人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案2：1 1 磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊(cè)PAGEPAGE11.1磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1．知道什么是安培力，會(huì)推導(dǎo)安培力公式F＝IlB或F＝IlBsinθ，明確它們的使用條件。2．知道左手定則的內(nèi)容，并會(huì)用它判斷安培力的方向。3．了解磁電式電流表的工作原理。〖自主學(xué)習(xí)〗知識(shí)點(diǎn)一安培力的方向〖新知導(dǎo)入〗觀察安培力的方向的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。請(qǐng)思考下列問(wèn)題：(1)接通電源之后，會(huì)觀察到原來(lái)靜止的導(dǎo)體棒發(fā)生了擺動(dòng)，為什么？(2)實(shí)驗(yàn)中上下交換磁極的位置改變磁場(chǎng)的方向，觀察導(dǎo)體棒擺動(dòng)方向是否改變。(3)實(shí)驗(yàn)中改變導(dǎo)體棒中電流的方向，觀察導(dǎo)體棒擺動(dòng)方向是否改變?！贾R(shí)梳理〗1．安培力：通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受的力。2．左手定則：伸開(kāi)左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)；讓磁感線從掌心垂直進(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向。3．安培力方向與磁場(chǎng)方向、電流方向的關(guān)系：F⊥B,F⊥I,即F垂直于B和I所決定的平面?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)安培力的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向相同。()(2)安培力的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直。()(3)應(yīng)用左手定則時(shí)，四指指向電流方向，拇指指向安培力方向。()(4)通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到安培力時(shí)一定滿足B與I垂直。()2．〖多選〗如圖所示，F(xiàn)是磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)線的作用力，其中正確的示意圖是()知識(shí)點(diǎn)二安培力的大小〖新知導(dǎo)入〗處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線，如果放置的方式不同，其所受安培力的大小是否相同？〖知識(shí)梳理〗1．垂直于磁場(chǎng)B的方向放置的長(zhǎng)為l的一段導(dǎo)線，當(dāng)通過(guò)的電流為I時(shí)，它所受的安培力F＝IlB。2．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與通電導(dǎo)線的方向平行時(shí)，導(dǎo)線所受安培力為eq\a\vs4\al(0)。3．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與導(dǎo)線成θ角時(shí)，導(dǎo)線所受安培力F＝IlBsinθ?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中放置長(zhǎng)為l的一段導(dǎo)線，當(dāng)通過(guò)電流為I時(shí)，它所受安培力為BIl。()(2)一通電導(dǎo)線放在某處不受安培力作用，則該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零。()(3)通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中不一定受安培力。()(4)若磁感應(yīng)強(qiáng)度一定，導(dǎo)線的長(zhǎng)度和電流也一定的情況下，導(dǎo)線平行于磁場(chǎng)方向時(shí)，安培力最小；導(dǎo)線垂直于磁場(chǎng)方向時(shí)，安培力最大。()2．長(zhǎng)度為l、通有電流為I的直導(dǎo)線放入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，電流方向與磁場(chǎng)方向如圖所示。已知磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，對(duì)于下列各選項(xiàng)圖中，導(dǎo)線所受安培力的大小計(jì)算正確的是()知識(shí)點(diǎn)三磁電式電流表〖新知導(dǎo)入〗如圖所示，通電線圈在磁場(chǎng)中所受安培力方向如何？線圈將如何運(yùn)動(dòng)？〖知識(shí)梳理〗1．構(gòu)造：最基本的組成部分是磁體和放在磁體兩極之間的線圈。如圖所示。2．原理(1)通電線圈在磁場(chǎng)中受安培力發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋彈簧變形，以反抗線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。