2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 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,【學(xué)習(xí)目標】1.知道什么是安培力,會推導(dǎo)安培力公式F=ILBsinθ.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.,基礎(chǔ)知識,核心要點,學(xué)習(xí)效果,核心素養(yǎng),基礎(chǔ)知識探究,教材探究,知識點一,安培力,【問題導(dǎo)學(xué)】,(1)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?,,答案:當通電導(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.,(2)當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.,【知識梳理】1.安培力:在磁場中受的力.2.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);讓磁感線從進入,并使指向電流的方向,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.3.安培力方向與磁場方向、電流方向的關(guān)系:F⊥B,F⊥I,即F垂直于所決定的平面.,通電導(dǎo)線,掌心,四指,拇指,B和I,4.安培力的大小三種情形,ILB,0,ILBsinθ,磁電式電流表,知識點二,【問題導(dǎo)學(xué)】,教材第93頁圖3.4-6的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.,【知識梳理】1.磁電式電流表的結(jié)構(gòu)特點(1)構(gòu)造:磁鐵、線圈、螺旋彈簧、極靴、鐵質(zhì)圓柱等.(2)特點:極靴和鐵質(zhì)圓柱間的磁場都沿方向,不管線圈轉(zhuǎn)到什么位置,它的平面都跟磁感線,表盤的刻度是均勻的.2.指針偏角與電流大小的關(guān)系磁場對電流的作用跟電流成正比,線圈中的電流越大,安培力越大,線圈和指針偏轉(zhuǎn)的角度就.因此,根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)角度的大小,就可以知道被測電流的強弱.3.磁電式儀表的優(yōu)缺點優(yōu)點是,可以測出很弱的電流;缺點是繞制線圈的導(dǎo)線,允許通過的電流.,半徑,平行,越大,靈敏度高,很細,很弱,思考判斷,1.一通電導(dǎo)線放在某處不受安培力作用,該處的磁感應(yīng)強度不一定是零.()2.若磁場一定,導(dǎo)線的長度和電流也一定的情況下,導(dǎo)線平行于磁場時,安培力最大,垂直于磁場時,安培力最小.()3.磁電式電流表的刻度是均勻的,是由于其磁場是勻強磁場.()4.左手定則確定了F,I,B三者間方向的關(guān)系.()5.安培力的方向一定與電流方向、磁場方向垂直,電流方向與磁場方向也一定垂直.()6.在利用安培力的公式F=ILB計算安培力時,對放入的通電導(dǎo)線來說B是外磁場的磁感應(yīng)強度,不必考慮導(dǎo)線自身產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的影響.(),,√,,√,,√,核心要點突破,要點一,對安培力的理解,1.安培力方向的特點:無論何時,?,即F⊥I,F⊥B.(1)當電流方向跟磁場方向垂直時,安培力的方向、磁場方向和電流方向兩兩互相垂直.應(yīng)用左手定則判斷時,磁感線從掌心垂直進入,拇指、其余四指和磁感線三者兩兩垂直.(2)當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方向,也垂直于磁場方向.應(yīng)用?判斷時,拇指與四指、拇指與磁感線垂直,磁感線與四指不垂直.,安培力既垂直于電流,又垂直于磁場,左手定則,2.