物理新課堂同步粵教版選修31學案：第4節(jié)　安培力的應用

10/1009/10/第四節(jié)安培力的應用學習目標知識脈絡(教師用書獨具)1.掌握通電導體在磁場中受安培力作用而運動的規(guī)律．(重點)2.了解直流電動機的原理．理解通電線圈在磁場中受安培力作用而轉動的規(guī)律．(重點、難點)3.了解磁電式電表的構造及原理.[自主預習·探新知][知識梳理]一、直流電動機1．分類：電動機有直流電動機和交流電動機，交流電動機又分為單相和三相交流電動機．2．原理：如圖3-4-1所示，當電流通過線圈時，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動起來．圖3-4-1二、磁電式電表1．裝置：磁電式電流表是在強蹄形磁鐵的兩極間有一個固定的圓柱形鐵芯，鐵芯外面套有一個可以轉動的鋁框，在鋁框上繞有線圈．鋁框的轉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，被測電流經(jīng)過這兩個彈簧流入線圈．2．原理：如圖3-4-2所示，當電流通過線圈時，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)生轉動．同時由于螺旋彈簧被扭轉，產(chǎn)生一個阻礙線圈轉動的力矩，最終達到平衡．線圈轉動的角度由指針顯示出來，根據(jù)電流與偏角關系，可以得出電流的強弱．圖3-4-2[基礎自測]1．思考判斷(1)電動機是利用安培力使線圈轉動的．()(2)電動機工作時，將其他形式的能轉化為電能．()(3)電動機的轉速可通過改變輸入電壓調(diào)節(jié)．()(4)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．()(5)磁電式電表的線圈受到的安培力始終與線圈平面垂直．()【答案】(1)√(2)×(3)√(4)×(5)√2．要改變直流電動機的轉動方向，可行方法有()A．適當減小電流強度B．適當減弱磁場C．改變線圈中的電流方向或把磁鐵兩極對調(diào)D．改變線圈中的電流方向的同時對調(diào)磁鐵兩極C[線圈的轉動方向跟通入的電流方向和磁場方向有關，而與電流強弱、磁場強弱無關，但不可同時改變電流方向和磁感線方向，故只有選項C正確．]3．(多選)要使一臺直流電動機的轉速增大一些，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．加大磁場的磁感應強度BD[電動機的轉速與所受安培力的力矩大小有關，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?。蔅、D都有可能增大轉速．]4．電流表中蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是均勻輻射分布的，下列說法正確的是()【導學號：】A．目的是使線圈平面始終與磁感線平行B．目的是讓磁鐵和鐵芯間形成勻強磁場C．離轉軸越遠，越靠近磁極，因此磁感應強度越大D．目的是使線圈平面始終與磁感線垂直A[輻射磁場的目的是使線圈平行于磁感線，線框在轉動中安培力大小不變，A正確，D錯誤；輻射磁場各處磁感應強度方向不同，距離軸線越遠磁場越弱，則B、C均不對．][合作探究·攻重難]安培力的實際應用1.直流電動機的結構及原理分析如圖3-4-3所示．a(chǎn)bcd圖3-4-3(1)當線圈由位置d經(jīng)位置a運動到位置b時，圖中左邊受力方向向上，右邊受力方向向下，使線圈順時針轉動；當線圈在位置b時，由于慣性繼續(xù)轉動；(2)當線圈由位置b經(jīng)位置c運動到位置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)順時針轉動；當線圈在位置d時，由于慣性繼續(xù)轉動；然后，線圈重復以上過程轉動下去．2．磁電式電流表的原理分析(1)偏轉原理(2)偏轉角度設線圈所在處的磁場的磁感應強度為B，線框邊長為L，寬度為d，匝數(shù)為n，通入電流為I時，轉過的角度為θ，由相關的知識可以知道θ＝eq\f(nBLd,K)I，由此可以看出，偏轉角度正比于電流．圖3-4-4[針對訓練]1．