人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學案：1 1 磁場對通電導線的作用力

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE11磁場對通電導線的作用力〖學習目標〗1.通過實驗，認識安培力，掌握安培力的方向與電流方向、磁感應(yīng)強度的方向之間的關(guān)系.2.掌握安培力的公式F＝IlBsinθ，并會進行有關(guān)計算.3.知道磁電式電流表的基本構(gòu)造及測量電流大小、確定電流方向的基本原理．一、安培力的方向1．安培力：通電導線在磁場中受的力．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)；讓磁感線從掌心垂直進入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導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(xiàn)⊥I，即F垂直于B與I所決定的平面．二、安培力的大小如圖1所示，導線電流為I，長度為l，磁場的磁感應(yīng)強度為B.(磁場范圍足夠大)圖11．如圖甲，通電導線與磁場方向垂直，此時安培力F＝IlB.2．如圖乙，通電導線與磁場方向平行，此時安培力F＝0.3．如圖丙，通電導線與磁場方向的夾角為θ，此時安培力F＝IlBsinθ.三、磁電式電流表1.構(gòu)造：圖2中磁電式電流表各部件分別為：①永磁鐵，②極靴，③軟鐵，④螺旋彈簧，⑤線圈，⑥指針．圖22．原理：安培力與電流的關(guān)系．通電線圈在磁場中受到安培力而偏轉(zhuǎn)，線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大，被測電流就越大．根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測電流的方向．3．特點：極靴與鐵質(zhì)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，且線圈左右兩邊所在處的磁感應(yīng)強度大小都相等．4．優(yōu)點：靈敏度高，可以測出很弱的電流．缺點：線圈的導線很細，允許通過的電流很弱．1．判斷下列說法的正誤．(1)安培力的方向與磁感應(yīng)強度的方向相同．(×)(2)應(yīng)用左手定則時，四指指向電流方向，拇指指向安培力方向．(√)(3)對于磁電式電流表，指針穩(wěn)定后，線圈受到的螺旋彈簧的阻力與線圈受到的安培力方向是相反的．(√)(4)對于磁電式電流表，通電線圈中的電流越大，電流表指針偏轉(zhuǎn)角度也越大．(√)(5)對于磁電式電流表，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)．(√)2．如圖3所示，已知導體棒中通有電流I，導體棒長度為l，磁場磁感應(yīng)強度為B，當導體棒按下面幾種方式放置時，寫出導體棒所受安培力的大小，并寫出安培力的方向．圖3〖答案〗(1)IlB垂直于導體棒斜向左下(2)IlB垂直紙面向外(3)IlB垂直于導體棒斜向右下(4)0一、安培力的方向?qū)W探究按照如圖4所示進行實驗．圖4(1)僅上下交換磁極的位置以改變磁場方向，導線受力的方向是否改變？(2)僅改變導線中電流的方向，導線受力的方向是否改變？(3)仔細分析實驗現(xiàn)象，結(jié)合課本說明安培力的方向與磁場方向、電流方向有怎樣的關(guān)系？〖答案〗(1)受力的方向改變(2)受力的方向改變(3)安培力的方向與磁場方向、電流方向的關(guān)系滿足左手定則知識深化1．安培力方向的特點安培力的方向既垂直于電流方向，也垂直于磁場方向，即垂直于電流I和磁場B所決定的平面．(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相互垂直．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)用左手定則判斷時，磁感線斜著穿入掌心．2．判斷安培力方向的步驟(1)明確研究對象；(2)用安培定則或根據(jù)磁體的磁場特征，畫出研究對象所在位置的磁場方向；(3)由左手定則判斷安培力方向．畫出下列各圖中磁場對通電導線的安培力的方向．〖答案〗〖解析〗無論B、I是否垂直，安培力總是垂直于B與I決定的平面，且滿足左手定則．針對訓練1(2020·山東濟南一中期中)如圖5所示，D是置于電磁鐵兩極間的一段通電直導線，電流方向垂直于紙面向里，在開關(guān)S接通后，導線D所受磁場力的方向是()圖5A．