高中物理 第3章 磁場 第4節(jié) 通電導(dǎo)線在磁場中受到的力課件 新人教版選修3-1.ppt

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第4節(jié) 通電導(dǎo)線在磁場中受到的力,,(教師參考) 一、教學(xué)目標(biāo) 知識與技能 1.知道什么是安培力,會推導(dǎo)安培力公式F=ILBsin θ 2.知道左手定則的內(nèi)容,并會用它判斷安培力的方向 3.了解磁電式電流表的工作原理 過程與方法 通過演示實驗歸納、總結(jié)安培力的方向與電流、磁場方向的關(guān)系——左手定則 情感態(tài)度與價值觀 1.通過推導(dǎo)一般情況下安培力的公式F=ILBsin θ,使學(xué)生形成認(rèn)識事物規(guī)律要抓住一般性的科學(xué)方法 2.通過了解磁電式電流表的工作原理,感受物理知識的相互聯(lián)系,,二、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn) 教學(xué)重點(diǎn) 安培力的大小計算和方向的判定 教學(xué)難點(diǎn) 用左手定則判定安培力的方向 三、重難點(diǎn)突破方略 安培力方向的突破方略 【思考與討論】 安培力的方向與什么因素有關(guān)呢?讓學(xué)生自由發(fā)揮,教師引導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn) 從如下幾個方面思考:(1)安培力的方向與電流的什么有關(guān)?(2)安培力的方向與磁場的什么有關(guān)? 學(xué)生:安培力的方向與導(dǎo)體中電流的方向、磁場方向有關(guān)? 教師:下面我們探索安培力的方向與導(dǎo)體中電流的方向、磁場方向的關(guān)系.用什么思維方法來確定探究的順序?探究實驗的順序怎樣設(shè)計? 學(xué)生:用控制變量法的思維方法探究.先保持磁場方向不變,改變電流的方向,確定安培力的方向與導(dǎo)體中電流方向的關(guān)系;再保持電流方向不變,改變磁場的方向,確定安培力的方向與磁場方向的關(guān)系.,,【實驗設(shè)置】 如圖所示,連接好裝置和電路. 【演示1】 給導(dǎo)體通上強(qiáng)電流,導(dǎo)體會側(cè)向擺動一個角度,改變電流的方向,讓學(xué)生觀察發(fā)生的現(xiàn)象,并提問: (1)導(dǎo)體側(cè)向擺動的方向發(fā)生了什么變化? 學(xué)生:導(dǎo)體向另一側(cè)擺動. (2)初步得到安培力方向變化與電流方向變化有什么關(guān)系? 學(xué)生:電流方向反向,安培力方向反向.,,【演示2】 將磁鐵兩極的位置調(diào)換,磁場方向變?yōu)榉聪?讓學(xué)生觀察發(fā)生的現(xiàn)象,并提問: (1)導(dǎo)體側(cè)向擺動的方向發(fā)生了什么變化? 學(xué)生:導(dǎo)體又向另一側(cè)擺動. (2)初步得到安培力方向變化與磁場方向變化有什么關(guān)系? 學(xué)生:磁場方向反向,安培力方向反向. 【思考與討論】 安培力的方向與電流方向的夾角為多大?安培力的方向與磁場方向的夾角又為多大? 學(xué)生:安培力的方向既跟磁場方向垂直,又跟電流方向垂直.,,【教師講授】 通電直導(dǎo)線所受安培力的方向和磁場方向、電流方向之間的關(guān)系,可以用左手定則來判定:伸開左手,使大拇指跟其余四個手指垂直,并且都和手掌在一個平面內(nèi),把手放入磁場中,讓磁感線垂直穿入手心,并使伸開的四指指向電流的方向,那么,大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向.,自主學(xué)習(xí),課堂探究,達(dá)標(biāo)測評,自主學(xué)習(xí) 課前預(yù)習(xí)感悟新知,,(教師參考) 情境鏈接一 導(dǎo)軌炮(電磁炮)是利用電流間相互作用的安培力把炮彈發(fā)射出去.