(多選)關于直流電動機，下列說法正確的是()A．直流電動機的工作原理是磁場對電流的作用B．直流電動機正常工作時將電能轉化為磁場能C．直流電動機的換向器是兩個彼此絕緣的半銅環(huán)組成的D．電源的正負極和磁場的方向都改變，直流電動機的轉動方向也改變AC[直流電動機是因為受安培力而轉動，故A正確；其正常工作時要消耗電能輸出機械能，故B錯誤；為了保證直流電動機中的線圈在一周之內(nèi)的轉動過程中，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，能隨線圈一起轉動，C正確；直流電動機的轉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動方向不變，D錯誤．]2．所謂電流表的靈敏度，是指在通入相同電流的情況下，指針偏轉角度的大?。窃酱螅`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)B[通電線圈在磁場中轉動時，螺旋彈簧變形，反抗線圈的轉動．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，即增加磁感應強度、增大線圈面積和增加線圈的匝數(shù)．]安培力作用下導體的運動問題1.判斷導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)確定導體所在位置的磁場分布情況．(2)結合左手定則判斷導體所受安培力的方向．(3)由導體的受力情況判定導體的運動方向．2．判斷安培力作用下導體運動方向的五種常用方法電流元法把整段導線分為多段電流元，先用左手定則判斷每段電流元受力的方向，然后判斷整段導線所受合力的方向，從而確定導線運動方向等效法環(huán)形電流可等效成小磁針，通電螺線管可以等效成條形磁鐵或多個環(huán)形電流，反過來等效也成立特殊位置法通過轉動通電導線到某個便于分析的特殊位置，然后判斷其所受安培力的方向，從而確定其運動方向結論法兩平行直線電流在相互作用過程中，無轉動趨勢，同向電流互相吸引，反向電流互相排斥；兩不平行的直線電流相互作用時，有轉到平行且電流方向相同的趨勢轉換研究對象法定性分析磁體在電流磁場作用下如何運動的問題，可先分析電流在磁體磁場中所受的安培力，然后由牛頓第三定律，確定磁體所受電流磁場的反作用力，從而確定磁體所受合力及運動方向一個可以自由運動的線圈L1和一個固定的線圈L2互相絕緣垂直放置，且兩個線圈的圓心重合，如圖3-4-5所示．當兩線圈中通以圖示方向的電流時，從左向右看，線圈L1將()圖3-4-5A．不動 B．順時針轉動C．逆時針轉動 D．向紙面內(nèi)平動B[方法一(電流元法)把線圈L1沿轉動軸分成上下兩部分，每一部分又可以看成無數(shù)段直線電流元，電流元處在L2產(chǎn)生的磁場中，根據(jù)安培定則可知各電流元所在處的磁場方向向上，由左手定則可得，上半部分電流元所受安培力均指向紙外，下半部分電流元所受安培力均指向紙內(nèi)，因此從左向右看線圈L1將順時針轉動．方法二(等效法)把線圈L1等效為小磁針，該小磁針剛好處于環(huán)形電流I2的中心，通電后，小磁針的N極應指向該點環(huán)形電流I2的磁場方向，由安培定則知I2產(chǎn)生的磁場方向在其中心處豎直向上，而L1等效成小磁針后轉動前，N極指向紙內(nèi)，因此小磁針的N極應由指向紙內(nèi)轉為向上，所以從左向右看，線圈L1將順時針轉動．方法三(結論法)環(huán)形電流I1、I2之間不平行，則必有相對轉動，直到兩環(huán)形電流同向平行為止，據(jù)此可得，從左向右看，線圈L1將順時針轉動．][針對訓練]3．如圖3-4-6所示，把輕質(zhì)導線圈用細線掛在磁鐵N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈中心，且在線圈平面內(nèi)．當線圈通以圖示方向的電流時線圈將()圖3-4-6A．發(fā)生轉動，同時靠近磁鐵B．發(fā)生轉動，同時遠離磁鐵C．不發(fā)生轉動，只靠近磁鐵D．不發(fā)生轉動，只遠離磁鐵A[由右手螺旋定則可知，線圈向外一面為S極，因為異名磁極相互吸引，因此從上往下看，線圈做順時針方向轉動，同時靠近磁鐵，故A正確，B、C、D錯誤．]