高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第1节 安培力及其应用课文配套ppt课件

这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第1节 安培力及其应用课文配套ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了必备知识·素养奠基，控制变量，磁场方向，电流方向，IlB，匀强磁场，安培力，偏转角度，线圈偏转，关键能力·素养形成等内容，欢迎下载使用。

一、安培力1.安培力：磁场对_____的作用力。2.科学探究：安培力与哪些因素有关。(1)实验探究采用的方法：_________法。(2)当通电导线与磁感线垂直时，实验结论：①当其他因素不变，磁感应强度增大时，安培力_____；②当其他因素不变，电流增大时，安培力_____；③当其他因素不变，导体长度增大时，安培力_____；④安培力的方向由_________和_________共同决定。
3.安培力的大小：(1)F=___。(2)适用条件。①通电导线与磁场方向_____。②_________或非匀强磁场中很短的导体。
4.方向——左手定则(如图所示)：判断安培力的方向，伸开左手，让拇指与其余四指垂直，并与手掌在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向_____方向，那么，拇指所指方向即为通电直导线在磁场中的_____方向。
二、安培力的应用1.电动机：_______使电动机转动起来。(1)构造。①定子：由两个_____组成。②转子：_____。(2)原理：通电的线圈——转子，在定子产生的磁场中受_______而运动。(3)应用：生活、生产、建设、交通、科研、娱乐等一切通过用电获得_____的设备、机器，如电风扇、洗衣机、吹风机、电动车、磁盘的驱动、制冷设备的压缩机都离不开由_______使其转动的电动机。
2.电流计：(1)电流计的构造：_____、_____、游丝、指针、铁芯、铝框。(2)电流计的原理。①当被测电流流入线圈时，线圈受_______作用而转动，线圈的转动使游丝扭转变形，产生阻碍线圈转动的效果。②当安培力产生的转动与游丝形变产生的阻碍达到_____时指针便停留在某一刻度。③根据线圈_________的大小，可以确定被测电流的大小；根据_________的方向，可以知道被测电流的方向。
一　安培力的方向1.磁场中的通电导体所受安培力的方向遵守左手定则，而不是安培定则，安培定则是判断通电导体周围磁场方向的。2.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，但B与I不一定垂直。3.已知I、B的方向，可唯一确定F的方向；已知F、B的方向，且导线的位置确定时，可唯一确定I的方向；已知F、I的方向时，磁感应强度B的方向不能唯一确定。
【思考·讨论】　如果磁场和电流的方向如图所示，试判断导体棒所受安培力的方向？(物理观念)
提示：如图所示可将磁感应强度B分解为B1、B2两个分量：平行于导线的分量B2不对通电导线产生作用力，通电导线所受作用力仅由B1决定，根据左手定则可判断，导体棒所受安培力的方向垂直B、I所在平面向外。
【典例示范】如图所示是赤道上的建筑物，高耸的尖顶实质是避雷针，当带有负电的乌云经过避雷针上方时，避雷针开始放电形成瞬间电流，乌云所带负电荷通过避雷针流入大地。则地磁场对避雷针的作用力的方向为(　　)A.正东　　　B.正西C.正南D.正北
【解题探究】(1)赤道上空磁场的方向指向北方还是南方？提示：磁体外部，磁场方向由N极指向S极，即磁场方向向北。(2)流过避雷针的电流方向向上还是向下？提示：电流方向与负电荷定向移动方向相反，所以流过避雷针的电流方向向上。
【解析】选B。当带有负电的乌云经过避雷针上方时，避雷针开始放电形成瞬间电流，负电荷从上而下通过避雷针，所以电流的方向为从下而上，磁场的方向从南向北，根据左手定则，安培力的方向向西，故B正确，A、C、D错误。
【素养训练】1.如图所示，取一柔软的铝箔条，把它折成天桥状并用胶纸粘牢两端，使蹄形磁铁横跨过“天桥”，当电池与铝箔接通时(　　)A.铝箔条中部向磁铁S极运动B.铝箔条中部向下方运动C.铝箔条中部向上方运动D.铝箔条中部向磁铁N极运动