(2)電流越大，安培力就越大，螺旋彈簧的形變也就越大，線圈偏轉(zhuǎn)的角度也越大，達(dá)到新的平衡。所以，從線圈偏轉(zhuǎn)的角度就能判斷通過(guò)電流的大小。(3)線圈中的電流方向改變時(shí)，安培力的方向隨著改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨著改變。所以，根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測(cè)電流的方向。3．特點(diǎn)：極靴與圓柱間的磁場(chǎng)都沿半徑方向，線圈無(wú)論轉(zhuǎn)到什么位置，它的平面都跟磁感線平行，線圈左右兩邊所在之處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小都相等。4．優(yōu)、缺點(diǎn)(1)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可以測(cè)出很弱的電流。(2)缺點(diǎn)：線圈的導(dǎo)線很細(xì)，允許通過(guò)的電流很小?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)磁電式電流表內(nèi)是均勻輻向磁場(chǎng)，不是勻強(qiáng)磁場(chǎng)。()(2)磁電式電流表指針偏轉(zhuǎn)角與電流大小成正比。()(3)磁電式電流表根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測(cè)電流方向。()(4)磁電式電流表的靈敏度不高，不能測(cè)出很弱的電流。()2．磁電式電流表的結(jié)構(gòu)示意圖如圖甲所示，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．穿過(guò)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BIl〖要點(diǎn)突破〗一、安培力方向的理解及判斷〖課堂探究〗電場(chǎng)中，電荷所受靜電力方向與電場(chǎng)方向相同或相反。磁場(chǎng)中，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向與磁場(chǎng)方向相同嗎？〖要點(diǎn)歸納〗1．安培力方向的特點(diǎn)(1)當(dāng)電流方向跟磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，安培力的方向、磁場(chǎng)方向和電流方向兩兩相互垂直。應(yīng)用左手定則判斷時(shí)，磁感線從掌心垂直進(jìn)入，拇指、其余四指和磁感線三者方向兩兩垂直。(2)當(dāng)電流方向跟磁場(chǎng)方向不垂直時(shí)，安培力的方向仍垂直于電流方向，也垂直于磁場(chǎng)方向。應(yīng)用左手定則判斷時(shí)，拇指與四指、拇指與磁感線方向均垂直，但磁感線與四指方向不垂直。2．安培定則與左手定則對(duì)比理解安培定則左手定則用途判斷電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向判斷通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力方向因果關(guān)系電流是因，磁場(chǎng)是果電流和磁場(chǎng)都是因，安培力是果結(jié)論判斷安培力的方向不是用安培定則，而是用左手定則〖例題1〗〖多選〗圖中裝置可演示磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用。電磁鐵上下兩磁極之間某一水平面內(nèi)固定兩條平行金屬導(dǎo)軌，L是置于導(dǎo)軌上并與導(dǎo)軌垂直的金屬桿。當(dāng)電磁鐵線圈兩端a、b，導(dǎo)軌兩端e、f，分別接到兩個(gè)不同的直流電源上時(shí)，L便在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是()A．若a接正極，b接負(fù)極，e接正極，f接負(fù)極，則L向右滑動(dòng)B．若a接正極，b接負(fù)極，e接負(fù)極，f接正極，則L向右滑動(dòng)C．若a接負(fù)極，b接正極，e接正極，f接負(fù)極，則L向左滑動(dòng)D．若a接負(fù)極，b接正極，e接負(fù)極，f接正極，則L向左滑動(dòng)規(guī)律方法判斷電流方向選取定則的原則當(dāng)已知磁感線的方向，要判斷產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流方向時(shí)，選用安培定則判斷；當(dāng)已知通電導(dǎo)線所受安培力的方向時(shí)，用左手定則判斷。二、安培力大小的分析與計(jì)算〖課堂探究〗仔細(xì)觀察上面圖片(1)甲圖中計(jì)算通電導(dǎo)線所受安培力時(shí)，能利用公式F＝BIl嗎？如果不能，該如何計(jì)算？(2)乙圖中設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，電流大小為I，AB＝BC＝l，整個(gè)導(dǎo)線ABC所受安培力如何？與公式F＝BIl對(duì)比可以得到什么結(jié)論？〖要點(diǎn)歸納〗1．公式F＝IlB中l(wèi)指的是“有效長(zhǎng)度”。