安培力的大小特點(1)公式F=ILB中L指的是“有效長度”.當B與I垂直時,F最大,F=ILB;當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)強度B正交分解成B⊥=Bsinθ和B∥=Bcosθ,而B∥對電流是沒有作用的.所以F=ILB⊥=ILBsinθ.,?電流方向、磁場方向和安培力方向三者的因果關(guān)系1)電流方向和磁場方向間沒有必然聯(lián)系,這兩個方向的關(guān)系是不確定的.這兩個方向共同決定了安培力的方向,一旦電流方向、磁場方向確定,安培力的方向是唯一的.2)已知安培力方向和磁場方向時,電流方向不確定;已知安培力方向和電流方向時,磁場方向不確定.?左手定則與安培定則比較1)安培定則確定的是電流方向和由電流產(chǎn)生的磁場方向之間的關(guān)系.2)左手定則確定的是磁場方向、電流方向和電流所受磁場的作用力(安培力)的方向之間的關(guān)系.,狀元心得,,【例1】(2018蘭州高二質(zhì)檢)如圖所示,長度為10cm的一段直導(dǎo)線AB,與磁場方向垂直地放置在磁感應(yīng)強度B=310-2T的勻強磁場中.今在導(dǎo)線中通以10A的電流,方向自B向A,導(dǎo)線以固定點O為轉(zhuǎn)動軸(設(shè)OA=3OB),由圖中位置按順時針方向轉(zhuǎn)過60角時,求:,,(1)導(dǎo)線受到的安培力的大小和方向;(2)如果AB在豎直面上,OA從圖中位置以O(shè)點為轉(zhuǎn)動軸,由紙面向外轉(zhuǎn)30角時,情況又如何?,?思路探究?(1)導(dǎo)線以O(shè)軸順時針轉(zhuǎn)動60后,公式F=BIL中的“L”如何變化?(2)導(dǎo)線以O(shè)點為轉(zhuǎn)動軸,OA段向外轉(zhuǎn)30后,公式F=BIL中的“L”如何變化?答案:(1)變小.(2)不變.,解析:(1)當導(dǎo)線由圖中位置按順時針方向轉(zhuǎn)過60角時,導(dǎo)線與磁場的夾角為30,所受的安培力大小為F=BILsin30=310-2101010-20.5N=1.510-2N根據(jù)左手定則可知安培力方向垂直紙面向外.(2)OA從圖中位置以O(shè)點為轉(zhuǎn)動軸,由紙面向外轉(zhuǎn)30角時,導(dǎo)線與磁場垂直,所受的安培力大小為F′=BIL=310-2101010-2N=310-2N根據(jù)左手定則,可知安培力方向垂直于導(dǎo)線與磁感線決定的平面向外.,答案:(1)1.510-2N方向垂直紙面向外(2)310-2N方向垂直于導(dǎo)線與磁感線決定的平面向外,【針對訓(xùn)練1】如圖所示,AC是一個用長為L的導(dǎo)線彎成的、以O(shè)為圓心的四分之一圓弧,將其放置在與平面AOC垂直的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中.當在該導(dǎo)線中通以由C到A、大小為I的恒定電流時,該導(dǎo)線受到的安培力的大小和方向是(),C,,要點二安培力作用下導(dǎo)體運動的判斷,1.判斷導(dǎo)體在磁場中運動情況的常規(guī)思路不管是電流還是磁體,對通電導(dǎo)體的作用都是通過磁場來實現(xiàn)的,因此,此類問題可按下面步驟進行分析:(1)確定導(dǎo)體所在位置的磁場分布情況.(2)結(jié)合左手定則判斷導(dǎo)體所受安培力的方向.(3)由導(dǎo)體的受力情況判定導(dǎo)體的運動方向.,2.判斷導(dǎo)體在磁場中運動情況的五種常用方法,考查角度1:電流元法、等效法的應(yīng)用【例2】如圖所示,把輕質(zhì)導(dǎo)線圈用絕緣細線懸掛在磁鐵N極附近,磁鐵的軸線穿過線圈的圓心,且垂直于線圈平面,當線圈中通入如圖方向的電流后,線圈的運動情況是()A.線圈向左運動B.線圈向右運動C.從上往下看順時針轉(zhuǎn)動D.從上往下看逆時針轉(zhuǎn)動,,?思維導(dǎo)圖?畫出磁感線分布?選取一段具有代表性的電流元?確定電流所受安培力的方向?