高中物理粵教版1第三章磁場第03節(jié)探究安培力 2023版第3章第4節(jié)安培力的應(yīng)用

第四節(jié)安培力的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)知識脈絡(luò)1.掌握通電導(dǎo)體在磁場中受安培力作用而運(yùn)動的規(guī)律．(重點(diǎn))2．了解直流電動機(jī)的原理．理解通電線圈在磁場中受安培力作用而轉(zhuǎn)動的規(guī)律．(重點(diǎn)、難點(diǎn))3．了解磁電式電表的構(gòu)造及原理.直流電動機(jī)eq\a\vs4\al([先填空])1．分類：電動機(jī)有直流電動機(jī)和交流電動機(jī)，交流電動機(jī)又分為單相和三相電動機(jī)．2．原理：如圖3-4-1所示，當(dāng)電流通過線圈時，右邊線框受到的安培力方向向下，左邊線框受到向上的安培力，在安培力作用下線框轉(zhuǎn)動起來．圖3-4-1eq\a\vs4\al([再判斷])1．電動機(jī)是利用安培力使線圈轉(zhuǎn)動的．(√)2．電動機(jī)工作時，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．(×)3．電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過改變輸入電壓調(diào)節(jié)．(√)eq\a\vs4\al([后思考])直流電動機(jī)與交流電動機(jī)相比，有什么優(yōu)點(diǎn)？【提示】直流電動機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)是通過改變輸入電壓很容易調(diào)節(jié)它的轉(zhuǎn)速，而交流電動機(jī)的調(diào)速不太方便．eq\a\vs4\al([合作探討])探討：假如直流電動機(jī)通電前，線圈平面剛好與磁場垂直，即位于教材P85圖3-4-2中的(b)、(d)兩圖所示的位置，通電后，電動機(jī)能否正常工作？【提示】不能．假如線圈處于這兩個位置，通電后線圈各邊所受的力都在線圈平面內(nèi)，不能使線圈轉(zhuǎn)動．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])結(jié)構(gòu)及原理分析：如圖3-4-2所示．a(chǎn)bcd圖3-4-2(1)當(dāng)線圈由位置d經(jīng)位置a運(yùn)動到位置b時，圖中左邊受力方向向上，右邊受力方向向下，使線圈順時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)線圈在位置b時，由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動；(2)當(dāng)線圈由位置b經(jīng)位置c運(yùn)動到位置d時，由于電流換向，圖中左邊受力方向向上，右邊受力方向向下，使線圈繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)線圈在位置d時，由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動；然后，線圈重復(fù)以上過程轉(zhuǎn)動下去．1．要改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，可行方法有()A．適當(dāng)減小電流強(qiáng)度B．適當(dāng)減弱磁場C．改變線圈中的電流方向或把磁鐵兩極對調(diào)D．改變線圈中電流方向的同時對調(diào)磁鐵兩極【解析】線圈的轉(zhuǎn)動方向跟通入的電流方向和磁場方向有關(guān)，而與電流強(qiáng)弱、磁場強(qiáng)弱無關(guān)，但不可同時改變電流方向和磁感線方向，故只有選項(xiàng)C正確．【答案】C2．(多選)要使一臺直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速增大一些，下面哪些方法可行()A．減小線圈的面積B．增加線圈的匝數(shù)C．將磁極對調(diào)D．