它由兩條平行的長直導(dǎo)軌組成,導(dǎo)軌間放置一個導(dǎo)體棒作為炮彈.當(dāng)兩軌接入電源時,強(qiáng)大的電流從一導(dǎo)軌流入,經(jīng)導(dǎo)體棒從另一導(dǎo)軌流回時,在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生強(qiáng)磁場,通電導(dǎo)體棒在安培力的作用下,炮彈會以很大的速度射出.,,1.電流的大小與在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生磁場的強(qiáng)弱有何定性關(guān)系? 2.電流的大小與通電導(dǎo)體棒受到安培力的大小有何定性關(guān)系? 3.將電流反向,通電導(dǎo)體棒受到安培力的方向改變嗎? 信息 1.電流越大,在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生的磁場越強(qiáng). 2.電流越大,通電導(dǎo)體棒受到的安培力越大. 3.不改變.安培力的方向由左手定則確定,電流反向的同時,磁場方向也反向,通電導(dǎo)體棒受到安培力的方向不改變.,,情境鏈接二 安培對電學(xué)的貢獻(xiàn)是多方面的,而且是奠基性的.今天,在各種電器的標(biāo)牌上可以看到安培名字的第一個字母A,那是人們用 電流的單位來紀(jì)念安培.安培證明了通電導(dǎo)線之間 會發(fā)生相互作用,并得出了電流之間相互作用力的 大小和方向的安培公式.洗衣機(jī)、電風(fēng)扇接入電路 時,電動機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn),你知道這是為什么嗎? 信息 磁極與電流之間存在相互作用力,這種作用力可以驅(qū)動通電導(dǎo)體或磁性物質(zhì),這是許多動力系統(tǒng)的原理.,教材梳理,一、安培力 閱讀教材第91頁“安培力的方向”、第92頁“安培力的大小”兩部分,初步應(yīng)用左手定則判斷安培力的方向,知道垂直情況下安培力大小的公式. 1.定義:通電導(dǎo)線在 中受的力. 2.方向 (1)左手定則:伸開左手,使拇指與其余四個手指垂直,并且都與手掌在同一個平面內(nèi);讓磁感線從 進(jìn)入,并使四指指向 的方向,這時 所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向. (2)特點(diǎn):F⊥B,F⊥I,而B和I可以有任意夾角,則F垂直于 方向和 方向所決定的平面.,磁場,掌心,電流,拇指,磁場,電流,3.大小,,,想一想 通電導(dǎo)線在磁場中一定受到安培力嗎?若通電導(dǎo)線不受安培力作用,是否可以判定該處無磁場嗎?,答案:當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向平行時不受安培力作用.若通電導(dǎo)線不受安培力作用,則該處可能無磁場,也可能有磁場.,二、磁電式電流表 閱讀教材第93頁“磁電式電流表”部分,了解磁電式電流表的結(jié)構(gòu),大致了解其工作原理. 1.構(gòu)造: 、線圈、螺旋彈簧、極靴等. 2.原理:通電線圈在磁場中受到 而偏轉(zhuǎn),線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大,被測電流就 .根據(jù)線圈 ,可以知道被測電流的方向. 3.優(yōu)缺點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,可以測出 的電流;缺點(diǎn)是繞制線圈的導(dǎo)線很細(xì),允許通過的電流很弱.,磁鐵,安培力,越大,偏轉(zhuǎn)的方向,很弱,想一想 在教材第93頁圖3.4-6的磁電式電流表中,通電線圈的四條邊是否都受安培力作用?,答案:與轉(zhuǎn)動軸垂直的兩條邊不受安培力作用,因為導(dǎo)線與磁場方向平行.,自主檢測,,答案:(1) (2) (3)√ (4)√,1.