人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案：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)PAGEPAGE1第1節(jié)磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力學(xué)習(xí)目標(biāo)要求核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究安培力的方向與電流的方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向之間的關(guān)系。2.掌握安培力的公式F＝IlBsinθ，并會(huì)進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。3.了解磁電式電流表的構(gòu)造及其工作原理。1.科學(xué)思維掌握安培力作用下導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的分析方法，運(yùn)用矢量合成思維對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度和安培力進(jìn)行合成。2.科學(xué)探究通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得到安培力的方向。3.關(guān)鍵能力科學(xué)探究能力和空間思維能力。一、安培力的方向1．安培力通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受的力。2．影響因素(1)磁場(chǎng)方向。(2)電流方向。(3)安培力方向與磁場(chǎng)方向、電流方向的關(guān)系：安培力F垂直于導(dǎo)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度決定的平面。3．左手定則伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(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)中所受安培力方向?！寂幸慌小?1)通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中一定會(huì)受到安培力的作用。(×)(2)判斷電流的磁場(chǎng)方向用安培定則(右手螺旋定則)，確定通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向用左手定則。(√)(3)通電導(dǎo)線所受安培力F的方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向和電流I的方向三者必須保持相互垂直。(×)二、安培力的大小1．通電導(dǎo)線的方向跟磁場(chǎng)的方向垂直時(shí)，安培力最大，F(xiàn)＝IlB。2．通電導(dǎo)線的方向跟磁場(chǎng)的方向平行時(shí)，安培力最小，F(xiàn)＝0。3．通電導(dǎo)線的方向跟磁場(chǎng)的方向夾角為θ時(shí)，把磁感應(yīng)強(qiáng)度B分解為與導(dǎo)線垂直的分量B⊥和與導(dǎo)線平行的分量B∥，如圖所示。則B⊥＝Bsinθ，B∥＝Bcosθ。導(dǎo)線所受的安培力是B⊥產(chǎn)生的，F(xiàn)＝IlBsin__θ?！寂幸慌小?1)若勻強(qiáng)磁場(chǎng)中磁感應(yīng)強(qiáng)度為B＝1T，導(dǎo)線中的電流I＝1A，導(dǎo)線長(zhǎng)度l＝1m，則安培力F＝1N。(×)(2)若通電導(dǎo)線在某處不受安培力，則該處磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零。(×)(3)若通電導(dǎo)線在某處受到的安培力不為零，則此處的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定不為零。(√)三、磁電式電流表1．基本構(gòu)造：磁鐵、線圈、螺旋彈簧、指針、極靴、鐵質(zhì)圓柱等。2．工作原理：通電線圈因受安培力而轉(zhuǎn)動(dòng)。(1)通電線圈在磁場(chǎng)中受安培力作用發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。螺旋彈簧變形，反抗線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。(2)電流越大，安培力就越大，螺旋彈簧的形變就越大，線圈偏轉(zhuǎn)的角度也越大，所以根據(jù)線圈偏轉(zhuǎn)角度就能判斷通過(guò)電流的大小。(3)根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測(cè)電流的方向。3．優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可以測(cè)出很弱的電流；缺點(diǎn)是線圈的導(dǎo)線很細(xì)，允許通過(guò)的電流很弱。探究1安培力的方向■情境導(dǎo)入如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，通電導(dǎo)線懸掛放置在蹄形磁鐵之間，改變磁極方向或電流方向，觀察導(dǎo)線擺動(dòng)的方向。思考并探究下面的問(wèn)題：(1)上下交換磁極的位置以改變磁場(chǎng)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？(3)仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明安培力的方向與磁場(chǎng)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；(3)安培力的方向與磁場(chǎng)方向、電流方向的關(guān)系滿足左手定則?！鰵w納拓展1．方向特點(diǎn)安培力的方向既垂直于電流方向，也垂直于磁場(chǎng)方向，即安培力的方向垂直于電流I和磁場(chǎng)B所決定的平面。(1)當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，安培力方向、磁場(chǎng)方向、電流方向兩兩垂直，應(yīng)用左手定則時(shí)，磁感線垂直穿過(guò)掌心。