物理選修3-1第三章--學(xué)案4通電導(dǎo)線在磁場中受到的力(人教版選修3-1)

1、學(xué)案4通電導(dǎo)線在磁場中受到的力學(xué)習(xí)目標(biāo)定位 1.知道安培力的概念，會用左手定則判定安培力的方向.2.學(xué)會用公式FBIL計算B與I垂直和平行兩種情況下安培力的大小3.了解磁電式電流表的基本構(gòu)造及工作原理一、安培力的方向通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向，與導(dǎo)線、磁感應(yīng)強度的方向都垂直，它的方向可用左手定則判定：伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向(如圖1所示)圖1二、安培力的大小垂直于磁場B放置、長為L的一段導(dǎo)線，當(dāng)通過的電流為I時，它所受的安培力為FILB.當(dāng)磁感應(yīng)強度B

2、的方向與導(dǎo)線的方向平行時，導(dǎo)線受力為0.當(dāng)磁感應(yīng)強度B的方向與導(dǎo)線方向成角時，導(dǎo)線受力為FILBsin_.三、磁電式電流表1磁電式儀表最基本的組成部分是磁鐵和放在磁鐵兩極之間的線圈如圖2所示，通電線圈在磁場中受到安培力而偏轉(zhuǎn)線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大，被測電流就越大根據(jù)線圈偏轉(zhuǎn)的方向，可以知道被測電流的方向圖22磁電式儀表的優(yōu)點是靈敏度高，可以測出很弱的電流；缺點是線圈的導(dǎo)線很細(xì)，允許通過的電流很弱(幾十微安到幾毫安)一、安培力的方向問題設(shè)計按照如圖3所示進(jìn)行實驗圖3(1)上下交換磁極的位置以改變磁場方向，導(dǎo)線受力的方向是否改變？(2)改變導(dǎo)線中電流的方向，導(dǎo)線受力的方向是否改變？仔細(xì)分析實驗結(jié)果，說

3、明安培力的方向與磁場方向、電流方向有怎樣的關(guān)系？答案(1)受力的方向改變；(2)受力的方向改變；安培力的方向與磁場方向、電流方向的關(guān)系滿足左手定則要點提煉1安培力方向、磁場方向、電流方向三者之間滿足左手定則(1)FB，F(xiàn)I，即F垂直于B、I決定的平面(2)磁場方向和電流方向不一定垂直用左手定則判斷安培力方向時，磁感線只要從掌心進(jìn)入即可，不一定垂直穿過掌心2判斷電流磁場方向用安培定則(右手螺旋定則)，確定通電導(dǎo)體在磁場中的受力方向用左手定則3推論：平行通電導(dǎo)線之間，同向電流相互吸引，反向電流相互排斥二、安培力的大小問題設(shè)計1在定義磁感應(yīng)強度時，讓一小段通電導(dǎo)線放入磁場，可得FILB，此公式的適用

4、條件是什么？答案導(dǎo)線垂直于磁場方向放置2當(dāng)導(dǎo)線平行于磁場方向放置時，導(dǎo)線受力為多少？答案0.要點提煉1安培力大小的計算公式FILBsin_，為磁感應(yīng)強度方向與導(dǎo)線方向的夾角(1)當(dāng)90°，即B與I垂直時，F(xiàn)ILB；(2)當(dāng)0°即B與I平行時，F(xiàn)0.2當(dāng)導(dǎo)線與磁場垂直時，彎曲導(dǎo)線的有效長度L，等于連接兩端點直線的長度(如圖4所示)；相應(yīng)的電流沿L由始端流向末端圖4延伸思考如圖5所示，導(dǎo)線與磁場方向的夾角為時，如何計算導(dǎo)線受力的大?。繄D5答案將B分解到平行導(dǎo)線方向和垂直導(dǎo)線方向的分量，分別研究B的兩個分量對導(dǎo)線的作用，可得出FILBsin .三、磁電式電流表問題設(shè)計1磁電式電流

