2018-2019學(xué)年高中物理 第二章 電流與磁場(chǎng) 2 磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力學(xué)案 教科版選修1 -1.doc

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2　磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.掌握安培力、左手定則，會(huì)判斷安培力的方向以及有關(guān)安培力的計(jì)算．(重點(diǎn)) 2．理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義和物理意義．(難點(diǎn)) 3．理解磁通量及其定義，掌握公式Φ＝BS.(難點(diǎn)) [自 主 預(yù) 習(xí)探 新 知] [知識(shí)梳理] 一、安培力　磁感應(yīng)強(qiáng)度 1．安培力——磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力 (1)定義：人們把磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力叫安培力． (2)因素：與電流大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度有關(guān)，即F＝BIL.(導(dǎo)體垂直磁場(chǎng)放置) (3)安培力的方向可用左手定則判定．伸開左手，四指并攏，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并處于同一平面內(nèi)．把手放入磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿過手心，四指指向電流的方向，則左手拇指所指的方向就是安培力的方向． 2．磁場(chǎng)的定量描述——磁感應(yīng)強(qiáng)度 (1)定義：一段通電直導(dǎo)線放在磁場(chǎng)里所受的安培力F＝BIL，其中B與導(dǎo)線中的電流和導(dǎo)線的長(zhǎng)度無關(guān)，僅與磁場(chǎng)有關(guān)，表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向，稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度． (2)公式：B＝. (3)單位：特斯拉；符號(hào)T. (4)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與磁場(chǎng)的方向一致． 二、磁通量 1．定義：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一個(gè)與磁感線方向垂直的平面．我們把磁感應(yīng)強(qiáng)度B與面積S的乘積叫作穿過這個(gè)面的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通，用符號(hào)Φ表示． 2．表達(dá)式：Φ＝BS. 3．單位：韋伯，簡(jiǎn)稱韋，符號(hào)Wb,1 Wb＝1 Tm2. 4．磁感應(yīng)強(qiáng)度也稱為磁通密度． [基礎(chǔ)自測(cè)] 1．思考判斷 (1)當(dāng)通電直導(dǎo)線垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度方向時(shí)，安培力的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相同．(　　) (2)已知磁場(chǎng)方向和電流方向判定安培力的方向用左手，若已知磁場(chǎng)方向和安培力的方向，判定電流的方向用右手．(　　) (3)只要電流的方向不與磁場(chǎng)平行，電流就會(huì)受到安培力．(　　) (4)磁感應(yīng)強(qiáng)度等于穿過單位面積的磁通量．(　　) (5)若穿過某平面的磁通量為零，則該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零．(　　) (6)磁通量有大小，有正負(fù)、它是矢量．(　　) 【提示】　(1)　(2)　(3)√　(4)　(5)　(6) 2．下列各圖中，表示磁場(chǎng)方向、電流方向及導(dǎo)線所受安培力方向的相互關(guān)系，其中正確的是(　　) C　[A圖，電流的方向向上，讓磁場(chǎng)垂直于掌心向里穿過，根據(jù)左手定則可得，安培力的方向向左，故A錯(cuò)誤；B圖，電流的方向與磁場(chǎng)的方向平行，電流不受到安培力的作用，故B錯(cuò)誤；C圖，電流的方向向右，讓磁場(chǎng)垂直于掌心向里穿過，根據(jù)左手定則可得，安培力的方向向上，故C正確；D圖，電流的方向向里，讓磁場(chǎng)垂直于掌心選項(xiàng)穿過，根據(jù)左手定則可得，安培力的方向向左，故D錯(cuò)誤；故選：C.] 3．