辽宁省大连市高中物理-第3章-磁场-3.4-磁场对通电导线的作用力讲义-新人教版选修.ppt

,导入新课,第二节我们就接触到了安培力,第三章 磁场,3.4,磁场对通电导线的作用力,教学目标,1.,知识与能力,掌握左手定则，会判断,安培力的方向,。,会计算不同情况,安培力的大小,。,知道,电流的有效长度,。,知道,磁式电流表的主要结构,。,知道,磁式电流表的工作原理,。,2.,过程与方法,3.,情感态度与价值观,在影响安培力有关因素实验中可以根据导线受力以及电流的方向改变和磁极的改变来对安培力的方向做有效推断。,会根据电流与导线的图解准确求出电流所受的安培力大小，也会根据受力的图解求出安培力的大小。,教学重点,教学重点：,教学难点：,安培力的方向,安培力的大小,磁电式电流表结构,磁电式电流表的工作原理,内容解析,一、安培力的方向,二、安培力的大小,三、磁式电流表,一、安培力的方向,在第二节中我们已经初步了解了磁场对通电导线的作用力。但是力的方向和大小还需要做详细的了解。,1.,上下交换磁极的位置以改变磁场的方向，观察受力是否改变。,探究,与安培力的方向有关的因素,实验内容：,实验装置,2.,改变导线中的电流方向，观察受力方向是否改变。,实验现象：,改变磁极和改变导线中电流的方向都会使导线的偏转方向发生改变。,根据实验我们可以总结出通电导线导线在磁场中的受力方向。,通电导线在磁场中所受的安培力的方向，与导线、磁感应强度的方向都垂直，它的指向可以用下面的方法判断：,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。,这就是判定通电导线在磁场中受力方向的,左手定则,。,磁场与电场的比较：,磁场安培力的问题，在很多方面与电场、库仑力的问题相似。然而，安培力要比库仑力复杂的多。研究库仑力，用来检验电场的是点电荷，检验电荷受力的方向与电场的方向相同或是相反；但是在研究安培力时，与电场中的检验电荷作用相当的是一个有方向的电流元，电流元受力的方向与磁场的方向、电流的方向三者不但不在一条直线上，而且不在一个平面内。因此研究安培力的问题时会涉及到三维空间。,E,q,F,B,IL,F,电流在磁场中受力的方向与磁场面垂直，在一三维立体中,电荷在电场中受力的方向与电场的方向相同或是相反，在同一平面内,两平行直导线，当通以相同方向的电流时，它们相互吸引；当通以相反方向的电流时，它们相互排斥。这时每个电流都出在另一个电流的磁场里。,你能结合直线电流的磁场和安培力的方向解释这种现象吗？,二、安培力的大小,置于磁场中垂直于磁感线的一段长为,L,，电流强度为,I,的通电直导线，所受的安培力为,注意,此公式只适用于磁感线与电流方向垂直。,F=BIL,当电流方向与磁感应强度方向不垂直时,:,电流方向与磁感应强度方向夹角为,，将,B,分解为沿电流方向,Bcos,和垂直于电流方向,Bsin,，根据安培力定则，可以算出通电导线在磁场中所受的安培力为,F=,Bsin,IL,。有时也可以也用分解电流的方法计算，视情况而定。,当电流方向与磁感线的方向平行时，即,=0,，这时通电导线所受的安培力为零。,归纳,当电流方向与磁感线方向垂直时：,F=BIL,当电流方向与磁感线方向垂直时，,F=0,当电流方向与磁感线方向夹角为,时：,F=,Bcos,IL,特殊形状的通电导线的有效长度,L=0,L,L,1,L,2,注意,三、磁电式电流表,电流表是测定电流强弱的仪器，中学实验用的磁电式电流表依据的物理学原理是安培力与电流的关系。,在一个很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面有一个可以绕轴转动的铝框，铝框上绕有线圈，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。