高二物理粵教版教師用書：第章第節(jié)安培力的應(yīng)用含解析

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第四節(jié)安培力的應(yīng)用[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.［科學(xué)思維]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。[科學(xué)思維］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.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任］了解磁電式電表的構(gòu)造及原理．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)．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．1．正誤判斷(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． (√)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)改變電流方向和磁場(chǎng)方向,故只有選項(xiàng)C正確．］3．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（）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錯(cuò)誤．］安培力的實(shí)際應(yīng)用1．直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理分析如圖所示．a(chǎn)bcd（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．eq\a\vs4\al(［跟進(jìn)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．如圖甲是磁電式電流表的結(jié)構(gòu)示意圖，蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場(chǎng)均勻輻向分布，如圖乙所示,邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形線圈中通以電流I,線圈中的某一條a導(dǎo)線電流方向垂直紙面向外，b導(dǎo)線電流方向垂直紙面向里,a、b兩條導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B，則(）A．該磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng)B．該線圈的磁通量為BL2C．a(chǎn)導(dǎo)線受到的安培力方向向下D．b導(dǎo)線受到的安培力大小為BILD[勻強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)該是一系列平行的磁感線，方向相同，該磁場(chǎng)明顯不是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，故A錯(cuò)誤；線圈與磁感線平行，故磁通量為零，故B錯(cuò)誤;a導(dǎo)線電流方向垂直紙面向外，磁場(chǎng)方向向右,根據(jù)左手定則，安培力方向向上，故C錯(cuò)誤；導(dǎo)線b始終與磁感線垂直，故受到的安培力大小一直為ILB,故D正確．］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【例1】如圖所示，把一重力不計(jì)的通電直導(dǎo)線AB水平放在蹄形磁鐵磁極的正上方（虛線過(guò)AB的中點(diǎn)），導(dǎo)線可以在空間自由運(yùn)動(dòng),當(dāng)導(dǎo)線通以圖示方向電流I時(shí)，導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)情況是(從上往下看)（)A．順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)下降B．順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)上升C．逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)下降D．逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)上升C［如圖所示，將導(dǎo)線AB分成左、中、右三部分，中間一小段開(kāi)始時(shí)電流方向與磁場(chǎng)方向一致，不受力;左端一段所在處的磁場(chǎng)方向斜向右上，根據(jù)左手定則其受力方向向外；右端一段所在處的磁場(chǎng)方向斜向右下,受力方向向里．當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，中間一小段電流不再與磁場(chǎng)方向平行，由左手定則可知其受力方向向下，所以從上往下看導(dǎo)線將一邊逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),一邊向下運(yùn)動(dòng)，C選項(xiàng)正確．]不管是通電導(dǎo)體還是磁體，對(duì)另一通電導(dǎo)體的作用都是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此必須先畫出導(dǎo)體所在位置的磁感線方向，然后用左手定則判斷導(dǎo)體所受安培力的方向,進(jìn)而再判斷將要發(fā)生的運(yùn)動(dòng)．eq\a\vs4\al([跟進(jìn)訓(xùn)練］）3．如圖所示，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（)A．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．【例2】如圖所示，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)?）A．