思考判斷 (1)已知磁場方向和電流方向判定安培力的方向用左手,若已知磁場方向和安培力的方向,判定電流的方向用右手.( ) (2)兩根通電導(dǎo)線在同一勻強(qiáng)磁場中,若導(dǎo)線長度相同,電流大小相等,則所受安培力一定大小相等.( ) (3)增加線圈匝數(shù)和增加線圈面積都可提高磁電式電流表的靈敏度.( ) (4)磁電式電流表內(nèi)是均勻輻射磁場,不是勻強(qiáng)磁場.( ),2.如圖所示,通電直導(dǎo)線置于勻強(qiáng)磁場中,直導(dǎo)線與磁場方向垂直,電流方向向左,則該導(dǎo)線所受安培力的方向是( ) A.沿紙面向上 B.沿紙面向下 C.垂直紙面向里 D.垂直紙面向外,,解析:磁場方向豎直向上,電流方向水平向左,根據(jù)左手定則,知安培力的方向垂直紙面向里,故選項C正確.,C,,解析:由公式F=ILB可知,其他不變,只將導(dǎo)線長度減小為原來的一半時,所受安培力為原來的一半,選項B正確.,B,4.將長度為20 cm,通有0.1 A電流的直導(dǎo)線放入一勻強(qiáng)磁場中,電流與磁場的方向如圖所示,已知磁感應(yīng)強(qiáng)度大小 為1 T,試求出下列各圖中導(dǎo)線所受安培 力的大小和方向.,,解析:(1)因?qū)Ь€與磁感線平行,所以導(dǎo)線所受安培力為零; (2)由左手定則知,安培力方向垂直導(dǎo)線水平向右,大小F2=ILB=0.10.21 N=0.02 N; (3)安培力的方向在紙面內(nèi)垂直導(dǎo)線斜向上,大小F3=ILB=0.10.21 N=0.02 N. 答案:(1)0 (2)0.02 N 方向垂直導(dǎo)線水平向右 (3)0.02 N 方向在紙面內(nèi)垂直導(dǎo)線斜向上,課堂探究 核心導(dǎo)學(xué)要點(diǎn)探究,要點(diǎn)一,安培力的方向,【問題導(dǎo)引】 1.當(dāng)磁場方向與電流方向不垂直時,安培力的方向是否仍與兩者方向垂直? 答案:安培力的方向既垂直于電流的方向,又垂直于磁場的方向. 2.電流方向和磁場方向確定時,安培力的方向是否是唯一確定的? 答案:由左手定則可知,若已知電流方向和磁場方向時,安培力的方向是唯一確定的.,(教師備用) 【要點(diǎn)歸納】 1.安培力的方向既與磁場方向垂直,又與電流方向垂直,即安培力的方向總是垂直于磁場和電流所決定的平面. 2.當(dāng)電流方向跟磁場方向不垂直時,安培力的方向仍垂直于電流與磁場所決定的平面,所以仍用左手定則來判斷安培力的方向,只是磁感線不再垂直穿過手心,而是斜穿過手心.,【例1】 (多選)圖中裝置可演示磁場對通電導(dǎo)線的作用.電磁鐵上下兩磁極之間某一水平面內(nèi)固定兩條平行金屬導(dǎo)軌,L是置于導(dǎo)軌上并與導(dǎo)軌垂直的金屬桿.當(dāng)電磁鐵線圈兩端a,b,導(dǎo)軌兩端e,f,分別接到兩個不同的直流電源上時,L便在導(dǎo)軌上滑動.下列說法正確的是( ) A.若a接正極,b接負(fù)極,e接正極,f接負(fù)極,則L向右滑動 B.若a接正極,b接負(fù)極,e接負(fù)極,f接正極,則L向右滑動 C.若a接負(fù)極,b接正極,e接正極,f接負(fù)極,則L向左滑動 D.若a接負(fù)極,b接正極,e接負(fù)極,f接正極,則L向左滑動,,?