高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第二册第一节 安培力教课内容ppt课件

这是一份高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第二册第一节 安培力教课内容ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了通电导线，大拇指，BILsinθ，安培力，零刻度，灵敏度高，换向器，答案见解析图，答案D等内容，欢迎下载使用。
一、安培力及其方向1．填一填(1)安培力：磁场对 的作用力。(2)决定安培力方向的因素：①磁场的方向；② 的方向。(3)左手定则：伸开 ，使大拇指与四指 ，且都与手掌在同一个平面内。让磁感线垂直穿入 ，并使四指指向 的方向，这时 所指方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。
2．判一判(1)安培力的方向与磁场方向相同。( )(2)安培力的方向与电流方向一定垂直。( )(3)安培力的方向与磁场方向一定垂直。( )3．想一想为什么接通电源之后，会观察到原来静止的导体棒发生摆动？提示：因为通电导体棒在磁场中受到了安培力的作用。
二、安培力的大小1．填一填(1)当通电直导线与磁场方向平行时，如图甲所示，通电直导线所受安培力的大小F＝ 。(2)当通电直导线与磁场方向垂直时，如图乙所示，通电直导线所受安培力的大小F＝BIL。
(3)当通电直导线与磁场方向成θ角时，如图丙所示，可以将原磁场的磁感应强度B分解为与直导线垂直的分量B1和与直导线平行的分量B2，如图丁所示。通电直导线所受安培力的大小F＝B1IL＝ 。2．判一判(1)若匀强磁场中磁感应强度为B＝1 T，导线中电流L＝1 A，导线长度L＝1 m，则导线所受安培力F＝1 N。( )(2)若通电导线在某处不受安培力，则该处磁感应强度一定为0。( )(3)同样情况下，当导线垂直于磁场放置时，安培力最大。( )
3．想一想在磁场越强的地方通电导线受到的安培力一定越大吗？提示：不一定，通电导线受安培力的大小与B、I、L及θ有关，当θ＝0°(B∥I)时，无论B如何，总有F＝0。
三、安培力的应用1．填一填(1)电流天平①原理图：
(2)磁电式电表①结构：磁体、软铁、线圈、螺旋弹簧、指针等。②物理学原理：通电线圈因受 而转动。
③工作原理：a．线圈中不通电流时，螺旋弹簧处于自然状态，线圈处于水平位置，指针指向 。b．当线圈中通入电流时，线圈左右两边受到大小相等、方向相反的一对安培力，线圈在安培力作用下转动，导致螺旋弹簧被扭转，产生一个阻碍线圈转动的阻力。当安培力与螺旋弹簧阻力作用效果相当时，线圈停在某一位置，电表指针指示表盘相应刻线，进而得到相应 的大小。
c．改变通入线圈的电流方向， 的方向随之改变，指针的偏转方向也随之改变。所以，根据指针的偏转方向，可以知道通过电表的 方向。④优缺点a．优点是 ，可以测出 的电流；b．缺点是线圈的导线 ，允许通过的电流 。(3)直流电动机①结构：由蹄形磁铁、线圈、电刷和换向器等部件组成。
②工作原理如图甲所示，线圈通电后，在安培力作用下转动至位置乙时，无安培力作用，但由于____作用，线圈仍按原方向继续转动；通过两个半圆形铜环（______）和电刷，保证了线圈转到丙时线圈受到的_______始终推动线圈往同一个方向转动。③优点：通过改变输入电流的大小，就能直接调节电动机的_____。
2．判一判(1)电流天平是利用等效替代法测量磁感应强度的。( )(2)磁电式电表只能测定电流的大小，不能测定被测电流的方向。( )(3)直流电动机工作过程中线圈中的电流方向是不变的。( )3．选一选下列关于磁电式电流表的说法中正确的是 (　　)A．磁电式电流表内部的蹄形磁铁和铁芯间的磁场是匀强磁场B．磁电式电流表的指针偏转角度的大小与被测电流的大小成反比C．磁电式电流表的缺点是灵敏度高，优点是允许通过的电流很弱D．磁电式电流表的工作原理是安培力对通电线圈的转动作用
