粤教版 (2019)选择性必修 第二册第二节 安培力的应用示范课课件ppt

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必备知识 自主学习
[知识梳理]一、电流天平等臂电流天平的原理图如图所示。在天平的右端挂一矩形线圈，设线圈匝数为n，底边cd长L，放在待测匀强磁场中，使线圈平面与磁场垂直，磁场方向垂直于纸面向里。当线圈中通入图示方向的电流I时，在天平左、右两边加
上质量分别为m1、m2的砝码使天平平衡，设磁场磁感应强度为B，根据左手定则、安培力表达式和平衡条件，有m1g＝ ，保持线圈中电流的大小不变，使电流方向反向。通过在天平左盘加上质量为m的砝码使天平再次平衡，则有(m1＋m)g＝ 。综合以上两式，可得该匀强磁场的磁感应强度测量值B＝ 。电流天平常用于实验室中测量两平行通电导体之间的相互作用力和 。
二、磁电式电表1．装置：磁电式电流表是在强蹄形磁铁的两极间有一个固定的 ，铁芯外面套有一个可以转动的 ，在铝框上绕有铜线圈。铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针。线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈。
2.原理：如图所示，当电流通过线圈时，线圈上跟铁芯轴线平行的两边受到 产生力矩，使线圈发生转动。同时由于螺旋弹簧被扭转，产生一个阻碍线圈转动的力矩，最终达到平衡。线圈转动的角度由指针显示出来，根据电流与 的关系，可以得出电流的 。
三、直流电动机1．分类：电动机有 电动机和交流电动机，交流电动机又分为 交流电动机和三相交流电动机。2．原理：如图所示，当电流通过线圈时，右边线框受到的安培力方向 ，左边线框受到的安培力方向 ，在安培力作用下线框转动起来。
[自主评价]1．判断正误(1)电动机是利用安培力使线圈转动的。( )(2)电动机工作时，将其他形式的能转化为电能。( )(3)电动机的转速可通过改变输入电压调节。( )(4)磁电式电表只能测定电流的大小，不能确定被测电流的方向。( )(5)磁电式电表的线圈受到的安培力始终与线圈平面垂直。( )
2．情景思考用磁电式电流表测量电流时，通电线圈的左右两边受到的安培力的大小是否随着线圈的转动而变化？提示：通电线圈在安培力作用下转动时，安培力总与磁感应强度的方向垂直，线圈所在处磁感应强度的大小不变，故线圈左右两边受到的安培力的大小不变。
要点1　安培力的实际应用 1．电流天平(1)原理：等效替代法结合安培力平衡。(2)根据左手定则、安培力表达式和平衡条件，有m1g＝m2g－nBIL，(m1＋m)g＝m2g＋nBIL综合以上两式，可得该匀强磁场的磁感应强度。
2．磁电式电流表的原理分析(1)偏转原理
3．直流电动机的结构及原理分析(如图所示)
a　　　　　 　　b
(1)当线圈由图d位置经图a位置运动到图b位置时，图中左边受力方向向上，右边受力方向向下，使线圈顺时针转动；当线圈在图b位置时，由于惯性继续转动；(2)当线圈由图b位置经图c位置运动到图d位置时，由于电流换向，图中左边受力方向向上，右边受力方向向下，使线圈继续顺时针转动；当线圈在图d位置时，由于惯性继续转动；然后，线圈重复以上过程转动下去。
[解析]　直流电动机是因为受安培力而转动，故A正确；其正常工作时将电能转换成机械能，故B错误；为了保证直流电动机中的线圈在一周之内的转动过程中，线圈中的电流正好换向，必须有一个改变电流方向的装置——换向器，它必须由两部分组成且彼此绝缘，能随线圈一起转动，故C正确；直流电动机的转动方向由电流方向和磁场方向共同决定，因此如果两方向同时改变其转动方向不变，故D错误。[答案]　AC
针对训练1．图甲是磁电式电流表的结构示意图，蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布，如图乙所示，边长为L的正方形线圈中通以电流I，线圈中的某一条a导线电流方向垂直纸面向外，b导线电流方向垂直纸面向里，a、b两条导线所在处的磁感应强度大小均为B，则(　　)A．该磁场是匀强磁场B．b导线受到的安培力方向向上C．a导线受到的安培力方向向下D．b导线受到的安培力大小为BIL
