物理新課堂同步粵教版選修31學(xué)案：第4節(jié)　安培力的應(yīng)用

10/1009/10/第四節(jié)安培力的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)(教師用書獨(dú)具)1.掌握通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受安培力作用而運(yùn)動(dòng)的規(guī)律．(重點(diǎn))2.了解直流電動(dòng)機(jī)的原理．理解通電線圈在磁場(chǎng)中受安培力作用而轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律．(重點(diǎn)、難點(diǎn))3.了解磁電式電表的構(gòu)造及原理.[自主預(yù)習(xí)·探新知][知識(shí)梳理]一、直流電動(dòng)機(jī)1．分類：電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)又分為單相和三相交流電動(dòng)機(jī)．2．原理：如圖3-4-1所示，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，右邊線框受到的安培力方向向下，左邊線框受到向上的安培力，在安培力作用下線框轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)．圖3-4-1二、磁電式電表1．裝置：磁電式電流表是在強(qiáng)蹄形磁鐵的兩極間有一個(gè)固定的圓柱形鐵芯，鐵芯外面套有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁框，在鋁框上繞有線圈．鋁框的轉(zhuǎn)軸上裝有兩個(gè)螺旋彈簧和一個(gè)指針．線圈的兩端分別接在這兩個(gè)螺旋彈簧上，被測(cè)電流經(jīng)過(guò)這兩個(gè)彈簧流入線圈．2．原理：如圖3-4-2所示，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，線圈上跟鐵芯軸線平行的兩邊受到安培力產(chǎn)生力矩，使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)．同時(shí)由于螺旋彈簧被扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，最終達(dá)到平衡．線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由指針顯示出來(lái)，根據(jù)電流與偏角關(guān)系，可以得出電流的強(qiáng)弱．圖3-4-2[基礎(chǔ)自測(cè)]1．思考判斷(1)電動(dòng)機(jī)是利用安培力使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的．()(2)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．()(3)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過(guò)改變輸入電壓調(diào)節(jié)．()(4)磁電式電表只能測(cè)定電流的大小，不能確定被測(cè)電流的方向．()(5)磁電式電表的線圈受到的安培力始終與線圈平面垂直．()【答案】(1)√(2)×(3)√(4)×(5)√2．要改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可行方法有()A．適當(dāng)減小電流強(qiáng)度B．適當(dāng)減弱磁場(chǎng)C．改變線圈中的電流方向或把磁鐵兩極對(duì)調(diào)D．改變線圈中的電流方向的同時(shí)對(duì)調(diào)磁鐵兩極C[線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)方向跟通入的電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)，而與電流強(qiáng)弱、磁場(chǎng)強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，但不可同時(shí)改變電流方向和磁感線方向，故只有選項(xiàng)C正確．]3．(多選)要使一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增大一些，下面哪些方法可行()A．減小線圈的面積B．增加線圈的匝數(shù)C．將磁極對(duì)調(diào)D．加大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度BD[電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與所受安培力的力矩大小有關(guān)，對(duì)于相同的線圈，每邊受到的安培力隨I或B的增大而增大，而減小線圈面積時(shí)，安培力的力矩變?。蔅、D都有可能增大轉(zhuǎn)速．]4．電流表中蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場(chǎng)是均勻輻射分布的，下列說(shuō)法正確的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：】A．目的是使線圈平面始終與磁感線平行B．目的是讓磁鐵和鐵芯間形成勻強(qiáng)磁場(chǎng)C．離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，越靠近磁極，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度越大D．