解析：蹄形磁铁和铁芯间的磁场是辐向均匀分布的，不是匀强磁场，故A错误。由于蹄形磁铁和铁芯间的磁场是辐向均匀分布的，因此不管通电线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行。因此，磁力矩与线圈中电流成正比(与线圈位置无关)。当通电线圈转动时，螺旋弹簧将被扭动，产生一个阻碍线圈转动的阻力矩，其大小与线圈转动的角度成正比，当磁力矩与螺旋弹簧中的阻力矩相等时，线圈停止转动，此时指针偏向的角度与电流成正比，故B错误。磁电式电流表的优点是灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是允许通过的电流很弱，故C错误。磁电式电流表的工作原理是安培力对通电线圈的转动作用，故D正确。答案：D　
探究(一)　　安培力方向的判断[问题驱动]观察安培力方向的实验装置如图所示，通电导线悬挂放置在蹄形磁铁之间，改变磁极方向或电流方向，观察导线摆动的方向。思考并探究下面的问题：(1)上下交换磁极的位置以改变磁场方向，导线受力的方向是否改变？(2)改变导线中电流的方向，导线受力的方向是否改变？(3)仔细分析实验结果，说明安培力的方向与磁场方向、电流方向有怎样的关系？
提示：(1)导线受力的方向改变。(2)导线受力的方向改变。(3)安培力的方向总是垂直于磁场的方向和电流的方向，安培力的方向可用左手定则判定(如图所示)。　　　　
【重难释解】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、拇指与磁感线均垂直，但磁感线与四指不垂直。
2．安培定则与左手定则对比理解
　　[典例1]　(2022·江苏高考)如图所示，两根固定的通电长直导线a、b相互垂直，a平行于纸面，
电流方向向右，b垂直于纸面，电流方向向里，则导线a所受安培力方向(　　)A．平行于纸面向上B．平行于纸面向下C．左半部分垂直纸面向外，右半部分垂直纸面向里D．左半部分垂直纸面向里，右半部分垂直纸面向外
[解析]　根据安培定则，可判断出导线a左侧部分的空间磁场方向斜向右上，右侧部分的磁场方向斜向右下，如图所示。根据左手定则可判断出安培力方向在左半部分垂直纸面向外，在右半部分垂直纸面向里。故选C。[答案]　C
安培力方向的判断技巧(1)安培定则与左手定则的选取原则(2)两平行通电直导线的相互作用规律：同向电流互相吸引，反向电流互相排斥。
【素养训练】1.如图所示是某地标性建筑，高度为303米，高耸的尖顶实质是避雷针，当带有负电的乌云经过避雷针上方时，避雷针开始放电形成瞬间电流，乌云所带负电荷通过避雷针导入大地。则地磁场对避雷针的作用力的方向为 (　　)A．正东　　　　　　　B．正西C．正南 D．正北
解析：当带有负电的乌云经过避雷针上方时，避雷针开始放电形成瞬间电流，负电荷从上而下通过避雷针，所以电流的方向为从下而上，地磁场的方向从南向北，根据左手定则，安培力的方向向西，故B正确，A、C、D错误。答案：B　
2．某同学画的表示磁感应强度B、电流I和安培力F的相互关系如下列选项图所示，其中正确的是(　　)
解析：A图中磁场方向和电流方向平行，导线不受安培力作用；根据左手定则可知，B图中安培力的方向应垂直于磁场方向向上，C图中安培力的方向应垂直于导线向下，D图中安培力的方向垂直于导线向右。故选项D正确。答案：D　
3．画出下图中通电导体棒所受的安培力的方向。解析：题中A、B、C给出的立体图，如果直接把通电导体棒受到的安培力画在立体图上则较为抽象。为了直观，一般都画成平面图。对A、B、C中的各图从外向内看的正视平面图如图所示(此时通电导体棒是一个横截面图)。
探究(二)　　安培力大小的分析与计算[问题驱动]把盛有导电液体的玻璃器皿放在两磁极中间，接通电源后，会看到液体旋转起来。如果增大电流，将会看到什么现象？提示：增大电流，通电的液体受力变大，液体旋转会加快。　　　　
【重难释解】1．F＝BILsin θ适用于匀强磁场中的通电直导线，求弯曲导线在匀强磁场中所受安培力时，L为有效长度，即导线两端点所连直线的长度，相应的电流方向沿L由始端流向末端，如图所示。