【解析】选C。由题意可知，通过天桥的电流方向由外向内，而磁场方向由N到S极，根据左手定则可知，铝箔条中部受到的安培力向上，故A、B、D错误，C正确。
2.(多选)下列各图中，表示电流I的方向、磁场B的方向和磁场对电流作用力F的方向的关系正确的是(　　) 【解析】选B、C、D。由左手定则可知，A图中磁场对电流作用力F的方向应竖直向上，所以A错误，而B、C、D都符合左手定则。
【补偿训练】1.如图所示，用两根相同的细绳水平悬挂一段均匀载流直导线MN，电流I方向从M到N，绳子的拉力均为F。为使F=0，可能达到要求的方法是(　　)A.加水平向右的磁场B.加水平向左的磁场C.加垂直于纸面向里的磁场D.加垂直于纸面向外的磁场【解析】选C。要使绳子的拉力变为零，加上磁场后，应使导线所受安培力等于导线的重力且方向相反，由左手定则可判断，所加磁场方向应垂直于纸面向里，导线所受安培力向上，则C正确，A、B、D错误。
2.一根容易形变的弹性导线，两端固定。导线中通有电流，方向如图中箭头所示。当没有磁场时，导线呈直线状态；当分别加上方向竖直向上、水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时，描述导线状态的四个图中正确的是 (　　)
【解析】选D。图中弹性导线的形变表示导线所受的安培力方向。电流与磁场方向平行时不受安培力，选项A错误；磁场方向水平向右时，导线所受的安培力的方向垂直于纸面向里，选项B错误；磁场方向垂直于纸面向外时，导线所受的安培力的方向向右，选项C错误，D正确。
二　安培力的大小 1.安培力的计算方法：(1)当B与I平行时，F=0。(2)当B与I垂直时，F=IlB。(3)当B与I成θ角时，F=IlBsin θ。
2.公式F=IlB和F=IlBsin θ中的l指的是“有效长度”，如图所示，弯曲导线的有效长度l等于连接两端点的线段的长度，相应的电流沿l由始端流向末端。
【思考·讨论】如图，长为2l的直导线折成边长相等，夹角为60°的V形，并置于图示的匀强磁场中，磁感应强度为B。当在该导线中通以电流I时，该通电导线受到的安培力大小是2BIl吗？(物理观念) 提示：不是2BIl，有效长度为l，所以F=BIl。
【典例示范】　在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线，电流为I，磁感应强度为B，求各导线所受到的安培力大小。
【解析】通电导线在磁场中受到安培力为F=BIL，其中L为通电导线在磁场中的有效长度。在A图中受到的安培力为：F=BILcsα；B中的安培力为：F= BIL；C中受到的安培力为：F= BIR；D中受到的安培力为：F=0。答案：BILcsα　 BIL　 BIR　0
【母题追问】1.若【典例示范】A中直导线长为10 cm且通有4 A的电流放在匀强磁场中，调整α角度，其受到的磁场力总在0到0.4 N之间变化，则磁感应强度大小为(　　)A.3 T　　　B.1 T　　　C.0.3 T　　　D.0.1 T【解析】选B。当磁场方向与通电导线垂直时，受到的安培力最大，由F=BIL得：B= =1 T，故B正确，A、C、D错误。
2.将【典例示范】中D中的正方形线框如图所示接在电路中，设MNPQ边长为1 m，每边电阻均为1 Ω，匀强磁场的磁感应强度为1 T，线框平面与磁场方向垂直。现将MQ两端通过导线与电动势为3 V、内阻不计的直流电源连接，则闭合S后金属线框受到的安培力大小为(　　)A.0B.1 NC.3 ND.4 N
【解析】选D。MQ边的电阻R1=1 Ω，则流过MQ边的电流为：I1= =3 A，安培力为：F1=BI1L=1×3×1 N=3 N，据左手定则知安培力方向竖直向上；同理得MNPQ边的电阻R2=3 Ω，则流过MNPQ边的电流为：I2= =1 A，安培力为：F2=BI2L=1×1×1 N=1 N，据左手定则知安培力方向竖直向上；故线框所受的安培力为：F=F1+F2=4 N，方向竖直向上，故D正确，A、B、C错误。
【补偿训练】1.如图所示，在匀强磁场中放置通有相同电流的三根导线甲、乙、丙，三根导线的形状不同，但每根导线的两端点间的距离相同，且导线均与磁场方向垂直，关于三根导线所受安培力合力大小的比较，下列说法中正确的是 (　　)A.甲导线受力最大B.乙导线受力最大C.丙导线受力最大D.三条导线受力一样大
【解析】选D。三条导线虽然实际长度不同，但是它们的两端点间的距离相同，即其等效长度相同，所以导线的受力一样大，则D正确，A、B、C错误。
