2019高中物理 第5章 磁场与回旋加速器 5.4 探究安培力学案 沪科版选修3-1.doc

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1、- 1 -5.45.4 探究安培力探究安培力学 习 目 标知 识 脉 络1知道什么是安培力(重点)2知道左手定则的内容，学会用左手定则判断安培力的方向(重点)3掌握用安培力公式FBIL解答有关问题，通过安培力公式的应用，培养空间想象能力(重点、难点)自 主 预 习探 新 知知识梳理一、安培力的方向1安培力磁场对电流的作用力称为安培力2左手定则伸开左手，使大拇指与其余四个手指垂直，且都跟手掌在同一个平面内；让磁感线穿入手心，使四指指向电流方向，则大拇指所指的方向就是安培力的方向3安培力方向与磁场方向、电流方向的关系FB，FI，即F垂直于电流方向和磁场方向所决定的平面二、安培力的大小1因素通电导体

2、在磁场中受到的安培力的大小，跟导体的长度L、导体中的电流I、磁感应强度B都成正比2计算公式(1)当电流方向与磁场方向垂直时，FBIL.(2)当电流方向与磁场方向夹角为时，FBILsin_.(3)当电流方向与磁场方向平行时，F0.基础自测1思考判断(正确的打“” ，错误的打“” )(1)通电直导线在磁场中一定受到安培力的作用()- 2 -(2)通电直导线在磁场中所受安培力的方向一定跟电流的方向垂直()(3)应用左手定则时，四指指向电流方向，拇指指向安培力方向()(4)安培力的大小由电流强度、磁感应强度两个因素决定()(5)将长度为L、电流强度为I的导体放入磁感应强度为B的磁场中，导体所受安培力的

3、大小一定是FBIL.()(6)通电导线放入磁场中不受安培力的作用，则通电导线一定和磁场方向平行()【提示】 (1) 通电直导线与磁场方向平行时，不受安培力(4) 安培力的大小还跟导体长度有关(5) 只有在电流方向与磁场方向垂直时才有FBIL.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示中正确的是( )D D A 图中I与B平行应不受安培力，故 A 错误，由左手定则知 B、C 错误，D 正确3.如图 541 所示，长为 2L的直导线折成边长相等，夹角为 60

4、的 V 形，并置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中，磁感应强度为B，当在该导线中通以电流强度为I的电流时，该 V 形通电导线受到的安培力大小为( )【导学号：69682264】图 541A0 B0.5BILCBILD2BILC C V 形通电导线的等效长度为L，故安培力的大小为BIL，C 正确合 作 探 究攻 重 难安培力的方向与安培力作用下导体的运动1安培力的方向- 3 -(1)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(2)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

5、一确定2判断导体在磁场中运动情况的五种常用方法电流元法把整段弯曲导线分为多段直线电流元，先用左手定则判断每段电流元受力的方向，然后判断整段导线所受合力的方向，从而确定导线运动方向特殊位置法通电导线转动到某个便于分析的特殊位置时，判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向等效法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，反过来等效也成立然后根据同极相斥、异极相吸或者根据同向电流相吸、反向电流相斥判断相互作用情况结论法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；两不平行的直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势转换研究对象法定性

6、分析磁体在电流磁场作用下如何运动或运动趋势的问题时，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的作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向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 542 所示的电流时，从左向右看，线圈L1将( )图 542A不动 B顺时针转动C逆时针转动D向纸面内平动思路点拨：可采用等效法，将L1等效为小磁针，确定L2产生的磁场后判断L1受力运动情况可采用结论法，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥B B 方法一：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L2的中心，通

7、电后，小磁针的 N 极应指向该环形电流L2的磁场方向，由安培定则知L2产生的磁场方向在其中心竖直向上，而L1等效成小磁针，其 N 极应由纸里转为向上，所以从左向右看顺时针转动方法二：利用结论法环形电流L1、L2之间不平行，则必有相对转动，直到两环形电流同- 4 -向平行为止，据此可得L1的转动方向应是：从左向右看顺时针转动安培定则与左手定则的三点区别(1)用途不同：安培定则用于判断电流的磁场方向，即用于电生磁的情况，左手定则用于判断电流在磁场中的受力，即用于电流受力的情况(2)所用手不同：安培定则用右手，左手定则用左手(3)手型不同：安培定则四指弯曲，左手定则手掌伸直针对训练1(多选)如图所示

8、，F是磁场对通电直导线的作用力，其中正确的示意图是( )ADAD 由左手定则可判断，选项 B 中安培力的方向向左，选项 C 中安培力的方向向下；选项A、D 中安培力的方向如题图所示，选项 A、D 是正确的2.通有电流的导线L1、L2处在同一平面(纸面)内，L1是固定的，L2可绕垂直纸面的固定转轴O转动(O为L2的中心)，各自的电流方向如图 543 所示下列哪种情况将会发生( ) 【导学号：69682265】图 543A因L2不受磁场力的作用，故L2不动B因L2上、下两部分所受的磁场力平衡，故L2不动CL2绕轴O按顺时针方向转动DL2绕轴O按逆时针方向转动D D 由右手螺旋定则可知导线L1的上方

9、的磁场的方向为垂直纸面向外，且离导线L1的距离越远的地方，磁场越弱，导线L2上的每一小部分受到的安培力方向水平向右，由于O点的下方磁场较强，则安培力较大，因此L2绕轴O按逆时针方向转动，D 选项正确- 5 -安培力的计算和平衡问题1FBILsin 适用于匀强磁场中的通电直导线，求弯曲导线在匀强磁场中所受安培力时，L为有效长度，即导线两端点所连直线的长度，相应的电流方向沿L由始端流向末端，如图544 所示图 5442同样情况下，通电导线与磁场方向垂直时，它所受的安培力最大；导线与磁场方向平行时，它不受安培力；导线与磁场方向斜交时，它所受的安培力介于 0 和最大值之间3在非匀强磁场中，只要通电直导

