秋高中物理人教选修—通电导线在磁场中受到的力.pptx

第4节通电导线在磁场中受到的力第1页/共50页1知道安培力的概念，会用左手定则判定安培力的方向2理解并掌握安培力的计算公式FBILsin.3了解磁电式电表的构造及原理第2页/共50页要点一安培力的方向1安培力通电导线在磁场中受到的力称为安培力2决定安培力方向的因素磁场方向和电流方向第3页/共50页3左手定则如图所示，伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向第4页/共50页4对安培力方向的理解(1)安培力方向的特点：FB，FI，即F垂直于B、I决定的平面(2)当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直电流与磁场所决定的平面，所以仍可用左手定则来判断安培力的方向，只是磁感线不再垂直穿过手心第5页/共50页(1)安培力总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面，但磁场方向和电流方向不一定垂直(2)若已知B、I方向，F方向唯一确定，但若已知B(或I)、F方向，I(或B)方向不唯一(3)判断电流的磁场方向用安培定则，确定通电导体在磁场中的受力方向用左手定则第6页/共50页5通电平行直线电流间的作用情况(1)两平行电流间同向电流相互吸引，异向电流相互排斥(2)两非平行直线电流有转到互相平行且电流方向相同的趋势第7页/共50页6安培力方向与电场力方向的比较力力内容内容项目项目电场力电场力安培力安培力研究对象研究对象点电荷点电荷电流元电流元受力特点受力特点正电荷受力方向，与正电荷受力方向，与电场方向相同，沿电电场方向相同，沿电场线切线方向，与负场线切线方向，与负电荷受力方向相反电荷受力方向相反安培力方向与磁安培力方向与磁场方向和电流方场方向和电流方向都垂直向都垂直判断方法判断方法结合电场方向和电荷结合电场方向和电荷的正、负判断的正、负判断用左手定则判断用左手定则判断第8页/共50页要点二安培力的大小1当通电导线与磁感线垂直时，即电流方向与磁感线垂直时，所受的安培力最大：FBIL.2当B与I成角时，安培力的大小FILBsin，是磁感应强度B的方向与导线方向的夹角3当通电导线与磁感线平行时，所受安培力为零第9页/共50页导线L所处的磁场应为匀强磁场安培力表达式FILB(或FILBsin)一般适用于匀强磁场，若通电导线所在区域的B的大小和方向不相同，应将导体分成若干段，使每段导线所处范围B的大小和方向近似相等，求出各段导线所受的磁场力，然后再求合力第10页/共50页4磁场中通电导线的等效长度(1)公式FIBL中的L对弯曲长度来说指的是“等效长度”弯曲通电导线的有效长度L等于连接曲线两端点直线的长度，相应的电流沿L的始端流向末端，如图甲所示第11页/共50页(2)任意闭合通电导线的有效长度为零，所受安培力(即各电流元所受安培力的合力)为零，如图乙所示第12页/共50页(1)公式FILBsin中是B和I方向的夹角，不能盲目应用题目中所给的夹角，要根据具体情况进行分析(2)公式FILBsin中的Lsin也可以理解为L在垂直于磁场方向上的“有效长度”第13页/共50页要点三磁电式电流表1原理：安培力与电流的关系2构造：磁铁、线圈、螺旋弹簧、指针、软铁、极靴如图所示3特点：两极间的极靴和极靴中间的铁质圆柱，使极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，使线圈平面都与磁场方向平行，从而使表盘刻度均匀第14页/共50页4工作原理：如图所示是线圈在磁场中受力的示意图当电流通过线圈时，导线受到安培力的作用，由左手定则知，线圈左右两边所受的安培力的方向相反，于是架在轴上的线圈就要转动，通过转轴收紧螺旋弹簧使其变形，反抗线圈的转动，电流越大，安培力就越大，螺旋弹簧的形变也就越大，所以，从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变所以，根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向第15页/共50页5优缺点：优点是灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是线圈的导线很细，允许通过的电流很弱如果希望它测量较大的电流值，就要扩大其量程第16页/共50页有的同学误认为线圈处的磁场是匀强磁场第17页/共50页一段通电导线垂直于磁场方向放入匀强磁场中，导线中的电流方向自上而下，如图所示在导线以其中心点为轴逆时针转动180的过程中，导线受到的安培力()题 型 