5、表的基本組成部分是什么？磁電式電流表的原理是什么？答案最基本的組成部分是磁鐵和放在磁鐵兩極之間的線圈其原理是通電線圈在磁場中受安培力而轉(zhuǎn)動2指針偏轉(zhuǎn)的角度與通入的電流大小有怎樣的關(guān)系？答案指針偏轉(zhuǎn)的角度與通入的電流大小成正比3能否利用磁電式電流表確定電流方向？答案能線圈中的電流方向改變時，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，就可以確定被測電流的方向一、對安培力方向的判定例1畫出圖6中通電導(dǎo)體棒ab所受的安培力的方向(圖中箭頭方向為磁感線的方向)圖6解析題目所給的圖是立體圖，如果直接把ab棒受到的安培力畫在立體圖上則較為抽象為了直觀，一般畫成平面圖，圖中的各個

6、圖從外向內(nèi)看的正視平面圖如圖所示(此時導(dǎo)體ab是一個橫截面圖，×表示電流向里，·表示電流向外)，題圖甲中，I與B決定的平面是與紙面垂直的豎直面，安培力方向與這個平面垂直，由左手定則知，安培力的方向為水平向右；題圖乙中，I與B決定的平面是與水平方向成角的垂直紙面的平面，安培力方向與這個平面垂直，指向右下方；題圖丙中，I和B決定的平面是垂直斜面的平面，安培力方向與斜面平行，指向右上方 甲乙丙答案見解析規(guī)律總結(jié)1.判斷安培力的方向，要先明確磁場的方向和電流的方向，用左手定則判斷，不要“習(xí)慣性”地用錯右手實際上左手定則揭示了磁感應(yīng)強度、電流、安培力這三個物理量方向之間的關(guān)系，知道其

7、中任意兩個方向，可以由安培定則判斷第三個方向2分析安培力方向時，左手定則和安培定則往往同時使用，要特別注意它們的不同：安培定則用來判斷電流的磁場方向，用右手；左手定則用來判斷電流的受力方向，用左手二、對安培力大小的計算例2長度為L、通有電流為I的直導(dǎo)線放入一勻強磁場中，電流方向與磁場方向如圖所示，已知磁感應(yīng)強度為B，對于下列各圖中，導(dǎo)線所受安培力的大小計算正確的是()AFBILcos BFBILcos CFBILsin DFBILsin 解析A圖中，導(dǎo)線不和磁場垂直，故將導(dǎo)線投影到垂直磁場方向上，故FBILcos ，A正確； B圖中，導(dǎo)線和磁場方向垂直，故FBIL，B錯誤； C圖中導(dǎo)線和磁場方

8、向垂直，故FBIL，C錯誤；D圖中導(dǎo)線和磁場方向垂直，故FBIL，D錯誤答案A規(guī)律總結(jié)1.當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時安培力FILB，如果磁場方向和電流方向不垂直，公式應(yīng)變?yōu)镕ILB，B是B在垂直于電流方向的分量2如果通電導(dǎo)線是彎曲的，則要用其等效長度代入公式計算3如果是非勻強磁場，原則上把通電導(dǎo)線分為很短的電流元，對電流元用安培力公式，然后求矢量和例3如圖7所示，長為2l的直導(dǎo)線折成邊長相等、夾角為60°的V形，并置于與其所在平面相垂直的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B.當(dāng)在該導(dǎo)線中通以電流強度為I的電流時，該V形通電導(dǎo)線受到的安培力大小為()圖7A0B0.5BIlCBIlD2BIl解析V

9、形通電導(dǎo)線的等效長度為圖中虛線部分，所以FBIl，故選C.答案C三、通電導(dǎo)體的綜合受力分析問題例4如圖8所示，光滑導(dǎo)軌與水平面成角，導(dǎo)軌寬為L.有大小為B的勻強磁場，方向垂直導(dǎo)軌面，金屬桿長為L，質(zhì)量為m，水平放在導(dǎo)軌上當(dāng)回路中通過電流時，金屬桿正好能靜止求：電流的大小為多大？磁感應(yīng)強度的方向如何？圖8解析在解這類題時必須畫出截面圖，只有在截面圖上才能正確表示各力的準(zhǔn)確方向，從而弄清各矢量方向間的關(guān)系因為B垂直軌道面，又金屬桿處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以F必沿斜面向上，由左手定則知，B垂直導(dǎo)軌面向上畫出金屬桿的截面圖如圖所示，根據(jù)左手定則，這時B應(yīng)垂直于導(dǎo)軌面向上，大小滿足BILmgsin ，Imgsi