10、线L所在位置的各点B矢量相等(包括大小和方向)，则导线所受安培力也能用上述公式计算4当电流同时受到几个安培力时，则电流所受的安培力为这几个安培力的矢量和在倾角30的斜面上，固定一金属框架，宽L0.25 m，接入电动势E12 V、内阻不计的电源在框架上放有一根水平的、质量m0.2 kg 的金属棒ab，它与框架的动摩擦因数为，整个装置放在磁感应强度B0.8 T 的垂直框面向上的匀强磁场中(如图36545 所示)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？(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，框架与棒的电阻不计，g10 m/s2)图 545思路点拨：将立体图转换为平面图判断安培力的方向

11、，对导体棒受力分析根据平衡条件求解【解析】 金属棒静止在框架上时，摩擦力的方向可能沿框面向上，也可能沿框面向下，须分两种情况考虑当滑动变阻器R取值较大时，I较小，安培力F较小，在金属棒的重力分力mgsin 作用下，棒有沿框架下滑趋势，框架对金属棒的摩擦力沿框面向上(如图甲所示)金属棒刚好不下滑时满足平衡条件B Lmgcos mgsin 0E R- 6 -得R 4.8 BEL mgsin cos 0.8 12 0.250.2 10 (0.53632)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面上滑的趋势因此，框架对金属棒的摩擦力沿框面向下(如图乙所示)金属棒刚好不上滑时满

12、足平衡条件B Lmgcos mgsin 0E R得R1.6 BEL mgsin cos 所以滑动变阻器R的取值范围应为 1.6 R4.8 . 【答案】 1.6 R4.8 求解安培力问题的四个步骤(1)选定研究对象：一般为磁场中的通电导线(2)变三维为二维：方法是沿着或逆着电流方向观察，将一段有长度的导线看成一个没有长度的圆圈，圈内画“”为顺着电流方向观察，圈内画“”表示逆着电流方向观察(3)画出平面受力分析图：其中安培力的方向切忌跟着感觉走，要用左手定则来判断，注意F安B、F安I.(4)根据力的平衡条件或牛顿第二定律列方程式进行求解针对训练3.如图 546，一段导线abcd位于磁感应强度大小为

13、B的匀强磁场中，且与磁场方向(垂直于纸面向里)垂直线段ab、bc和cd的长度均为L，且abcbcd135.流经导线的电流为I，方向如图中箭头所示导线段abcd所受到的磁场的作用力的合力( ) 【导学号：69682266】图 546- 7 -A方向沿纸面向上，大小为(1)ILB2B方向沿纸面向上，大小为(1)ILB2C方向沿纸面向下，大小为(1)ILB2D方向沿纸面向下，大小为(1)ILB2A A 导线段abcd的有效长度为线段ad，由几何知识知Lad(1)L，故线段abcd所受的2合力大小FILadB(1)ILB，导线有效长度的电流方向为ad，据左手定则可以确定导线2所受合力方向竖直向上，故

14、A 项正确4.如图 547 所示，光滑导轨与水平面成角，导轨宽为L.匀强磁场磁感应强度为B.金属杆长也为L，质量为m，水平放在导轨上当回路总电流为I时，金属杆恰好能静止求竖直向上的磁感应强度B的大小图 547【解析】 磁场方向竖直向上，杆受力如图所示：金属杆的安培力FILB由平衡条件可得Fcos mgsin 解得B.mgtan IL【答案】 mgtan IL当 堂 达 标固 双 基1如图所示各图中，表示磁场方向、电流方向及导线受力方向的图示正确的是( )A A 由左手定则知，A 正确，B，C 错误在 D 图中，B与I平行，导线所受安培力为零2(多选)一根长为 0.2 m 电流为 2 A 的通电

15、导线，放在磁感应强度为 0.5 T 的匀强磁场中，受到安培力的大小可能是( )A0.4 N B0.2 NC0.1 ND0- 8 -BCDBCD 当磁感应强度B与通电电流I方向垂直时，安培力有最大值为FBIL0.520.2 N0.2 N；当两方向平行时，安培力有最小值为 0.随着二者方向夹角的不同，磁场力大小可能在 0 与 0.2 N 之间取值3如图 548 所示，电磁炮由电源、金属轨道、炮弹和电磁铁组成当电源接通后，磁场对流过炮弹的电流产生力的作用，使炮弹获得极大的发射速度下列各俯视图中正确表示磁场B方向的是( ) 【导学号：69682267】图 548B B 要使电磁炮弹加速，则炮弹应受向右

16、的安培力由左手定则可知：磁场方向应为垂直纸面向外B 正确4.如图 549 所示，在磁感应强度B1 T 的匀强磁场中，用两根细线悬挂一长为 10 cm，质量为 0.05 kg 的金属导线今在金属导线中通以恒定电流(g取 10 m/s2)图 549(1)若要使悬线受的拉力为零，求金属导线中电流的大小和电流的方向(2)若每根细线所受的拉力为 0.1 N，求金属导线中电流强度的大小【解析】 (1)悬线拉力为零时，AB受向上的安培力，大小等于重力，即mgBI1L，所以I1 A5 A0.5 1 0.1由左手定则得方向由A指向B.(2)当每根细线受拉力为 0.1 N 时，由导线受力平衡得：mg0.12 NBI2L得I23 A.【答案】 (1)5 A 方向由 A 指向 B (2)3 A