物理粵教版選修3-1課件：第三章第四節(jié)《安培力的應(yīng)用》

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歡迎進入物理課堂 第四節(jié)安培力的應(yīng)用 1 直流電動機功能 電動機是利用 使通電線圈轉(zhuǎn)動 將電能轉(zhuǎn)化為 的重要裝置 2 電動機分類 電動機有 電動機和交流電動機 交流電動機又分為 和三相交流電動機 3 磁電式電流表基本組成部分 磁鐵和放在磁鐵兩極之間的 安培力 機械能 直流 單相交流電動機 線圈 4 電表工作原理 如圖3 4 1所示 磁場的方向總沿著 均勻輻射地分布 在距軸線等距離處的磁感應(yīng)強度的大小總是 的 保證B的大小不發(fā)生變化 且安培力的方向與線圈垂直 圖3 4 1 徑向 相等 5 電流表中蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是均勻地輻向分布 當(dāng)線圈中通入恒定電流時 線圈將發(fā)生轉(zhuǎn)動 電流表的指針也隨著偏轉(zhuǎn) 最后停在某一偏角位置上 則在偏轉(zhuǎn)過程中隨著偏 轉(zhuǎn)角度的增大 A 線圈所受安培力的力矩逐漸增大B 線圈所受安培力的力矩逐漸減小C 線圈所受安培力的力矩不變D 以上說法都不對解析 因線圈無論轉(zhuǎn)到哪個位置 線圈平面總是與該位置處的磁場平行 故安培力的力矩不變 C 知識點1直流電動機 電動機是利用安培力使通電線圈轉(zhuǎn)動 將電能轉(zhuǎn)化為機械能的重要裝置 電動機有直流電動機和交流電動機 交流電動機又分為單相交流電動機和三相交流電動機 觀察圖3 4 2 討論 圖3 4 2 1 直流電動機為什么會轉(zhuǎn)動 安培力在其中起到什么作 用 答案 通電后 線圈在磁場中受到安培力作用 安培力有 力矩 使得線圈開始轉(zhuǎn)動 2 假如直流電動機通電前 線圈剛好與磁場垂直 即位于圖乙和圖丁所示的位置 通電后 電動機能否正常工作 力矩為零 線圈不會轉(zhuǎn)動 答案 通過改變電流的大小可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 答案 若線圈在通電前位于圖中乙和丁位置 則通電后磁 3 如何調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速 1 直流電動機的構(gòu)造 如圖3 4 2所示 圖3 4 2 2 工作原理 如圖3 4 2甲 當(dāng)電流通過線圈時 右邊線框受到的安培力方向向下 左邊線框受到的安培力方向向上 在安培力的作用下線框轉(zhuǎn)動起來 3 調(diào)速辦法 直流電動機突出的優(yōu)點是可以通過改變電流 大小調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速 而交流電動機的調(diào)速比較復(fù)雜 A F不變 M變大B F不變 M變小C F變大 M變大D F變小 M變小圖3 4 3 例1 如圖3 4 3所示 矩形線圈abcd可繞對稱軸OO 轉(zhuǎn)動 開始時線圈面與磁場方向平行 按圖示方向通以電流I 線圈從圖示位置開始轉(zhuǎn)過90 的過程中 ab邊所受磁場力 F和線圈所受磁場力矩M的變化情況是 M 2 nF cos nBI ab ad cos nBIScos 解析 ab邊和cd邊始終與磁場方向垂直 所受磁場力始 終為最大值 保持不變 n匝線圈受到的磁力矩為 ad 2 可知 隨著 不斷增大 