10、n /BL.答案mgsin /BL方向垂直導(dǎo)軌面向上方法點撥在實際分析中，安培力、電流方向以及磁場方向構(gòu)成一個空間直角坐標(biāo)系，在空間判斷安培力的方向有很大的難度，所以在判斷一些復(fù)雜的安培力方向時都會選擇畫側(cè)視圖的方法，這樣使得難以理解的空間作圖轉(zhuǎn)化成易于理解的平面作圖1(安培力的方向)把一小段通電直導(dǎo)線放入磁場中，導(dǎo)線受到安培力的作用，關(guān)于安培力的方向，下列說法中正確的是()A安培力的方向一定跟磁感應(yīng)強度的方向相同B安培力的方向一定跟磁感應(yīng)強度的方向垂直，但不一定跟電流方向垂直C安培力的方向一定跟電流方向垂直，但不一定跟磁感應(yīng)強度方向垂直D安培力的方向既跟磁感應(yīng)強度方向垂直，又跟電流方向垂直答

11、案D解析安培力的方向既垂直于磁場方向，又垂直于電流方向，即垂直于磁場與電流所決定的平面，但電流方向與磁場方向不一定垂直2. (安培力的方向判定)如圖9所示，兩條導(dǎo)線相互垂直，但相隔一段距離其中AB固定，CD能自由活動，當(dāng)直線電流按圖示方向通入兩條導(dǎo)線時，導(dǎo)線CD將(從紙外向紙里看)()圖9A順時針方向轉(zhuǎn)動同時靠近導(dǎo)線ABB逆時針方向轉(zhuǎn)動同時離開導(dǎo)線ABC順時針方向轉(zhuǎn)動同時離開導(dǎo)線ABD逆時針方向轉(zhuǎn)動同時靠近導(dǎo)線AB答案D解析據(jù)電流元分析法，把電流CD等效成CO、OD兩段電流由安培定則畫出CO、OD所在位置的AB電流的磁場，由左手定則可判斷CO、OD受力如圖甲所示，可見導(dǎo)線CD逆時針轉(zhuǎn)動由特殊位

12、置分析法，讓CD逆時針轉(zhuǎn)動90°，如圖乙，并畫出CD此時位置AB電流的磁感線分布，據(jù)左手定則可判斷CD受力垂直于紙面向里，可見導(dǎo)線CD靠近導(dǎo)線AB.3. (安培力大小的計算及方向判斷)把長L0.15 m的導(dǎo)體棒置于磁感應(yīng)強度B1.0×102 T的勻強磁場中，使導(dǎo)體棒和磁場方向垂直，如圖10所示，若導(dǎo)體棒中的電流I2.0 A，方向向左，則導(dǎo)體棒受到的安培力大小F_ N，安培力的方向為豎直向_(選填“上”或“下”)圖10答案3×103下解析由安培力公式得：FBIL1.0×102×2.0×0.15 N3×103 N，由左手定則可判

13、定，安培力方向豎直向下4.(通電導(dǎo)體的綜合受力分析問題)一根長L0.2 m的金屬棒放在傾角37°的光滑斜面上，并通過I5 A的電流，方向如圖11所示，整個裝置放在磁感應(yīng)強度B0.6 T豎直向上的勻強磁場中，金屬棒恰能靜止在斜面上，則該棒的重力為多少？(sin 37°0.6)圖11答案0.8 N解析從側(cè)面對棒受力分析如圖，安培力的方向由左手定則判出為水平向右，F(xiàn)ILB5×0.2×0.6 N0.6 N.由平衡條件得重力mg0.8 N.題組一對安培力方向的判定1如圖所示的勻強磁場中，已經(jīng)標(biāo)出了電流I和磁場B以及磁場對電流作用力F三者的方向，其中正確的是()答案

