人教版高中物理選擇性必修第二冊第一章素養(yǎng)提升課(一)安培力作用下導體的運動課件

素養(yǎng)提升課(一)安培力作用下導體的運動第一章

安培力與洛倫茲力學習任務1．會分析安培力作用下導體的運動情況。2．會將立體圖形轉(zhuǎn)換為平面圖進行受力分析。3．能分析通電導體在安培力作用下的平衡和加速問題。探究重構(gòu)·關鍵能力達成探究1

安培力作用下導體的運動情況1．判斷安培力作用下通電導體的運動方向的思路(1)首先應畫出通電導體(或通電線圈)所在位置的磁感線方向。(2)根據(jù)左手定則確定通電導體(或通電線圈)所受安培力的方向。(3)由通電導體(或通電線圈)的受力情況判斷通電導體(或通電線圈)的運動方向。2．五種常用方法電流元法把整段導線分為許多段直電流元，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(zhuǎn)動通電導線到某個便于分析的特殊位置(如轉(zhuǎn)過90°)，然后判斷其所受安培力的方向，從而確定其運動方向結(jié)論法兩平行直線電流在相互作用過程中，無轉(zhuǎn)動趨勢，同向電流相互吸引，反向電流相互排斥；兩不平行的直線電流相互作用時，有轉(zhuǎn)到平行且電流方向相同的趨勢轉(zhuǎn)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時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作用力，從而確定磁體所受合力及運動方向【典例1】如圖所示，把一重力不計的通電直導線AB水平放在蹄形磁鐵磁極的正上方，導線可以在空間自由運動，當導線通以圖示方向電流I時，導線的運動情況是(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√

C

[如圖所示，將導線AB分成左、中、右三部分。中間一段開始時電流方向與磁場方向一致，不受力；左端一段所在處的磁場方向斜向上，根據(jù)左手定則其受力方向向外；右端一段所在處的磁場方向斜向下，受力方向向里。當轉(zhuǎn)過一定角度時，中間一段電流不再與磁場方向平行，由左手定則可知其受力方向向下，所以從上往下看導線將一邊逆時針方向轉(zhuǎn)動，一邊向下運動，C選項正確。]規(guī)律總結(jié)

判斷導體在磁場中運動情況的常規(guī)思路(1)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，因此必須要清楚導體所在位置的磁場分布情況。(2)結(jié)合左手定則準確判斷導體所受安培力的方向。(3)由導體的受力情況判斷導體的運動方向。[針對訓練]1．一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(

)A．不動

B．順時針轉(zhuǎn)動C．逆時針轉(zhuǎn)動

D．向紙面內(nèi)平動√B

[法一(電流元法)：把線圈L1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(zhuǎn)動。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L2產(chǎn)生的磁場方向在其中心處豎直向上，而L1等效成的小磁針轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為向上，所以從左向右看，線圈L1將順時針轉(zhuǎn)動。法三(結(jié)論法)：環(huán)形電流I1、I2之間不平行，則必有相對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。]【教用·備選例題】如圖所示，條形磁鐵在斜面上始終保持靜止狀態(tài)，在其上方的水平導線L中通以如圖所示的電流，當電流減小時，斜面對磁鐵的彈力N和摩擦力f(

)

A．N變小，f可能變小 B．N變大，f可能變大C．都變大

D．都變小√A

[當導線通以題圖所示電流時，根據(jù)左手定則判斷可知，導線所受的安培力方向斜向左上方，由牛頓第三定律得知，磁鐵所受的反作用力斜向右下方。設安培力大小為F安，斜面的傾角為α，磁鐵的重力為G，安培力與斜面的夾角為β，在垂直斜面上有N′＝Gcos

α＋F安sinβ，當電流減小時，安培力減小，則可知彈力N變小。在沿斜面方向上有：若Gsin

α>F安cosβ，即f′＝Gsin

α－F安cosβ，當電流減小時，安培力減小，則可知摩擦力f變大；若Gsin

α<F安cosβ，即f′＝F安cosβ－Gsin

α，當電流減小時，安培力減小，則可知摩擦力f變小。故選A。]探究2

安培力作用下導體的平衡和加速1．求解安培力作用下導體平衡問題的基本思路(1)選定研究對象——通電導線或通電導體棒。(2)變?nèi)S為二維，作出側(cè)視圖、剖面圖或俯視圖等，并畫出其平面內(nèi)的受力分析圖，其中安培力的方向要用左手定則來判斷，注意F安⊥B、F安⊥I。如圖所示。立體圖平面圖(3)列平衡方程或牛頓第二定律的方程式進行求解。2．求解關鍵(1)電磁問題力學化。(2)立體圖形平面化。3．安培力作用下導體的分析技巧(1)安培力作用下導體的平衡問題與力學中的平衡問題分析方法相同，只不過多了安培力，解題的關鍵是畫出受力分析示意圖。同時，當存在靜摩擦力時，要注意分析由于電流大小變化引起安培力的變化，從而導致靜摩擦力大小和方向的變化，此過程往往存在理解問題。(2)安培力作用下導體的加速問題與動力學問題分析方法相同，關鍵是做好受力分析，然后根據(jù)牛頓第二定律求出加速度?！镜淅?】質(zhì)量為m＝0.02kg的通電細桿ab置于傾角為θ＝37°的平行放置的導軌上，導軌的寬度d＝0.2m，桿ab與導軌間的動摩擦因數(shù)μ＝0.4，磁感應強度B＝2T的勻強磁場與導軌平面垂直且方向向下，如圖所示。現(xiàn)調(diào)節(jié)滑動變阻器的觸頭，為使桿ab靜止不動，通過ab桿的電流范圍為多少？(g取10m/s2，最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8)[思路點撥]