磁力矩不斷變小 答案 B 觸類旁通 1 如圖3 4 4中甲 乙 丙所示 在勻強磁場中 有三 個通電線圈如圖中所示位置 則 圖3 4 4A 三個線圈都可以繞OO 軸轉(zhuǎn)動B 只有乙中的線圈可以繞OO 軸轉(zhuǎn)動C 只有甲 乙中的線圈可以繞OO 軸轉(zhuǎn)動D 只有乙 丙中的線圈可以繞OO 軸轉(zhuǎn)動 解析 只有線圈中兩條對邊所受安培力對OO 軸的合力 矩不為零 才能使線圈繞OO 軸轉(zhuǎn)動 答案 B 知識點2磁電式電表 我們知道 電流表表盤上的刻度是均勻的 那就是說 當(dāng)電流通過線圈 導(dǎo)線受到安培力作用轉(zhuǎn)動的角度必須與電流的大小成正比 若是線圈處在勻強磁場中 一旦線圈轉(zhuǎn)動 磁力矩隨即改變 那么怎樣的設(shè)計才能使得電流表滿足上述條件呢 答案 詳見電流表的工作原理 1 電流表是測量電流的電學(xué)儀器 實驗時經(jīng)常使用的電流表是磁電式電流表 2 磁電式電表結(jié)構(gòu) 電流表的構(gòu)造如圖3 4 5所示 在一個磁性很強的蹄形磁鐵的兩極間有一個固定的圓柱形鐵芯 鐵芯外面套有一個可以繞軸轉(zhuǎn)動的鋁框 鋁框上繞有線圈 鋁框的轉(zhuǎn)動軸上裝有兩個螺旋彈簧和一個指針 線圈的兩端分別接在這兩個螺旋彈簧上 被測電流經(jīng)過這 兩個彈簧流入線圈 圖3 4 5 3 電流表的工作原理 如圖3 4 6所示 磁場的方向總沿著徑向均勻輻射地分布 在距軸線等距離處的磁感應(yīng)強度的大小總是相等的 保證B的大小不發(fā)生變化 且安培力的方向與線圈垂直 當(dāng)電流通過線圈時 導(dǎo)線受到安培力的作用 使線圈轉(zhuǎn)動 同時螺旋彈簧被扭轉(zhuǎn) 反抗線圈的轉(zhuǎn)動 電流越大 安培力就越大 螺旋彈簧的形變也就越大 I與指針偏角 成正比 表盤刻度均勻 指針轉(zhuǎn)過的角度反映電流的大小 圖3 4 6 3 最終線圈停止轉(zhuǎn)動時M M 即 1 當(dāng)線圈中有電流通過時 磁力矩使線圈轉(zhuǎn)動 M nISB n為線圈匝數(shù) S為線圈面積 2 線圈轉(zhuǎn)動時 螺旋彈簧被扭轉(zhuǎn) 扭轉(zhuǎn)力矩阻礙線圈轉(zhuǎn)動 螺旋彈簧的扭轉(zhuǎn)形變產(chǎn)生的彈力力矩與扭轉(zhuǎn)角度成正比 即M k nBSk I 所以 I 4 所以從線圈偏轉(zhuǎn)的角度就能判斷通過電流的大小 4 優(yōu) 缺點 優(yōu)點是靈敏度高 能測出很弱的電流 缺點是線圈的導(dǎo)線很細 允許通過的電流很弱 例2 雙選 下列有關(guān)磁電式電流表的說法中正確的是 A 電流表的工作原理是安培力對通電導(dǎo)線的加速作用B 電流表的工作原理是安培力對通電線框的轉(zhuǎn)動作用C 電流表的指針的偏轉(zhuǎn)角度與所通電流成正比D 電流表的指針的偏轉(zhuǎn)角度與所通電流成反比解析 磁場是均勻輻向分布的 安培力對線框起轉(zhuǎn)動作用 故A錯誤 B正確 當(dāng)線框所受安培力的轉(zhuǎn)動力矩與彈簧產(chǎn)生的阻力力矩相等時 指針有確定讀數(shù) 轉(zhuǎn)動角度與電流成正比關(guān)系 C正確 D錯誤 答案 BC 觸類旁通 2 雙選 關(guān)于磁電式電流表內(nèi)的磁鐵和鐵芯間的矩形線圈 與該磁場的關(guān)系 下列說法中正確的有 A 通電線圈旋轉(zhuǎn)的角度不同 它所在位置的磁感應(yīng)強度大小也不同B 不管通電線圈轉(zhuǎn)到什么位置 