豎直向上B．豎直向下C．水平向左D．水平向右〖答案〗A〖解析〗在開關(guān)S接通后，線圈中電流由左側(cè)流入，由安培定則可知電磁鐵右側(cè)為N極，故導線所在處的磁場方向向左，由左手定則可知，導線所受安培力方向豎直向上，選項A正確．二、安培力的大小導學探究(1)在如圖6所示的探究影響安培力大小的有關(guān)因素的實驗中，把導線垂直放入磁場(磁感應(yīng)強度為B)中，得出的安培力F與導線長度l、電流大小I有怎樣的關(guān)系？(2)當導線平行磁場方向放入時，它受到的安培力多大？(3)如圖7，當導線和磁場方向的夾角為θ時，它受到的安培力多大？圖6圖7〖答案〗(1)F＝BIl(2)0(3)將磁感應(yīng)強度B沿平行導線方向和垂直導線方向進行分解，如圖所示，則B⊥＝Bsinθ，F(xiàn)＝B⊥Il＝IlBsinθ.知識深化對公式F＝IlBsinθ的理解1．公式F＝IlBsinθ中B對放入的通電導線來說是外加磁場的磁感應(yīng)強度，不必考慮導線自身產(chǎn)生的磁場對外加磁場的影響．2．公式F＝IlBsinθ中θ是B和I方向的夾角(1)當θ＝90°時，即B⊥I，sinθ＝1，公式變?yōu)镕＝IlB.(2)當θ＝0時，即B∥I，F(xiàn)＝0.3．公式F＝IlBsinθ中l(wèi)指的是導線在磁場中的“有效長度”，彎曲導線的有效長度l等于連接兩端點直線段的長度(如圖8虛線所示)；相應(yīng)的電流沿導線由始端流向末端．圖8推論：對任意形狀的閉合平面線圈，當線圈平面與磁場方向垂直時，線圈的有效長度l＝0，故通電后線圈在勻強磁場中所受安培力的矢量和一定為零，如圖9所示．圖9長度為L、通有電流為I的直導線放入一勻強磁場中，電流方向與磁場方向分別如圖所示，已知磁感應(yīng)強度均為B，對于下列各圖中導線所受安培力的大小計算正確的是()〖答案〗A〖解析〗題A圖中，導線不和磁場垂直，將導線投影到垂直磁場方向上，故F＝BILcosθ，A正確；題B圖中，導線和磁場方向垂直，故F＝BIL，B錯誤；題C圖中，導線和磁場方向垂直，故F＝BIL，C錯誤；題D圖中，導線和磁場方向垂直，故F＝BIL，D錯誤．(2020·山西太原五十三中學高二月考)如圖10，長為3L的直導線折成邊長分別為ac＝L、cd＝2L的直角導線，置于與其所在平面相垂直的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B.當在該導線中通以大小為I、方向如圖的電流時，該通電導線受到的安培力大小為()圖10A．3BIL B.eq\r(5)BILC.eq\r(3)BIL D．BIL〖答案〗B〖解析〗導線在磁場內(nèi)的有效長度為L′＝eq\r(L2＋2L2)＝eq\r(5)L，故該通電導線受到的安培力大小為F＝BIL′＝eq\r(5)BIL，選項B正確，A、C、D錯誤．針對訓練2(2020·江蘇揚州期末)如圖11所示，直角三角形閉合線框abc處于勻強磁場中，∠acb＝30°，磁場方向垂直線框平面向里，線框中通入順時針方向電流時，下列說法正確的是()圖11A．a(chǎn)b邊受到的安培力向右B．a(chǎn)c邊受到的安培力與ab邊受到的安培力大小相等C．a(chǎn)b邊與bc邊受到的安培力的合力大于ac邊受到的安培力D．整個線框所受的安培力的合力為零〖答案〗D〖解析〗根據(jù)左手定則可知ab邊受到的安培力向左，A錯誤；ac邊受到的安培力大小Fac＝BILac，ab邊受到的安培力大小Fab＝BILab，因為磁感應(yīng)強度B和電流I大小相等，且Lac＞Lab，故ac邊受到的安培力大小大于ab邊受到的安培力大小，B錯誤；根據(jù)安培力大小的計算公式可知，線框三邊受到的安培力的大小與三邊長度成正比，又根據(jù)左手定則可知線框三邊受到的安培力的方向，易知線框三邊受到的安培力構(gòu)成一個矢量三角形，因此整個線框所受的安培力的合力為零，故ab邊與bc邊受到的安培力的合力大小等于ac邊受到的安培力大小，方向與之相反，C錯誤，D正確．三、磁電式電流表1．磁電式電流表的工作原理通電線圈在磁場中受到安培力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的方向不同，被測電流的方向不同．2．磁電式電流表的磁場特點兩磁極間裝有極靴，極靴中有鐵質(zhì)圓柱，使極靴與圓柱間的磁場都沿半徑方向，保持線圈轉(zhuǎn)動時，所受安培力的方向總與線圈平面垂直，使表盤刻度均勻．3．