(2)當(dāng)電流方向與磁場(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)用左手定則時(shí)，磁感線斜著穿過(guò)掌心。2．重要結(jié)論同向電流相互吸引，反向電流相互排斥?！祭?〗(2021·江蘇淮安市高二期末)如圖，通電導(dǎo)線MN與單匝矩形線圈abcd共面，位置靠近ab且相互絕緣。當(dāng)線圈abcd通以逆時(shí)針電流時(shí)，線圈所受安培力的合力方向()A．向左 B．向右C．垂直紙面向外 D．垂直紙面向里〖答案〗A〖解析〗根據(jù)安培定則，圖中直導(dǎo)線MN在右側(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，在左側(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外，矩形線圈的bc邊、ad邊電流方向相反，故安培力等大相反；根據(jù)左手定則，ab、cd所受安培力都向左，所以abcd受到的合力向左，故選項(xiàng)A正確?！坚槍?duì)訓(xùn)練1〗(2021·山西大同市高二期末)如圖所示，鋁盤內(nèi)、外側(cè)邊緣分別與直流電源的兩極相連，盤中倒入水銀。將盤放在豎直方向的磁場(chǎng)中，當(dāng)接通電源時(shí)，盤中水銀轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。下列判斷正確的是()A．若盤的外邊緣接負(fù)極，當(dāng)磁場(chǎng)方向向上時(shí)水銀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)B．若盤的外邊緣接正極，當(dāng)磁場(chǎng)方向向上時(shí)水銀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)C．若盤的外邊緣接負(fù)極，當(dāng)磁場(chǎng)方向向下時(shí)水銀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)D．若盤的外邊緣接正極，當(dāng)磁場(chǎng)方向向下時(shí)水銀逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)〖答案〗A〖解析〗當(dāng)接通電源，盤的外邊緣接負(fù)極時(shí)水銀中有由內(nèi)向外的輻向電流，當(dāng)磁場(chǎng)方向向上時(shí)，據(jù)左手定則可判斷水銀受到順時(shí)針?lè)较虻陌才嗔Γ仕y順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，A正確；同理可知，B、C中水銀應(yīng)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，D中的水銀應(yīng)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，B、C、D錯(cuò)誤。探究2安培力的大小1．公式F＝IlBsinθ中θ是B和I方向的夾角(1)當(dāng)θ＝90°時(shí)，即B⊥I，sinθ＝1，公式變?yōu)镕＝IlB。(2)當(dāng)θ＝0°時(shí)，即B∥I，F(xiàn)＝0。2．公式F＝IlBsinθ中l(wèi)指的是導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的“有效長(zhǎng)度”，彎曲導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度l，等于連接兩端點(diǎn)直線的長(zhǎng)度(如圖所示)；相應(yīng)的電流沿導(dǎo)線由始端流向末端。3．重要推論：對(duì)任意形狀的閉合平面線圈，當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，線圈的有效長(zhǎng)度l＝0，故通電后線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中所受安培力的矢量和一定為零，如圖所示?！祭?〗如圖，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中放有下列各種形狀的通電導(dǎo)線，電流強(qiáng)度為I，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，求各導(dǎo)線所受到的安培力的大小?！即鸢浮紽A＝ILBcosαFB＝ILBFC＝eq\r(2)ILBFD＝2IRBFE＝0〖解析〗A圖中，F(xiàn)A＝ILBcosα；B圖中，導(dǎo)線在紙平面內(nèi)，因此B⊥I，故FB＝ILB；C圖中是兩根導(dǎo)線組成的折線abc，整體受力實(shí)質(zhì)上是兩部分直導(dǎo)線分別受力的矢量和，其有效長(zhǎng)度為ac(即從a→c的電流)，故FC＝eq\r(2)ILB；D圖中是沿a→b的半圓形電流，其有效長(zhǎng)度為ab，則FD＝2IRB；E圖中，用導(dǎo)線將abc接通形成閉合線圈，線圈受力的矢量和為零，故合力為零，所以，閉合的通電線圈受安培力為零，則FE＝0?！坚槍?duì)訓(xùn)練2〗(2021·江蘇無(wú)錫市高二期末)如圖所示，將三根完全相同長(zhǎng)為L(zhǎng)的導(dǎo)體棒連接成一閉合的三角形線框abc，大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于線框平面向里(圖中未畫出)。用導(dǎo)線將a、c兩點(diǎn)接入電流恒為I的電路中，則下列說(shuō)法正確的是()A．線框所受安培力的大小等于0B．線框所受安培力的大小等于ILBC．a(chǎn)b邊與bc邊所受安培力相同D．a(chǎn)c邊所受安培力的大小等于eq\f(1,2)ILB〖答案〗B〖解析〗根據(jù)題意可判斷abc與ac為并聯(lián)關(guān)系，電流方向相同，根據(jù)左手定則判斷安培力不為0，A錯(cuò)誤；根據(jù)并聯(lián)電路電流之比等于電阻的反比，所以abc與ac中流過(guò)的電流之比為1∶2，可將abc等效成ac的直導(dǎo)線，故線框受到的安培力為F＝eq\f(2,3)ILB＋eq\f(1,3)ILB＝ILB，B正確；ab與bc邊長(zhǎng)度相等，電流大小相等，但根據(jù)左手定則可知，安培力的方向不同，大小相同，C錯(cuò)誤；根據(jù)安培力公式可知Fac＝eq\f(2,3)ILB，D錯(cuò)誤。