思維導(dǎo)圖?,BD,,解析:若a接正極,b接負(fù)極,由安培定則知電磁鐵上下兩磁極間磁場方向向上,若e接正極,f接負(fù)極,由左手定則知L受到的安培力向左;若e接負(fù)極,f接正極,L受到的安培力向右,選項A錯誤,B正確;同理,若a接負(fù)極,b接正極,磁場方向向下,e接負(fù)極,f接正極,L所受的安培力向左;e接正極,f接負(fù)極,L所受的安培力向右,選項C錯誤,D正確.,誤區(qū)警示 左、右手的應(yīng)用誤區(qū) 由電流方向判斷磁場的方向要用右手(安培定則),由電流方向和磁場方向判斷安培力方向要用左手(左手定則).,,(教師備用) 例1-1:在等邊三角形的三個頂點(diǎn)a,b,c處,各有一條長直導(dǎo)線垂直穿過紙面,導(dǎo)線中通有大小相等的恒定電流,方向如圖所示.過c點(diǎn)的導(dǎo)線所受安培力的方向( ) A.與ab邊平行,豎直向上 B.與ab邊平行,豎直向下 C.與ab邊垂直,指向左邊 D.與ab邊垂直,指向右邊,,解析:因a,b處的導(dǎo)線中的電流方向垂直紙面向里,根據(jù)安培定則可以判斷a處導(dǎo)線中的電流在c處產(chǎn)生的磁場方向為與ac邊垂直且指向左下方;b處導(dǎo)線中的電流在c處產(chǎn)生的磁場方向為與bc邊垂直且指向右下方.由幾何知識可得兩個磁場方向的夾角為60,又由于c點(diǎn)距a,b兩點(diǎn)的距離相等,a,b處導(dǎo)線中的電流相等,所以產(chǎn)生的兩個磁感應(yīng)強(qiáng)度大小也相等,由平行四邊形定則合成后的磁場方向豎直向下.由左手定則可以判斷c處導(dǎo)線受到的安培力與ab邊垂直,指向左邊,故選項C正確.,C,針對訓(xùn)練1:畫出圖中導(dǎo)體棒ab所受的安培力方向.,,答案:ab棒所受的安培力方向如圖所示.,要點(diǎn)二,安培力的計算,【問題導(dǎo)引】 在定義磁感應(yīng)強(qiáng)度時,讓一小段通電導(dǎo)線放入磁場,可得F=ILB,此公式的適用條件是什么?當(dāng)導(dǎo)線平行于磁場方向放置時,導(dǎo)線受力為多少?公式中L指怎樣的長度?,答案:導(dǎo)線垂直于磁場方向放置;當(dāng)導(dǎo)線平行于磁場方向放置時,導(dǎo)線受力為零;公式中的L指通電導(dǎo)線在垂直于磁場方向的有效長度.,(教師備用) 【要點(diǎn)歸納】 1.公式F=ILB中L指的是“有效長度”.當(dāng)B與I垂直時,F最大,F=ILB;當(dāng)B與I平行時,F=0. 2.彎曲導(dǎo)線的有效長度L,等于連接兩端點(diǎn)線段的長度(如圖);相應(yīng)的電流沿L由始端流向末端.,3.若磁場方向和電流方向成θ角時,如圖所示. 可以將磁感應(yīng)強(qiáng)度B正交分解成B⊥=Bsin θ和B∥=Bcos θ,而B∥對電流是沒有作用的.所以F=ILB⊥=ILBsin θ.,【例2】 如圖所示的各圖中,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相同,導(dǎo)線兩端點(diǎn)a,b間的距離均相等,導(dǎo)線中電流相等,則各圖中有關(guān)ab導(dǎo)線所受安培力大小的判斷正確的是( ) A.(丁)圖最大 B.(乙)圖最大 C.一樣大 D.無法判斷,,?思路探究?(1)安培力公式F=ILBsin θ可寫為F=IBLsin θ和F=ILBsin θ兩種形式,如何理解Lsin θ和Bsin θ? 答案:Lsin θ為導(dǎo)線垂直于磁場方向的有效長度,Bsin θ為磁場在垂直于電流方向的分量. (2)如何求解導(dǎo)線的有效長度? 