2．同样情况下，通电导线与磁场方向垂直时，所受的安培力最大；通电导线与磁场方向平行时，不受安培力；通电导线与磁场方向斜交时，所受的安培力介于0和最大值之间。3．在非匀强磁场中，只要长度为L的通电直导线所在位置的各点磁感应强度B矢量相等(包括大小和方向)，则通电直导线所受安培力也能用公式F＝BILsin θ计算。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。
典例2　如图，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1.2 N，若将MON边移走，则余下线框受到的安培力大小为(　　)A．0.6 N　　　　　　　　B．0.8 NC．1.2 N D．1.6 N
应用安培力公式F＝BILsin θ解题的技巧应用公式F＝BILsin θ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Bsin θ理解为有效磁感应强度或将Lsin θ理解为有效长度，θ为磁场方向与直导线中电流方向之间的夹角。　　　　
【素养训练】1．(2022·浙江1月选考)利用如图所示装置探究匀强磁场中影响通电导线受力的因素，导线垂直匀强磁场方向放置。先保持导线通电部分的长度L不变，改变电流I的大小，然后保持电流I不变，改变导线通电部分的长度L，得到导线受到的力F分别与I和L的关系图像，则正确的是 (　 )
解析：根据F＝BIL, 若保持导线通电部分的长度L不变，改变电流I的大小，则F-I图像是过原点的直线，B正确，A错误；若保持电流I不变，改变导线通电部分的长度L，则FL图像是过原点的直线，C、D错误。答案：B　
解析：由题知B＝3×10－2 T，I＝10 A，L＝10 cm＝0.1 m。(1)导线绕O点顺时针转过60°角时，B与I的夹角为θ＝150°，安培力的大小F＝BILsin 150°＝1.5×10－2 N，安培力的方向垂直纸面向外。(2)导线绕O点向纸面外转过30°角时，B与I仍垂直，安培力的大小F＝BIL＝3×10－2 N，安培力的方向与ab方向垂直斜向下指向纸面外。答案：(1)1.5×10－2 N　方向垂直纸面向外(2)3×10－2 N　方向与ab方向垂直斜向下指向纸面外
探究(三)　　安培力作用下导体的运动[问题驱动]如果将一根柔软的弹簧悬挂起来，使它的下端刚好跟槽中的水银接触。(1)通电后，你会观察到什么现象？(2)为什么会出现这种现象？提示：(1)弹簧上下振动，电路交替通断。(2)通电时，弹簧各相邻线圈通有同向电流，线圈相互吸引，弹簧收缩；由于弹簧收缩，电路断开，相互吸引力消失，电路又接通。这个过程反复出现，使得弹簧上下振动，电路交替通断。　　　　
【重难释解】判断通电导线在磁场中运动情况的方法不管是电流还是磁体，对通电导线的作用都是通过磁场来实现的，因此，要判定通电导线在安培力作用下的运动，首先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，进而确定导线的运动情况，在实际操作过程中，往往采用以下五种方法：
[典例3]　如图所示，两个完全相同且相互绝缘、正交的金属环A、B，可沿轴线OO′自由转动。现通以图示方向电流，沿OO′看去会发现 (　　)A．A环、B环均不转动B．A环将逆时针转动，B环也逆时针转动，两环相对不动C．A环将顺时针转动，B环也顺时针转动，两环相对不动D．A环将顺时针转动，B环将逆时针转动，两者吸引靠拢至重合为止[解析]　由安培定则可得，A环在环内产生的磁场方向向下，B环在环内产生的磁场方向向左，两磁场相互作用后磁场的方向趋向一致，所以A环顺时针转动，B环逆时针转动，二者相互靠拢，直至重合，故选项D正确。[答案]　D
[解析]　当开关K接通时，根据安培定则知电磁铁附近磁感线的分布如图所示，由左手定则知通电直导线此时A端受力指向纸内，B端受力指向纸外，故导线将转动，由特殊位置法知当导线转到与磁感线垂直时，整根导线受到的磁场力方向竖直向下，故悬线张力变大，D正确。[答案]　D