根據(jù)電流元所受安培力方向得出結(jié)論,,,,,,,解析:法一電流元法首先將圓形線圈分成很多小段,每小段可看做一直線電流,取其中上、下兩小段分析,其截面圖和受安培力情況如圖(甲)所示.根據(jù)對稱性可知,線圈所受安培力的合力水平向左,故線圈向左運動.法二等效法將環(huán)形電流等效成一條形磁鐵,如圖(乙)所示,據(jù)異名磁極相吸引知,線圈將向左運動.同時,也可將左側(cè)條形磁鐵等效成一環(huán)形電流,根據(jù)結(jié)論“同向電流相吸引,異向電流相排斥”又可得到相同的答案.,答案:A,考查角度2:特殊位置法的應(yīng)用【例3】如圖所示,把一重力不計的通電直導(dǎo)線水平放在蹄形磁鐵兩極的正上方,導(dǎo)線可以自由轉(zhuǎn)動,當導(dǎo)線通入圖示方向電流I時,導(dǎo)線的運動情況是(從上往下看)()A.順時針方向轉(zhuǎn)動,同時下降B.順時針方向轉(zhuǎn)動,同時上升C.逆時針方向轉(zhuǎn)動,同時下降D.逆時針方向轉(zhuǎn)動,同時上升,,解析:在導(dǎo)線處于如圖(甲)所示的位置時,將導(dǎo)線AB從N極,S極的中間O處分成兩段,AO,BO段所處的磁場方向如圖(甲)所示,由左手定則可得AO段受安培力方向垂直于紙面向外,BO段受安培力的方向垂直紙面向里,則從上往下看,導(dǎo)線AB將繞O點逆時針轉(zhuǎn)動.由導(dǎo)線轉(zhuǎn)過90時的特殊位置[如圖(乙)所示]可知導(dǎo)線AB此時受安培力方向豎直向下,導(dǎo)線將向下運動.由上述兩個特殊位置的判斷可知,導(dǎo)線所受安培力使AB逆時針轉(zhuǎn)動的同時還要向下運動.,答案:C,考查角度3:轉(zhuǎn)換研究對象法的應(yīng)用【例4】如圖所示,條形磁鐵放在水平桌面上,在其正中央的上方固定一根長直導(dǎo)線,導(dǎo)線與磁鐵垂直,給導(dǎo)線通過垂直紙面向里的電流,用FN表示磁鐵對桌面的壓力,用F表示桌面對磁鐵的摩擦力,導(dǎo)線中通電后與通電前相比較(),A.FN減小,F=0B.FN減小,F≠0C.FN增大,F=0D.FN增大,F≠0,,解析:以導(dǎo)線為研究對象,畫出一條通過電流I處的磁感線(如圖),電流I處的磁場方向水平向左,電流I受安培力方向豎直向上,電流對磁鐵的作用力方向豎直向下,磁鐵對桌面壓力增大,磁鐵沒有相對于桌面的運動趨勢,桌面對磁鐵無摩擦力作用,選項C正確.,答案:C,考查角度4:結(jié)論法的應(yīng)用【例5】用兩根細線把兩個完全相同的圓形導(dǎo)線環(huán)懸掛起來,讓二者等高平行放置,如圖所示,當兩導(dǎo)線環(huán)中通入方向相同的電流I1,I2時,則有(),A.兩導(dǎo)線環(huán)相互吸引B.兩導(dǎo)線環(huán)相互排斥C.兩導(dǎo)線環(huán)無相互作用力D.兩導(dǎo)線環(huán)先吸引后排斥,,解析:通電的導(dǎo)線環(huán)周圍能夠產(chǎn)生磁場,磁場的基本性質(zhì)是對放入其中的磁體或電流產(chǎn)生力的作用.由于導(dǎo)線環(huán)中通入的電流方向相同,二者同位置處的電流方向完全相同,相當于通入同向電流的直導(dǎo)線,據(jù)同向電流相互吸引的規(guī)律,判知兩導(dǎo)線環(huán)應(yīng)相互吸引,選項A正確.,答案:A,學(xué)習(xí)效果檢測,1.(2018哈爾濱六中高二月考)如圖所示,勻強磁場中放著通入相同電流的幾段導(dǎo)線(均在紙面內(nèi)),A,B端間距離都相等,受力的情況是()A.圖(a)受力最小B.各圖受力方向相同C.各圖受力一樣D.不能確定,C,,解析:A,B端間距離都相等,說明電流的等效長度全相同,根據(jù)公式F=BIL,各個圖的安培力等大,故選項C正確.,2.(2017昆明檢測)如圖所示,均勻繞制的螺線管水平放置,在其正中心的上方附近用絕緣線水平吊起通電直導(dǎo)線A.A與螺線管垂直,A導(dǎo)線中電流的方向垂直于紙面向里,開關(guān)S閉合后,A受到通電螺線管磁場的作用力的方向是()A.水平向左B.水平向右C.豎直向下D.豎直向上,,解析:根據(jù)安培定則.