答案:導(dǎo)線的有效長度等于連接導(dǎo)線首尾端點(diǎn)在垂直于磁場方向的線段長度.,C,,解析:由于各圖中a,b間導(dǎo)線在垂直于磁場方向的有效長度相等,根據(jù)安培力公式F=ILB可知,(甲)、(乙)、(丙)、(丁)四個圖中導(dǎo)線所受的安培力大小相等,故選項C正確.,規(guī)律方法 確定通電導(dǎo)線“有效長度”的方法 (1)作連接導(dǎo)線兩端點(diǎn)的直線L′. (2)確定L′與磁場方向的夾角. (3)由幾何關(guān)系求出“有效長度”L″=L′sin α.,,(教師備用) 例2-1:如圖,在勻強(qiáng)磁場中放有下列各種形狀的通電導(dǎo)線,電流強(qiáng)度均為I,磁感應(yīng)強(qiáng)度均為B,求各導(dǎo)線所受到的安培力的大小.,,,A,要點(diǎn)三,安培力作用下導(dǎo)體的平衡,【問題導(dǎo)引】 質(zhì)量為m,長度為L的導(dǎo)體棒MN垂直導(dǎo)軌放置且靜止于水平導(dǎo)軌上,通過MN的電流為I,勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,垂直于電流方向且與導(dǎo)軌平面成θ角斜向下,如圖所示.請?zhí)骄恳韵聨讉€問題: 1.導(dǎo)體棒MN受哪幾個力?請畫出它的受力分析圖. 答案:導(dǎo)體棒受重力、支持力、安培力和摩擦力共四個力作用.MN的受力分析如圖所示.,2.怎樣確定MN的受力關(guān)系?如何列方程求解MN所受的支持力和摩擦力的大小? 答案:由于MN受力平衡,所以可列出MN的平衡方程. 在水平方向:Ff=Fsin θ 豎直方向:FN=Fcos θ+mg 又由安培力F=ILB 可解得FN=ILBcos θ+mg Ff=ILBsin θ.,【例3】 (2016牡丹江一中期中)光滑的平行導(dǎo)軌(圖中粗線)與電源連接后,傾斜放置,導(dǎo)軌上放一個質(zhì)量為m的金屬導(dǎo)體棒.通電后,導(dǎo)體棒電流垂直紙面向外,在棒所在區(qū)域內(nèi)加一個合適的勻強(qiáng)磁場,可以使導(dǎo)體棒靜止,下面四個圖中分別加了不同方向的磁場,其中一定不能平衡的是( ),,?思路探究?(1)本題中導(dǎo)體棒可能受幾個力而處于平衡狀態(tài)? 答案:導(dǎo)體棒可能受兩個或三個力處于平衡狀態(tài). (2)重力與支持力的方向如何?安培力只可能處在哪個區(qū)域? 答案:重力豎直向下,支持力垂直斜面向上,由平衡條件可知,安培力只可能處在豎直向上與垂直斜面向下所夾的右側(cè)區(qū)域.,C,,解析:由左手定則可知A圖中導(dǎo)體棒所受安培力豎直向上,當(dāng)安培力等于重力時,導(dǎo)體棒可以處于平衡狀態(tài),故選項A能平衡;B圖中安培力水平向右,這樣安培力有沿斜面向上的分力可能與重力沿斜面向下分力平衡,導(dǎo)體棒即可處于平衡狀態(tài),故選項B能平衡;C圖中導(dǎo)體棒所受安培力垂直斜面斜向上,沒有力和重力沿斜面向下的分力平衡,故導(dǎo)體棒一定不能平衡,故選項C不能平衡;D中由左手定則可知安培力沿斜面向上,當(dāng)安培力大小與重力沿斜面向下的分力相等時,導(dǎo)體棒即可處于平衡狀態(tài),故選項D能平衡.,規(guī)律方法 合成法與正交分解法的應(yīng)用 (1)三力平衡時,一般先用平行四邊形定則將某兩個力合成,平行四邊形的對角線一定與第三個力等大,反向. (2)四個力或四個以上力平衡時,一般先正交分解,然后分析這兩個垂直方向的受力,列平衡方程求解.,(教師備用) 例3-1:如圖所示,在傾角為37的光滑斜面上有一根長為0.4 m,質(zhì)量為6 10-2 kg的通電直導(dǎo)線,電流I=1 A,方向垂直于紙面向外,導(dǎo)線用平行于斜面 的輕繩拴住不動,整個裝置放在磁感應(yīng)強(qiáng)度每秒增加0.4 T,方向豎直向上的 磁場中,設(shè)t=0時,B=0,則需要幾秒,斜面對導(dǎo)線的支持力為零?(g取10 m/s2),,答案:5 s,針對訓(xùn)練3:如圖所示,一根長L=0.2 m的金屬棒放在傾角θ=37的光滑斜面上,并通過I=5 A的電流,方向如圖所示,整個裝置放在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.6 T 豎直向上的勻強(qiáng)磁場中,金屬棒恰能靜止在斜面上,則該棒的重力 為多少?