(1)首先將立體圖轉(zhuǎn)換成平面圖，對桿受力分析。(2)桿所受摩擦力方向可能沿斜面向上，也可能沿斜面向下。(3)桿靜止不動的臨界條件是摩擦力剛好達到最大靜摩擦力。[解析]

如圖甲、乙所示是電流最大和最小兩種情況下桿ab的受力分析圖。根據(jù)甲圖列式如下：F1－mgsin

θ－Ff1＝0FN－mgcos

θ＝0Ff1＝μFN，F(xiàn)1＝BImaxd解上述方程得Imax＝0.46A根據(jù)乙圖列式如下：F2＋Ff2－mgsin

θ＝0FN－mgcos

θ＝0Ff2＝μFN，F(xiàn)2＝BImind解上述方程得Imin＝0.14A因此電流范圍是0.14～0.46A。[答案]

0.14～0.46A方法技巧

求解安培力作用下導體的運動問題的基本思路[針對訓練]2．如圖所示，質(zhì)量為m，通電電流為I的金屬棒ab置于磁感應強度為B的勻強磁場中，磁場方向與寬為l的水平導軌平面夾角為θ，金屬棒ab處于靜止狀態(tài)。下列說法正確的是(

)A．金屬棒受到的安培力大小為BIlsin

θB．金屬棒受到的摩擦力大小為BIlcos

θC．若只減小夾角θ，金屬棒受到的摩擦力將減小D．若只改變電流方向，金屬棒對導軌的壓力將減小√C

[作出金屬桿受力的主視圖，如圖所示，根據(jù)安培力公式可得金屬棒ab所受安培力為FA＝BIl，根據(jù)平衡條件得Ff＝BIlsin

θ，F(xiàn)N＝mg－BIlcos

θ，故A、B錯誤；若只減小夾角θ，由Ff＝BIlsin

θ可得金屬棒受到的摩擦力將減小，故C正確；改變電流方向，則金屬棒所受的安培力與原來方向相反，則有FN＝mg＋FAcos

θ，所以金屬棒對導軌的壓力增大，故D錯誤。故選C。]3．(2022·湖南卷)如圖甲所示，直導線MN被兩等長且平行的絕緣輕繩懸掛于水平軸OO′上，其所在區(qū)域存在方向垂直指向OO′的磁場，與OO′距離相等位置的磁感應強度大小相等且不隨時間變化，其截面圖如圖乙所示。導線通以電流I，靜止后，懸線偏離豎直方向的夾角為θ。下列說法正確的是(

)A．當導線靜止在圖甲右側(cè)位置時，導線中電流方向由N指向MB．電流I增大，靜止后，導線對懸線的拉力不變C．tanθ與電流I成正比D．sinθ與電流I成正比√

4．如圖所示，兩根傾斜光滑金屬導軌M、N與地面的夾角θ＝37°，兩導軌間距為d＝1m，金屬棒ab的質(zhì)量為m＝0.1kg，接入電路部分電阻為r＝1Ω，放在導軌上且與導軌垂直。導軌上端接一電阻，阻值R1＝1Ω。磁場的磁感應強度大小為B＝1T，方向垂直導軌平面向下，電源的電動勢為E＝4V，內(nèi)阻不計，R為滑動變阻器，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使金屬棒在導軌上靜止。(g取10m/s2，sin37°＝0.6)(1)滑動變阻器的阻值為多少？(2)若將磁場方向改為豎直向下，剛改方向瞬間，金屬棒的加速度大小是多少？

(2)若將磁場方向改為豎直向下，剛改方向瞬間，對金屬棒ab受力分析，受重力、支持力和安培力，如圖所示。由牛頓第二定律有mgsin

37°－F安′cos37°＝ma，代入數(shù)據(jù)解得a＝1.2m/s2。

題號素養(yǎng)提升練(一)安培力作用下導體的運一、選擇題1．如圖所示，兩根平行放置的長直導線a和b中通有大小相同、方向相反的電流，a受到的安培力大小為F1。當加入與兩導線所在平面垂直的勻強磁場后，a受到的安培力大小變?yōu)镕2，則此時b受到的安培力大小變?yōu)?

