粵教版物理選修3-1三維設(shè)計(jì) 3.4安培力的應(yīng)用(可自主編輯)

1．原理直流電動(dòng)機(jī)是利用__________使通電線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的。2．優(yōu)點(diǎn)通過改變__________來調(diào)節(jié)它的轉(zhuǎn)速。[自讀教材·抓基礎(chǔ)]

第四節(jié)

安培力的應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)安培力輸入電壓通電以后，電動(dòng)機(jī)為什么會轉(zhuǎn)動(dòng)呢？提示：通電的線圈在磁場內(nèi)受到了安培力的作用。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(想一想)

1．直流電動(dòng)機(jī)的原理如圖3－4－1所示，在線圈中通以直流電流，矩形線圈在磁場力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)行。[跟隨名師·解疑難]

圖3－4－1

2．結(jié)構(gòu)及原理分析如圖3－4－2所示。圖3－4－2直流電動(dòng)機(jī)

(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)不受力，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)不受力，由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；然后，線圈重復(fù)以上過程轉(zhuǎn)動(dòng)下去。下列關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)的說法，錯(cuò)誤的是(

)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)是依靠磁場對電流的作用工作的D．直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)也會有發(fā)熱現(xiàn)象，是電流的熱效應(yīng)解析：選B從能量角度來看直流電動(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對電流的作用。但由于線圈有一定的電阻，直流電動(dòng)機(jī)在工作過程中會產(chǎn)生一定的焦耳熱。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)

(1)電流表是測量__________的電學(xué)儀器，我們在實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常使用的電流表是__________電流表。(2)不論是電動(dòng)機(jī)，還是磁電式電流表，都是磁場中的線圈受到安培力作用而旋轉(zhuǎn)起來的，線圈所在的磁場是__________分布的，這樣做的目的是任何位置線圈都與磁感線__________。[自讀教材·抓基礎(chǔ)]

磁電式電表電流磁電式均勻輻射平行(3)對于磁電式電流表，我們根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)角度的大小可以知道被測電流的強(qiáng)弱，這是因?yàn)榇艌鰧﹄娏鞯淖饔昧Ω娏鞒蒧_________，因而線圈中的電流越大，安培力的轉(zhuǎn)動(dòng)作用也越________，線圈和指針偏轉(zhuǎn)的角度也就越________。正比大大若磁電式儀表的指針只能從左向右偏，使用時(shí)，正負(fù)極能不能接反？若指針在中間呢？提示：不能。正負(fù)極接反后，電流方向與正常相反，指針向左偏，容易損壞電表。若指針在中間，正負(fù)極接反影響不大。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(想一想)

1．電流表中磁鐵與鐵芯之間的磁場是均勻輻射分布的所有磁感線的延長線都通過鐵芯的中心，

不管線圈處于什么位置，線圈平面與磁感線之間的夾角都是零度。該磁場并非勻強(qiáng)磁場，但在以鐵芯為中心的圓圈上，各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小是相等的。[跟隨名師·解疑難]

2．電流表的工作原理如圖3－4－3矩形線框兩條邊所受安培力大小相等，方向相反，大小為F＝BIL，但兩力不在一條直線上，兩個(gè)力形成一對力偶，設(shè)兩力間距為d，則安培力矩M＝F·d＝BIL·d＝BIS(其中S為線圈面積)。

圖3－4－3電流表的工作原理

從公式中可以看出：(1)對于同一電流表N、B、S和k為不變量，所以θ∝I，可見θ與I一一對應(yīng)，從而用指針的偏角來測量電流強(qiáng)度I的值；(2)因?yàn)棣取豂，θ隨I的變化是線性的，所以表盤的刻度是均勻的。(多選)關(guān)于磁電式電流表，下列說法中正確的有(

)A．電流表的線圈處于勻強(qiáng)磁場中B．電流表的線圈處于均勻輻向磁場中C．電流表的線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安培力大小不變D．電流表指針的偏轉(zhuǎn)角與所測電流成反比解析：選BC電流表的線圈所處的磁場并非是勻強(qiáng)磁場，是均勻輻向磁場，線圈兩條邊所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相同，但方向不同，而且離轉(zhuǎn)動(dòng)軸距離不同的位置其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小也不同，所以不是勻強(qiáng)磁場。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)