,1,、结构组成：,蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀的辐向分布的，不管通电线圈转动到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，即电流始终与磁感线垂直。这样可以保证线圈转动到任何位置所受安培力大小相等。,2,、工作原理：,当电流通过线圈的时候，线圈上跟铁柱轴线平行的两边都受到安培力，这两个力产生的力矩使线圈发生转动。线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，产生一个阻碍线圈转动的力矩，其大小随线圈的转动角度增大而增大。当这种阻碍线圈转动的力矩增大到同安培力产生的使线圈转动的力矩相平衡时，线圈停止转动。这时，指针停止转动。,F,F,磁场对电流的作用力跟电流成正比，因而线圈中点的电流越大，安培力产生的力矩也越大；线圈和指针偏转的角度也越大。因此根据指针偏转角度的大小，可以知道被测电流的强弱。,磁电式电表的刻度是均匀的,所指刻度与偏转角度成正比,磁电式仪表的优点是灵敏度高，可以测出很微弱的电流这就意味着，磁电式仪表允许通过的电流较小，一般为几十微安到几毫安。平时用的量程较大的磁电式仪表都是采用串联或并联电阻的方式增大量程。,归纳,磁电式电表烧表原因,电流过大，烧坏导线。,电流较大，在磁场中受力较大，偏转角度超过螺旋弹簧的弹性限度，指针超过量程。,课堂小结,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。,一、安培力的方向,磁电式电流表的结构,磁电式电流表的原理,三、磁电式电流表,当电流方向与磁感线方向垂直时：,F=BIL,；,当电流方向与磁感线方向垂直时：,F=0,；,当电流方向与磁感线方向夹角为,时：,F=,Bcos,IL,。,二、安培力的大小,课堂练习,1.,如图所示，通电直导线处在蹄形磁铁两极间，受到力,F,的作用，以下说法正确的是（）。,A.,这个力是通过磁场产生的作用,B.,这个力没有反作用力,C.,这个力的反作用力作用在通电导线上,D.,这个力的反作用力作用在蹄形磁铁上,AD,2.,如图所示，一条形磁铁放在水平桌面上，其上方左端固定一与磁铁垂直的水平直导线，当导线通以图示方向的电流时（）。,A.,磁铁对桌面的压力将减小；,B.,磁铁对桌面的压力将增大；,C.,磁铁将受到向左的摩擦力；,D.,磁铁将受到向右的摩擦力；,BC,3.,下列关于磁电式电流表说法正确的是（）。,A.,电流表的线圈处于匀强磁场中；,B.,电流表的线圈处于均匀分布的辐向磁场中；,C.,电流表线圈中电流反向时，指针将反偏；,D.,电流表指针的偏转角与所测电流成正比。,BCD,4.,一个可以自由运动的线圈,L,1,和一个固定的线圈,L,2,互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合，当线圈都通过如图所示的电流时，则从左往右看，线圈,L,1,将（）。,A.,不动；,B.,顺时针转动；,C.,逆时针转动；,D.,向纸外平动。,L,1,L,2,I,I,C,5,.,如图所示,:,在磁感强度为,2T,的匀强磁场中,一与水平面成,37,角的导电轨道,轨道上放一可 移动的金属杆,ab,，电源电动势为,E=10,伏,内阻,r=1,欧,ab,长,L=0.5m,质量,m,为,0.2kg,杆与轨道间的摩擦因数,u=0.1,求接在轨道中的可变电阻,R,在什么范围内,可使,ab,杆在轨道上保持静止,?(,杆与轨道的电阻不计,),(2),摩擦力沿斜面向下,mgsin,+f=Fcos,N=mgcos+Fsin,f=uN,F=(mgsin+umgcos)/(cos-usin),(1),摩擦力沿斜面向上,:,mgsin,=Fcos,+f,N=mgcos,+Fsin,f=uN,F=,（,mgsin,-umgcos)/(cos+usin),G,F,N,f,G,F,N,f,高考链接,（,2000,上海）如图所示，两根平行放置的长导线,a,和,b,载有大小相同、方向相反的电流，,a,受到的磁场力的大小为,F,1,，当加入一与导线所在平面垂直的匀强磁场后，,a,受到的磁场力的大小变为,F,2,，这此时,b,收到的磁场里的大小为（）。