产生的磁场,在其右侧垂直于纸面向里,由左手定则可知这个磁场对通电导线B的作用力FAB的方向在纸面内向左.同理,导线B中的电流产生的磁场在其左侧垂直于纸面向外,这个磁场对导线A的作用力FBA的方向在纸面内向右.两导线相互吸引.
如图乙所示,根据安培定则,导线A中的电流产生的磁场,在其右侧垂直于纸面向里,由左手定则可知这个磁场对通电导线B的作用力FAB'的方向在纸面内向右.导线B中的电流方向反向,导线B中的电流产生的磁场在其左侧垂直于纸面向里,由左手定则可知,这个磁场对导线A的作用力FBA'的方向在纸面内向左.两导线相互排斥.综上,两平行通电直导线的相互作用规律:同向电流相互吸引,反向电流相互排斥.
1.安培力方向的判断方法——左手定则.(1)准备动作:伸出左手,四指并拢并使其与拇指垂直,且都跟手掌在同一个平面内.(2)判断要点:让磁感线从掌心垂直进入,四指指向电流的方向,则拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向.2.安培力方向、磁场方向、电流方向之间的关系.(1)安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面.(2)磁场方向与电流方向不一定垂直.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与磁场所决定的平面,仍可以用左手定则来判断安培力的方向,只是磁感线不再垂直穿过掌心.
3.安培定则(右手螺旋定则)与左手定则的区别.
【典例3】(2021·广东东莞)有三根相互平行的直导线a、b、c垂直于纸面放置,且它们在同一连线上,已知这三根导线分别通以大小为I1、I2、I3的电流,且I1=I2,电流方向如图所示,则(　　)
A.直导线b受到的安培力向左B.直导线b受到的安培力向右C.若只增大I1,直导线b受到的安培力从a指向bD.若只增大I2,直导线b受到的安培力从a指向b
解析:直导线a在b处产生的磁场方向垂直于直线ab向上,直导线c在b处产生的磁场方向垂直于直线bc向下,且I1=I2,则直导线b受到的合磁场为0,因此直导线b受到的安培力也为0,选项A、B错误;若只增大I1,在b处产生的合磁场方向垂直于直线ab向上,再由左手定则可知,直导线b受到的安培力从a指向b,选项C正确;若只增大I2,在b处产生的合磁场方向垂直于直线bc向下,再由左手定则可知,直导线b受到的安培力从b指向a,选项D错误.
探究三 安培力的大小
如图所示,匀强磁场的磁感应强度大小都为B,导线中电流大小都为I.图甲中,导线长度为l;图乙中,lAB=lBC=l.
根据矢量的运算法则,B可以分解为与电流方向垂直的分量B⊥和与电流方向平行的分量B∥,如图所示.
答案:不是,只有当磁感应强度B的方向与电流方向垂直时,F=IlB.
B⊥=Bsin θ B∥=Bcs θ其中B∥对通电导线没有作用力,导线所受的安培力只是由B⊥产生的.由此得到F=IlBsin θ.
2.图乙中,如何利用平行四边形定则求导线ABC所受的安培力?求得的结果对你有什么启发?
1.安培力的大小.(1)当B与I垂直,即θ=90°时,F=IlB;(2)当B与I成θ角时,F=IlBsin θ.2.对公式F=IlBsin θ的理解.(1)F=IlBsin θ的适用条件:导线所处的磁场应为匀强磁场;在非匀强磁场中,公式仅适用于很短的通电导线.(2)l是等效长度,匀强磁场中弯曲导线的等效长度l等于连接两端点直线的长度,如图所示;相应的电流沿l由始端流向末端.3.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.
【典例4】如图所示,等边三角形线框LMN由三根相同的导体棒连接而成,固定于匀强磁场中,线框平面与磁感应强度方向垂直,线框顶点M、N与直流电源两端相接,已知导体棒MN受到的安培力大小为F,则线框LMN受到的安培力的大小为(　　)
【典例5】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.将下列各图中导线所受安培力的方向和大小填写在横线上.
方向　　　F=　　　　　 方向　　　F=　　 
磁电式电流表中磁场的分布如图所示.
1.结合安培力的大小的决定因素思考,磁场为何要如此分布?
答案:电流表中极靴与铁质圆柱之间的磁场是均匀辐向分布的,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0°,在以铁质圆柱为中心的圆周上,各点的磁感应强度B的大小是相等的.这样的磁场,可使线圈转动时,它的两个边所经过位置的磁场强弱都相同,使线圈转过的角度与电流成正比,从而能够使得表盘的刻度均匀.