探究3磁電式電流表〖例3〗如圖甲所示是磁電式電流表的結(jié)構(gòu)圖，蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場(chǎng)均勻輻向分布。線圈中a、b兩條邊長(zhǎng)度均為l，未通電流時(shí)，a、b處于圖乙所示位置，兩條邊所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B。通電后，a邊中電流方向垂直紙面向外，大小為I，則()A．該磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng)B．線圈平面總與磁場(chǎng)方向垂直C．線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)D．a(chǎn)邊受到的安培力大小始終為IlB〖答案〗D〖解析〗磁場(chǎng)均勻輻向分布，磁場(chǎng)方向與鐵芯垂直，但不是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，A錯(cuò)誤；由于磁場(chǎng)是輻向磁場(chǎng)，線圈平面與磁場(chǎng)方向始終平行，B錯(cuò)誤；根據(jù)左手定則，在圖中位置，a邊受力方向向上，b邊受力方向向下，線圈將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，C錯(cuò)誤；由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，a邊始終與磁場(chǎng)垂直，因此受到的安培力大小始終為IlB，D正確?！坚槍?duì)訓(xùn)練3〗(多選)下列關(guān)于磁電式電流表的說(shuō)法中正確的是()A．指針?lè)€(wěn)定后，螺旋彈簧形變產(chǎn)生的阻力與線圈所受的安培力方向相反B．通電線圈中的電流越大，電流表指針的偏轉(zhuǎn)角度越大C．在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍內(nèi)，各處的磁場(chǎng)都是勻強(qiáng)磁場(chǎng)D．在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍內(nèi)，線圈所受安培力大小與電流大小有關(guān)，與所處位置無(wú)關(guān)〖答案〗ABD〖解析〗螺旋彈簧形變產(chǎn)生的阻力與安培力引起的動(dòng)力從轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)看二力方向相反；電流表內(nèi)磁場(chǎng)是均勻輻射磁場(chǎng)，在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍內(nèi)，不管線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感線平行，線圈所在各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，但方向不同，所以安培力與電流大小有關(guān)而與所處位置無(wú)關(guān)，電流越大，安培力越大，指針轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，則A、B、D正確，C錯(cuò)誤。1．(安培力的方向)關(guān)于磁場(chǎng)方向、電流方向、安培力方向三者之間的關(guān)系，正確的說(shuō)法是()A．磁場(chǎng)方向、電流方向、安培力方向三者之間總是互相垂直的B．磁場(chǎng)方向一定與安培力方向垂直，但電流方向不一定與安培力方向垂直C．磁場(chǎng)方向不一定與安培力方向垂直，但電流方向一定與安培力方向垂直D．磁場(chǎng)方向不一定與電流方向垂直，但安培力方向一定既與磁場(chǎng)方向垂直，又與電流方向垂直〖答案〗D〖解析〗電流放入磁場(chǎng)中，不管電流與磁場(chǎng)是否垂直，安培力均垂直于磁場(chǎng)和電流所確定的平面，即安培力總是垂直于磁場(chǎng)方向和電流方向。故A、B、C均錯(cuò)誤，D正確。2．(安培力的大小和方向)(2021·福建南平市高二期末)已知南平市區(qū)地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量為B1，豎直分量為B2，市區(qū)南北走向的街道有一小段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的地下電纜，通有電流大小為I，方向自南向北的電流，則此時(shí)這段地下電纜受到地磁場(chǎng)對(duì)它的安培力大小和方向分別為()A.eq\r(Beq\o\al(2,1)＋Beq\o\al(2,2))IL，方向水平向東B．B2IL，方向水平向西C．B1IL，方向豎直向上D.eq\r(Beq\o\al(2,1)＋Beq\o\al(2,2))IL，方向豎直向下〖答案〗B〖解析〗安培力大小為FA＝B2IL，由左手定則可知，安培力方向水平向西，故選項(xiàng)B正確。3．(安培力的大小)如圖所示四種情況中，勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，載流導(dǎo)體長(zhǎng)度相同，通過(guò)的電流也相同，導(dǎo)體受到的安培力最大，且方向沿著紙面的情況是()A．甲、乙 B．甲、丙C．乙、丁 D．乙、丙〖答案〗C〖解析〗對(duì)于甲圖，安培力F＝BILcos30°，方向垂直紙面向里；對(duì)于乙圖，安培力F＝BIL，方向沿紙面向下；對(duì)于丙圖，安培力F＝0；對(duì)于丁圖，安培力F＝BIL，方向垂直導(dǎo)體沿紙面斜向上。故選項(xiàng)C正確。4．(磁電式電流表)(多選)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的電流表是磁電式電流表。這種電流表的構(gòu)造如圖甲所示。蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場(chǎng)是均勻輻向分布的。若線圈中通以如圖乙所示的電流，則下列說(shuō)法中正確的是()A．在量程內(nèi)指針轉(zhuǎn)至任一角度，線圈平面都跟磁感線平行B．線圈轉(zhuǎn)