2.如图所示的各图中，磁场的磁感应强度大小相同，导线两端点距离均相等，导线中电流均相等，则各图中有关导线所受的安培力的大小的判断正确的是(　　) A.d图最大　　　　　　B.b图最大C.一样大D.无法判断【解析】选C。安培力公式F=BIl⊥，其中l⊥为垂直于磁场方向的有效长度，a、b、c、d四个图中导线的有效长度相等，所以所受的安培力大小相等。
三　安培力作用下导体的平衡及运动问题1.判断安培力作用下导体的运动的方法：
2.解决安培力作用下导体的平衡问题的一般思路：
【典例示范】如图所示，在倾角为α＝30°的斜面上，固定一宽L＝0.25 m①的平行金属导轨，在导轨上端接入电源和滑动变阻器R。电源电动势E＝12 V，内阻r＝1 Ω，一质量m＝20 g的金属棒ab②与两导轨垂直并接触良好。整个装置处于磁感应强度B＝0.80 T、垂直于斜面向上的匀强磁场③中(导轨与金属棒的电阻不计)。金属导轨是光滑的④，取g＝10 m/s2，要保持金属棒在导轨上静止⑤，求：(1)金属棒所受到的安培力大小。(2)滑动变阻器R接入电路中的阻值。
【解析】(1)对金属棒ab受力分析，受力如图所示： 金属棒保持静止，根据受力平衡可得：F=mgsinα=20×10-3×10×0.5 N=0.1 N
(2)根据安培力公式F=BIL可得：I= =0.5 A根据闭合电路的欧姆定律E=I(R+r)得R= -r=23 Ω答案：(1)0.1 N　(2)23 Ω
【母题追问】1.保持【典例示范】其他条件不变，并且已知R=23 Ω，若装置处于竖直向上的匀强磁场中，要使金属棒在斜面上保持静止，则磁场的磁感应强度B的大小为多大？
【解析】对金属棒ab受力分析，受力如图所示：金属棒保持静止，根据受力平衡可得：F=mgtanα=20×10-3×10× 根据闭合电路的欧姆定律E=I(R+r)得I= =0.5 A根据安培力公式F=BIL可得：B= 答案：
2.保持【典例示范】其他条件不变，并且已知R=23 Ω，若使金属棒在斜面上保持静止且对斜面的压力恰好为零，则所加的磁场的磁感应强度B为多大？方向如何？
【解析】根据闭合电路的欧姆定律E=I(R+r)得I= =0.5 A金属棒对导轨的压力为零，说明重力与安培力二力平衡，安培力方向竖直向上，根据左手定则可知，磁场方向水平向左；且mg=BIL，得B= =1.6 T答案：1.6 T　方向水平向左
【补偿训练】光滑的平行导轨(图中粗线)与电源连接后，倾斜放置，导轨上放一个质量为m的金属导体棒。通电后，导体棒电流垂直纸面向外，在棒所在区域内加一个合适的匀强磁场，可以使导体棒静止，下面四个图中分别加了不同方向的磁场，其中一定不能平衡的是(　　)
【解析】选C。由左手定则可知A图中导体棒所受安培力竖直向上，当安培力等于重力时，导体棒可以处于平衡状态，故选项A能平衡；B图中安培力水平向右，这样安培力沿斜面向上的分力可能与重力沿斜面向下的分力平衡，导体棒即可处于平衡状态，故选项B能平衡；C图中导体棒所受安培力垂直斜面斜向上，没有力和重力沿斜面向下的分力平衡，故导体棒一定不能平衡，故选项C不能平衡；D中由左手定则可知安培力沿斜面向上，当安培力大小与重力沿斜面向下的分力相等时，导体棒即可处于平衡状态，故选项D能平衡。
【拓展例题】考查内容：安培力作用下的范围问题【典例】如图所示，在倾角θ=30°的斜面上，固定一金属框架，宽L=0.25 m，接入电动势E=12 V、内阻不计的电池。在框架上放有一根质量m=0.2 kg的金属棒ab，它与框架的动摩擦因数μ= ，整个装置放在磁感应强度B=0.8 T、垂直框架向上的匀强磁场中。当调节滑动变阻器R的阻值在什么范围内时，可使金属棒静止在框架上？框架与棒的电阻不计，g取10 m/s2。
【解析】当滑动变阻器R取值较小时，I较大，安培力F较大，会使金属棒产生沿框架上滑的趋势，因此，框架对棒的摩擦力沿框架向下，如图甲所示。
金属棒刚好不上滑时满足平衡条件B( )L-μmgcsθ-mgsinθ=0，解得R1=1.6 Ω。当滑动变阻器R取值较大时，I较小，安培力F较小，在金属棒重力分力mgsinθ作用下，使棒有沿框架下滑的趋势，框架对棒的摩擦力沿框架向上，如图乙所示。
金属棒刚好不下滑时满足平衡条件B( )L+μmgcsθ-mgsinθ=0，得R2=4.8 Ω所以R的取值范围应为1.6 Ω≤R≤4.8 Ω。答案：1.6 Ω≤R≤4.8 Ω