1对安培力大小和方向的理解对安培力大小和方向的理解第18页/共50页A大小不变，方向不变B大小由最大减小到零再增至最大，方向时刻改变C大小由最大减小到零再增至最大，方向不变D大小由最大减小到零再增至最大，方向由垂直纸面向外变为垂直纸面向里第19页/共50页【解析】安培力公式FILBsin，导线转动前，电流方向与磁场方向垂直，90；当导线转过一个小角度后，电流方向与磁场方向不再垂直，安培力变小；当导线转过90时，电流方向与磁场方向平行，安培力为零根据左手定则判断知，安培力的方向始终垂直纸面向外；在导线再继续转动90过程中，安培力由零变到最大，安培力的方向始终垂直纸面向里选项D正确【答案】D第20页/共50页【方法总结】(1)首先确定磁场方向与电流方向所确定的平面(2)再依据左手定则，安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面，判断出安培力的方向(3)根据安培力的公式FBILsin计算安培力的大小，注意该公式只适用于匀强磁场，为电流与磁感线的夹角第21页/共50页(2014乌鲁木齐模拟)如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里长度为L的导体中通有恒定电流，电流大小为I.当导体垂直于磁场方向放置时，导体受到的安培力大小为BIL.若将导体在纸面内顺时针转过30角，导体受到的安培力大小为()变式训练 1-1第22页/共50页解析：根据安培力公式可知，当通电导体垂直于磁场放置时，导体受到的安培力大小为BIL，图中磁感应强度垂直于纸面向里，故导体在纸面内顺时针转过30角时，受到的安培力仍然为BIL，B选项正确答案：B第23页/共50页如图所示，把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面，当线圈内通入如图方向的电流后，则线圈()A向左运动B向右运动C静止不动D无法确定 题 型 2 通电导体运动方向的判断通电导体运动方向的判断第24页/共50页【解析】此题可以采用电流元法，也可采用等效法解法一：等效法把通电线圈等效成小磁针由安培定则，线圈等效成小磁针后，左端是S极，右端是N极，异名磁极相吸引，线圈向左运动解法二：电流元法如图所示，取其中的上、下两小段分析，根据其中心对称性线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向左运动【答案】A第25页/共50页【方法总结】安培力作用下导体运动方向的判断方法：1判断导体在磁场中运动情况的常规思路(1)不管是电流还是磁体，对通电导线的作用都是通过磁场来实现的，因此必须要清楚导线所在位置的磁场分布情况(2)结合左手定则准确判断导线所受安培力的方向(3)由导体的受力情况判定导体的运动方向第26页/共50页2分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法电流电流元法元法把整段导线分为多段电流元，先用左手定则判把整段导线分为多段电流元，先用左手定则判断每段电流元所受安培力的方向，然后判断整断每段电流元所受安培力的方向，然后判断整段导线所受安培力的方向，从而确定导线运动段导线所受安培力的方向，从而确定导线运动方向方向等效等效法法环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流效成条形磁铁或多个环形电流(反过来等效也成反过来等效也成立立)，然后根据磁体间或电流间的作用规律判断，然后根据磁体间或电流间的作用规律判断特殊特殊位位置法置法通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置，通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置，判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向向第27页/共50页结论结论法法两平行直线电流在相互作用过程中，无转动趋两平行直线电流在相互作用过程中，无转动趋势，同向电流互相吸引，反向电流互相排斥；势，同向电流互相吸引，反向电流互相排斥；不平行的两直线电流相互作用时，有转到平行不平行的两直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势且电流方向相同的趋势转换转换研究研究对象对象法法定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的反作用力，从而确定磁体所受合力及其运动的反作用力，从而确定磁体所受合力及其运动方向方向第28页/共50页如图所示，把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方，导线可以自由转动，当导线通入图示方向电流I时，导线的运动情况是(从上往下看)()A顺时针方向转动，同时下降B顺时针方向转动，同时上升C逆时针方向转动，同时下降D逆时针方向转动，同时上升变式训练 