目的是使線圈平面始終與磁感線垂直A[輻射磁場(chǎng)的目的是使線圈平行于磁感線，線框在轉(zhuǎn)動(dòng)中安培力大小不變，A正確，D錯(cuò)誤；輻射磁場(chǎng)各處磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不同，距離軸線越遠(yuǎn)磁場(chǎng)越弱，則B、C均不對(duì)．][合作探究·攻重難]安培力的實(shí)際應(yīng)用1.直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理分析如圖3-4-3所示．a(chǎn)bcd圖3-4-3(1)當(dāng)線圈由位置d經(jīng)位置a運(yùn)動(dòng)到位置b時(shí)，圖中左邊受力方向向上，右邊受力方向向下，使線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)線圈在位置b時(shí)，由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；(2)當(dāng)線圈由位置b經(jīng)位置c運(yùn)動(dòng)到位置d時(shí)，由于電流換向，圖中左邊受力方向向上，右邊受力方向向下，使線圈繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)線圈在位置d時(shí)，由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；然后，線圈重復(fù)以上過(guò)程轉(zhuǎn)動(dòng)下去．2．磁電式電流表的原理分析(1)偏轉(zhuǎn)原理(2)偏轉(zhuǎn)角度設(shè)線圈所在處的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，線框邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬度為d，匝數(shù)為n，通入電流為I時(shí)，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ，由相關(guān)的知識(shí)可以知道θ＝eq\f(nBLd,K)I，由此可以看出，偏轉(zhuǎn)角度正比于電流．圖3-4-4[針對(duì)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)，下列說(shuō)法正確的是()A．直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是磁場(chǎng)對(duì)電流的作用B．直流電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能C．直流電動(dòng)機(jī)的換向器是兩個(gè)彼此絕緣的半銅環(huán)組成的D．電源的正負(fù)極和磁場(chǎng)的方向都改變，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也改變AC[直流電動(dòng)機(jī)是因?yàn)槭馨才嗔ΧD(zhuǎn)動(dòng)，故A正確；其正常工作時(shí)要消耗電能輸出機(jī)械能，故B錯(cuò)誤；為了保證直流電動(dòng)機(jī)中的線圈在一周之內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，線圈中的電流正好換向，必須有一個(gè)改變電流方向的裝置——換向器，它必須由兩部分組成且彼此絕緣，能隨線圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)，C正確；直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由電流方向和磁場(chǎng)方向共同決定，因此如果兩方向同時(shí)改變其轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變，D錯(cuò)誤．]2．所謂電流表的靈敏度，是指在通入相同電流的情況下，指針偏轉(zhuǎn)角度的大?。窃酱?，靈敏度越高．下列方法不能提高磁電式電流表靈敏度的方法有()A．增強(qiáng)永久磁鐵的磁性B．增大螺旋彈簧的勁度系數(shù)C．增大線圈的面積D．增加線圈的匝數(shù)B[通電線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋彈簧變形，反抗線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)．電流越大，安培力就越大，螺旋彈簧的形變也就越大．要提高電流表的靈敏度，就要在通入相同電流時(shí)，讓指針的偏轉(zhuǎn)角度增大．所以要減小螺旋彈簧的勁度系數(shù)，同時(shí)使安培力變大，即增加磁感應(yīng)強(qiáng)度、增大線圈面積和增加線圈的匝數(shù)．]安培力作用下導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題1.判斷導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況的常規(guī)思路：不管是電流還是磁體，對(duì)通電導(dǎo)體的作用都是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，此類問(wèn)題可按下面步驟進(jìn)行分析：(1)確定導(dǎo)體所在位置的磁場(chǎng)分布情況．(2)結(jié)合左手定則判斷導(dǎo)體所受安培力的方向．(3)由導(dǎo)體的受力情況判定導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向．2．