2.如何理解磁电式电流表的灵敏度?怎么提高磁电式电流表的灵敏度?
答案:磁电式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.如果要提高磁电式电流表的灵敏度,就要使导线在相同电流下所受的安培力增大,可通过增加线圈的匝数、增大永久磁体的磁感应强度、增加线圈的面积等方法来实现.
1.磁电式电流表的工作原理.通电线圈在磁场中受到安培力作用而发生偏转.线圈偏转的角度越大,被测电流就越大;线圈偏转的方向不同,被测电流的方向不同.2.磁电式电流表的磁场特点.两磁极间装有极靴,极靴中间有一个铁质圆柱,这样,极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向.线圈转动时,线圈平面都与磁场方向平行,线圈左右两边所在之处的磁感应强度大小相等,安培力的大小与电流成正比,安培力的方向总与线圈平面垂直.
【典例6】(多选)要想提高磁电式电流表的灵敏度,可采用的办法有(　　)A.增加线圈匝数B.增大永久磁体的磁感应强度C.减小转轴处摩擦D.减小线圈面积
解析:当给电流表通入电流I时,通电线圈就在安培力作用下转动,同时螺旋弹簧就产生一个力来反抗线圈的转动,二力平衡时,电流表的指针就停在某一位置.电流表灵敏度(单位电流引起的偏转角)随着线圈匝数、线圈面积及磁感应强度的增大而提高.另外,减小摩擦也有利于灵敏度的提高.
1.磁场方向、电流方向及导线所受安培力方向的相互关系如图所示,其中正确的是(　　)
解析:A选项,电流的方向向上,磁场垂直于纸面向里,根据左手定则可得,安培力的方向向左,故选项A错误.B选项,电流的方向与磁场的方向平行,导线不受安培力的作用,故选项B错误.C选项,电流的方向向右,磁场垂直于纸面向里,根据左手定则可得,安培力的方向向上,故选项C正确.D选项,电流的方向垂直于纸面向里,磁场竖直向下,根据左手定则可得,安培力的方向向左,故选项D错误.
2.在地球赤道附近某建筑上有一竖立的避雷针,当一团带正电的乌云经过其正上方时,避雷针发生放电,此过程中地磁场对避雷针的作用力的方向是(　　)A.向东 B.向南C.向西 D.向北
解析:电子沿避雷针向上运动,避雷针中电流向下,在赤道上的磁场由南向北,应用左手定则可知避雷针受到的安培力向东,选项A正确.
3.(2021·江苏卷)在光滑桌面上将长为πl的软导线两端固定,固定点的距离为2l,导线中通有电流I,处于磁感应强度大小为B、方向竖直向下的匀强磁场中,导线中的张力为(　　)
A.BIl B.2BIl C.πBIl D.2πBIl
4.如图所示,甲与乙分别是半径为r1和r2的同心导体圆环,匀强磁场的磁感应强度为B,方向与环面垂直,范围以甲为边界,则穿过环甲围成的面积的磁通量为　　　　,穿过环乙围成的面积的磁通量为　　　　. 
5.在匀强磁场中放一与磁场方向垂直的通电直导线,导线中的电流大小是2.5 A,导线长为10 cm,它受到的安培力为5×10-2 N.(1)这个磁场的磁感应强度是多大?(2)若把通电导线中的电流增大到5 A,则磁场的磁感应强度是多大?
答案:(1)0.2 T　(2)0.2 T
情境　如图所示,在与水平方向成60°角的光滑金属导轨间有一电源,在相距1 m的平行导轨上放一质量为m=0.3 kg的金属棒ab,通过该金属棒的电流I=3 A,匀强磁场方向竖直向上,这时金属棒恰好静止.g取10 m/s2.问题　(1)求匀强磁场磁感应强度的大小.(2)求棒ab对导轨的压力.
答案:(1)1.73 T　(2)6 N,方向垂直于导轨平面向下
科学思维——安培力作用下导体运动方向的判断方法
不管是通电导体还是磁体,对通电导线的作用都是通过磁场来实现的,因此,必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况,然后结合左手定则准确判断导线的受力情况或将要发生的运动.在实际操作过程中,往往采用以下四种方法.(1)电流元法:把整段导线分为许多段电流元,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.
(2)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体或多个环形电流,反过来等效也成立.(3)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(如转过90°),然后判断其所受安培力的方向,从而确定其运动方向.(4)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.
【典例】如图所示,把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁体N极附近,磁体的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面,当线圈内通入下图所示方向的电流时,线圈(　　)
A.向左运动　　　　　　B.向右运动C.静止不动 D.无法确定