物理选择性必修 第二册第1节 安培力及其应用课文课件ppt

第1节　安培力及其应用

[核心素养·明目标]

知识点一　安培力

1．定义：物理学中，将磁场对通电导线的作用力称为安培力。

2．方向：用左手定则判断。

判断方法：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，且都与手掌处于同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流的方向，此时拇指所指的方向即为安培力的方向。

3．大小

(1)F＝

(2)在非匀强磁场中公式可用于很短的一段通电直导线。

　公式F＝IlB适用于匀强电场。

1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)安培力的方向可能与磁场方向垂直，也可能不垂直。 (×)

(2)通电导线在磁场中一定会受到安培力的作用。 (×)

(3)安培力的方向与导线方向一定垂直。 (√)

知识点二　安培力的应用

1．安培力在生活中应用：电动机、电流计等都是安培力的应用。

2．电流计工作原理

(1)构造：如图所示，圆柱形铁芯固定于U形磁铁两极间，铁芯外面套有缠绕着线圈并可转动的铝框，铝框的转轴上装有指针和游丝。

(2)原理：当被测电流通入线圈时，线圈受安培力作用而转动，使游丝扭转形变，从而对线圈的转动产生阻碍。当安培力产生的转动与游丝形变产生的阻碍达到平衡时，指针停留在某一刻度。电流越大，安培力就越大，指针偏转角度就越大。

　电流计的刻度线是均匀分布的吗？

提示：是均匀分布的。

2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

用磁电式电流表测量电流时，通过线圈的四条边都受到安培力的作用。(×)

3：填空

当电流恒定时，线圈受到的安培力大小不变，方向变化，达到平衡时，指针所指的刻度，就是流过线圈电流的大小。

考点1　安培力的方向

1．安培力的方向

不管电流方向与磁场方向是否垂直，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，即总有F⊥I和F⊥B。

(1)已知I、B的方向，可用左手定则唯一确定F的方向。

(2)已知F、B的方向，当导线的位置确定时，可唯一确定I的方向。

(3)已知F、I的方向，B的方向不能唯一确定。

2．安培定则(右手螺旋定则)与左手定则的区别

【典例1】　画出图中通电直导线A受到的安培力的方向。

(1)　　　(2)　　　　(3)　　　　(4)

[解析]　(1)中电流与磁场垂直，由左手定则可判断出A所受安培力方向如图甲所示。

(2)中条形磁铁在A处的磁场分布如图乙所示，由左手定则可判断A受到的安培力的方向如图乙所示。

(3)中由安培定则可判断出导线A处磁场方向如图丙所示，由左手定则可判断出A受到的安培力方向如图丙所示。

(4)中由安培定则可判断出导线A处磁场如图丁所示，由左手定则可判断出A受到的安培力方向如图丁所示。

[答案]　

(1)　　　(2)　　　　(3)　　　　(4)

判断安培力方向常见的两类问题

[跟进训练]

1．请画出如图所示的甲、乙、丙三种情况下，导线受到的安培力的方向。

[解析]　画出甲、乙、丙三种情况的侧面图，利用左手定则判定出在甲、乙、丙三种情况下，导线所受安培力的方向如图所示。

[答案]　见解析

考点2　安培力的大小

1．对安培力F＝IlBsin θ的理解

(1)B对放入的通电导线来说是外磁场的磁感应强度，不必考虑导线自身产生的磁感应强度的影响。

(2)l是有效长度，匀强磁场中弯曲导线的有效长度l，等于连接两端点直线的长度(如图)；相应的电流沿l由始端流向末端。

2．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。

3．电流在磁场中的受力特点

电荷在电场中一定会受到电场力作用，但是电流在磁场中不一定受安培力作用。当电流方向与磁场方向平行时，电流不受安培力作用。

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】　如图所示，在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线，电流均为I，磁感应强度均为B，求各导线所受到的安培力的大小。

(1)　　　(2)　　　(3)　　　(4)　　　(5)

[解析]　(1)图中，F＝IlBcos α，这时不能死记公式而错写成F＝IlBsin α。要理解公式本质是有效长度或有效磁场，正确分解。(2)图中，B⊥I，导线再怎么放，也在纸平面内，故F＝IlB。(3)图是两段导线组成的折线abc，整体受力实质上是两部分直导线分别受力的矢量和，其有效长度为ac，故F＝IlB。(4)图中，从a→b的半圆形电流，分析圆弧上对称的每一小段电流，受力抵消合并后，其有效长度为ab，故F＝2IRB。(5)图中，F＝0。

[答案]　(1)IlBcos α　(2)IlB　(3)IlB　(4)2IRB　(5)0

应用安培力公式F＝BIlsin θ解题的技巧

(1)公式F＝IlBsin θ中θ是B和I方向的夹角，不能盲目应用题目中所给的夹角，要根据具体情况进行分析。

(2)公式F＝IBlsin θ中的lsin θ也可以理解为垂直于磁场方向的“有效长度”。

[跟进训练]

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，对于下列各图中，导线所受安培力的方向如何？大小是多大？