如圖221所示，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的通電直導(dǎo)線位于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直．當(dāng)導(dǎo)線中的電流為I時(shí)，導(dǎo)線所受安培力的大小為F.則該勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：37032037】 圖221 A．　　 B． C．FIL D．FI A　[電流與磁場(chǎng)垂直，安培力最大，為F，電流大小為I，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，故磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為：B＝，故B、C、D錯(cuò)誤，A正確；故選A．] 4．將面積為0.50 m2的單匝線圈放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.0102T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線圈與磁場(chǎng)垂直，下列說法正確的是(　　) A．穿過線圈的磁通量為0 B．穿過線圈的磁通量為100 Wb C．穿過線圈的磁通量為200 Wb D．穿過線圈的磁通量為400 Wb B　[當(dāng)線圈平面與磁感線垂直時(shí)，穿過線圈的磁通量：Φ＝BS＝2.01020.50 Wb＝1.0102 Wb，故B正確．] [合 作 探 究攻 重 難] 安培力的大小和方向 1．安培力大小的計(jì)算 (1)若B與I(L)垂直時(shí)，F(xiàn)＝BIL，此時(shí)所受的安培力最大； (2)若B與I(L)平行時(shí)，F(xiàn)＝0； (3)在計(jì)算安培力時(shí)，若放入磁場(chǎng)中的導(dǎo)線是彎曲導(dǎo)線，其安培力求解時(shí)應(yīng)用其長(zhǎng)度的有效值，即兩端點(diǎn)所連直線的長(zhǎng)度．如圖222所示： 圖222 (4)當(dāng)導(dǎo)線方向與磁場(chǎng)方向斜交時(shí)，所受到的安培力介于零和最大值之間． 2．安培力方向的判斷 (1)安培力的方向既與磁場(chǎng)方向垂直，又與電流方向垂直，但磁場(chǎng)方向與電流方向不一定垂直，由此可知安培力的方向總是垂直于磁場(chǎng)和電流所決定的平面． (2)當(dāng)磁場(chǎng)方向、電流方向、安培力方向兩兩垂直時(shí)，只要已知其中任意兩個(gè)力的方向，就可以判斷第三個(gè)力的方向． (3)當(dāng)不能確定磁場(chǎng)方向和電流方向是否垂直時(shí)，若已知磁場(chǎng)方向(或電流方向)與安培力的方向，電流方向(或磁場(chǎng)方向)不唯一． 　將長(zhǎng)度為20 cm、通有0.1 A電流的直導(dǎo)線放入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，電流與磁場(chǎng)的方向如圖223所示，已知磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T．試求出下列各圖中導(dǎo)線所受安培力的大小和方向． 圖223 【解析】　(1)因?yàn)閷?dǎo)線與磁感線平行，所以導(dǎo)線受到的安培力為零． (2)由左手定則知，安培力方向垂直于導(dǎo)線水平向右，大小為F＝BIL＝10.12010－2 N＝0.02 N. (3)由左手定則知，安培力的方向在紙面內(nèi)垂直于導(dǎo)線斜向上，大小為F＝BIL＝10.12010－2 N＝0.02 N. 【答案】　(1)0　(2)0.02 N　垂直于導(dǎo)線水平向右 (3)0.02 N　垂直于導(dǎo)線斜向上 左手定則應(yīng)用的兩個(gè)要點(diǎn) (1)安培力的方向既垂直于電流的方向，又垂直于磁場(chǎng)的方向，應(yīng)用左手定則時(shí)必須使大拇指指向與四指指向和磁場(chǎng)方向均垂直． (2)由于電流方向和磁場(chǎng)方向不一定垂直，磁場(chǎng)方向不一定垂直穿入手掌，可能與四指方向成某一夾角，但四指一定要指向電流方向． [針對(duì)訓(xùn)練] 1．請(qǐng)根據(jù)圖中給出的條件，運(yùn)用左手定則，求出各圖中第3個(gè)物理量的方向． 【解析】　根據(jù)各圖中已知方向利用左手定則，判知：(a)F垂直于紙面向里；(b)F垂直于紙面向里；(c)B垂直于紙面向外；(d)I由左向右；(e)F垂直于I斜向右下方． 【答案】　見解析 磁感應(yīng)強(qiáng)度的理解 1．定義B＝是比值定義法，這種定義物理量的方法實(shí)質(zhì)就是一種測(cè)量方法，被測(cè)量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與測(cè)量方法無關(guān)． 2．定義a＝、E＝也是比值定義法，被測(cè)量的物理量也與測(cè)量方法無關(guān)，不是由定義式中的兩個(gè)物理量決定的． 3．