2-1第29页/共50页解析：根据如图所示的导线所处的特殊位置判断其转动情况将导线AB从N、S极的中间O分成两段，AO、BO段所处的磁场方向如图所示，由左手定则可得AO段受安培力方向垂直于纸面向外，BO段受安培力的方向垂直纸面向里，可见从上向下看，导线AB将绕O点逆时针转动第30页/共50页再根据导线转过90时的特殊位置判断其上下运动情况如图所示，导线AB此时受安培力方向竖直向下，导线将向下运动由上述两个特殊位置的判断可知，导线所受安培力使AB逆时针转动的同时还要向下运动答案：C第31页/共50页(2014肇庆二模)质量为m的通电细杆置于倾角为的导轨上，导轨的宽度为d，杆与导轨间的动摩擦因数为，有电流通过杆，杆恰好静止于导轨上如图所示的A、B、C、D四个图中，杆与导轨间的摩擦力一定不为零的是()题 型 3 安培力作用下物体的平衡和加速问题安培力作用下物体的平衡和加速问题第32页/共50页第33页/共50页【解析】A图中，导体受到水平向右的安培力，重力和支持力作用，如果重力和安培力的合力与支持力等大反向，则导体杆不受摩擦力，A选项不符合题意；B图中，导体受到竖直向上的安培力，如果重力和安培力二力平衡，则导体杆不受摩擦力，B选项不符合题意；C图中，导体受到竖直向下的安培力，杆静止在导轨上，必须受到摩擦力作用，C选项符合题意；D图中，导体受到水平向左的安培力，如果重力和安培力的合力沿斜面向下，则导体杆不受摩擦力，D选项不符合题意【答案】C第34页/共50页【方法总结】解决涉及安培力的综合类问题的分析方法是：(1)首先把立体图画成易于分析的平面图，如侧视图、剖视图或俯视图等(2)确定导线所在处磁场方向，根据左手定则确定安培力的方向(3)结合通电导体、受力分析、运动情况等，根据题目要求，列出方程，解决问题第35页/共50页质量为m0.02 kg的通电细杆AB置于倾角为37的平行放置的导轨上，导轨的宽度d0.2 m，杆AB与导轨间的动摩擦因数0.4，磁感应强度B2 T的匀强磁场与导轨平面垂直且方向向下，如图所示现调节滑动变阻器的触头，试求出为使杆AB静止不动，通过AB杆的电流范围为多少？变式训练 3-1第36页/共50页解析：杆AB中的电流为A到B，所受的安培力方向平行于导轨向上当电流较大时，导体有向上的运动趋势，所受静摩擦力向下；当静摩擦力达到最大时，安培力为最大值F1，此时通过AB的电流最大为Imax；同理，当电流最小时，应该是导体受向上的静摩擦力，此时的安培力为最小值F2，电流为Imin.正确地画出两种情况下的受力图，由平衡条件列方程求解第37页/共50页根据第一幅受力图列式如下：F1mgsinFf10FNmgcos0Ff1FNF1BImaxd解上述方程得Imax0.46 A根据第二幅受力图，得F2Ff2mgsin0，FNmgcos0，Ff 2FN，F2BImind解上述方程得Imin0.14 A答案：0.14 AI0.46 A第38页/共50页第39页/共50页1电流为I的通电导线放置于磁感应强度为B的匀强磁场中，导线所受安培力为F，下列说法哪些是正确的()A匀强磁场中通电导线所受安培力F，磁感应强度B及电流I，三者在方向上一定互相垂直B若I、B方向确定，则F方向唯一确定C若F与B方向确定，则I方向唯一确定D若F与B方向确定，则I方向不唯一确定，但I一定在与F垂直的平面内第40页/共50页E若F与I方向确定，则B方向唯一确定F若F与I方向确定，则B方向不唯一确定，但B一定在与F垂直的平面内解析：安培力F的方向既与磁场方向垂直，又与通电导线垂直，即F跟B、I所在的面垂直但B与I的方向不一定垂直A中说三者在方向上一定互相垂直是不对的已知I、B的方向，可唯一确定F的方向，B是正确的若F与B或I方向确定，则I或B方向不唯一，故C、E错误，D、F正确答案：BDF第41页/共50页2如图所示四种情况中，匀强磁场磁感应强度相同，载流导体长度相同，通过的电流也相同，那么，导体受到的磁场力最大，且方向沿着纸面的是()A甲、乙B甲、丙C乙、丁D乙、丙第42页/共50页解析：甲图所示情况，B与I不垂直，且安培力垂直纸面向里，乙图所示情况中，B与I垂直，安培力在纸面内竖直向下，丙图所示情况中，B与I平行，安培力为0，丁图所示情况中B与I垂直，安培力在纸面内垂直I斜向左上，综合以上分析可知，符合要求的为乙、丁两种情况，故C正确答案：C第43页/共50页3(2014金山区一模)如图，通电导线MN与矩形线圈abcd共面，位置靠近cd且相互绝缘当线圈中通有abcda方向电流时，线圈所受安培力的合力方向()A向左B向右C垂直纸面向外D垂直纸面向里解析：同向电流相互吸引，反向电流相互排斥，MN对ab边产生排斥力，MN对cd边产生吸引力，故线圈所受安培力的合力方向向左，A选项正确答案：A第44页/共50页4(2015龙岩市武平一中模拟)如图所示，方框中有一能产生磁场的装置，在方框右边放一通电直导线(电流方向如图中箭头方向)，发现通电导线受到向右的作用力，则方框中放置的装置可能是下图中的哪个()第45页/共50页第46页/共50页解析：根据左手定则可知，通电导线受到向右的作用力时，磁场方向垂直纸面向外，A图中通电螺线管产生的磁场方向向右，A选项错误；B图中产生的磁场方向为顺时针，B选项错误；C图中产生的磁场方向向里，C选项错误；D图中产生的磁场方向垂直纸面向外，D选项正确答案：D第47页/共50页第48页/共50页第49页/共50页感谢您的观看！第50页/共50页