解析：匀强磁场应该是一系列平行的磁感线，方向相同，该磁场明显不是匀强磁场，故A错误；b导线电流方向垂直纸面向里，磁场方向向右，根据左手定则，安培力方向向下，故B错误；a导线电流方向垂直纸面向外，磁场方向向右，根据左手定则，安培力方向向上，故C错误；导线b始终与磁感线垂直，故受到的安培力大小一直为ILB，故D正确。答案：D
2．如图所示的天平可用来测量磁场的磁感应强度。天平的右臂下面挂一个矩形线圈，宽为L，共n匝，线圈的下部悬在匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面。当线圈中通有电流I(方向如图所示)时，在天平两边加上质量分别为m1、m2的砝码，天平平衡；当电流反向(大小不变)时，右边再加上质量为m的砝码后，天平又重新平衡。重力加速度为g。由此可知(　　)
要点2　安培力作用下导体的运动问题 1．判断导体在磁场中运动情况的常规思路不管是电流还是磁铁，对通电导体的作用都是通过磁场来实现的，因此，此类问题可按下面步骤进行分析：(1)确定导体所在位置的磁场分布情况。(2)结合左手定则判断导体所受安培力的方向。(3)由导体的受力情况判定导体的运动方向。
2．判断安培力作用下导体运动方向的五种常用方法
[解析]　如图所示，将导线AB分成左、中、右三部分，中间一小段开始时电流方向与磁场方向一致，不受力；左端一段所在处的磁场方向斜向右上，根据左手定则其受力方向向外；右端一段所在处的磁场方向斜向右下，受力方向向里。当转过一定角度时，中间一小段电流不再与磁场方向平行，由左手定则可知其受力方向向下，所以从上往下看导线将一边逆时针方向转动，一边向下运动，故C正确。[答案]　C
 不管是通电导体还是磁铁，对另一通电导体的作用都是通过磁场来实现的，因此必须先画出导体所在位置的磁感线方向，然后用左手定则判断导体所受安培力的方向，进而再判断将要发生的运动。
针对训练3.如图所示，把轻质导线圈用细线挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈中心，且在线圈平面内。当线圈通以图示方向的电流时线圈将(　　)A．发生转动，同时靠近磁铁B．发生转动，同时远离磁铁C．不发生转动，只靠近磁铁D．不发生转动，只远离磁铁
解析：由右手螺旋定则可知，线圈向外一面为S极，因为异名磁极相互吸引，因此从上往下看，线圈沿顺时针方向转动，同时靠近磁铁，故A正确，B、C、D错误。答案：A
4.一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合。当两线圈通以如图所示的电流时，从左向右看，则线圈L1将(　　)A．不动　　　　　　B．顺时针转动C．逆时针转动 D．向纸面内平动
解析：解法一：利用结论法线圈L1、L2之间不平行，则必有相对转动，直到两环形电流同向平行为止，据此可得线圈L1的转动方向应是：从左向右看线圈L1顺时针转动。解法二：等效分析法把线圈L1等效为小磁针，该小磁针刚好处于环形电流I2的中心，通电后，小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向，由安培定则知I2产生的磁场方向在其中心竖直向上，而L1等效成小磁针后，转动前N极应指向纸里，因此应由向纸里转为向上，所以从左向右看，线圈L1顺时针转动。
解法三：直线电流元法把线圈L1沿转动轴分成上下两部分，每一部分又可以看成无数直线电流元，电流元处在I2产生的磁场中，据安培定则可知各电流元所在处磁场方向向上，据左手定则可得，上部电流元所受安培力均指向纸外，下部电流元所受安培力均指向纸里，因此从左向右看线圈L1顺时针转动。故正确答案为B。答案：B
要点3　安培力作用下导体的平衡问题 1．解题步骤(1)明确研究对象。(2)先把立体图改画成平面图，并将题中的角度、电流的方向、磁场的方向标注在图上。(3)正确受力分析(包括安培力)，然后根据平衡条件F合＝0列方程求解。
2．分析求解安培力时需要注意的问题(1)首先画出通电导体所在处的磁感线的方向，再根据左手定则判断安培力的方向。(2)安培力大小与导体放置的角度有关，但一般情况下只要求导体与磁场垂直的情况，其中L为导体垂直于磁场方向的长度，为有效长度。
解决安培力作用下的受力平衡问题，受力分析是关键，解题时应先画出受力分析图，必要时要把立体图转换成平面图。例如：