(sin 37=0.6),,答案:0.8 N,(教師參考) 【教材探究】 教材P92演示實驗如圖所示,兩條平行的通電直導(dǎo)線之間會通過磁場發(fā)生相互作用.在什么情況下兩條直導(dǎo)線相互吸引,什么情況下兩條直導(dǎo)線相互排斥? 答案:每一條通電直導(dǎo)線均處在另一直導(dǎo)線電流的磁場中,根據(jù)安培定則可判斷出導(dǎo)線電流磁場的方向,再根據(jù)左手定則可判斷出每一條直導(dǎo)線所受的安培力,由此可知,同向電流相互吸引,反向電流相互排斥.,達(dá)標(biāo)測評 隨堂演練檢測效果,1.下面的幾個圖顯示了磁場對通電直導(dǎo)線的作用力,其中正確的是( ),,解析:由左手定則判斷可知,選項C正確.,C,2.如圖所示,兩根通電的長直導(dǎo)線垂直于紙面平行放置,電流分別為I1和I2,且I1=I2,電流的方向如圖所示,O點(diǎn)位于兩導(dǎo)線連線的中點(diǎn).則( ) A.O點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為零 B.O點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小不為零 C.I1和I2之間為引力 D.I1和I2之間無作用力,,B,解析:由安培定則可知,I1,I2在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場的方向均向上,該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小不為零;由安培定則和左手定則判斷可知,兩根通電導(dǎo)線間為斥力,故選項B正確.,3.(多選)關(guān)于磁電式電流表內(nèi)的磁鐵和鐵芯之間的均勻輻向分布的磁場,下列說法中正確的是( ) A.該磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小處處相等,方向相同 B.該磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向處處相同,大小不等 C.使線圈平面始終與磁感線平行 D.該磁場中距軸線等距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小都相等,,CD,解析:磁電式電流表內(nèi)的磁鐵和鐵芯之間是均勻輻向分布的磁場,使線圈平面始終與磁感線平行,故選項C正確;該磁場中距軸線等距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小處處相等,但方向不同,故選項A,B錯誤,D正確.,4.長度為L、通有電流為I的直導(dǎo)線放入一勻強(qiáng)磁場中,電流方向與磁場方向如圖所示,已知磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,對于下列各圖中,導(dǎo)線所受安培力的大小計算正確的是( ) A.Fa=ILBcos θ B.Fb=ILBcos θ C.Fc=ILBsin θ D.Fd=ILBsin θ,,A,解析:在(a)圖中,導(dǎo)線不和磁場垂直,故將導(dǎo)線投影到垂直磁場方向上,故Fa=ILBcos θ,故選項A正確;在(b)圖中,導(dǎo)線和磁場方向垂直,故Fb=ILB,故選項B錯誤;在(c)圖中導(dǎo)線和磁場方向垂直,故Fc=ILB,故選項C錯誤;在(d)圖中導(dǎo)線和磁場方向垂直,故Fd=ILB,故選項D錯誤.,5.如圖所示,長為L、質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒用細(xì)線懸掛放入某勻 強(qiáng)磁場中,導(dǎo)體棒與磁場方向垂直,當(dāng)導(dǎo)體棒中通過的電流 為I時,細(xì)線上的拉力恰好為零,問磁感應(yīng)強(qiáng)度B為多大?,,(教師參考) 課堂小結(jié),謝謝觀賞！,