通電導(dǎo)線必須垂直于磁場(chǎng)方向放置時(shí)，才能用B＝計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度的大?。? 　長(zhǎng)10 cm的通電直導(dǎo)線，通以1 A的電流，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中受到的磁場(chǎng)力為0.4 N，則該磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：37032038】 A．等于4 T B．大于或等于4 T C．小于或等于4 T D．上述說法都錯(cuò)誤 思路點(diǎn)撥：①該題沒說明通電導(dǎo)線是否與磁場(chǎng)垂直． ②B＝的條件是L⊥B. B　[長(zhǎng)為L(zhǎng)＝0.1 m，電流強(qiáng)度為I＝1 A，把它置入某磁場(chǎng)中某點(diǎn)，受到的磁場(chǎng)力為F＝0.4 N，設(shè)導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向的夾角為α，由F＝BILsin α得：B＝≥＝4 T，故B正確．] [針對(duì)訓(xùn)練] 2．關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度，下列說法正確的是(　　) A．由B＝可知，B與F成正比，與IL成反比 B．通電導(dǎo)線放在磁場(chǎng)中的某點(diǎn)，此點(diǎn)就有磁感應(yīng)強(qiáng)度，如果將通電導(dǎo)線拿走，此點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就為零 C．通電導(dǎo)線受安培力不為零的地方一定存在磁場(chǎng)，通電導(dǎo)線不受安培力的地方一定不存在磁場(chǎng)(即B＝0) D．磁場(chǎng)中某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁場(chǎng)本身決定，其大小和方向是唯一確定的，與通電導(dǎo)線無關(guān) D　[磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝是定義式，用來量度某處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但磁感應(yīng)強(qiáng)度是由磁場(chǎng)本身的性質(zhì)決定的，與放入的通電導(dǎo)線無關(guān)；當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向平行時(shí)受磁場(chǎng)力為零，但不能說明B＝0，故A、B、C均錯(cuò)，只有D正確．] 磁通量的理解 1．磁通量指穿過某一面積的磁感線的條數(shù)，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，穿過與磁場(chǎng)方向垂直、面積為S的平面的磁通量Φ＝BS，若磁感線與平面不垂直時(shí)，如圖224所示，我們采用投影的方法，將平面向垂直于磁場(chǎng)的方向上投影，就可得到磁通量的一般的計(jì)算公式Φ＝BS′＝BScos θ. 圖224 圖中的S′為面積為S的平面α在垂直于磁感線方向上的投影面積．θ為平面α與該平面沿垂直磁場(chǎng)方向的投影面之間的夾角． 2．磁通量是標(biāo)量，只有大小，沒有方向，但有正負(fù)．其正負(fù)僅表示磁感線的貫穿方向，一般來說，如果規(guī)定磁感線從線圈的正面穿過時(shí)，磁通量為正，那么磁感線從線圈反面穿過時(shí)磁通量就為負(fù)．如閉合回路的面積為S，垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)放置，此時(shí)的磁通量為Φ＝BS.現(xiàn)在把閉合回路在磁場(chǎng)中翻轉(zhuǎn)180，此時(shí)的磁通量為：Φ＝－BS.磁感線從不同方向穿過同一面積時(shí)，磁通量是它們的代數(shù)和，即相互抵消后剩余的磁感線條數(shù)． 　勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一個(gè)與磁場(chǎng)垂直放置的矩形線圈面積為S，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，在它繞軸線中心從圖225所示位置轉(zhuǎn)過180的過程中，求該線圈磁通量的變化． 圖225 【解析】　起始狀態(tài)的磁通量Φ1＝BS.末態(tài)的磁通量大小Φ2＝BS，但初態(tài)是從正面穿入，末態(tài)則從反面穿出．若初態(tài)Φ1為負(fù)，則Φ2為正．所以ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝BS－(－BS)＝2BS，而不是零． 