加大磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度【解析】電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與所受安培力的力矩大小有關(guān)，對于相同的線圈，每邊受到的安培力隨I或B的增大而增大，而減小線圈面積時，安培力的力矩變小．故B、D都有可能增大轉(zhuǎn)速．【答案】BD3．(多選)關(guān)于直流電動機(jī)，下列說法正確的是()【導(dǎo)學(xué)號：62032039】A．直流電動機(jī)的工作原理是磁場對電流的作用B．直流電動機(jī)正常工作時將電能轉(zhuǎn)化為磁場能C．直流電動機(jī)的換向器是兩個彼此絕緣的半銅環(huán)組成的D．電源的正負(fù)極和磁場的方向都改變，直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向也改變【解析】直流電動機(jī)是因?yàn)槭馨才嗔ΧD(zhuǎn)動故A正確；其正常工作時要消耗電能輸出機(jī)械能故B錯誤；為了保證直流電動機(jī)中的線圈在一周之內(nèi)的轉(zhuǎn)動過程中，線圈中的電流正好換向，必須有一個改變電流方向的裝置——換向器，它必須由兩部分組成且彼此絕緣，能隨線圈一起轉(zhuǎn)動，C正確；直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向由電流方向和磁場方向共同決定，因此如果兩方向同時改變其轉(zhuǎn)動方向不變，D錯誤．【答案】AC磁電式電表eq\a\vs4\al([先填空])1．裝置：磁電式電流表是在強(qiáng)蹄形磁鐵的兩極間有一個固定的圓柱形鐵芯，鐵芯外面套一個可以轉(zhuǎn)動的鋁框，在鋁框上繞有線圈．鋁框的轉(zhuǎn)軸上裝有兩個螺旋彈簧和一個指針．線圈的兩端分別接在這兩個螺旋彈簧上，被測電流通過兩個彈簧流入線圈．2．原理：如圖3-4-3所示，當(dāng)電流通過線圈時，線圈上跟鐵芯軸線平行的兩邊受到安培力產(chǎn)生力矩，使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動．同時由于螺旋彈簧被扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個阻礙線圈轉(zhuǎn)動的力矩，最終達(dá)到平衡．線圈轉(zhuǎn)動的角度由指針顯示出來，根據(jù)電流與偏角關(guān)系，可以得出電流的強(qiáng)弱．圖3-4-3eq\a\vs4\al([再判斷])1．磁電式電表只能測定電流的大小，不能確定被測電流的方向．(×)2．磁電式電表線圈受到的安培力始終與線圈平面垂直．(√)eq\a\vs4\al([后思考])圖3-4-3中，均勻輻射分布的磁場是勻強(qiáng)磁場嗎？【提示】不是．eq\a\vs4\al([合作探討])探討：磁電式電流表表盤的刻度為什么是均勻的？【提示】因?yàn)榇烹娛诫姳韮蓸O間裝有極靴，極靴與圓柱間的磁場都沿半徑方向，線圈無論轉(zhuǎn)到什么位置，它的平面都跟磁感線平行，所以表盤的刻度是均勻的．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．偏轉(zhuǎn)原理2．偏轉(zhuǎn)角度設(shè)線圈所在處的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，線框邊長為L，寬度為d，匝數(shù)為n，通入電流為I時，轉(zhuǎn)過的角度為θ，由相關(guān)的知識可以知道θ＝eq\f(nBLd,K)I，由此可以看出，偏轉(zhuǎn)角度正比于電流．圖3-4-44．關(guān)于磁電式電流表，下列說法錯誤的是()A．指針穩(wěn)定后，線圈受到螺旋彈簧的阻力與線圈受到的安培力方向是相反的B．通電線圈中的電流越大，電流表指針偏轉(zhuǎn)角度也越大C．在線圈轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)，各處的磁場都是勻強(qiáng)磁場D．