當(dāng)B與I垂直時(shí)，F(xiàn)最大，F(xiàn)＝IlB；當(dāng)B與I平行時(shí)，F(xiàn)＝0。2．彎曲導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度l等于連接兩端點(diǎn)線段的長(zhǎng)度(如圖)。相應(yīng)的電流沿l由始端流向末端。3．若磁場(chǎng)方向和電流方向成θ角時(shí)，如圖所示，可以將磁感應(yīng)強(qiáng)度B正交分解成B⊥＝Bsinθ和B∥＝Bcosθ，而B(niǎo)∥對(duì)通電導(dǎo)線是沒(méi)有作用力的。所以F＝IlB⊥＝IlBsinθ。4．當(dāng)電流同時(shí)受到幾個(gè)安培力時(shí)，則電流所受的安培力為這幾個(gè)安培力的矢量和?！祭}2〗如圖所示，由均勻的電阻絲組成的等邊三角形導(dǎo)體框，垂直勻強(qiáng)磁場(chǎng)放置，將M、N兩點(diǎn)接入電壓恒定的電源兩端，通電時(shí)，線框受到的安培力為1.2N，若將MON邊移走，則余下線框受到的安培力大小為()A．0.6NB．0.8NC．1.2ND．1.6N規(guī)律方法應(yīng)用安培力公式F＝IlBsinθ解題的技巧應(yīng)用公式F＝IlBsinθ求安培力大小時(shí)不能死記公式，應(yīng)正確理解公式中各物理量的實(shí)質(zhì)，可將Bsinθ理解為有效磁感應(yīng)強(qiáng)度或?qū)sinθ理解為有效長(zhǎng)度，θ為磁場(chǎng)方向與直導(dǎo)線l之間的夾角。三、安培力作用下導(dǎo)體的平衡和加速問(wèn)題〖課堂探究〗一通電導(dǎo)線放置于光滑的斜面上，分別施加如圖甲、乙、丙、丁四種情況的磁場(chǎng)，請(qǐng)指出哪些情況導(dǎo)體棒可能保持靜止不動(dòng)，并指出安培力的方向。〖要點(diǎn)歸納〗1．安培力作用下導(dǎo)體棒的平衡問(wèn)題和加速問(wèn)題，題目所給出的圖形一般為“立體圖”，如果把物體的受力直接畫(huà)在導(dǎo)體棒上，則較為抽象，不利于問(wèn)題的求解，一般把抽象的立體圖轉(zhuǎn)換為直觀的“平面圖”，即畫(huà)出“側(cè)視圖”。2．畫(huà)平面圖時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確標(biāo)明輔助方向，如磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，電流的方向，導(dǎo)體棒端點(diǎn)的名稱(chēng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與平面的夾角，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與電流的夾角，線框與水平面或與豎直面之間的夾角等，最后根據(jù)安培力方向一定垂直于電流和磁場(chǎng)所決定的平面的特點(diǎn)準(zhǔn)確畫(huà)出安培力的方向?！祭}3〗如圖所示，在傾角θ＝30°的斜面上固定一平行金屬導(dǎo)軌，導(dǎo)軌間距離l＝0.25m，兩導(dǎo)軌間接有滑動(dòng)變阻器R和電動(dòng)勢(shì)E＝12V、內(nèi)阻不計(jì)的電池。垂直導(dǎo)軌放有一根質(zhì)量m＝0.2kg的金屬棒ab，它與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝eq\f(\r(3),6)。整個(gè)裝置放在垂直斜面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.8T。當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R的阻值在什么范圍內(nèi)時(shí)，可使金屬棒靜止在導(dǎo)軌上？(導(dǎo)軌與金屬棒的電阻不計(jì)，g取10m/s2)規(guī)律方法對(duì)物體進(jìn)行受力分析時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)(1)受力分析時(shí)，將表示磁場(chǎng)的箭頭在受力圖中標(biāo)出，便于確定安培力的方向。(2)畫(huà)完圖后，要檢查一下，看安培力是否垂直于B、I所決定的平面。四、安培力作用下導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向的判斷1．判斷導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況的常規(guī)思路(1)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，因此必須要清楚導(dǎo)體所在位置的磁場(chǎng)分布情況。(2)結(jié)合左手定則準(zhǔn)確判斷導(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．