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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，主要以小知識點穿插在綜合性問題之中，特別是方向的判斷。教學中應(yīng)該提醒學生注意安培力與庫侖力的區(qū)別。電荷在電場中某一點受到的庫侖力是一定的，方向與該點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)用動畫三維呈現(xiàn)，給學生以最直觀的了解。,1. 知道什么是安培力，會推導(dǎo)安培力公式 F = BILsin 。 2. 知道左手定則的內(nèi)容，并會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：安培力的大小計算和方向的判定。 難點：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、電風扇、電動車等。這些電器中都有電動機，通電后就會轉(zhuǎn)動工作，你知道它們的工作原理嗎？這節(jié)課我們就一起來認識下。,一、安培力,磁場對電流的作用力稱為安培力，是為了紀念安培而命名的。,麥克斯韋稱贊安培的工作是“科學上最光輝的成就之一，還把安培譽為“電學中的牛頓”。,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)強度的方向呢？,初中的
3、學習中，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 IB 且為勻強磁場，此時電流所受的安培力最大。,（2）當導(dǎo)線方向與磁場方向一致時(即 IB )，電流所受的安培力最小，等于零。,（3）當導(dǎo)線方向與磁場方向 成 角時，所受安培力介于最大值和最小值之間：,1. 大?。寒攲?dǎo)線方向與磁場方向垂直時，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,對公式 F = BIL 的理解,1. B 垂直于 I ，勻強磁場，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)線實際長度。,若是彎曲導(dǎo)線，可視為起點到終點的一條通電直導(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)線放入一勻強磁場中，電流與磁場的方向如圖所示，已知磁感應(yīng)強度為 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直向下放入水平方向垂直紙面各里的勻強磁場中,則在通電圓環(huán)完全進入磁場的過程中，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,在實驗室中，常用到一種測電流強弱和方向的電學儀器電流表，它就是根據(jù)磁場對電流作用的安培力制成的。,四、磁電式電流表,鐵芯、線圈和指針是一個整體可以轉(zhuǎn)動。,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）。,該磁場并非勻強磁場,2. 該磁場是否勻強磁場？,3.
6、 該磁場有什么特點？,1. 電流表中磁場分布有何特點呢？,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，各點的磁感應(yīng)強度 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，當電流通過線圈時線圈上跟鐵軸平行的兩邊都要受到安培力，這兩個力產(chǎn) 生的力矩使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動。,2. 電流表的工作原理,線圈轉(zhuǎn)動使螺旋彈簧被扭動，產(chǎn)生一個阻礙線圈轉(zhuǎn)動的力矩，其大小隨線圈轉(zhuǎn)動的角度增大而增大，當這種
7、阻礙力矩和安培力產(chǎn)生的使線圈轉(zhuǎn)動的力矩相平衡時，線圈停止轉(zhuǎn)動。,（2）磁場對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弱。,表盤的刻度均勻， I,（3）當線圈中的電流方向發(fā)生變化時，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)體運動方向的判斷,例1. 如圖所示，把輕質(zhì)導(dǎo)電線圈用絕緣細線懸掛在磁鐵 N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直于線圈平面，當線圈內(nèi)通入如圖方向的電流后，則線圈( ) A向左運動 B向右運動 C靜止不
8、動 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，線圈向左運動。 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)其中心對稱性線圈所受安培力的合力水平向左，故線圈向左運動。 答案：A,分析導(dǎo)體在磁場中運動情況的幾種常用方法,1. 如圖所示，把一重力不計的通電直導(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，當導(dǎo)線通入圖示方向電流 I 時，導(dǎo)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
9、針方向轉(zhuǎn)動，同時下降 D. 逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時上升,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，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為 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MN 受力分析，如圖所示，對導(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、運動情況等，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，在勻強磁場中用兩根柔軟的細線將金屬棒 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，這時兩根細線被拉緊，現(xiàn)要想使兩根細線對金屬棒拉力變?yōu)榱?，可采用哪些方?( ) A. 適當增大電流 I B. 將電流反向并適當改變大小 C. 適當增大磁場 D. 將磁場反向并適當改變大小,AC,關(guān)于磁場對
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)強度為 0.5 T 的勻強磁場中，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磁場 B 中，有一個垂直磁感線的環(huán)形線圈，通有順時針電流 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 D. 環(huán)形線圈有擴張的趨勢,AD,
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