高中物理 第3章 打開電磁學的大門 第1節(jié) 磁場中的通電導線教師用書 魯科版選修1-1
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第1節(jié) 磁場中的通電導線 課 標 解 讀 重 點 難 點 1.知道影響安培力大小和方向的因素,知道左手定則和安培力大小的計算公式.能用左手定則判斷安培力的方向,能計算在勻強磁場中,當通電導線與磁場方向垂直時安培力的大?。? 2.了解線圈在磁場中的運動情況,以及磁電式儀表的工作原理. 3.知道電動機的工作原理. 1.安培力的計算,左手定則的應用,電動機的原理.(重點) 2.磁感應強度的理解,左手定則的應用.(難點) 會動的導線 1.基本知識 (1)安培力 ①定義:通電導線在磁場中受到的作用力. ②方向:用左手定則判斷 左手定則:伸開左手,四指與拇指在同一平面內并相互垂直,讓磁感線垂直穿過手心,四指指向電流的方向,則拇指所指的方向就是安培力的方向. ③大小 a.因素:如圖311所示,通電導線所受的安培力的大小與磁感應強度、電流大小以及磁場中垂直磁場方向的導線長度有關. 圖311 b.大?。涸趧驈姶艌鲋?,當通電導線與磁場方向垂直時,安培力的大小等于電流、磁感應強度和導線長度的乘積. c.公式表達:F=BIl. (2)磁感應強度的兩種定義 ①從磁感線角度定義為B=. ②從力的角度定義為B=. 2.思考判斷 (1)當通電直導線垂直于磁感應強度方向時,安培力的方向和磁感應強度方向相同.() (2)已知磁場方向和電流方向判定安培力的方向用左手,若已知磁場方向和安培力的方向,判定電流的方向用右手.() (3)只要電流的方向不與磁場平行,電流就會受到安培力.(√) 3.探究交流 安培力的方向與通電直導線方向、磁感應強度的方向有什么關系? 【提示】 與導線方向、磁感應強度方向都垂直. 會動的線圈和電動機 1.基本知識 (1)通電線圈在磁場中的轉動:線圈與磁場平行放置,當線圈通有電流時,與磁場垂直的兩個邊會受到安培力作用,根據(jù)左手定則判斷知,兩個力方向相反,使線圈繞中心軸轉動. (2)利用線圈在磁場中受力轉動的原理,人們制作了磁電式電流計,第一個磁電式電流計是安培制作的,由此實現(xiàn)了電流的定量測量. (3)電動機由轉子和定子構成,直流電動機還有換向器和電刷.在線圈平面轉到與磁場方向垂直的位置時,換向器的每個半環(huán)互換連接的電刷,使電流的方向發(fā)生改變,從而實現(xiàn)了線圈的持續(xù)轉動. 2.探究交流 在現(xiàn)代生活中,我們的身邊充滿著電器:洗衣機、電冰箱、錄音機、吹風機等.你知道這些電器工作時共同的特點是什么嗎?工作原理又是什么呢? 【提示】 這些電器工作時的共同特點是都要使用電動機.而電動機的原理是通電線圈在磁場中受安培力作用旋轉,從而起到了電動的作用. 安培力方向的判定 【問題導思】 1.安培力的方向與哪些因素有關? 【提示】 磁場的方向和電流的方向. 2.安培力的方向與磁感應強度的方向一定垂直嗎? 【提示】 一定垂直. 1.安培力的方向既與磁場方向垂直.又與電流方向垂直.但磁場方向與電流方向不一定垂直,由此可知安培力的方向總是垂直于磁場和電流所決定的平面. 2.當磁場方向、電流方向、安培力方向兩兩垂直時,只要已知其中任意兩個方向,就可以判斷第三者的方向. 3.當不能確定磁場方向和電流方向垂直時,若已知磁場方向(或電流方向)與安培力的方向,電流方向(或磁場方向)不唯一. 安培定則反映的是電流方向與它產生的磁場方向之間的關系,而左手定則反映的是電流方向、磁場方向和安培力方向三者之間的關系,注意區(qū)分. 如圖所示,表示磁場對直線電流的作用,其中不正確的是( ) 【導學號:31870019】 【解析】 磁場對通電直導線的作用力既與導線垂直又與磁感線垂直,用左手定則判斷可知,A、B、D圖均正確,C圖中安培力F的方向應向下,故C圖不正確.故選C. 【答案】 C 1.下列圖示為通電直導線置于勻強磁場中的不同方式,其中導線能受到安培力作用的是( ) 【解析】 由于BD所示的電流方向與磁場方向平行故不受安培力,AC所示電流方向與磁場方向垂直,受安培力作用,AC正確. 