高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第二册第二节 安培力的应用教学演示课件ppt

这是一份高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第二册第二节 安培力的应用教学演示课件ppt，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，答案见解析图等内容，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(a)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(b)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(c)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(d)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度线，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(a)所示，线圈通电后，在安培力作用下转动至位置(b)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(换向器)和电刷，保证了线圈转到(c)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。下列关于提高磁电式电表灵敏度的方法不正确的是(　　)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
解析：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。要提高磁电式电表的灵敏度，就要在通入相同的电流时，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，即增强永久磁铁的磁性、增大线圈的面积、增加线圈的匝数。答案：B　
探究(一)　　安培力方向的判断[问题驱动]如果磁场和电流的方向如图所示，试判断导体棒所受安培力的方向？提示：如图所示可将磁感应强度B分解为B1、B2两个分量：平行于导线的分量B2不对通电导线产生作用力，通电导线所受作用力仅由B1决定，根据左手定则可判断，导体棒所受安培力的方向垂直B、I所在平面向外。　　　　
【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　在等边三角形的三个顶点A、B、C处，各有一条长直导线垂直穿过纸面，导线中均通有大小相等的恒定电流，方向如图所示。过C点的导线所受安培力的方向(　 )A．与AB边平行，竖直向上B．与AB边平行，竖直向下C．与AB边垂直，指向左边D．与AB边垂直，指向右边[解析]　根据通电直导线中电流相互作用的规律可知A处导线与C处导线相互吸引，B处导线与C处导线也相互吸引，且安培力大小相等，所以C处导线所受的合力方向一定指向左边且与AB边垂直，选项C正确。[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.(2021·济南高二检测)如图所示是济南某地标性建筑，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．(2021·青岛高二检测)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．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，对于下列各图中，导线所受安培力的大小计算正确的是(　　)
解析：A图中，导线不和磁场垂直，故将导线投影到垂直磁场方向上，故F＝BILcs θ，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。答案：A　
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，将通电直导线AB用丝线悬挂在电磁铁的正上方，直导线可自由转动，则接通开关K的瞬间(　　)A．A端向上运动，B端向下运动，悬线张力不变B．A端向下运动，B端向上运动，悬线张力不变C．A端向纸外运动，B端向纸内运动，悬线张力变小D．A端向纸内运动，B端向纸外运动，悬线张力变大
[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.(2021·广州高二检测)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.(2021·宁波高二检测)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　
3．(2021·佛山高二检测)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．(多选)如图(a)所示，扬声器中有一线圈处于辐射状磁场中， 当音频电流信号通过线圈时，线圈带动纸盆振动，发出声音。俯视图(b)表示处于辐射状磁场中的线圈(线圈平面即纸面)，磁场方向如图中箭头所示。下列选项正确的是(　　)A．当电流沿顺时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里B．当电流沿顺时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外C．当电流沿逆时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向里D．当电流沿逆时针方向时，线圈所受安培力的方向垂直于纸面向外
解析：将环形导线分割成无限个小段，每一小段看成直导线，根据左手定则可以判断，当电流为顺时针方向时，导线受到的安培力垂直纸面向外，当电流为逆时针方向时，导线受到的安培力垂直纸面向里，故B、C选项正确，A、D选项错误。答案：BC　
3．(2021·烟台高二检测)(多选)在某次科技活动中，有人做了一个电磁“小车”实验：如图，用裸露的铜导线绕制成一根长螺线管，将螺线管固定在水平桌面上。用一节干电池和两个磁铁制成一个“小车”，两磁铁的同名磁极粘在电池的正、负两极上。将这辆“小车”推入螺线管中(磁铁与电极和铜线间均能良好导电)，“小车”就加速运动起来。关于“小车”的运动，以下说法正确的是(　　)A．图中“小车”加速度方向向右B．图中“小车”加速度方向向左C．只将“小车”上某一磁铁改为S极与电池粘连，“小车”就不能加速运动D．只将“小车”上两磁铁均改为S极与电池粘连，“小车”的加速度方向不变
解析：两磁极间的磁感线如图甲所示，干电池与磁铁及中间部分线圈组成了闭合回路，在两磁极间的线圈中产生电流，左端磁极的左侧线圈和右端磁极的右侧线圈中没有电流。其中线圈中电流方向的左视图如图乙所示，由左手定则可知中间线圈所受的安培力有向右的分力，根据牛顿第三定律有“小车”向左加速，A错误，B正确；如果只改变某一磁铁S极与电池粘连，则磁感线不会向外发散，两部分受到方向相反的力，合力为零，“小车”不能加速运动，C正确；将“小车”上两磁铁均改为S极与电池粘连，磁感线会向里聚集，受到的力与图乙中方向相反，故“小车”的加速度方向将发生改变，D错误。答案：BC
4．我国建造中的国产003型航母将采用电磁弹射技术，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？