1.如图所示，金属棒ab质量为m，通过电流为I，处在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向与导轨平面夹角为θ，ab静止于宽为L的水平导轨上。下列说法正确的是(　　)A.金属棒受到的安培力大小为F=BILsinθB.金属棒受到的摩擦力大小为f=BILcsθC.若只改变电流方向，金属棒对导轨的压力将增大D.若只增大磁感应强度B后，金属棒对导轨的压力将增大
【解析】选C。对金属棒进行受力分析，如图所示：
根据安培力公式可得金属棒ab所受安培力为：F=BIL，根据平衡条件得：f=BILsinθ，FN=mg-BILcsθ，若只增大磁感应强度B后，由上式可得金属棒对导轨的压力将减小，故A、B、D错误；改变电流方向，则金属棒所受的安培力与原来方向相反，则有FN=mg+Fcsθ，所以金属棒对导轨的压力增大，故C正确。
2.如图所示，AC是一个用长为L的导线弯成、以O为圆心的四分之一圆弧，将其放置在与平面AOC垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。当在该导线中通以由C到A，大小为I的恒定电流时，该导线受到的安培力的大小和方向是 (　　)A.2 BIL，垂直AC的连线指向左下方B. ，垂直AC的连线指向左下方C. ，平行于OC向右D.BIL，平行于OC向左
【解析】选B。直导线折成半径为R的 圆弧形状，在磁场中的有效长度为L′= R，又L= ，联立解得L′= ，则安培力为：F=BIL′= 安培力的方向与等效长度的直线垂直，根据左手定则可得，安培力的方向垂直AC的连线指向左下方。
【补偿训练】长为4L的直导线等分成四份，折成如图所示的图形，其中的V形导线夹角为60°，整个图形置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，当在该导线中通以大小为I的电流时，该通电导线受到的安培力大小为(　　) A.BIL　　　B.2BIL　　　C.3BIL　　　D.4BIL
【解析】选C。V形导线在磁场内有效长度为2Lsin 30°=L，故该V形通电导线受到安培力大小为F=BI·2Lsin 30°=BIL，该整个通电导线受到的安培力大小为3BIL，故选C。
3.如图所示，一条形磁铁放在水平桌面上，在条形磁铁的左上方固定一根与磁铁垂直的长直导线，当导线中通以图示方向的电流时(　　)A.磁铁对桌面的压力增大，且受到向左的摩擦力作用B.磁铁对桌面的压力增大，且受到向右的摩擦力作用C.磁铁对桌面的压力减小，且受到向左的摩擦力作用D.磁铁对桌面的压力减小，且受到向右的摩擦力作用
【解题指南】本题可以用转换研究对象的方法解题。(1)作出导线所处位置磁场的方向；(2)判断通电直导线所受安培力的方向；(3)根据牛顿第三定律判断条形磁铁的受力情况。
【解析】选A。根据条形磁铁磁感线分布情况得到直导线电流所在位置磁场方向，再根据左手定则判断安培力方向，如图：
根据牛顿第三定律，电流对磁铁的作用力向右下方；选取磁铁为研究的对象，磁铁始终静止，根据平衡条件，可知通电后支持力变大，静摩擦力变大，方向向左；最后再根据牛顿第三定律，磁铁对桌面的压力增大，所以A正确，B、C、D错误。
4.如图所示，质量为m、长度为L的金属棒MN两端由等长的轻质细线水平悬挂，处于竖直向上的匀强磁场中，棒中通以由M向N的电流I，平衡时两悬线与竖直方向夹角均为θ。已知重力加速度大小为g。求： (1)金属棒MN所受安培力的大小；(2)该磁场的磁感应强度大小。
【解析】(1)对金属棒进行受力分析，如图所示：
金属棒处于平衡状态，可列平衡方程：FTcsθ=mgFTsinθ=F安解得：F安=mgtanθ(2)根据F安=BIL解得：B= 答案：(1)mgtanθ　(2)
【新思维·新考向】情境：我国建造中的国产003型航母将采用电磁弹射技术，电磁弹射轨道可简化为图乙所示放在水平面上的平行金属导轨，导轨间充满匀强磁场，电流通过电磁弹射车MN时在安培力作用下推动舰载机加速运动。
(1)请判断图中弹射器工作时磁场的方向？(2)若已知导轨间宽为L=2 m，电流是I=1×103 A，匀强磁场B=1×102 T，设飞机总质量m=2×104 kg，起飞速度为v=60 m/s，g取10 m/s2，不计摩擦及空气阻力，求：飞机从静止加速到60 m/s，飞行轨道至少要多长？