)A．F2

B．F1－F2C．F1＋F2

D．2F1－F2題

[根據(jù)牛頓第三定律可知，加勻強磁場前，b受到的安培力大小也為F1，與a受到的安培力方向相反；加磁場后，無論磁場的方向是垂直于紙面向外還是垂直于紙面向里，a和b同時受到等大反向的力F，因此a、b受到的合力仍然等大反向，所以b所受到的安培力大小也為F2，選項A正確。]題號21345687910√2．(多選)把輕質(zhì)的導線圈用絕緣細線掛在磁鐵的N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈中心且在同一平面內(nèi)，如圖所示。當線圈通過圖示電流時，線圈將(

)A．發(fā)生轉(zhuǎn)動同時離開磁鐵B．發(fā)生轉(zhuǎn)動同時靠近磁鐵C．靜止不動D．從上往下看順時針轉(zhuǎn)動√題號21345687910BD

[將導線圈等效為正方形線圈時，在磁場中，左、右兩邊分別受向內(nèi)和向外的安培力，又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，線圈沿順時針方向轉(zhuǎn)動，同時靠近磁鐵，故B、D正確。]題號32456879101√3．(2022·江蘇卷)如圖所示，兩根固定的通電長直導線a、b相互垂直，a平行于紙面，電流方向向右，b垂直于紙面，電流方向向里，則導線a所受安培力方向(

)A．平行于紙面向上B．平行于紙面向下C．左半部分垂直紙面向外，右半部分垂直紙面向里D．左半部分垂直紙面向里，右半部分垂直紙面向外題號32456879101C

[根據(jù)安培定則，可判斷出導線a左側(cè)部分的空間磁場方向斜向右上，右側(cè)部分的磁場方向斜向右下方，根據(jù)左手定則可判斷出導線a左半部分所受安培力方向垂直紙面向外，右半部分所受安培力方向垂直紙面向里，故C正確。]題號42356879101√4．如圖所示，金屬桿ab處在磁感應強度為B的勻強磁場中，磁場方向與導軌平面成θ角斜向上，ab靜止于水平導軌上。則關于金屬桿所受安培力的方向，下列說法正確的是(

)A．水平向左

B．水平向右C．斜向上方

D．斜向下方C

[根據(jù)題圖可知，金屬桿中的電流方向沿a→b，根據(jù)左手定則可知，金屬桿所受安培力的方向垂直于磁場斜向左上方。故選C。]題號24536879101√

題號24536879101√6．如圖所示，整個裝置懸掛在彈簧測力計下，裝置下端是單匝線框，線框下邊處于一個方向垂直于紙面向里的勻強磁場中，磁場方向與線圈平面垂直。接通直流電源，線框中的電流方向為逆時針方向，此時彈簧測力計有拉力示數(shù)。為了增大彈簧測力計的示數(shù)，下列方法可以實現(xiàn)的是(

)A．磁場方向不變，增加磁感應強度的大小B．電流方向不變，增加電流大小C．電流方向和磁場方向同時反向D．磁場方向反向，電流方向不變題號24536879101D

[由左手定則可知線框所受的安培力方向向上，安培力大小F＝BIL，磁場方向不變，增加磁感應強度的大小，則安培力增大，彈簧測力計示數(shù)減小，故A錯誤；電流方向不變，增加電流大小，安培力增大，彈簧測力計示數(shù)減小，故B錯誤；電流方向和磁場方向同時反向，安培力方向不變，彈簧測力計示數(shù)不變，故C錯誤；磁場方向反向，電流方向不變，安培力方向向下，彈簧測力計示數(shù)變大，故D正確。故選D。]題號24537689101√7．(多選)如圖所示為某科技愛好者設計的電磁炮模型示意圖，水平發(fā)射軌道寬1m，軌道間有磁感應強度為1×103T、方向豎直向上的勻強磁場，炮彈(含相關附件)總質(zhì)量為0.5kg，當電路中通20A的恒定電流時，炮彈從軌道左端開始加速，然后從軌道右端發(fā)射出去。忽略一切阻力，下列說法正確的是(

)A．電流從a端流入b端流出B．電流從b端流入a端流出C．炮彈的加速度大小為1×104m/s2D．炮彈的加速度大小為4×104m/s2√題號24537689101

題號24538679101√

題號24538679101

題號92453867101二、非選擇題9．絕緣水平桌面有一豎直向上的勻強磁場B＝1T，間距l(xiāng)＝1m的平行金屬導軌固定在桌面上，左端連接電源的電動勢E＝15V，內(nèi)阻r＝1Ω。質(zhì)量m＝0.5kg的金屬棒垂直導軌放置，與導軌間的動摩擦因數(shù)為μ＝0.5。細線一端系在金屬棒的中點，另一端通過桌邊光滑定滑輪掛一重物M時，金屬棒恰處于靜止且剛好不向右滑，細線水平且與金屬棒垂直。已知最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，重力加速度g＝10m/s2，金屬棒接入電路的電阻R＝2Ω，導軌電阻不計，sin53°＝0.8，cos53°＝0.6。題