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eq\a\vs4\al（[跟進(jìn)訓(xùn)練]）訓(xùn)練角度1.安培力作用下導(dǎo)體的平衡問(wèn)題4．水平面上有電阻不計(jì)的U形導(dǎo)軌NMPQ，它們之間的寬度為L(zhǎng)，M和P之間接入電動(dòng)勢(shì)為E的電源（不計(jì)內(nèi)阻）。現(xiàn)垂直于導(dǎo)軌放置一根質(zhì)量為m、電阻為R的金屬棒ab,并加一個(gè)范圍較大的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向與水平面夾角為θ且指向右上方,如圖所示，問(wèn)：（1）當(dāng)ab棒靜止時(shí),受到的支持力和摩擦力各為多少？(2)若B的大小和方向均能改變，則要使ab棒所受支持力為零，B的大小至少為多少？此時(shí)B的方向如何？[解析］從b向a看金屬棒受力分析如圖所示．(1)水平方向：f＝F安sinθ ①豎直方向：FN＋F安cosθ＝mg ②又F安＝BIL＝Beq\f(E,R)L ③聯(lián)立①②③得：FN＝mg－eq\f(BLEcosθ,R），f＝eq\f(BLEsinθ,R）。(2)要使ab棒所受支持力為零,且讓磁感應(yīng)強(qiáng)度最小，可知安培力豎直向上，則有F安′＝mg，又F安′＝Bmineq\f（E,R）L，聯(lián)立可得Bmin＝eq\f(mgR，EL)，根據(jù)左手定則判定磁場(chǎng)方向水平向右．［答案]（1)mg－eq\f（BLEcosθ,R）eq\f（BLEsinθ,R)(2)eq\f（mgR，EL）方向水平向右訓(xùn)練角度2。與安培力相關(guān)的綜合問(wèn)題5。如圖所示，水平放置的兩導(dǎo)軌P、Q間的距離L＝0。5m，垂直于導(dǎo)軌平面的豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝2T,垂直于導(dǎo)軌放置的ab棒的質(zhì)量m＝1kg,系在ab棒中點(diǎn)的水平繩跨過(guò)定滑輪與重量G＝3N的物塊相連．已知ab棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0。2，電源的電動(dòng)勢(shì)E＝10V、內(nèi)阻r＝0.1Ω，導(dǎo)軌的電阻及ab棒的電阻均不計(jì)．要想ab棒處于靜止?fàn)顟B(tài)，R應(yīng)在哪個(gè)范圍內(nèi)取值?（g取10m/s2)［解析］依據(jù)物體的平衡條件可得，ab棒恰不向右滑動(dòng)時(shí)：G－μmg－BI1Lab棒恰不向左滑動(dòng)時(shí):G＋μmg－BI2L依據(jù)閉合電路歐姆定律可得I1＝eq\f（E，R1＋r），I2＝eq\f（E，R2＋r）由以上各式代入數(shù)據(jù)可解得R1＝9.9Ω，R2＝1。9Ω所以R的取值范圍為1.9Ω≤R≤9.9Ω。［答案］1.9Ω≤R≤9.9Ω[物理觀念]直流電動(dòng)機(jī)磁電式電表［科學(xué)思維]1。用電流元法、特殊位置法、等效法、結(jié)論法、轉(zhuǎn)化法分析導(dǎo)體在安培力作用下的運(yùn)動(dòng)和平衡問(wèn)題．2．解決安培力作用下的實(shí)際問(wèn)題及分析安培力作用下的力學(xué)綜合問(wèn)題．1．如圖所示是直流電動(dòng)機(jī)的模型，閉合開(kāi)關(guān)后線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．現(xiàn)要線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),下列方法中可行的是（)A．只改變電流方向B．只改變電流大小C．換用磁性更強(qiáng)的磁鐵D．對(duì)換磁極同時(shí)改變電流方向A[直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與線圈中的電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān),若使通入直流電動(dòng)機(jī)的電流方向改變或磁場(chǎng)的方向改變，它的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒏淖儯侨绻瑫r(shí)改變電流的方向和磁場(chǎng)的方向，線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒉蛔?，故A正確．]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(）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．如圖所示，一重為G1的通電圓環(huán)置于水平桌面上,圓環(huán)中電流方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较颍◤纳贤驴矗?，在圓環(huán)的正上方用輕繩懸掛一條形磁鐵，磁鐵的中心軸線通過(guò)圓環(huán)中心，磁鐵的上端為N極，下端為S極，磁鐵自身的重力為G2。則關(guān)于圓環(huán)對(duì)桌面的壓力F和磁鐵對(duì)輕繩的拉力F′的大小，下列關(guān)系中正確的是（）A．F＞G1,F′＞G2 B．F＜G1，F(xiàn)′＞G2C．F＜G1，F(xiàn)′＜G2 D．F＞G1，F(xiàn)′＜G2D［順時(shí)針?lè)较虻沫h(huán)形電流可以等效為一個(gè)豎直放置的“小磁針”，由安培定則可知，“小磁針”的N極向下，S極向上，故與磁鐵之間的相互作用力為斥力，所以圓環(huán)對(duì)桌面的壓力F將大于圓環(huán)的重力G1，磁鐵對(duì)輕繩的拉力F′將小于磁鐵的重力G2，選項(xiàng)D正確．]4．如圖甲所示，一對(duì)光滑平行金屬導(dǎo)軌與水平面成α角，兩導(dǎo)軌的間距為L(zhǎng),兩導(dǎo)軌頂端接有電源，將一根質(zhì)量為m的直導(dǎo)體棒ab垂直放在兩導(dǎo)軌上．已知通過(guò)導(dǎo)體棒的電流大小恒為I，方向由a到b，圖乙為沿a→b方向觀察的側(cè)視圖．若重力加速度為g，在兩導(dǎo)軌間加一豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，使導(dǎo)體棒在導(dǎo)軌上保持靜止．(1)請(qǐng)?jiān)趫D乙中畫出導(dǎo)體棒受