判斷安培力作用下導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向的五種常用方法電流元法把整段導(dǎo)線分為多段電流元，先用左手定則判斷每段電流元受力的方向，然后判斷整段導(dǎo)線所受合力的方向，從而確定導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向等效法環(huán)形電流可等效成小磁針，通電螺線管可以等效成條形磁鐵或多個(gè)環(huán)形電流，反過(guò)來(lái)等效也成立特殊位置法通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)通電導(dǎo)線到某個(gè)便于分析的特殊位置，然后判斷其所受安培力的方向，從而確定其運(yùn)動(dòng)方向結(jié)論法兩平行直線電流在相互作用過(guò)程中，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，同向電流互相吸引，反向電流互相排斥；兩不平行的直線電流相互作用時(shí)，有轉(zhuǎn)到平行且電流方向相同的趨勢(shì)轉(zhuǎn)換研究對(duì)象法定性分析磁體在電流磁場(chǎng)作用下如何運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，可先分析電流在磁體磁場(chǎng)中所受的安培力，然后由牛頓第三定律，確定磁體所受電流磁場(chǎng)的反作用力，從而確定磁體所受合力及運(yùn)動(dòng)方向一個(gè)可以自由運(yùn)動(dòng)的線圈L1和一個(gè)固定的線圈L2互相絕緣垂直放置，且兩個(gè)線圈的圓心重合，如圖3-4-5所示．當(dāng)兩線圈中通以圖示方向的電流時(shí)，從左向右看，線圈L1將()圖3-4-5A．不動(dòng) B．順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C．逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) D．向紙面內(nèi)平動(dòng)B[方法一(電流元法)把線圈L1沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸分成上下兩部分，每一部分又可以看成無(wú)數(shù)段直線電流元，電流元處在L2產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，根據(jù)安培定則可知各電流元所在處的磁場(chǎng)方向向上，由左手定則可得，上半部分電流元所受安培力均指向紙外，下半部分電流元所受安培力均指向紙內(nèi)，因此從左向右看線圈L1將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．方法二(等效法)把線圈L1等效為小磁針，該小磁針剛好處于環(huán)形電流I2的中心，通電后，小磁針的N極應(yīng)指向該點(diǎn)環(huán)形電流I2的磁場(chǎng)方向，由安培定則知I2產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向在其中心處豎直向上，而L1等效成小磁針后轉(zhuǎn)動(dòng)前，N極指向紙內(nèi)，因此小磁針的N極應(yīng)由指向紙內(nèi)轉(zhuǎn)為向上，所以從左向右看，線圈L1將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．方法三(結(jié)論法)環(huán)形電流I1、I2之間不平行，則必有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到兩環(huán)形電流同向平行為止，據(jù)此可得，從左向右看，線圈L1將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．][針對(duì)訓(xùn)練]3．如圖3-4-6所示，把輕質(zhì)導(dǎo)線圈用細(xì)線掛在磁鐵N極附近，磁鐵的軸線穿過(guò)線圈中心，且在線圈平面內(nèi)．當(dāng)線圈通以圖示方向的電流時(shí)線圈將()圖3-4-6A．發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)靠近磁鐵B．發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)遠(yuǎn)離磁鐵C．不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，只靠近磁鐵D．不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，只遠(yuǎn)離磁鐵A[由右手螺旋定則可知，線圈向外一面為S極，因?yàn)楫惷艠O相互吸引，因此從上往下看，線圈做順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)靠近磁鐵，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤．]安培力作用下導(dǎo)體的平衡1．解題步驟(1)明確研究對(duì)象；(2)先把立體圖改畫成平面圖，并將題中的角度、電流的方向、磁場(chǎng)的方向標(biāo)注在圖上；(3)正確受力分析(包括安培力)，然后根據(jù)平衡條件：F合＝0列方程求解．2．分析求解安培力時(shí)需要注意的問(wèn)題(1)首先畫出通電導(dǎo)體所在處的磁感線的方向，再根據(jù)左手定則判斷安培力的方向；(2)安培力大小與導(dǎo)體放置的角度有關(guān)，但一般情況下只要求導(dǎo)體與磁場(chǎng)垂直的情況，其中L為導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)方向的長(zhǎng)度，為有效長(zhǎng)度．如圖3-4-7所示，用兩根輕細(xì)金屬絲將質(zhì)量為m、長(zhǎng)為l的金屬棒ab懸掛在c、d兩處，置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)，當(dāng)棒中通以從a到b的電流I后，兩懸線偏離豎直方向θ角而處于平衡狀態(tài)．為了使棒平衡在該位置上，所需的磁場(chǎng)的最小磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小、方向?yàn)?)