【答案】 AC 安培力大小的計算 【問題導思】 1.把一段通電導線放在磁場中,怎樣放受力最小?怎樣放受力最大? 【提示】 平行于磁場最小,垂直于磁場最大. 2.安培力的大小與哪些因素有關? 【提示】 導線長度、電流的大小、磁感應強度、導線與磁場的夾角. 1.若B與I(l)垂直時,F(xiàn)=BIl,此時所受的安培力最大. 2.若B與I(l)平行時,F(xiàn)=0. 3.在計算安培力時,若放入磁場中的導線是彎曲導線,其安培力求解時應用其長度的有效值,即兩端點所連直線的長度.如下圖312所示: 圖312 將長度為20 cm、通有0.1 A電流的直導線放入一勻強磁場中,電流與磁場的方向如圖313所示,已知磁感應強度為1 T.試求出下列各圖中導線所受安培力的大小和方向. 圖313 【解析】 由左手定則和安培力的計算公式得: (1)因為導線與磁感線平行,所以導線受到的安培力為零; (2)由左手定則知,安培力方向垂直于導線水平向右,大小為F=BIL=10.12010-2 N=0.02 N; (3)由左手定則知,安培力的方向在紙面內垂直于導線斜向上,大小為F=BIL=10.12010-2 N=0.02 N. 【答案】 見解析 2.如圖314所示,通電直導線置于勻強磁場中,導線與磁場方向垂直.若僅將導線中的電流增大為原來的2倍,則導線所受安培力的大小將( ) 【導學號:31870020】 圖314 A.減小為原來的 B.減小為原來的 C.增大為原來的2倍 D.增大為原來的4倍 【答案】 C 探究電動機的工作原理 【問題導思】 1.電動機是靠什么動力工作的? 【提示】 安培力. 2.電動機工作時是靠什么來改變通入線圈中電流方向的? 【提示】 換向器. 1.工作原理 給線圈通入方向合適的電流,可以使線圈轉動起來,電動機是利用安培力來工作的. 2.組成 定子和轉子 (1)定子是電動機中固定不動的部分,可以是線圈,也可以是磁體. (2)轉子是電動機中轉動的部分. 直流電動機中還有電刷和換向器,可以將電流持續(xù)地提供給線圈并適時地改變流入線圈的電流方向,它們能使轉子按一個方向持續(xù)地旋轉. 如圖315所示,在水平向右的勻強磁場中,放有矩形線框abcd,線框可繞其中心軸線自由轉動,若線框中通入圖中所示電流.試判斷此時線框的轉動方向.(從上向下看) 圖315 【解析】 根據(jù)左手定則,讓磁感線穿入手心,四指指向電流方向.則大拇指所指的方向即通電導線所受安培力方向.由此可判斷此時:ab邊受安培力方向垂直紙面向里,dc邊受安培力方向垂直紙面向外,而ad邊和bc邊此時不受安培力作用,因此線框ab邊向里轉,cd邊向外轉,即從上向下看線框順時針轉動. 【答案】 從上向下看線框順時針轉動 3.如圖316所示,O為圓心,是半徑分別為ON、OM的同心圓弧,在O處垂直紙面有一載流直導線,電流方向垂直紙面向外.用一根導線圍成如圖中KLMN所示的回路,當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( ) 圖316 A.將向左平動 B.將向右平動 C.將在紙面內繞通過O點并垂直紙面的軸轉動 D.KL邊垂直紙面向外運動,MN邊垂直紙面向里運動 【解析】 電流I1在空間形成的磁場是以電流I1為圓心的一系列同心圓,其中四邊形線框的KN邊和LM邊均與磁場方向平行不受力作用.由左手定則可判斷KL邊所受安培力垂直紙面向外,MN邊所受安培力垂直于紙面向里,故D項正確. 【答案】 D 【備課資源】(教師用書獨具) 磁懸浮列車 磁懸浮列車分為常導型和超導型兩大類. 常導型也稱常導磁吸型,以德國高速常導磁懸浮列車transrapid為代表,它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理將列車懸起,懸浮的氣隙較小,一般為10毫米左右.列車速度可達每小時400~500千米,適合于城市間的長距離快速運輸. 超導型磁懸浮列車也稱超導磁斥型,它是利用超導磁體產生的強磁場,列車運行時與布置在地面上的線圈相互作用,產生電動斥力將列車懸起,懸浮氣隙較大,一般為100毫米左右,速度可達每小時500千米以上. 1.下列說法正確的是( ) A.如果通電導線在磁場中某處不受安培力,則該處不存在磁場 B.