在線圈轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)，線圈所受安培力與電流有關(guān)，而與所處位置無關(guān)【答案】C5．(多選)一只電流表，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)偏小，為糾正這一偏差，可行的措施是()A．減少表頭線圈的匝數(shù)B．減小永久磁鐵的磁性C．增加分流電阻的阻值D．增加表頭線圈的匝數(shù)【解析】電流大小一定的情況下，線圈匝數(shù)越多，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，安培力越大，偏轉(zhuǎn)角度越大，所以A、B錯誤，D正確，電流表表頭和分流電阻并聯(lián)，在總電流一定的情況下，欲使讀數(shù)增大，必須增大通過表頭的電流，根據(jù)并聯(lián)電路的電阻之比等于電流的反比，表頭電阻不變，增加分流電阻的阻值，可使線圈中電流增大，C正確．【答案】CD6．要想提高磁電式電流表的靈敏度，不可采用的辦法有()A．增加線圈匝數(shù)B．增加永久性磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度C．減少線圈面積D．減小轉(zhuǎn)軸處摩擦【解析】當(dāng)給電流表通入電流I時，通電線圈就在磁力矩作用下轉(zhuǎn)動，同時螺旋彈簧即游絲就產(chǎn)生一個反抗力矩，二力矩平衡時，電流表的指針就停在某一位置．于是有NBIS＝kθ，故θ＝eq\f(NBS,k)I.可見，電流表靈敏度將隨著線圈匝數(shù)N、線圈面積S及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的增大而提高，隨著螺旋彈簧扭轉(zhuǎn)系數(shù)K(即轉(zhuǎn)過1°所需外力矩的大小)的增大而降低．另外，減小摩擦也有利于靈敏度的提高．故選C.【答案】C學(xué)業(yè)分層測評(十六)安培力的應(yīng)用(建議用時：45分鐘)[學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)]1．(多選)磁電式電流表的蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是均勻地輻射分布的，目的是()A．使磁場成圓柱形，以便線圈轉(zhuǎn)動B．使線圈平面在水平位置時與磁感線平行C．使線圈平面始終與磁感線平行D．使線圈受電磁力矩始終最大【解析】線圈平面始終和磁感線平行，可使線圈在轉(zhuǎn)動過程中所受電磁力矩始終最大，M＝NBIS，以保證轉(zhuǎn)動效果，若磁場是勻強(qiáng)磁場，則當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至和磁場垂直時，磁力矩為零．【答案】CD2．(多選)超導(dǎo)電磁鐵相斥式磁懸浮列車能夠懸浮的原理是()A．超導(dǎo)體的電阻為零B．超導(dǎo)體的磁性很強(qiáng)C．超導(dǎo)體電流的磁場方向與軌道上磁場方向相反D．超導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁力與列車重力平衡【解析】列車能夠懸浮，必定受到了向上的力，這個力就是車上超導(dǎo)體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈中電流形成的磁場之間所產(chǎn)生的相斥力，這個力與列車重力平衡，列車才能懸浮．因此兩磁場方向必須相反．故C、D正確．超導(dǎo)體無電流時，即使電阻為零，也不能產(chǎn)生磁場，因此列車也不能懸浮，則A、B錯誤．【答案】CD3．所謂電流表的靈敏度，是指在通入相同電流的情況下，指針偏轉(zhuǎn)角度的大小．偏角越大，靈敏度越高．下列方法不能提高磁電式電流表靈敏度的方法有()A．增強(qiáng)永久磁鐵的磁性B．增大螺旋彈簧的勁度系數(shù)C．增大線圈的面積D．增加線圈的匝數(shù)【解析】通電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時，螺旋彈簧變形，反抗線圈的轉(zhuǎn)動．電流越大，安培力就越大，螺旋彈簧的形變也就越大．