通電螺線管上方磁場方向水平向右,由左手定則判斷可知通電直導(dǎo)線所受安培力的方向豎直向下,選項C正確.,C,3.(2018紹興高二質(zhì)檢)長度為L、通有電流為I的直導(dǎo)線放入一勻強磁場中,電流方向與磁場方向如圖所示,已知磁感應(yīng)強度為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,,解析:A圖中,導(dǎo)線與磁場不垂直,將導(dǎo)線投影到垂直磁場方向上,則有F=BILcosθ,選項A正確;B圖中,導(dǎo)線和磁場方向垂直,則有F=BIL,選項B錯誤;C圖中導(dǎo)線和磁場方向垂直,則有F=BIL,選項C錯誤;D圖中導(dǎo)線和磁場方向垂直,則有F=BIL,選項D錯誤.,4.兩條直導(dǎo)線相互垂直,如圖所示,但相隔一個小距離,其中一條AB是固定的,另一條CD能自由活動,當恒定電流按圖示方向通入兩條導(dǎo)線時,導(dǎo)線CD將()A.順時針方向轉(zhuǎn)動,同時靠近導(dǎo)線ABB.逆時針方向轉(zhuǎn)動,同時離開導(dǎo)線ABC.順時針方向轉(zhuǎn)動,同時離開導(dǎo)線ABD.逆時針方向轉(zhuǎn)動,同時靠近導(dǎo)線AB,D,,解析:如圖所示,先分析AB導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的磁場方向,再分段找出CD各段所受安培力的方向.由左手定則判斷,CO段受力向下,DO段受力向上,所以CD導(dǎo)線沿逆時針方向轉(zhuǎn)動,又由于AB,CD導(dǎo)線電流有同向的趨勢,由已知結(jié)論可知它們同時還相互吸引,故選項D正確.,核心素養(yǎng)提升,(教師備用),學(xué)長經(jīng)驗分享,【錯題分析】——公式F=BIL中“L”的理解如圖所示,一個邊長為L、三邊電阻相同的正三角形金屬框放置在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,若通以如圖所示方向的電流(從A點流入,從C點流出),電流大小為I,則關(guān)于金屬框所受安培力的情況,下列說法正確的是()A.金屬框所受安培力大小為0B.金屬框所受安培力大小為BIL,方向垂直AC沿紙面向上C.金屬框所受安培力大小為BIL,方向垂直AC沿紙面向下D.金屬框所受安培力大小為2BIL,方向垂直AC沿紙面向上,B,,【錯解】錯誤的認為ABC中的電流為閉合電路中的電流,其有效長度L等于零,所以安培力的大小為零,從而錯選A.【正解】根據(jù)通電導(dǎo)線在磁場中受安培力的特點,可以把正三角形金屬框的AB與BC兩根導(dǎo)線所受的安培力等效為導(dǎo)線AC所受的安培力,則整個三角形金屬框可以看做兩根AC導(dǎo)線并聯(lián),且兩根導(dǎo)線中的總電流等于I,由公式得到F=BIL,另外根據(jù)左手定則,可知整個三角形金屬框所受的安培力的方向垂直AC沿紙面向上,所以選項B正確.,【注意】如圖(甲)、(乙)、(丙),導(dǎo)線是折線或曲線,計算安培力的等效長度為L,安培力合力的大小為F安=BIL,方向垂直于L,作用點可認為在L中點處.而(丁)圖是閉合電流,其等效長度L=0,則F安=0.,【科學(xué)技術(shù)社會環(huán)境】直流電動機,1.基本結(jié)構(gòu)如圖所示為直流電動機模型圖.它由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成.(1)定子:主要部分是磁極.,(2)轉(zhuǎn)動:由電樞繞組(線圈)、換向器(兩個銅半環(huán))和轉(zhuǎn)軸組成.,2.工作原理直流電動機是利用線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的原理制成的.它把電能轉(zhuǎn)化為機械能.給矩形線圈通電后,線圈便在磁力矩作用下繞軸轉(zhuǎn)動.3.直流電動機的起動力矩大,容易調(diào)整,廣泛應(yīng)用在電車、電力機車、礦井提升機等起重設(shè)備中.,