即使通電導線在磁場中某處不受安培力作用,該處也可能存在磁場 C.通電導線在磁場中受安培力大的位置磁場強 D.磁場越強的位置,通電導線受到的安培力越大 【解析】 當通電導線平行磁場放置時,不受安培力的作用,故B正確,A錯誤.安培力的大小與通電導線的長度、電流的大小、磁場的強弱以及電流與磁場間的夾角有關系,故C、D均錯誤.所以正確選項為B. 【答案】 B 2.如圖317所示,金屬棒MN放置在處于勻強磁場中的兩條平行金屬導軌上,與金屬導軌組成閉合回路.當回路通有電流(電流方向如圖中所示)時,關于金屬棒受到安培力F的方向和大小,下列說法中正確的有( ) A.F方向向右 B.F方向向左 C.增大電流強度,F(xiàn)增大 D.增大磁感應強度,F(xiàn)減小 圖317 【解析】 由左手定則知A項對,由公式F=BIL可知C項正確. 【答案】 AC 3.在地球赤道上空,沿東西方向水平放置一根通以由西向東的直線電流,則此導線( ) 【導學號:31870021】 A.受到豎直向上的安培力 B.受到豎直向下的安培力 C.受到由南向北的安培力 D.受到由西向東的安培力 【解析】 地球赤道上空地磁場的方向由南向北,根據(jù)左手定則知A對. 【答案】 A 4.如圖318所示,一根長為L、質量為m的導線AB,用軟導線懸掛在方向水平向里的磁感應強度為B的勻強磁場中,現(xiàn)要使懸線張力為零,則AB導線通電方向怎樣?電流是多大? 圖318 【解析】 要使懸線張力為零,AB導線受到的磁場力必須向上,由左手定則可判斷電流的方向是A→B. 設懸線張力剛好為零,由二力平衡得BIL=mg 所以I=. 【答案】 電流方向:A→B 學業(yè)達標測評(八) (建議用時:45分鐘) 1.關于磁感應強度,下列說法中正確的是( ) 【導學號:31870022】 A.由B=可知,B與F成正比,與Il成反比 B.由B=可知,一小段通電導線在某處不受磁場力,則說明該處一定無磁場 C.通電導線在磁場中受力越大,說明磁場越強 D.磁感應強度的方向就是小磁針北極受力的方向 【解析】 磁場中某點的磁感應強度B是客現(xiàn)存在的,與是否放通電導線,通電導線受力的大小無關,所以選項A、C均錯.當電流方向與磁場方向平行時,磁場對電流無作用力,但磁場卻存在,所以選項B錯.磁感應強度的方向就是小磁針靜止時N極的指向,而不是通電導線的受力方向. 【答案】 D 2.在如圖中,標出了磁場B的方向、通電直導線中電流I的方向,以及通電直導線所受磁場力F的方向,其中正確的是( ) 【解析】 由左手定則判斷可知C正確. 【答案】 C 3.各地地磁場磁感應強度(水平分量)Bx有所不同,可以在相關手冊上查到.下表給出我國幾個城市的Bx值. 地名 北京 廣州 上海 武漢 Bx/10-4 T 0.289 0.375 0.333 0.343 現(xiàn)將同一根通電直導線分別在以上四地豎直放置,則使導線受磁場力最大的是( ) A.北京 B.廣州 C.上海 D.武漢 【解析】 由安培力公式F=BIL可知,同一根通電直導線豎直放置時,地磁場磁感應強度水平分量Bx越大,導線所受安培力越大,故導線在廣州所受磁場力最大,B正確. 【答案】 B 4.如圖319所示,條形磁鐵放在水平桌面上,在其正中央的上方固定一根長直導線,導線與磁鐵垂直,給導線通以垂直紙面向里的電流,用FN表示磁鐵對桌面的壓力,用F表示桌面對磁鐵的摩擦力,導線中通電后與通電前相比較( ) 圖319 A.FN減小,F(xiàn)=0 B.FN減小,F(xiàn)≠0 C.FN增大,F(xiàn)=0 D.FN增大,F(xiàn)≠0 【解析】 如圖所示,畫出一條通過電流I處的磁感線,電流I處的磁場方向水平向左.由左手定則知電流I受安培力方向豎直向上,根據(jù)牛頓第三定律知,電流對磁鐵的作用力方向豎直向下,所以磁鐵對桌面壓力增大.由于磁鐵沒有相對于桌面的運動趨勢,故桌面對磁鐵無摩擦力作用. 【答案】 C 5.關于磁電式電流計,下列說法正確的是( ) A.電流計的工作原理是安培力對通電線框的轉動作用 B.電流計的工作原理是安培力對通電線框的加速作用 C.電流計指針偏轉的角度與所通電流的大小成正比 D.