要提高電流表的靈敏度，就要在通入相同電流時，讓指針的偏轉(zhuǎn)角度增大．所以要減小螺旋彈簧的勁度系數(shù)，同時使安培力變大，即增加磁感應(yīng)強(qiáng)度、增大線圈面積和增加線圈的匝數(shù)．【答案】B4.電動機(jī)通電之后電動機(jī)的輪子就轉(zhuǎn)動起來，其實(shí)質(zhì)是因?yàn)殡妱訖C(jī)內(nèi)線圈通電之后在磁場中受到了磁力矩的作用，為電動機(jī)內(nèi)的矩形線圈，其只能繞Ox軸轉(zhuǎn)動，線圈的四個邊分別與x、y軸平行，線中電流方向如圖3-4-5所示．當(dāng)空間加上以下所述的哪種磁場時，線圈會轉(zhuǎn)動起來()圖3-4-5A．方向沿x軸的恒定磁場B．方向沿y軸的恒定磁場C．方向沿z軸的恒定磁場D．任何方向的恒定磁場【解析】要想使線圈繞Ox軸轉(zhuǎn)動起來，必須使與Ox軸平行的兩條邊所受安培力產(chǎn)生力矩，而其余兩邊力矩為零，要使與Ox軸平行的兩條邊所受安培力產(chǎn)生力矩，由左手定則知磁場方向沿y軸正向或負(fù)向，B正確．【答案】B5.如圖3-4-6所示，直導(dǎo)線MN與矩形線框abcd在同一平面內(nèi)，直導(dǎo)線中通有向上的電流I，矩形線框中通有沿逆時針方向的電流I0，則直導(dǎo)線中電流I的磁場對通電矩形線框各邊的安培力合力()【導(dǎo)學(xué)號：62032040】圖3-4-6A．大小為零B．大小不為零，方向向左C．大小不為零，方向向右D．大小不為零，方向向上【解析】ad、bc邊所受安培力大小相等，方向相反，互相抵消，而ab、cd邊所受的安培力不能抵消，由于ab邊離MN近些，故斥力大于引力，C選項(xiàng)正確．【答案】C6．(多選)對于放在勻強(qiáng)磁場中可繞垂直于磁場方向的軸轉(zhuǎn)動的通電理想線圈，下列說法中正確的是()A．當(dāng)線圈平面平行于磁感線時，所受合力為零，合力矩最大B．當(dāng)線圈平面平行于磁感線時，所受合力為零，合力矩也為零C．當(dāng)線圈平面垂直于磁感線時，所受合力最大，合力矩也最大D．當(dāng)線圈平面垂直于磁感線時，所受合力為零，合力矩也為零【解析】當(dāng)線圈平面平行于磁感線時，兩條邊受到安培力作用，只不過這兩個力大小相等，方向相反，合力為零，但它們不是作用在一條直線上且力臂最大，故對線圈的磁力矩最大；當(dāng)線圈平面垂直于磁感線時，四條邊所受安培力大小相等方向相反，作用在一條直線上且通過轉(zhuǎn)軸，故合力為零，合力矩也為零．【答案】AD7．在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場有一段長為2m的直導(dǎo)線，直導(dǎo)線中通有2.5A的電流，下列關(guān)于直導(dǎo)線所受安培力F的說法正確的是()A．如果B＝2T，F(xiàn)一定是1NB．如果F＝0，B也一定為零C．如果B＝4T，F(xiàn)有可能是1ND．如果F最大，通電直導(dǎo)線一定與B平行【解析】當(dāng)直導(dǎo)線與磁場方向垂直放置時，F(xiàn)＝BIL，受力最大；當(dāng)直導(dǎo)線與磁場方向平行放置時，F(xiàn)＝0；當(dāng)直導(dǎo)線與磁場方向成任意其他角度放置時，0<F<BIL，選項(xiàng)A、D錯誤，選項(xiàng)C正確；磁感應(yīng)強(qiáng)度是磁場本身的性質(zhì)，與受力F無關(guān)，選項(xiàng)B錯誤．【答案】C8．(多選)如圖3-4-7所示，一根通電的直導(dǎo)體放在傾斜的粗糙導(dǎo)軌上，置于圖示方向的勻強(qiáng)磁場中，處于靜止?fàn)顟B(tài)．現(xiàn)增大電流，導(dǎo)體棒仍靜止，則在增大電流過程中，導(dǎo)體棒受到的摩擦力的大小變化情況可能是()圖3-4-7A．一直增大 B．先減小后增大C．先增大后減小 D．始終為零【解析】若F安<mgsinα，因安培力向上，則摩擦力向上，當(dāng)F安增大時，F(xiàn)摩減小到零，再向下增大，B正確，C、D錯誤；若F安>mgsinα，摩擦力向下，隨F安增大而一直增大，A正確．【答案】AB[能力提升]9．