圖3-4-7A.eq\f(mg,Il)tanθ，豎直向上B.eq\f(mg,Il)tanθ，豎直向下C.eq\f(mg,Il)sinθ，平行于懸線向下D.eq\f(mg,Il)sinθ，平行于懸線向上D[要求所加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小，應(yīng)使棒平衡時(shí)所受的安培力有最小值．由于棒的重力恒定，懸線拉力的方向不變，由畫出的力的三角形可知，安培力的最小值為Fmin＝mgsinθ，即IlBmin＝mgsinθ，得Bmin＝eq\f(mg,Il)sinθ，方向應(yīng)平行于懸線向上．故選D.]解決安培力作用下的受力平衡問(wèn)題，受力分析是關(guān)鍵，解題時(shí)應(yīng)先畫出受力分析圖，必要時(shí)要把立體圖轉(zhuǎn)換成平面圖．例如：立體圖平面圖[針對(duì)訓(xùn)練]4．如圖3-4-8所示，金屬棒MN兩端由等長(zhǎng)的輕質(zhì)細(xì)線水平懸掛，處于豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，棒中通以由M向N的電流，平衡時(shí)兩懸線與豎直方向夾角均為θ.如果僅改變下列某一個(gè)條件，θ角的相應(yīng)變化情況是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：】圖3-4-8A．棒中的電流變大，θ角變大B．兩懸線等長(zhǎng)變短，θ角變小C．金屬棒質(zhì)量變大，θ角變大D．磁感應(yīng)強(qiáng)度變大，θ角變小A[金屬棒的受力情況如圖所示，則有tanθ＝eq\f(F安,mg)＝eq\f(BIL,mg).當(dāng)棒中的電流I變大或者磁感應(yīng)強(qiáng)度B變大時(shí)，因?yàn)橹亓Σ蛔?，所以θ角?huì)變大，選項(xiàng)A對(duì)，D錯(cuò)；兩懸線等長(zhǎng)變短對(duì)θ角沒(méi)有影響，選項(xiàng)B錯(cuò)；當(dāng)金屬棒的質(zhì)量變大時(shí)，θ角變小，選項(xiàng)C錯(cuò)．][當(dāng)堂達(dá)標(biāo)·固雙基]1．(多選)下列關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)的說(shuō)法，正確的是()A．直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置B．直流電動(dòng)機(jī)能把電能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能C．直流電動(dòng)機(jī)是依靠磁場(chǎng)對(duì)電流的作用工作的D．直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)也會(huì)有發(fā)熱現(xiàn)象，是電流的熱效應(yīng)ACD[從能量角度來(lái)看直流電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置．其工作原理是利用了磁場(chǎng)對(duì)電流的作用．但由于線圈有一定的電阻，直流電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的焦耳熱．]2．(多選)一只電流表，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)偏小，為糾正這一偏差，可行的措施是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：】A．減少表頭線圈的匝數(shù)B．減小永久磁鐵的磁性C．增加分流電阻的阻值D．增加表頭線圈的匝數(shù)CD[電流大小一定的情況下，線圈匝數(shù)越多，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，安培力越大，偏轉(zhuǎn)角度越大，所以A、B錯(cuò)誤，D正確．電流表表頭和分流電阻并聯(lián)，在總電流一定的情況下，欲使讀數(shù)增大，必須增大通過(guò)表頭的電流，根據(jù)并聯(lián)電路的電阻之比等于電流的反比，表頭電阻不變，增加分流電阻的阻值，可使線圈中電流增大，C正確．]3.如圖3-4-9所示，在蹄形磁鐵的上方放置一個(gè)可以自由運(yùn)動(dòng)的通電線圈abcd，最初線圈平面與蹄形磁鐵處于同一豎直面內(nèi)，則通電線圈運(yùn)動(dòng)的情況是()圖3-4-9A．a(chǎn)b邊轉(zhuǎn)向紙外，cd邊轉(zhuǎn)向紙里，同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)B．a(chǎn)b邊轉(zhuǎn)向紙里，cd邊轉(zhuǎn)向紙外，同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)C．a(chǎn)b邊轉(zhuǎn)向紙外，cd邊轉(zhuǎn)向紙里，同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)D．a(chǎn)b邊轉(zhuǎn)向紙里，cd邊轉(zhuǎn)向紙外，同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)B[在圖示位置時(shí)，根據(jù)左手定則判斷可知：ad邊左半邊所受磁場(chǎng)力方向向里，右半邊所受磁場(chǎng)力方向向外，則ab邊轉(zhuǎn)向紙里，cd邊轉(zhuǎn)向紙外，從圖示位置轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，根據(jù)左手定則判斷可知：ad邊所受磁場(chǎng)力方向向下，所以線圈ab邊轉(zhuǎn)向紙里，cd邊轉(zhuǎn)向紙外，同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤．]4．質(zhì)量為