,A.F,2,B.F,1,-F,2,C.F,1,+F,2,D.2F,1,-F,2,A,根据安培定则和左手定则，可以判定,a,导线受,b,中电流形成的磁场作用力,F,1,方向向左，同理,b,受,a,磁场的作用力大小也是,F,1,，方向向右。新加入的磁场无论什么方向，,a,、,b,受到的作用力的大小总是大小相等、方向相反的。如果,F,与,F,1,方向相同，这两导线受到的力大小都是,F+F,1,，若,F,与,F,1,相反，,a,、,b,受到的力的大小都是,|F-F,1,|,。因此当再加上磁场时，若,a,受的磁场力大小是,F,2,，,b,受到的磁场力大小也是,F,2,。,点拨,（,2005,年 上海）通电直导线,A,与圆形通电导线环,B,固定放置在同一水平面上，通有如图所示的电流时，通电直导线受到水平向,_,的安培力的作用。当,A,、,B,中电流大小保持不变，但同时改变方向时，通电直导线,A,受到的安培力水平向,_,。,右,A,I,B,I,右,由题目中图可知，直导线,A,位于导线环,B,产生的垂直向里的磁场中，根据左手定则，可判断导线,A,受到的安培力方向向右。当,A,、,B,中的电流方向改变时，,A,导线处于导线,B,产生的垂直向外的磁场中，同时导线,A,的电流方向改变，依据左手定则可以判定，,A,受到的安培力仍然水平向右。,点拨,（,2006,广东）如图所示，在倾角为,的光滑斜面上，垂直于纸面放置一根长为,L,、质量为,m,的直导体棒。在导体棒中的电流垂直于纸面向里时，欲使导体棒静止于斜面上，下列外加匀强电场的磁感应强度,B,的大小和方向正确的是（）。,A.,方向垂直于斜面向上；,B.,方向垂直于斜面向下；,C.,方向垂直于斜面向上；,D.,方向垂直于斜面向下。,A,点拨,如图所示，导体棒静止在斜面上，受力平衡。安培力方向沿斜面向上，由左手定则，磁场,B,垂直于斜面向上，又,，,A,选项正确。,提示,本题为典型安培力作用下物体的平衡问题，需要结合平衡条及左手定则求解。若果没有选项中特定的磁感应强度的方向垂直于斜面向上或向下，问题将会变得复杂。在限定,B,的方向的前提下，,F,安,的方向不是平行于斜面向上就是平行于斜面向下，由平衡条件可知，,F,安,的方向只有平行于斜面向上才能使导体棒平衡，此时,B,垂直于斜面向上。平衡问题是高考必考的知识点，大多在选择题目中出现，应引起高度重视。,教材习题答案,1.,答：如图所示。,甲,乙,丙,2.,答：,（,1,）通电导线的,a,端和,b,端受到的安培力会按俯,视逆时针方向转动。当转过一个很小的角度后，在向右的磁场分量的作用下，通电导线还会受到向下的安培力。所以导线先转动，后边主动边向下移。,（,2,）图中所示的甲、乙、丙、丁四个图分别表示虚线框内的磁场源是条形磁铁、蹄形磁铁、通电螺线管、和直流电流及大致位置。,N S,甲,S,N,乙,丁,丙,3.,答：,（,1,）设电流方向未改变时，等臂天平的左盘内砝码质量为,m,1,，右盘的质量为,m,2,，则由等臂天平的平衡条件，有,m,1,g=m,2,g-nBIL,电流方向改变后，同理可得：,（,m+m,1,）,g=m,2,g+nBIL,两式相减，得 。,(2),将,n=9,，,l=10.0cm,I=1.10A,m=8.78g,代入,得,B=0.48T,。,4.,弹簧上下振动，电流交替通断。产生这种现 象的原因是：通入电流时，弹簧各相邻线圈中电流方向相同，线圈之间相互吸引，使得弹簧收缩，电路断开；电路断开后，因电流消失，线圈之间的相互作用消失，因而弹簧回复原来的状态，电路又被接通。这个过程反复出现，使得弹簧上下振动，电路交替通断。,