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1、第三章 磁場,第四節(jié) 通電導(dǎo)線在磁場中受到的力,安培力是電磁學(xué)中極為重要的常見的力，安培力作為一種常見的電磁力，主要以小知識(shí)點(diǎn)穿插在綜合性問題之中，特別是方向的判斷。教學(xué)中應(yīng)該提醒學(xué)生注意安培力與庫侖力的區(qū)別。電荷在電場中某一點(diǎn)受到的庫侖力是一定的，方向與該點(diǎn)的電場方向要么相同，要么相反。電流在磁場中某處受到的磁場力，與電流在磁場中放置的方向有關(guān)。一般情況下的安培力大于零而小于BIL，方向與磁場方向垂直。在安培力方向的描述中，應(yīng)用動(dòng)畫三維呈現(xiàn)，給學(xué)生以最直觀的了解。,1. 知道什么是安培力，會(huì)推導(dǎo)安培力公式 F = BILsin 。 2. 知道左手定則的內(nèi)容，并會(huì)用它判斷安培力的方向。 3.
2、了解磁電式電流表的工作原理。 重點(diǎn)：安培力的大小計(jì)算和方向的判定。 難點(diǎn)：用左手定則判定安培力的方向。,現(xiàn)在我們的生活中到處都有家用電器的身影，如：洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電動(dòng)車等。這些電器中都有電動(dòng)機(jī)，通電后就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)工作，你知道它們的工作原理嗎？這節(jié)課我們就一起來認(rèn)識(shí)下。,一、安培力,磁場對(duì)電流的作用力稱為安培力，是為了紀(jì)念安培而命名的。,麥克斯韋稱贊安培的工作是“科學(xué)上最光輝的成就之一，還把安培譽(yù)為“電學(xué)中的牛頓”。,Andr-Marie Ampre 1775 1836,在電場中，正電荷所受電場力的方向就是電場強(qiáng)度的方向。那么，在磁場中，通電導(dǎo)體在磁場中的受力方向是不是磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向呢？,初中的
3、學(xué)習(xí)中，我們知道通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力 F 的方向，與電流 I、磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的方向都有關(guān)。我們利用如圖所示的裝置探究。,表示電流方垂直紙面向里,http:/ 極在下，S 極在上，鹽水就會(huì)旋轉(zhuǎn)起來。,I,判定以下通電導(dǎo)線所受安培力的方向,30,I,I,I,B,B,B,12,（1）當(dāng) IB 且為勻強(qiáng)磁場，此時(shí)電流所受的安培力最大。,（2）當(dāng)導(dǎo)線方向與磁場方向一致時(shí)(即 IB )，電流所受的安培力最小，等于零。,（3）當(dāng)導(dǎo)線方向與磁場方向 成 角時(shí)，所受安培力介于最大值和最小值之間：,1. 大?。寒?dāng)導(dǎo)線方向與磁場方向垂直時(shí)，通電導(dǎo)線在磁場中受到的安培力的大小，既與導(dǎo)線的長度成正比，又與導(dǎo)線中
4、的電流 I 成正比，即與 I 和 L 的乘積成正比。,2. 公式：F = BIL,F安 = BILsin ,B,B,三、安培力的大小,對(duì)公式 F = BIL 的理解,1. B 垂直于 I ，勻強(qiáng)磁場，直導(dǎo)線。,2. 不垂直變垂直(分解 B，或投影 L )。,3. 彎曲導(dǎo)線變成直導(dǎo)線 L是有效長度，不一定是導(dǎo)線實(shí)際長度。,若是彎曲導(dǎo)線，可視為起點(diǎn)到終點(diǎn)的一條通電直導(dǎo)線。,0,0.02 N 水平向右,0.02 N 垂直導(dǎo)線斜向左上方,I,B,I,B,30,I,B,例1. 將長度為 20 cm、通有 0.1 A 電流的直導(dǎo)線放入一勻強(qiáng)磁場中，電流與磁場的方向如圖所示，已知磁感應(yīng)強(qiáng)度為 1 T。試求出
5、下列各圖中導(dǎo)線所受安培力的大小和方向。,1. 如圖所示，將通電導(dǎo)線圓環(huán)平行于紙面緩慢地堅(jiān)直向下放入水平方向垂直紙面各里的勻強(qiáng)磁場中,則在通電圓環(huán)完全進(jìn)入磁場的過程中，所受的安培力大小變化是 ( ) A. 逐漸變大 B. 先變大后變小 C. 逐漸變小 D. 先變小后變大,B,I,B,在實(shí)驗(yàn)室中，常用到一種測電流強(qiáng)弱和方向的電學(xué)儀器電流表，它就是根據(jù)磁場對(duì)電流作用的安培力制成的。,四、磁電式電流表,鐵芯、線圈和指針是一個(gè)整體可以轉(zhuǎn)動(dòng)。,1. 磁電式電流表的構(gòu)造 刻度盤、指針、蹄形磁鐵、極靴（軟鐵制成） 、螺旋彈簧、線圈、圓柱形鐵芯（軟鐵制成）。,該磁場并非勻強(qiáng)磁場,2. 該磁場是否勻強(qiáng)磁場？,3.