分析導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況的幾種常用方法電流元法把整段導(dǎo)體分為多段電流元，先用左手定則判斷每段電流元所受安培力的方向，然后判斷整段導(dǎo)體所受安培力的方向，從而確定導(dǎo)體運(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)，然后根據(jù)磁體間或電流間的作用規(guī)律判斷特殊位置法通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)通電導(dǎo)體到某個(gè)便于分析的特殊位置，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；不平行的兩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其運(yùn)動(dòng)方向〖例題4〗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，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)上升規(guī)律方法判斷安培力作用下通電導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向的思路(1)首先應(yīng)畫(huà)出通電導(dǎo)體(或通電線圈)所在位置的磁感線方向。(2)根據(jù)左手定則確定通電導(dǎo)體(或通電線圈)所受安培力的方向。(3)由通電導(dǎo)體(或通電線圈)的受力情況判斷通電導(dǎo)體(或通電線圈)的運(yùn)動(dòng)方向。

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖自主學(xué)習(xí)〗知識(shí)點(diǎn)一安培力的方向〖新知導(dǎo)入〗(1)因?yàn)閷?dǎo)體棒受到了磁場(chǎng)對(duì)它的力的作用。(2)會(huì)發(fā)生改變。(3)會(huì)發(fā)生改變。〖小試牛刀〗1．××√√2．〖答案〗AD〖解析〗由左手定則可判斷，選項(xiàng)B中安培力的方向向左，選項(xiàng)C中安培力的方向向下，選項(xiàng)A、D中安培力的方向如題圖所示，選項(xiàng)A、D正確。知識(shí)點(diǎn)二安培力的大小〖新知導(dǎo)入〗不同的放置方式，通電導(dǎo)線所受的安培力大小不同。〖小試牛刀〗1．×√√×2．〖答案〗A〖解析〗A圖中，導(dǎo)線不和磁場(chǎng)垂直，將導(dǎo)線投影到垂直磁場(chǎng)方向上，故F＝BIlcosθ，A正確；B圖中，導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向垂直，故F＝BIl，B錯(cuò)誤；C圖中，導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向垂直，故F＝BIl，C錯(cuò)誤；D圖中，導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向垂直，故F＝BIl，D錯(cuò)誤。知識(shí)點(diǎn)三磁電式電流表〖新知導(dǎo)入〗左邊導(dǎo)線所受安培力方向向上，右邊導(dǎo)線所受安培力方向向下，線圈將沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)?！夹≡嚺５丁?．√√√×2．〖答案〗D〖解析〗該磁場(chǎng)明顯不是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)該是一系列平行的磁感線，方向相同，故A錯(cuò)誤；線圈平面與磁感線平行，故穿過(guò)線圈的磁通量為零，B錯(cuò)誤；a導(dǎo)線電流向外，磁場(chǎng)向右，根據(jù)左手定則，安培力向上，C錯(cuò)誤；b導(dǎo)線始終與磁感線垂直，故受到的安培力大小一直為BIl，D正確。〖要點(diǎn)突破〗一、安培力方向的理解及判斷〖課堂探究〗不同，安培力方向與磁場(chǎng)方向垂直?！祭}1〗〖答案〗BD〖解析〗若a接正極，b接負(fù)極，由安培定則(右手螺旋定則)知電磁鐵上下兩磁極間磁場(chǎng)方向向上；若e接正極，f接負(fù)極，由左手定則知L受到的安培力向左；若e接負(fù)極，f接正極，L受到的安培力向右。選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確。同理，若a接負(fù)極，b接正極，磁場(chǎng)方向向下；e接正極，f接負(fù)極，L所受的安培力向右；e接負(fù)極，f接正極，L所受的安培力向左。選項(xiàng)C錯(cuò)誤，選項(xiàng)D正確。二、安培力大小的分析與計(jì)算〖課堂探究〗(1)不能F＝BIlsinθ。(2)所受安培力大小F＝eq\r(2)BIl，方向垂直于AC向上；可將ABC導(dǎo)線等效成沿虛線的導(dǎo)線AC(電流從A到C)，導(dǎo)線AC受到的安培力大小、方向與ABC導(dǎo)線相同，即導(dǎo)線ABC受到的安培力可用導(dǎo)線AC受到的安培力代替，設(shè)導(dǎo)線ABC段的等效長(zhǎng)度即lAC為l等效，則F＝BIl等效?！祭}2〗〖答案〗B〖解析〗根據(jù)左手定則判斷出各段受到的安培力的方向，如圖所示，令電源電壓為U，等邊三角形MON的電阻為3R，曲線MON上產(chǎn)生的安培力合力豎直向上，與MN邊受到的安培力方向相同，并聯(lián)后總電阻為eq\f(2R,3)，根據(jù)歐姆定律，并聯(lián)電路的總電流為I1＝eq\f(U,\f(2R,3))＝eq\f(3U,2R)，則安培力為F＝BI1l＝eq\f(3BUl,2R)＝1．2N，將MON邊移走，余下線框受到的安培力大小為F′＝BI2l＝eq\f(BUl,R)，可得F′＝0.8N。故B正確。三、安培力作用下導(dǎo)體的平衡和加速問(wèn)題〖課堂探究〗甲圖可能，安培力的