14、C2關(guān)于通電導(dǎo)線所受安培力F的方向、磁感應(yīng)強度B的方向和電流I的方向之間的關(guān)系，下列說法正確的是()AF、B、I三者必須保持相互垂直BF必須垂直B、I，但B、I可以不相互垂直CB必須垂直F、I，但F、I可以不相互垂直DI必須垂直F、B，但F、B可以不相互垂直答案B解析安培力F總是與磁感應(yīng)強度B和電流I決定的平面垂直，但B與I(即導(dǎo)線)可以垂直，也可以不垂直，通電導(dǎo)線受安培力時，力F與磁場及導(dǎo)線都是垂直的，故A、C、D均錯，B正確3.如圖1所示，固定不動的絕緣直導(dǎo)線mn和可以自由移動的矩形線框abcd位于同一平面內(nèi)，mn與ad、bc邊平行且離ad邊較近當(dāng)導(dǎo)線mn中通以向上的電流，線框中通以順時針

15、方向的電流時，線框的運動情況是()圖1A向左運動B向右運動C以mn為軸轉(zhuǎn)動 D靜止不動答案B解析線框中通有電流，ad和bc兩導(dǎo)線同時受到通電導(dǎo)線mn的作用力，故可知B選項正確4如圖2所示，電磁炮是由電源、金屬軌道、炮彈和電磁鐵組成當(dāng)電源接通后，磁場對流過炮彈的電流產(chǎn)生力的作用，使炮彈獲得極大的發(fā)射速度下列各俯視圖中正確表示磁場B方向的是()圖2答案B5.如圖3所示，有一通電直導(dǎo)線放在蹄形電磁鐵的正上方，導(dǎo)線可以自由移動，當(dāng)電磁鐵線圈與直導(dǎo)線中通以圖示的電流時，有關(guān)直導(dǎo)線運動情況的說法中正確的是(從上往下看)()圖3A順時針方向轉(zhuǎn)動，同時下降B順時針方向轉(zhuǎn)動，同時上升C逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時下降D

16、逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時上升答案C解析在導(dǎo)線兩側(cè)取兩小段，左邊一小段所受的安培力方向垂直紙面向外，右側(cè)一小段所受安培力的方向垂直紙面向里，從上往下看，知導(dǎo)線逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動90度時，導(dǎo)線所受的安培力方向向下，所以導(dǎo)線的運動情況為逆時針轉(zhuǎn)動，同時下降故C正確，A、B、D錯誤6.通有電流的導(dǎo)線L1、L2處在同一平面(紙面)內(nèi)，L1是固定的，L2可繞垂直紙面的固定轉(zhuǎn)軸O轉(zhuǎn)動(O為L2的中心)，各自的電流方向如圖4所示下列哪種情況將會發(fā)生()圖4A因L2不受磁場力的作用，故L2不動B因L2上、下兩部分所受的磁場力平衡，故L2不動CL2繞軸O按順時針方向轉(zhuǎn)動DL2繞軸O按逆時針方向轉(zhuǎn)動答案D解析由右手螺旋

17、定則可知導(dǎo)線L1的上方的磁場的方向為垂直紙面向外，且離導(dǎo)線L1的距離越遠(yuǎn)的地方，磁場越弱，導(dǎo)線L2上的每一小部分受到的安培力方向水平向右，由于O點的下方磁場較強，則安培力較大，因此L2繞軸O按逆時針方向轉(zhuǎn)動，D選項對題組二對安培力公式FBILsin 的理解7.如圖5所示，磁場方向豎直向下，通電直導(dǎo)線ab由水平位置1繞a點在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)到位置2，通電導(dǎo)線所受安培力是()圖5A數(shù)值變大，方向不變B數(shù)值變小，方向不變C數(shù)值不變，方向改變D數(shù)值、方向均改變答案B解析安培力FBIL，電流不變，垂直直導(dǎo)線的有效長度減小，安培力減小，安培力的方向總是垂直B、I所構(gòu)成的平面，所以安培力的方向不變，B對，故選B