6、 該磁場有什么特點(diǎn)？,1. 電流表中磁場分布有何特點(diǎn)呢？,電流表中磁鐵與鐵芯之間是均勻輻向分布的。 所謂均勻輻向分布，就是說所有磁感線的延長線都通過鐵芯的中心，不管線圈處于什么位置，線圈平面與磁感線之間的夾角都是零度。,在以鐵芯為中心的圓圈上，各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的大小是相等的。,( 1 ) 蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是均勻地輻射分布的，不管通電線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感應(yīng)線平行，當(dāng)電流通過線圈時(shí)線圈上跟鐵軸平行的兩邊都要受到安培力，這兩個(gè)力產(chǎn) 生的力矩使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。,2. 電流表的工作原理,線圈轉(zhuǎn)動(dòng)使螺旋彈簧被扭動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，其大小隨線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角度增大而增大，當(dāng)這種
7、阻礙力矩和安培力產(chǎn)生的使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩相平衡時(shí)，線圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)。,（2）磁場對(duì)電流的作用力與電流成正比，因而線圈中的電流越大，安培力產(chǎn)生的力矩也越大，線圈和指針偏轉(zhuǎn)的角度也越大，因而根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)角度的大小，可以知道被測電流的強(qiáng)弱。,表盤的刻度均勻， I,（3）當(dāng)線圈中的電流方向發(fā)生變化時(shí)，安培力的方向也隨之改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向也發(fā)生變化，所以根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測電流的方向。,一、通電導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向的判斷,例1. 如圖所示，把輕質(zhì)導(dǎo)電線圈用絕緣細(xì)線懸掛在磁鐵 N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直于線圈平面，當(dāng)線圈內(nèi)通入如圖方向的電流后，則線圈( ) A向左運(yùn)動(dòng) B向右運(yùn)動(dòng) C靜止不
8、動(dòng) D無法確定,解析：此題可以采用電流元法，也可采用等效法。 解法一：等效法。把通電線圈等效成小磁針。由安培定則，線圈等效成小磁針后，左端是 S 極，右端是 N 極，異名磁極相吸引，線圈向左運(yùn)動(dòng)。 解法二：電流元法。如圖所示，取其中的上、下兩小段分析，根據(jù)其中心對(duì)稱性線圈所受安培力的合力水平向左，故線圈向左運(yùn)動(dòng)。 答案：A,分析導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)情況的幾種常用方法,1. 如圖所示，把一重力不計(jì)的通電直導(dǎo)線水平放在蹄形磁鐵兩極的正上方，導(dǎo)線可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)線通入圖示方向電流 I 時(shí)，導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)情況是(從上往下看) ( ) A. 順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)下降 B. 順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)上升 C. 逆時(shí)
9、針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)下降 D. 逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)上升,C,二、安培力作用下通電導(dǎo)體的平衡,例 2. 質(zhì)量為 m，長度為 L 的導(dǎo)體棒 MN 垂直導(dǎo)軌放置且靜止于水平導(dǎo)軌上，通過 MN 的電流為 I，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B，垂直于電流方向且與導(dǎo)軌平面成 角斜向下，如圖所示，求棒 MN 所受的支持力大小和摩擦力大小。,解析：畫出平面圖，由左手定則判斷出安培力方向，對(duì)MN 受力分析，如圖所示，對(duì)導(dǎo)體棒 MN 由平衡條件得： 水平方向：Ff Fsin 豎直方向：FN Fcos mg 安培力 F BIL， 所以 M所受的支持力 FN BILcos mg 所受摩擦力 Ff BILsin 答案：BILc
10、os mg BILsin ,1. 首先把立體圖畫成易于分析的平面圖，如側(cè)視圖、剖視圖或俯視圖等。 2. 確定導(dǎo)線所在處磁場方向，根據(jù)左手定則確定安培力的方向。 3. 結(jié)合通電導(dǎo)體、受力分析、運(yùn)動(dòng)情況等，根據(jù)題目要求，列出方程，解決問題。,解決涉及安培力的綜合類問題的分析方法,2. 如圖所示，在勻強(qiáng)磁場中用兩根柔軟的細(xì)線將金屬棒 ab懸掛在水平位置上，金屬棒中通入由 a 到 b 的穩(wěn)定電流 I，這時(shí)兩根細(xì)線被拉緊，現(xiàn)要想使兩根細(xì)線對(duì)金屬棒拉力變?yōu)榱?，可采用哪些方?( ) A. 適當(dāng)增大電流 I B. 將電流反向并適當(dāng)改變大小 C. 適當(dāng)增大磁場 D. 將磁場反向并適當(dāng)改變大小,AC,關(guān)于磁場對(duì)
11、通電直導(dǎo)線的作用力，下列說法正確的是 ( ) A. 通電直導(dǎo)線在磁場中一定受到安培力的作用 B. 通電直導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向一定跟磁場方向垂直 C. 通電直導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向一定跟電流方向垂直 D. 通電直導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向垂于由 B 和 I所確定的平面,BCD,BCD,2. 一根長為 0.2 m 的電流為 2 A 的通電導(dǎo)線 ，放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0.5 T 的勻強(qiáng)磁場中，受到的安培力大小可能是（ ） A. 0.4 N B. 0.2 N C. 0.1 N D. 0,3. 試畫出下列各圖中安培力的方向。,4. 在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場 B 中，有一個(gè)垂直磁感線的環(huán)形線圈，通有順時(shí)針電流 I，如圖所示，則下列敘述中正確的是（ ） A. 環(huán)形線圈所受的磁力的合力為零 B. 環(huán)形線圈所受的磁力的合力不為零 C. 環(huán)形線圈有收縮的趨勢(shì) D. 環(huán)形線圈有擴(kuò)張的趨勢(shì),AD,
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