针对训练5．如图所示，水平面上有电阻不计的U形导轨NMPQ，它们之间的宽度为L，M和P之间接入电动势为E的电源(不计内阻)。现垂直于导轨放置一根质量为m、电阻为R的金属棒ab，并加一个范围较大的匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向与水平面夹角为θ且指向右上方，重力加速度为g，问：
(1)当ab棒静止时，受到的支持力和摩擦力各为多少？(2)若B的大小和方向均能改变，则要使ab棒所受支持力为零，B的大小至少为多少？此时B的方向如何？
6．如图所示，水平放置的两导轨P、Q间的距离L＝0.5 m，垂直于导轨平面竖直向上的匀强磁场的磁感应强度B＝2 T，垂直于导轨放置的ab棒的质量m＝1 kg，系在ab棒中点的水平绳跨过定滑轮与重量G＝3 N的物块相连。已知ab棒与导轨间的动摩擦因数μ＝0.2，电源的电动势E＝10 V、内阻r＝0.1 Ω，导轨的电阻及ab棒的电阻均不计。要想ab棒处于静止状态，R应在哪个范围内取值？(g取10 m/s2)
答案：1.9 Ω≤R≤9.9 Ω
科学思维——安培力中的功能关系1．安培力与重力、弹力、摩擦力一样，会使通电导体在磁场中运动，也会涉及做功问题。不同性质的力做功机理不同，但做功的本质都是由一种形式的能转化为另一种形式的能。2．安培力做正功时，将电路中的电能转换成其他形式的能。
1．如图所示是直流电动机的模型，闭合开关后线圈顺时针转动。现要线圈逆时针转动，下列方法中可行的是(　　)A．只改变电流方向B．只改变电流大小C．换用磁性更强的磁铁D．对换磁极同时改变电流方向
解析：直流电动机的转动方向与线圈中的电流方向和磁场方向有关，若使通入直流电动机的电流方向改变或磁场的方向改变，它的转动方向将改变，但是如果同时改变电流的方向和磁场的方向，线圈的转动方向将不变，故A正确。答案：A
2．(多选)一只电流表，发现读数偏小，为纠正这一偏差，可行的措施是(　　)A．减少表头线圈的匝数　B．减小永久磁铁的磁性C．增加分流电阻的阻值 D．增加表头线圈的匝数
解析：电流大小一定的情况下，线圈匝数越多，磁感应强度越大，安培力越大，偏转角度越大，所以A、B错误，D正确。电流表表头和分流电阻并联，在总电流一定的情况下，欲使读数增大，必须增大通过表头的电流，根据并联电路的电阻之比等于电流的反比可知，表头电阻不变，增加分流电阻的阻值，可使线圈中电流增大，C正确。答案：CD
3.如图所示，一重为G1的通电圆环置于水平桌面上，圆环中电流方向为顺时针方向(从上往下看)，在圆环的正上方用轻绳悬挂一条形磁铁，磁铁的中心轴线通过圆环中心，磁铁的上端为N极，下端为S极，磁铁自身的重力为G2。则关于圆环对桌面的压力F和磁铁对轻绳的拉力F′的大小，下列关系中正确的是(　　)A．F＞G1，F′＞G2 B．F＜G1，F′＞G2C．F＜G1，F′＜G2 D．F＞G1，F′＜G2
解析：顺时针方向的环形电流可以等效为一个竖直放置的“小磁针”，由安培定则可知，“小磁针”的N极向下，S极向上，故与磁铁之间的相互作用力为斥力，所以圆环对桌面的压力F将大于圆环的重力G1，磁铁对轻绳的拉力F′将小于磁铁的重力G2，选项D正确。答案：D
4．一种可测量磁感应强度大小的实验装置，如图所示。磁铁放在水平放置的电子测力计上，两极之间的磁场可视为水平匀强磁场。其余区域磁场的影响可忽略不计。此时电子测力计的示数为G1。将一直铜条AB水平且垂直于磁场方向静置于磁场中。两端通过导线与电源、开关、滑动变阻器和电流表连成回路。闭合开关，调节滑动变阻器的滑片。当电流表示数为I时，电子测力计的示数为G2，测得铜条在匀强磁场中的长度为L。铜条始终未与磁铁接触，对上述实验下列说法正确的是(　　)
5．(新情景题)如图甲所示，一对光滑平行金属导轨与水平面成α角，两导轨的间距为L，两导轨顶端接有电源，将一根质量为m的直导体棒ab垂直放在两导轨上。已知通过导体棒的电流大小恒为I，方向由a到b，图乙为沿a→b方向观察的侧视图。若重力加速度为g，在两导轨间加一竖直向上的匀强磁场，使导体棒在导轨上保持静止。
(1)请在图乙中画出导体棒受力的示意图；(2)求出导体棒所受的安培力大小；(3)保持通过导体棒的电流不变，改变两导轨间的磁场方向，导体棒在导轨上仍保持静止，试求磁感应强度B的最小值及此时的方向。
解析：(1)如图所示。(2)由平衡条件，磁场对导体棒的安培力F＝mgtan α。