1．如圖3－4－4甲所示是磁電式電流表的結(jié)構(gòu)圖，圖3－4－4乙是磁極間的磁場分布圖，以下選項(xiàng)中正確的是(

)[典題例析]

磁電式電流表原理的理解圖3－4－4

①指針穩(wěn)定后，線圈受到螺旋彈簧的力矩與線圈受到的磁力矩方向是相反的②通電線圈中的電流越大，電流表指針偏轉(zhuǎn)的角度也越大③在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍內(nèi)，各處的磁場都是勻強(qiáng)磁場④在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍內(nèi)，線圈所受磁力矩與電流有關(guān)，而與所處位置無關(guān)A．①②

B．③④C．①②④

D．①②③④[思路點(diǎn)撥]

輻射狀磁場保證了線圈轉(zhuǎn)動(dòng)到任何位置，其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩都不受B和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響，而只與電流有關(guān)。[解析]

當(dāng)阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩增大到與安培力產(chǎn)生的使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩平衡時(shí)，線圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即兩力矩大小相等、方向相反，故①正確。磁電式電流表蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是均勻輻向分布的，不管線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感線平行，均勻輻向分布的磁場特點(diǎn)是大小相等、方向不同，故③錯(cuò)，④正確。電流越大，電流表指針偏轉(zhuǎn)的角度也越大，故②正確。故C正確。[答案]

C2．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)角度的大小。偏角越大，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)[跟蹤演練]

解析：選B通電線圈在磁場中轉(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)。分析導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)情況的幾種常用方法(1)電流元法。把整段電流等效為多段直線電流元，先用左手定則判斷出每小段電流元所受安培力的方向，從而判斷整段電流所受合力方向，最后確定運(yùn)動(dòng)方向。安培力作用下通電導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)(2)特殊位置法。把電流或磁鐵轉(zhuǎn)到一個(gè)便于分析的特殊位置后再判斷安培力的方向，從而確定運(yùn)動(dòng)方向。(3)等效法。環(huán)形電流和通電螺線管都可以等效成條形磁鐵，條形磁鐵也可以等效成環(huán)形電流或通電螺線管，通電螺線管也可以等效成很多匝的環(huán)形電流來分析。1．如圖3－4－5所示，把輕質(zhì)導(dǎo)電線圈用絕緣細(xì)線懸掛在磁鐵N極附近，磁鐵的軸線穿過線圈的圓心且垂直于線圈平面，當(dāng)線圈內(nèi)通入如圖方向的電流后，則線圈(

)A．向左運(yùn)動(dòng)

B．向右運(yùn)動(dòng)C．靜止不動(dòng)

D．無法確定[思路點(diǎn)拔]

此題可以采用等效法，也可以采用電流元法。[典題例析]圖3－4－5

[解析]

方法一：等效法。把通電線圈等效成小磁針。由安培定則可知，線圈等效成小磁針后，左端是S極，右端是N極，異名磁極相吸引，線圈向左運(yùn)動(dòng)。方法二：電流元法。如圖所示，取其中的上、下兩小段分析，根據(jù)其中心對稱性，線圈所受安培力的合力水平向左，故線圈向左運(yùn)動(dòng)。[答案]

A判斷導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)情況的常規(guī)思路(1)不管是電流還是磁體，對通電導(dǎo)體的作用都是通過磁場來實(shí)現(xiàn)的，因此必須要清楚導(dǎo)體所在位置的磁場分布情況。(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。[探規(guī)尋律]2．螺線管正中間的上方懸掛一個(gè)通有順時(shí)針方向電流的小線圈，線圈的平面與螺線管的軸線在同一豎直面內(nèi)，如圖3－4－6所示。當(dāng)開關(guān)S合上時(shí)(一小段時(shí)間內(nèi))，從上方俯視，線圈應(yīng)該(

)[跟蹤演練]

圖3－4－6

A．順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)向左移動(dòng)B．逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)向右移動(dòng)C．順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)懸線的拉力減小D