它所在位置的磁感應(yīng)強度大小都相等C 通電線圈旋轉(zhuǎn)的角度不同 它的平面與磁感線的夾角也不同D 不管通電線圈轉(zhuǎn)到什么位置 它的平面都與磁感線相平行 BD 關(guān)于安培力的綜合計算 1 有安培力參與的物體平衡 也是利用物體的平衡條件解 題 其中安培力是眾多力中的一個 2 與閉合電路歐姆定律相結(jié)合的題目 主要應(yīng)用 1 閉合電路歐姆定律 2 安培力求解公式F BIL 3 物體平衡條件 3 在安培力作用下物體平衡的求解步驟和共點力平衡相似 一般也是先進行受力分析 再根據(jù)共點力的平衡條件列出平衡方程 其中重要的是在受力分析過程中不要漏掉了安培力 4 安培力作為通電導(dǎo)體所受的外力參與受力分析 產(chǎn)生了通電導(dǎo)體在磁場中的平衡 加速及做功問題 這類問題與力學(xué)知識的聯(lián)系很緊密 解題時把安培力等同于重力 彈力 摩擦力等性質(zhì)力 對物體進行受力分析時 注意安培力大小和方向的確定 求解時注意運用力學(xué)中靜力學(xué) 動力學(xué)及功和能等有關(guān)知識 5 為方便對問題的分析和便于列方程 在受力分析時先將立體圖畫成截面圖 即畫成俯視圖 剖面圖等 立體圖向截面圖轉(zhuǎn)化的過程中應(yīng)注意擺正空間位置 先選好觀察的方向 再確定截面的方向 例3 如圖3 4 7所示 兩平行光滑導(dǎo)軌相距為L 20cm 金屬棒MN的質(zhì)量為m 10g 電阻R 8 勻強磁場的磁感應(yīng)強度B 0 8T 方向豎直向下 電源電動勢E 10V 內(nèi)阻r 1 當(dāng)開關(guān)S閉合時 MN恰好靜止 求變阻器R1的取值為多少 設(shè) 45 取g 10m s2 圖3 4 7 由閉合電路歐姆定律得I R r 7 解 MN受力分析如圖3 4 8所示 因MN平衡 所以有mgsin BILcos ER R1 r 由 并代入數(shù)據(jù)得R1 BLEmgtan 圖3 4 8 方向垂直紙面向外 導(dǎo)線用平行于斜面的輕繩拴住不動 整個裝置放在磁感應(yīng)強度每秒增加0 4T 方向豎直向上的磁場中 設(shè)t 0 B 0 則需要多長時間斜面對導(dǎo)線的支持力為零 取g 10m s2 圖3 4 9 長為0 4m 質(zhì)量為6 10 2 觸類旁通 3 如圖3 4 9所示 在傾角為37 的光滑斜面上有一根 kg的通電直導(dǎo)線 電流I 1A F安 B T 2T 解 支持力為0時導(dǎo)線的受力如圖8所示 由平衡條件得 mgtan37 6 10 2 100 75 N 0 8N 由F安 BIL得 F安IL 0 81 0 4 圖8 由B 0 4t得t B0 4T s 20 4 s 5s 4 如圖3 4 10所示 長為L 質(zhì)量為m的金屬桿ab 被兩根豎直的金屬絲靜止吊起 金屬桿ab處在方向垂直紙面向里的勻強磁場中 當(dāng)金屬桿中通有方向a b的電流I時 每根金屬絲的拉力大小為T 當(dāng)金屬桿通有方向b a的電流I時 每根金屬絲的拉力大小為2T 求磁場的磁感應(yīng)強度B的大小 圖3 4 10 聯(lián)立 解得B 解 導(dǎo)體ab受重力 磁場力 金屬絲的拉力作用 而且平衡 當(dāng)ab中的電流方向由a到b時 磁場力向上 有 2T BIL mg 當(dāng)ab中的電流方向由b到a時 磁場力向下 有4T BIL mg T IL 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全