磁電式電流表的靈敏度(1)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．(2)提高靈敏度的方法：如果要提高磁電式電流表的靈敏度，就要使在相同電流下線圈所受的安培力增大，可通過增加線圈的匝數(shù)、增大永磁鐵的磁感應(yīng)強度、增加線圈的面積和減小轉(zhuǎn)軸處摩擦等方法實現(xiàn)．(多選)以下關(guān)于磁電式電流表的說法正確的是()A．線圈平面跟磁感線平行B．通電線圈中的電流越大，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〗ABD〖解析〗磁電式電流表內(nèi)磁場是均勻輻向分布的磁場，不管線圈轉(zhuǎn)到什么位置，它的平面都跟磁感線平行，線圈所在各處磁場的磁感應(yīng)強度大小相等、方向不同，所以安培力與電流大小有關(guān)而與所處位置無關(guān)，電流越大，安培力越大，指針轉(zhuǎn)過的角度越大，正確的選項為A、B、D.1．(安培力的方向)(2020·安徽合肥六校聯(lián)盟期末)某同學畫的表示磁感應(yīng)強度B、電流I和安培力F的相互關(guān)系如下列選項圖所示，其中正確的是()〖答案〗D〖解析〗A圖中磁場方向和電流方向平行，導線不受安培力作用；根據(jù)左手定則可知，B圖中安培力的方向應(yīng)垂直于磁場方向向上；C圖中安培力的方向應(yīng)垂直于導線向下；D圖中安培力的方向垂直于導線向右．故選項D正確．2．(安培力的大小)(多選)如圖12所示的四幅圖中，導體棒的長度均為L，磁場的磁感應(yīng)強度大小均為B，在各導體棒中通有相同的電流I.則下列選項正確的是()圖12A．圖甲中導體棒所受的安培力大小為BILB．圖乙中導體棒所受的安培力大小為BILC．圖丙中導體棒所受的安培力大小為eq\f(\r(3),2)BILD．圖丁中導體棒所受的安培力大小為eq\f(\r(3),2)BIL〖答案〗BD〖解析〗題圖甲中，因?qū)w棒與磁場平行，所以安培力為零，A錯誤；題圖乙中，導體棒與磁場垂直，則安培力的大小為F1＝BIL，B正確；題圖丙中，導體棒與磁場垂直，則安培力的大小為F2＝BIL，C錯誤；題圖丁中，導體棒與磁場成60°角，則安培力的大小為F3＝BILsin60°＝eq\f(\r(3),2)BIL，D正確．3．(安培力的大小)(2020·廣西田陽高中高二月考)將一段通電直導線abc從中點b折成120°，分別放在如圖13所示的勻強磁場中，圖甲中導線所在平面與磁場的磁感線平行，圖乙中導線所在平面與磁場的磁感線垂直，若兩圖中兩導線所受的安培力大小相等，則甲、乙兩圖中磁場的磁感應(yīng)強度大小之比eq\f(B1,B2)為()圖13A.eq\f(\r(3),3)B.eq\f(2\r(3),3)C.eq\f(\r(3),6)D.eq\f(3\r(3),2)〖答案〗B〖解析〗設(shè)導線的總長為2L，通過導線的電流為I，題圖甲中導線受到的安培力大小為B1IL＋B1cos60°IL＝eq\f(3,2)B1IL，題圖乙中導線受到的安培力的大小為B2I·2Lcos30°＝eq\r(3)B2IL，根據(jù)題意有eq\f(3,2)B1IL＝eq\r(3)B2IL，則有eq\f(B1,B2)＝eq\f(2\r(3),3)，B正確．4.(安培力的大小)如圖14所示，勻強磁場的磁感應(yīng)強度大小為B，方向斜向右上方，與水平方向的夾角為45°.一個四分之三金屬圓環(huán)ab置于勻強磁場中，圓環(huán)的半徑為r，圓心為O，兩條半徑Oa和Ob相互垂直，Oa沿水平方向，Ob沿豎直方向．c點將圓環(huán)等分為兩部分，當圓環(huán)中通以電流I時，則圓環(huán)ac受到的安培力大小為()圖14A．BIrB.eq\f(3,4)πBIrC.eq\f(1,2)BIrD.eq\f(\r(2),2)BIr〖答案〗D〖解析〗根據(jù)幾何關(guān)系，可知通電圓環(huán)在磁場中的有效長度為L＝eq\r(2)r；根據(jù)安培力公式可得，圓環(huán)ab受到的安培力大小為F＝eq\r(2)BIr，又圓環(huán)ac和圓環(huán)cb所受安培力大小相等，方向相同，所以圓環(huán)ac受到的安培力大小為F′＝eq\f(F,2)＝eq\f(\r(2),2)BIr，D正確．5.(安培力的疊加)(2020·泉州市高二期末)如圖15所示，材質(zhì)相同、粗細均勻的正方形導體框ABCD，垂直放置于勻強磁場中，將CD兩點接到電源兩端，CD段受到的安培力大小為F，則此時導體框受到的安培力的合力大小為()圖15A.eq\f(2,3)FB.eq\f(4,3