如圖3-4-8甲所示是磁電式電流表的結(jié)構(gòu)圖，圖乙是磁極間的磁場分布圖，以下選項(xiàng)中正確的是()圖3-4-8①指針穩(wěn)定后，線圈受到螺旋彈簧的力矩與線圈受到的磁力矩方向是相反的②通電線圈中的電流越大，電流表指針偏轉(zhuǎn)的角度也越大③在線圈轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)，各處的磁場都是勻強(qiáng)磁場④在線圈轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)，線圈所受磁力矩與電流有關(guān)，而與所處位置無關(guān)()A．①② B．③④C．①②④ D．①②③④【解析】當(dāng)阻礙線圈轉(zhuǎn)動的力矩增大到與安培力產(chǎn)生的使線圈轉(zhuǎn)動的力矩平衡時，線圈停止轉(zhuǎn)動，即兩力矩大小相等、方向相反，故①正確．磁電式電流表蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是均勻輻向分布的，不管線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感線平行，均勻輻向分布的磁場特點(diǎn)是大小相等、方向不同，故③錯誤，④正確．電流越大，電流表指針偏轉(zhuǎn)的角度也越大，故②正確．故C正確．【答案】C10.如圖3-4-9所示，O為圓心，eq\x\to(KN)和eq\x\to(LM)是半徑分別為ON、OM的圓心圓弧，在O處垂直紙面有一載流直導(dǎo)線，電流方向垂直紙面向外，用一根導(dǎo)線圍成KLMN回路，當(dāng)回路中沿圖示方向通過電流時(電源未在圖中畫出)，此時回路()【導(dǎo)學(xué)號：62032041】圖3-4-9A．將向左平動B．將向右平動C．將在紙面內(nèi)以通過O點(diǎn)并垂直紙面的軸轉(zhuǎn)動D．KL邊將垂直紙面向外運(yùn)動，MN邊垂直紙面向里運(yùn)動【解析】因?yàn)橥娭睂?dǎo)線的磁感線是以O(shè)為圓心的一組同心圓，磁感線與電流一直平行，所以KN邊、LM邊均不受力．根據(jù)左手定則可得，KL邊受力垂直紙面向外，MN邊受力垂直紙面向里，故D正確．【答案】D11.如圖3-4-10所示的天平可用來測定磁感應(yīng)強(qiáng)度B.天平的右臂下面掛有一個矩形線圈，寬度為l，共N匝，線圈下端懸在勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直紙面．當(dāng)線圈中通有電流I(方向如圖)時，在天平左右兩邊加上質(zhì)量各為m1、m2的砝碼后，天平平衡，當(dāng)電流反向(大小不變)時，右邊再加上質(zhì)量為m的砝碼后，天平重新平衡，由此可知()圖3-4-10A．磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面向里，B＝eq\f(m1－m2g,NIl)B．磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面向里，B＝eq\f(mg,2NIl)C．磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面向外，B＝eq\f(m1－m2g,NIl)D．磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面向外，B＝eq\f(mg,2NIl)【解析】電流反向時，右邊再加質(zhì)量為m的砝碼后，天平重新平衡，說明安培力的方向原來豎直向下，由左手定則，知磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面向里，設(shè)線圈質(zhì)量為m0，根據(jù)平衡條件有m1g＝m2g＋NBIl＋mm1g＝m2g＋mg－NBIl＋m由①②解得B＝eq\f(mg,2NIl).【答案】B12.如圖3-4-11所示，將長為50cm、質(zhì)量為10g的均勻金屬棒ab的兩端用兩個相同的彈簧懸掛成水平狀態(tài)，并使其位于垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場中．當(dāng)金