安培力作用下導體的平衡1．解題步驟(1)明確研究對象；(2)先把立體圖改畫成平面圖，并將題中的角度、電流的方向、磁場的方向標注在圖上；(3)正確受力分析(包括安培力)，然后根據(jù)平衡條件：F合＝0列方程求解．2．分析求解安培力時需要注意的問題(1)首先畫出通電導體所在處的磁感線的方向，再根據(jù)左手定則判斷安培力的方向；(2)安培力大小與導體放置的角度有關，但一般情況下只要求導體與磁場垂直的情況，其中L為導體垂直于磁場方向的長度，為有效長度．如圖3-4-7所示，用兩根輕細金屬絲將質(zhì)量為m、長為l的金屬棒ab懸掛在c、d兩處，置于勻強磁場內(nèi)，當棒中通以從a到b的電流I后，兩懸線偏離豎直方向θ角而處于平衡狀態(tài)．為了使棒平衡在該位置上，所需的磁場的最小磁感應強度的大小、方向為()圖3-4-7A.eq\f(mg,Il)tanθ，豎直向上B.eq\f(mg,Il)tanθ，豎直向下C.eq\f(mg,Il)sinθ，平行于懸線向下D.eq\f(mg,Il)sinθ，平行于懸線向上D[要求所加磁場的磁感應強度最小，應使棒平衡時所受的安培力有最小值．由于棒的重力恒定，懸線拉力的方向不變，由畫出的力的三角形可知，安培力的最小值為Fmin＝mgsinθ，即IlBmin＝mgsinθ，得Bmin＝eq\f(mg,Il)sinθ，方向應平行于懸線向上．故選D.]解決安培力作用下的受力平衡問題，受力分析是關鍵，解題時應先畫出受力分析圖，必要時要把立體圖轉換成平面圖．例如：立體圖平面圖[針對訓練]4．如圖3-4-8所示，金屬棒MN兩端由等長的輕質(zhì)細線水平懸掛，處于豎直向上的勻強磁場中，棒中通以由M向N的電流，平衡時兩懸線與豎直方向夾角均為θ.如果僅改變下列某一個條件，θ角的相應變化情況是()【導學號：】圖3-4-8A．棒中的電流變大，θ角變大B．兩懸線等長變短，θ角變小C．金屬棒質(zhì)量變大，θ角變大D．磁感應強度變大，θ角變小A[金屬棒的受力情況如圖所示，則有tanθ＝eq\f(F安,mg)＝eq\f(BIL,mg).當棒中的電流I變大或者磁感應強度B變大時，因為重力不變，所以θ角會變大，選項A對，D錯；兩懸線等長變短對θ角沒有影響，選項B錯；當金屬棒的質(zhì)量變大時，θ角變小，選項C錯．][當堂達標·固雙基]1．(多選)下列關于直流電動機的說法，正確的是()A．直流電動機是將電能轉化為機械能的裝置B．直流電動機能把電能全部轉化為動能C．直流電動機是依靠磁場對電流的作用工作的D．直流電動機工作時也會有發(fā)熱現(xiàn)象，是電流的熱效應ACD[從能量角度來看直流電動機是把電能轉化成機械能的裝置．其工作原理是利用了磁場對電流的作用．但由于線圈有一定的電阻，直流電動機在工作過程中會產(chǎn)生一定的焦耳熱．]2．(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()【導學號：】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)CD[電流大小一定的情況下，線圈匝數(shù)越多，磁感應強度越大，安培力越大，偏轉角度越大，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．]3.如圖3-4-9所示，在蹄形磁鐵的上方放置一個可以自由運動的通電線圈abcd，最初線圈平面與蹄形磁鐵處于同一豎直面內(nèi)，則通電線圈運動的情況是()圖3-4-9A．a(chǎn)b邊轉向紙外，cd邊轉向紙里，同時向下運動B．a(chǎn)b邊轉向紙里，cd邊轉向紙外，同時向下運動C．a(chǎn)b邊轉向紙外，cd邊轉向紙里，同時向上運動D．a(chǎn)b邊轉向紙里，cd邊轉向紙外，同時向上運動B[在圖示位置時，根據(jù)左手定則判斷可知：ad邊左半邊所受磁場力方向向里，右半邊所受磁場力方向向外，則ab邊轉向紙里，cd邊轉向紙外，從圖示位置轉過90°時，根據(jù)左手定則判斷可知：ad邊所受磁場力方向向下，所以線圈ab邊轉向紙里，cd邊轉向紙外，同時向下運動，故B正確，A、C、D錯誤．]4．質(zhì)量為