【答案】　2BS (1)只有在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中B⊥S時(shí)，Φ＝BS才適用，若B與S不垂直，應(yīng)將S投影，也可以將B分解，取B、S垂直部分的乘積. (2)磁通量的變化量ΔΦ＝Φ2－Φ1，在具體的計(jì)算中，一定要注意Φ1及Φ2的正負(fù)問題. [針對(duì)訓(xùn)練] 3．如圖226所示，在范圍足夠大的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一閉合線圈，線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直，線圈在磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)．在下列運(yùn)動(dòng)中，線圈的磁通量發(fā)生變化的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：37032039】 圖226 A．向上平移　 B．向右平移 C．沿磁場(chǎng)方向平移 D．繞ab軸旋轉(zhuǎn) D　[根據(jù)公式Φ＝BS，B不變，線框沿紙面向上、向右運(yùn)動(dòng)，只要不出磁場(chǎng)，有效面積S不變，所以磁通量不變，線框垂直紙面沿磁場(chǎng)方向平移，S也不變，所以磁通量也不變．線框繞ab軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有效面積S在減小，磁通量變小，D正確．] [當(dāng) 堂 達(dá) 標(biāo)固 雙 基] 1．關(guān)于磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，以下說法正確的是(　　) A．若一電流元在某一區(qū)域不受力，則表明該區(qū)域不存在磁場(chǎng) B．若一電流元探測(cè)到磁場(chǎng)力，則該力的方向即為磁場(chǎng)的方向 C．磁感應(yīng)強(qiáng)度是反映磁場(chǎng)本身性質(zhì)的物理量，與放入其中的電流元無關(guān) D．只要知道電流元在磁場(chǎng)中某位置受到的磁場(chǎng)力F的大小，就可以利用公式B＝F/IL求出該位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小 C　[若導(dǎo)線與磁場(chǎng)平行，則即使磁感應(yīng)強(qiáng)度大，通電導(dǎo)線也不會(huì)受磁場(chǎng)力，故A錯(cuò)誤；根據(jù)左手定則可以知道，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力方向與該處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直，故B錯(cuò)誤；磁感應(yīng)強(qiáng)度是反映磁場(chǎng)本身性質(zhì)的物理量，與放入其中的電流元無關(guān)，所以C選項(xiàng)是正確的；物理學(xué)上用一小段通電導(dǎo)線“垂直于磁場(chǎng)方向”放在某點(diǎn)時(shí)，才能使用利用公式B＝F/IL求出該位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，故D錯(cuò)誤．] 2．下列說法中，正確的是(　　) A．磁通量是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量 B．電場(chǎng)線與磁感線都是不封閉曲線 C．在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，a線圈面積比b線圈大，則穿過a線圈的磁通量一定比穿過b線圈的大 D．磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量 D　[磁通量Φ＝BS，磁場(chǎng)強(qiáng)的地方．磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定大，但Φ不一定大．面積S大，Φ也不一定大．磁感線是封閉曲線，故A、B、C均不正確．] 3．圖中分別標(biāo)明了通電直導(dǎo)線中電流I、勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流所受安培力F的方向，其中正確的是(　　) A　[根據(jù)左手定則知，A選項(xiàng)正確，B選項(xiàng)電流不受安培力，C選項(xiàng)電流受安培力向下．D選項(xiàng)電流受安培力向外．] 4．面積為2.010－2 m2的矩形線圈放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.010－4 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，求穿過線圈的磁通量. 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：37032040】 【解析】　由磁通量的定義知：Φ＝BS＝5.010－42.010－2 Wb ＝1.010－5 Wb. 【答案】　1.010－5 Wb