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所在位置的磁感线方向。(2)根据左手定则确定通电导体所受安培力的方向。(3)由通电导体的受力情况判断通电导体的运动方向。
【素养训练】1.用两根细线把两个完全相同的圆形导线环悬挂起来，让二者等高平行放置，如图所示，当两导线环中通入方向相同的电流I1、I2时，则有(　　)A．两导线环相互吸引B．两导线环相互排斥C．两导线环无相互作用力D．两导线环先吸引后排斥
解析：通电的导线环周围能够产生磁场，磁场的基本性质是对放入其中的磁体或电流产生力的作用。由于导线环中通入的电流方向相同，二者同位置处的电流方向完全相同，相当于通入同向电流的直导线，根据同向电流相互吸引的规律，可知两导线环应相互吸引，故A正确。答案：A　
2.如图所示，在条形磁铁S极附近用绝缘轻绳悬挂一轻质圆线圈时，磁铁与圆线圈在同一平面内，当线圈中通有逆时针方向电流时，则线圈运动情况是(　　)A．从上向下看，线圈顺时针旋转，同时靠近S极B．从上向下看，线圈顺时针旋转，同时远离S极C．从上向下看，线圈逆时针旋转，同时靠近S极D．从上向下看，线圈逆时针旋转，同时远离S极解析：由安培定则可知，线圈的前面为N极，后面为S极；因为异名磁极相互吸引，因此从上往下看，线圈沿顺时针方向转动，同时靠近S极。答案：A　
3.一直导线平行于通电螺线管的轴线，放置在螺线管的上方，如图所示。如果直导线可以自由地运动且通以由a到b的电流，则导线ab受磁场力后的运动情况为(　　)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
解析：通电螺线管的磁感线如图所示，则由图示可知：导线左侧所处的磁场方向斜向上，导线右侧所处的磁场方向斜向下。则由左手定则可知，导线左侧受力方向向外，导线右侧受力方向向里，故从上向下看，导线逆时针转动；当导线转动后，由左手定则可得导线还受向下的力。即从上向下看，导线逆时针转动且靠近通电螺线管，故D正确。答案：D　
探究(四)　　安培力作用下导体的平衡问题【重难释解】1．安培力作用下的平衡问题与力学中的平衡问题分析方法是相同的，只不过多了安培力，关键仍是受力分析。2．视图转换：对于安培力作用下的力学问题，导体的电流方向及其受力方向往往分布在三维空间的不同方向上，这时应利用俯视图、剖面图或侧视图等，变立体图为二维平面图。3．在剖面图中，垂直剖面方向的电流可用“⊗”或“⊙”表示，垂直剖面方向的磁场可用“×”或“·”表示，但垂直剖面方向的力不能用“×”或“·”表示。
典例4　如图所示，在倾角为α＝30°的斜面上，固定一宽l＝0.25 m的平行金属导轨，在导轨上端接入电源和滑动变阻器R。电源电动势E＝12 V，内阻r＝1 Ω，一质量m＝20 g的金属棒ab与两导轨垂直并接触良好。整个装置处于磁感应强度B＝0.80 T、垂直于斜面向上的匀强磁场中(导轨与金属棒的电阻不计)。金属导轨是光滑的，g取10 m/s2，要保持金属棒在导轨上静止，求：(1)金属棒所受到的安培力大小。(2)滑动变阻器R接入电路中的阻值。
[迁移·发散](1)保持[典例4]其他条件不变，并且已知R＝23 Ω，若装置处于竖直向上的匀强磁场中，要使金属棒在斜面导轨上保持静止，则磁场的磁感应强度B的大小为多大？(2)保持[典例4]其他条件不变，并且已知R＝23 Ω，若使金属棒在斜面导轨上保持静止且对斜面导轨的压力恰好为0，则所加的磁场的磁感应强度B为多大？方向如何？
(1)必须先将立体图转换为平面图，然后对物体进行受力分析，要注意安培力方向的确定，最后根据平衡条件或物体的运动状态列出方程。(2)注意静摩擦力可以有不同的方向，因而求解结果是一个范围。
【素养训练】1.如图所示，一根质量为m的金属棒AC，用软线悬挂在磁感应强度为B的匀强磁场中，通入A→C方向的电流时，悬线张力不为0，欲使悬线张力为0，可以采用的办法是(　　)A．不改变电流和磁场方向，适当减小电流B．不改变磁场和电流方向，适当增大磁感应强度C．只改变电流方向，并适当增加电流D．只改变电流方向，并适当减小电流