A　　　　　　　　　B

C　　　　　　　　　D

[解析]　A图中，由左手定则可判断出导线所受力的方向为垂直纸面向外，因导线不和磁场垂直，故将导线投影到垂直磁场方向上，导线所受力大小为F＝BIlcos θ；B图中，由左手定则可判断出导线所受力的方向为垂直导线斜向左上方，因导线和磁场方向垂直，导线所受力大小为F＝BIl；C图中，由左手定则可判断出导线所受力的方向为垂直导线斜向左上方，因导线和磁场方向垂直，故导线所受力大小为F＝BIl；D图中，由左手定则可判断出导线所受力的方向为水平向右，导线所受力大小为F＝BIl。

[答案]　垂直纸面向外，BIlcos θ；垂直导线斜向左上方，BIl；垂直导线斜向左上方，BIl；水平向右，BIl

考点3　安培力作用下导体的运动问题

分析导体在磁场中运动的常用方法

【典例3】　一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合。当两线圈通以如图所示的电流时，从左向右看，则线圈L1将(　　)

A．不动

B．顺时针转动

C．逆时针转动

D．向纸面内平动

B　[方法一：直线电流元分析法

把线圈L1沿转动轴分成上下两部分，每一部分又可以看成无数直流电流元，电流元处在L2产生的磁场中，据安培定则可知各电流元所在处磁场向上。由左手定则可得，上部电流元所受安培力均指向纸外，下部电流元所受安培力均指向纸内，因此从左向右看线圈L1顺时针转动。

方法二：等效分析法

把线圈L1等效为小磁针，该小磁针刚好处于环形电流I2的中心，通电后，小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向，由安培定则知L2产生的磁场方向在其中心竖直向上，而L1等效成小磁针后，在转动之前，N极指向纸内，因此应由向纸内转为向上，所以从左向右看，线圈L1顺时针转动。

方法三：利用结论法

环形电流I1、I2之间不平行，则必有相对转动，直到两环形电流同向平行为止，据此可得从左向右看，线圈L1顺时针转动。]

判断导体在磁场中运动情况的常规思路

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，此类问题可按下面步骤进行分析：

(1)确定导体所在位置的磁场分布情况。

(2)结合左手定则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状态。

[跟进训练]

3．如图所示，把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁磁极的正上方，导线可以自由转动，当导线通入图示方向电流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

A　[(1)电流元法：把直线电流等效为AO、OB两段电流，由左手定则可以判断出AO段受力方向垂直纸面向外，OB段受力方向垂直纸面向内，因此，从上向下看AB将以中心O为轴顺时针转动。

(2)特殊位置法：用导线转过90°的特殊位置来分析，根据左手定则判得安培力的方向向下，故导线在顺时针转动的同时向下运动。]

1．(多选)关于磁电式电流表内的磁铁和铁芯之间的均匀辐向分布的磁场，下列说法正确的是(　　)

A．该磁场的磁感应强度大小处处相等，方向相同

B．该磁场的磁感应强度的方向处处相同，大小不等

C．使线圈平面始终与磁感线平行

D．该磁场中距轴线等距离处的磁感应强度大小都相等

CD　[磁电式电流表内的磁铁和铁芯之间均匀辐向分布的磁场，使线圈平面始终与磁感线平行，C正确；该磁场中距轴线等距离处的磁感应强度大小处处相等，但方向不同，A、B错误，D正确。]

2．一根容易形变的弹性导线，两端固定。导线中通有电流，方向如图中箭头所示。当没有磁场时，导线呈直线状态；当分别加上方向竖直向上、水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时，描述导线状态的四个图示中正确的是(　　)

A　　　　B　　　　C　　　　　D

D　[匀强磁场竖直向上与导线平行，导线受到的安培力为零，A错误；匀强磁场水平向右，根据左手定则可知导线受到安培力垂直纸面向里，B错误；匀强磁场垂直纸面向外，由左手定则可知导线受到安培力水平向右，C错误，D正确。]

3．如图所示，两个完全相同的线圈套在一水平光滑绝缘圆柱上，但能自由移动，若两线圈内通以大小不等的同向电流，则它们的运动情况是(　　)

A．都绕圆柱转动

B．以不等的加速度相向运动

C．以相等的加速度相向运动

D．以相等的加速度相背运动

C　[同向环形电流间相互吸引，虽然两电流大小不等，但根据牛顿第三定律知两线圈间相互作用力大小相等，所以选C项。]

4．(新情境题，以“电磁弹射器”为背景，考查安培力)我国建造中的国产003型航母将采用电磁弹射技术，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。

甲　　　　　　　　　乙

问题：

(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＝1×103A，匀强磁场B＝1×102T，设飞机总质量m＝2×104kg，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？

[解析]　(1)由图可知，电流由N流向M，根据左手定则可知匀强磁场方向竖直向上。

(2)牵引杆受到的安培力F＝BIL＝2×105N

由F＝ma可知a＝10 m/s2

根据速度－位移公式可知v2＝2ax，解得x＝180 m。

[答案]　(1)竖直向上　(2)180 m

回归本节知识，自我完成以下问题：

1．安培力大小的公式是什么？适用条件又是什么？

提示：F＝IlB；适用于通电导线与磁场方向垂直，匀强磁场或非匀强磁场中很短的导体。

2．安培力的方向用什么定则来判断？

提示：左手定则。

3．试写出左手定则的内容？

提示：伸开左手，拇指与其余四指垂直，且都与手掌处于同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流的方向，此时拇指所指的方向即为安培力的方向。