18、.8如圖6，一段導(dǎo)線abcd位于磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場中，且與磁場方向(垂直于紙面向里)垂直線段ab、bc和cd的長度均為L，且abcbcd135°.流經(jīng)導(dǎo)線的電流為I，方向如圖中箭頭所示導(dǎo)線段abcd所受到的磁場的作用力的合力()圖6A方向沿紙面向上，大小為(1)ILBB方向沿紙面向上，大小為(1)ILBC方向沿紙面向下，大小為(1)ILBD方向沿紙面向下，大小為(1)ILB答案A解析將導(dǎo)線分為三段直導(dǎo)線，根據(jù)左手定則分別判斷出各段所受安培力的方向，根據(jù)FILB計算出安培力的大小，再求合力導(dǎo)線所受合力F合ILB2BILsin 45°(1)ILB，方向沿紙面向上9如圖

19、7所示，傾斜導(dǎo)軌寬為L，與水平面成角，處在方向豎直向上、磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，金屬桿ab水平放在導(dǎo)軌上當(dāng)回路電流強度為I時，金屬桿ab所受安培力F()圖7A方向垂直ab桿沿斜面向上B方向垂直ab桿水平向右CFBILcos DFBILsin 答案B解析由題圖知電流方向由ba且與磁場方向垂直，根據(jù)左手定則可知安培力水平向右，由安培力計算公式可得FBIL，故選B.題組三通電導(dǎo)體受安培力作用的綜合問題分析10如圖8所示，一根有質(zhì)量的金屬棒MN，兩端用細(xì)軟導(dǎo)線連接后懸于a、b兩點，棒的中部處于方向垂直紙面向里的勻強磁場中，棒中通有電流，方向從M流向N，此時懸線上有拉力，為了使拉力等于零，可以()圖

20、8A適當(dāng)減小磁感應(yīng)強度B使磁場反向C適當(dāng)增大電流D使電流反向答案C解析首先對MN進(jìn)行受力分析：其受豎直向下的重力G、受兩根軟導(dǎo)線的豎直向上的拉力和安培力當(dāng)其處于平衡狀態(tài)時：2FBILmg，重力mg恒定不變，欲使拉力F減小到0，應(yīng)增大安培力BIL，所以可增大磁場的磁感應(yīng)強度B或增大通過金屬棒中的電流I，或二者同時增大，只有C項正確11.如圖9所示，一條形磁鐵放在水平桌面上，在條形磁鐵的左上方固定一根與磁鐵垂直的長直導(dǎo)線，當(dāng)導(dǎo)線中通以圖示方向的電流時(磁鐵始終未動)()圖9A磁鐵對桌面的壓力減小，且受到向左的摩擦力作用B磁鐵對桌面的壓力減小，且受到向右的摩擦力作用C磁鐵對桌面的壓力增大，且受到向左

21、的摩擦力作用D磁鐵對桌面的壓力增大，且受到向右的摩擦力作用答案C解析根據(jù)左手定則知導(dǎo)線受磁鐵的作用力斜向左上方，故由牛頓第三定律知，導(dǎo)線對磁鐵的反作用力應(yīng)斜向右下方，則一方面使磁鐵對桌面的壓力增大，一方面使磁鐵產(chǎn)生向右的運動趨勢，從而受到向左的摩擦力作用12.如圖10所示，用兩根輕細(xì)懸線將質(zhì)量為m、長為l的金屬棒ab懸掛在c、d兩處，置于勻強磁場內(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，所需的磁場的最小磁感應(yīng)強度的大小、方向為()圖10A.tan ，豎直向上B.tan ，豎直向下C.sin ，平行懸線向下D.sin ，平行懸線向上答案D解析要求所加磁場的磁感應(yīng)強度最小，應(yīng)使棒平衡時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Fminmgsin ，即IlBminmgsin ，得Bminsin ，方向應(yīng)平行于懸線向上故選D.