人教版 (2019)选择性必修 第二册1 磁场对通电导线的作用力学案

2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册

1.1磁场对通电导线的作用力 学案

学习目标

1、观察安培力的方向与哪些因素有关的实验，记录实验现象并得出相关结论。知道安培力的方向与电流、磁感应强度的方向都垂直，会用左手定则判断安培力的方向。

2、会计算安培力的大小。

3、知道磁电式电流表的基本构造以及使用它测量电流的大小和方向的基本原理。

重点难点

1、会计算安培力的大小和方向。（重点）

2、会用左手定则判断安培力的方向。（难点）

3、了解磁电式电流表的工作原理。（难点）

自主探究

一、安培力的方向

1、安培力：通电导线在磁场中受的力。

2、左手定则：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个平面内；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。

3、安培力方向与磁场方向、电流方向的关系：F⊥B，F⊥I，即F垂直于B与I所决定的平面。

二、安培力的大小

1、垂直于磁场B放置、长为L的通电导线，当通过的电流为I时，所受安培力为。

2、当磁感应强度B的方向与导线方向成角时，公式。

三、磁电式电流表

1、原理：安培力与电流的关系。通电线圈在磁场中受到安培力而偏转，线圈偏转的角度越大，被测电流就越大，根据线圈偏转的方向，可以知道被测电流的方向。

2、构造：磁铁、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴。

3、特点：极靴与圆柱间的磁场沿半径方向，线圈转动时，安培力的大小不受磁场影响，电流所受安培力的方向总与线圈平面垂直。线圈平面与磁场方向平行，如图所示。

4、优点：灵敏度高，可以测出很弱的电流。

缺点：线圈导线很细，允许通过的电流很弱。

探究思考

一、安培力的方向

1、安培力F、磁感应强度B、电流I的方向关系

（1）已知I、B的方向，可用左手定则确定F的方向；

（2）已知F、B的方向，导线位置确定时，可确定I的方向；

（3）已知F、I的方向，不能唯一确定B的方向。

2、左手定则与安培定则的比较

3、两平行通电直导线间的相互作用规律：同向电流相互吸引，反向电流相互排斥。

【典例一】1、如图所示,直导线平行于通电螺线管的轴线放置在螺线管的上方,如果直导线可以自由地运动,且通以从a到b的电流,则导线ab受磁场力后的运动情况是(   )

A.从上向下看,顺时针转动并靠近螺线管
B.从上向下看,顺时针转动并远离螺线管
C.从上向下看,逆时针转动并远离螺线管
D.从上向下看,逆时针转动并靠近螺线管

解题思路：通电螺线管产生的磁场方向在其内部为从右向左,外部为从左向右.通电直导线左侧所处的磁场方向斜向上,右侧所处的磁场方向斜向下,由左手定则可知,直导线左侧受力方向为垂直纸面向外,直导线右侧受力方向为垂直纸面向里,故从上向下看为逆时针转动;当转过90°时,由左手定则可得直导线受力向下,故D选项正确。

答案：D

二、安培力作用下导体运动方向的判定

1、电流元分析法：把整段导体的电流等效为多段直线电流元，先用左手定则判断出每一小段电流元所受安培力的方向，进而判断出整段导体所受合力的方向，最后确定运动方向。

2、等效分析法：环形电流可以等效为小磁针，通电螺线管可以等效为条形磁铁。

3、利用结论分析法：

（1）两直线电流相互平行时无转动趋势，电流方向相同时相互吸引，方向相反时相互排斥。

（2）两电流不平行时有转动到相互平行且方向相同的趋势。

【典例二】2、在图中，已标出磁场B的方向，通电直导线中电流I的方向，以及通电直导线所受磁场力F的方向，其中正确的是（   ）

A．    B．    C．    D．

解题思路： A.由左手定则可以知道，通电导线所受安培力竖直向下，故A错误

B.由左手定则可以知道，通电导线所受安培力垂直导体棒向右下方，故B正确

C.由图可以知道，磁感应强度B与电流I平行，导线不受安培力，故C错误

D.由左手定则可以知道，通电导线所受安培力垂直于B与I所在的平面斜向下，故D错误。

答案： B

三、对安培力公式的理解

1、公式适用条件：导线L所处的磁场应为匀强磁场；在非匀强磁场中，公式仅适用于很短的通电导线（我们把这样的直线电流称为直线电流元）。

2、对导线长度的理解

（1）对于弯曲的导线来说，公式中的为导线垂直磁场方向的等效长度。如图甲所示，半径为r的半圆形导线在匀强磁场B垂直放置，当导线中通以电流I时，导线的等效长度为2r，故安培力。弯曲导线的等效长度为连接两端点的直线的长度(如图乙)，相应的电流沿由始端流向末端。

图甲

图乙

（2）如图所示，对任意形状的闭合平面线圈，当线圈平面与磁场方向垂直时，线圈的等效长度，故通电后在匀强磁场中所受安培力的矢量和一定为零。

3、安培力的叠加

当导体同时受到n个安培力时，则导体所受的安培力为这n个安培力的矢量和。

【典例三】3、如图所示，由粗细均匀的金属导线围成的一个边长为L的正方形闭合线框，其四个顶点均位于一个圆形区域的边界上，为圆形区域的一条直径，上方和下方分别存在磁感应强度大小均为B、方向相反的匀强磁场.现给线框接入从a点流入、d点流出的大小为I的恒定电流，则线框受到的安培力的大小为(   )

A.0              B.      C.       D.

解题思路：电流I经过a点后分成两条支路，其大小分别为，线框四条边受安培力大小和方向分别为，向右，，向下，，向右，，向上，则线框受到的安培力为这四个力的合力，大小为，A、B、C错误，D正确。

答案：D

随堂训练

1、关于磁感应强度B、电流I、导线长度和导线所受磁场力F的关系，下列说法正确的是(   )

A.在的地方，F一定等于零

B.在的地方，B一定等于零

C.若，则F一定等于1 N

D.若，则B一定等于1 T

答案：A

2、有一小段通电导线，长为1 cm，电流为5 A，把它置于磁场中某点，受到的磁场力为0.1 N，则该点的磁感应强度B满足(   )

A. B. C. D.以上情况都有可能

答案： C

3、如图所示,轻质弹簧下面挂有边长为L、质量为m的正方形金属框,各边电阻相同,金属框放置在磁感应强度大小为B、方向垂直金属框平面向里的匀强磁场中.若两端与电源相连,通以如图所示方向的电流时,弹簧恰好处于原长状态,则通入正方形金属框边的电流大小为(   )

A. B. C. D.

答案：B

4、实验室经常使用的电流表是磁电式仪表,这种电流表的构造如图甲所示。蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的,当线圈通以如图乙所示的电流时,下列说法正确的是(   )

A.无论线圈转到什么角度,它的平面始终和磁感线平行
B.线圈转动时,螺旋形弹簧被扭动,阻碍线圈转动
C.当线圈转到图乙所示的位置时,b端受到的安培力方向向上
D.当线圈转到图乙所示的位置时,安培力使线圈沿顺时针方向转动

答案：ABD