解析：不改变电流和磁场方向，适当减小电流，可减小安培力，不能使悬线张力为0，故A错误。不改变磁场和电流方向，金属棒所受的安培力方向仍向上，适当增大磁感应强度，安培力增大，悬线张力可减小到0，故B正确。只改变电流方向，金属棒所受安培力方向向下，悬线张力一定不为0，故C、D错误。答案：B　
2．(2022·湖南高考)如图(a)，直导线MN被两等长且平行的绝缘轻绳悬挂于水平轴OO′上，其所在区域存在方向垂直指向OO′的磁场，与OO′距离相等位置的磁感应强度大小相等且不随时间变化，其截面图如图(b)所示。导线通以电流I，静止后，悬线偏离竖直方向的夹角为θ。下列说法正确的是(　　)
A．当导线静止在图(a)右侧位置时，导线中电流方向由N指向MB．电流I增大，静止后，导线对悬线的拉力不变C．tan θ与电流I成正比D．sin θ与电流I成正比
3．如图所示，两平行金属导轨间的距离L＝0.4 m，金属导轨所在的平面与水平面夹角θ＝37°，在导轨所在平面内分布着磁感应强度B＝0.5 T、方向垂直于导轨所在平面的匀强磁场。金属导轨的一端接有电动势E＝4.5 V，内阻r＝0.5 Ω的直流电源。现把一个质量m＝0.04 kg的导体棒ab放在金属导轨上，导体棒恰好静止，导体棒与金属导轨垂直且接触良好，导体棒与金属导轨接触的两点间的电阻R0＝2.5 Ω，金属导轨电阻不计，g取10 m/s2，已知 sin 37°＝0.60，cs 37°＝0.80，求：(1)通过导体棒的电流大小；(2)导体棒受到的安培力大小；(3)导体棒受到的摩擦力的大小和方向。
一、培养创新意识和创新思维1．如图所示，天平左盘放砝码，右盘下悬挂线圈，线圈处于磁场中。当线圈没有通电时，天平处于平衡状态。线圈通电后，在磁场中的导线a、b、c段分别受安培力作用。由左手定则可知，a、c段受到的安培力大小相等、方向相反，互相抵消，而b段导线受到的安培力方向向上，从而使天平的平衡被破坏。通过在右盘加砝码(或移动游码)使天平重新平衡，根据砝码的质量可推知线圈所受安培力的大小。(1)若在右盘加的砝码的质量为m，则线圈所受的安培力大小是多少？(2)若b段导线的长度为L，则b段导线所在处的磁感应强度大小是多少？
二、注重学以致用和思维建模2．图甲为扬声器实物图，当变化的电流流过线圈时，线圈在安培力作用下，与锥形盆一起移进或移出，锥形盆带动周围空气振动而产生声波。图乙为扬声器的正视简图，线圈夹在一个圆柱形磁铁的磁极之间，径向磁场方向如图所示，当线圈中通以逆时针方向的电流时，锥形盆 (　　)A．垂直纸面向外移动　B．垂直纸面向里移动C．沿纸面向上移动 D．沿纸面向下移动
解析：该题采用微元法，将线圈分成若干段，如该线圈的左边磁场的方向向左，电流的方向向下，所以线圈受到的安培力的方向垂直于纸面向里；同理可知，线圈的上、下以及右侧受到的安培力的方向都是垂直于纸面向里，所以可知锥形盆将垂直纸面向里移。故B正确。答案：B
3．电磁天平是一种测量安培力的装置，如图所示。两相距很近的线圈Ⅰ和Ⅱ，线圈Ⅰ固定，线圈Ⅱ置于天平托盘上。当两线圈均无电流通过时，天平示数恰好为零。下列说法正确的是 (　　)A．当天平示数为负时，两线圈电流方向相同B．当天平示数为正时，两线圈电流方向相同C．线圈Ⅰ对线圈Ⅱ的作用力大于线圈Ⅱ对线圈Ⅰ的作用力D．线圈Ⅰ对线圈Ⅱ的作用力与托盘对线圈Ⅱ的作用力是一对相互作用力
解析：当两线圈均无电流通过时，天平示数为零，则当天平示数为负时，两线圈间的相互作用力为吸引力，可知两线圈中电流方向相同，当天平示数为正时，两线圈间的相互作用力为斥力，可知两线圈中电流方向相反，A正确，B错误；线圈Ⅰ对线圈Ⅱ的作用力与线圈Ⅱ对线圈Ⅰ的作用力是一对相互作用力，二者大小相等，C、D错误。答案：A
4．我国第三艘航母“福建舰”采用电磁弹射技术，如图甲所示为舰载机起飞示意图，电磁弹射轨道可简化为图乙所示放在水平面上的平行金属导轨，导轨间充满匀强磁场，电流通过电磁弹射车MN时在安培力作用下推动舰载机加速运动。(1)请判断图中弹射器工作时磁场的方向。(2)若已知导轨间宽为l＝2 m，电流是I＝1×103 A，匀强磁场B＝1×102 T，设飞机总质量m＝2×104 kg，起飞速度为v＝60 m/s，g取10 m/s2，不计摩擦及空气阻力，求：飞机从静止加速到60 m/s，飞行轨道至少要多长？