電流計指針偏轉的角度與所通電流的大小成反比 【解析】 電流計的工作原理是通電線圈在磁場中受到安培力的作用,并產生轉動.電流越大,線框受到的安培力越大,指針偏轉角度越大,故A、C正確,B、D不正確. 【答案】 AC 6.通電矩形導線框abcd與無限長通電直導線MN在同一平面內,ab與MN平行,電流方向如圖3110所示.關于MN的磁場對線框的作用,下列敘述正確的是( ) 圖3110 A.線框有兩條邊所受的安培力方向相同 B.線框有兩條邊所受的安培力大小相同 C.線框所受安培力的合力朝左 D.cd邊不受安培力的作用 【解析】 先判定導線框所在處的磁場方向垂直紙面向里如圖所示,且離導線MN越近,磁場越強;越遠,磁場越弱,由此可判定bc邊和ad邊所受安培力大小相等,方向相反,ab邊所受安培力比cd邊大,即Fab>Fcd,方向相反,由此可判定線框所受安培力的合力向左.故B、C選項正確. 【答案】 BC 7.有一小段通電導線,長為1 cm,電流為5 A,把它置于磁場中某點,受到的磁場力為0.1 N,則該點的磁感應強度B一定是( ) A.B=2 T B.B≤2 T C.B≥2 T D.以上情況都有可能 【解析】 如果通電導線是垂直磁場方向放置的,此時所受磁場力最大,F(xiàn)=0.1 N,則該點磁感應強度為B== T=2 T 如果通電導線不是垂直磁場方向放置的,則受到的磁場力小于垂直放置時受的力,垂直放置時受力將大于0.1 N,由定義式可知,B將大于2 T.應選C. 【答案】 C 8.如圖3111所示,一導體棒放置在處于勻強磁場中的兩條平行金屬導軌上,并與金屬導軌組成閉合回路.當回路中通有電流時,導體棒受到安培力作用.要使安培力增大,可采用的方法有( ) 圖3111 A.增大磁感應強度 B.減小磁感應強度 C.增大電流 D.減小電流 【解析】 由F=BILsin θ知,安培力大小與磁感應強度B、電流I和導體與磁場方向的夾角θ有關,且隨B、I的增大而增大. 【答案】 AC 9.在等邊三角形的三個頂點a、b、c處,各有一條長直導線垂直穿過紙面,導線中通有大小相等的恒定電流,方向如圖3112所示.過c點的導線所受安培力的方向( ) 圖3112 A.與ab邊平行,豎直向上 B.與ab邊平行,豎直向下 C.與ab邊垂直,指向左邊 D.與ab邊垂直,指向右邊 【解析】 根據(jù)同向電流相互吸引知,c處電流受a、b電流的安培力分別沿ca和cb方向,這兩個力大小相等,故c處導線受這兩個安培力的合力向左與ab垂直. 【答案】 C 10.節(jié)日里,大街小巷,彩燈閃爍,很是好看.某校學生王亮學習了安培力后,與興趣小組成員制作了彩燈閃爍裝置.把一根柔軟的螺旋彈簧豎直懸掛起來,使它的下端剛好跟杯里的水銀面接觸,并使它與小彩燈泡、電池、開關、導線組成如圖3113所示電路.閉合開關后,彩燈不停地閃爍起來.請你分析一下彩燈的閃爍原理. 圖3113 【解析】 閉合開關后,彈簧通電彩燈亮,彈簧可看作多個同向電流圓線圈,每個圓線圈受其他線圈的安培力,相互吸引而縱向收縮、變短,下端離開水銀面而斷電,彩燈不亮.安培力消失,在重力作用下,彈簧下端又接觸水銀面通電,彩燈再亮,彈簧再收縮,如此反復下去.彩燈就能不停地閃爍起來. 【答案】 見解析 11.在磁感應強度是4.010-2 T的勻強磁場里,有一條與磁場方向垂直,長8 cm的通電導線ab(如圖3114所示),通電導線ab所受的安培力是1.010-2 N,方向垂直紙面指向外,求導線中電流的大小和方向. 圖3114 【解析】 根據(jù)左手定則,可以判斷導線中的電流的方向由b指向a. 利用安培力的計算公式可得: I== A≈3.1 A. 【答案】 I≈3.1 A 方向由b指向a 12.在赤道上,地磁場可看成是沿南北方向的勻強磁場,磁感應強度的大小是0.5010-4T.如果赤道上有一根沿東西方向的直導線,長為100 m,載有從東向西的電流50 A,地磁場對這根導線的作用力有多大?方向如何? 【解析】 因電流和磁場方向垂直,所以F=BIL =0.5010-450100 N =0.25 N 由左手定則知安培力方向向下. 【答案】 0.25 N 方向向下- 配套講稿:
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