2020年高中物理(人教选修3-1)配套学案：第3章--学案4-通电导线在磁场中受到的力.docx

学案4通电导线在磁场中受到的力学习目标定位 1.知道安培力的概念，会用左手定则判定安培力的方向.2.学会用公式FBIL计算B与I垂直和平行两种状况下安培力的大小3.了解磁电式电流表的基本构造及工作原理一、安培力的方向通电导线在磁场中所受安培力的方向，与导线、磁感应强度的方向都垂直，它的方向可用左手定则判定：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向(如图1所示)图1二、安培力的大小垂直于磁场B放置、长为L的一段导线，当通过的电流为I时，它所受的安培力为FILB.当磁感应强度B的方向与导线的方向平行时，导线受力为0.当磁感应强度B的方向与导线方向成角时，导线受力为FILBsin_.三、磁电式电流表1磁电式仪表最基本的组成部分是磁铁和放在磁铁两极之间的线圈如图2所示，通电线圈在磁场中受到安培力而偏转线圈偏转的角度越大，被测电流就越大依据线圈偏转的方向，可以知道被测电流的方向图22磁电式仪表的优点是灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是线圈的导线很细，允许通过的电流很弱(几十微安到几毫安)一、安培力的方向问题设计依据如图3所示进行试验图3(1)上下交换磁极的位置以转变磁场方向，导线受力的方向是否转变？(2)转变导线中电流的方向，导线受力的方向是否转变？认真分析试验结果，说明安培力的方向与磁场方向、电流方向有怎样的关系？答案(1)受力的方向转变；(2)受力的方向转变；安培力的方向与磁场方向、电流方向的关系满足左手定则要点提炼1安培力方向、磁场方向、电流方向三者之间满足左手定则(1)FB，FI，即F垂直于B、I打算的平面(2)磁场方向和电流方向不愿定垂直用左手定则推断安培力方向时，磁感线只要从掌心进入即可，不愿定垂直穿过掌心2推断电流磁场方向用安培定则(右手螺旋定则)，确定通电导体在磁场中的受力方向用左手定则3推论：平行通电导线之间，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥二、安培力的大小问题设计1在定义磁感应强度时，让一小段通电导线放入磁场，可得FILB，此公式的适用条件是什么？答案导线垂直于磁场方向放置2当导线平行于磁场方向放置时，导线受力为多少？答案0.要点提炼1安培力大小的计算公式FILBsin_，为磁感应强度方向与导线方向的夹角(1)当90，即B与I垂直时，FILB；(2)当0即B与I平行时，F0.2当导线与磁场垂直时，弯曲导线的有效长度L，等于连接两端点直线的长度(如图4所示)；相应的电流沿L由始端流向末端图4延长思考如图5所示，导线与磁场方向的夹角为时，如何计算导线受力的大小？图5答案将B分解到平行导线方向和垂直导线方向的重量，分别争辩B的两个重量对导线的作用，可得出FILBsin .三、磁电式电流表问题设计1磁电式电流表的基本组成部分是什么？磁电式电流表的原理是什么？答案最基本的组成部分是磁铁和放在磁铁两极之间的线圈其原理是通电线圈在磁场中受安培力而转动2指针偏转的角度与通入的电流大小有怎样的关系？答案指针偏转的角度与通入的电流大小成正比3能否利用磁电式电流表确定电流方向？答案能线圈中的电流方向转变时，安培力的方向随着转变，指针的偏转方向也随着转变所以，依据指针的偏转方向，就可以确定被测电流的方向一、对安培力方向的判定例1画出图6中通电导体棒ab所受的安培力的方向(图中箭头方向为磁感线的方向)图6解析题目所给的图是立体图，假如直接把ab棒受到的安培力画在立体图上则较为抽象为了直观，一般画成平面图，图中的各个图从外向内看的正视平面图如图所示(此时导体ab是一个横截面图，表示电流向里，表示电流向外)，题图甲中，I与B打算的平面是与纸面垂直的竖直面，安培力方向与这个平面垂直，由左手定则知，安培力的方向为水平向右；题图乙中，I与B打算的平面是与水平方向成角的垂直纸面的平面，安培力方向与这个平面垂直，指向右下方；题图丙中，I和B打算的平面是垂直斜面的平面，安培力方向与斜面平行，指向右上方 甲乙丙答案见解析规律总结1.推断安培力的方向，要先明确磁场的方向和电流的方向，用左手定则推断，不要“习惯性”地用错右手实际上左手定则揭示了磁感应强度、电流、安培力这三个物理量方向之间的关系，知道其中任意两个方向，可以由安培定则推断第三个方向2分析安培力方向时，左手定则和安培定则往往同时使用，要特殊留意它们的不同：安培定则用来推断电流的磁场方向，用右手；左手定则用来推断电流的受力方向，用左手二、对安培力大小的计算例2长度为L、通有电流为I的直导线放入一匀强磁场中，电流方向与磁场方向如图所示，已知磁感应强度为B，对于下列各图中，导线所受安培力的大小计算正确的是()AFBILcos BFBILcos CFBILsin DFBILsin 解析A图中，导线不和磁场垂直，故将导线投影到垂直磁场方向上，故FBILcos ，A正确； B图中，导线和磁场方向垂直，故FBIL，B错误； C图中导线和磁场方向垂直，故FBIL，C错误；D图中导线和磁场方向垂直，故FBIL，D错误答案A规律总结1.当磁场方向与电流方向垂直时安培力FILB，假如磁场方向和电流方向不垂直，公式应变为FILB，B是B在垂直于电流方向的重量2假如通电导线是弯曲的，则要用其等效长度代入公式计算3假如是非匀强磁场，原则上把通电导线分为很短的电流元，对电流元用安培力公式，然后求矢量和例3如图7所示，长为2l的直导线折成边长相等、夹角为60的V形，并置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中，磁感应强度为B.当在该导线中通以电流强度为I的电流时，该V形通电导线受到的安培力大小为()图7A0B0.5BIlCBIlD2BIl解析V形通电导线的等效长度为图中虚线部分，所以FBIl，故选C.答案C三、通电导体的综合受力分析问题例4如图8所示，光滑导轨与水平面成角，导轨宽为L.有大小为B的匀强磁场，方向垂直导轨面，金属杆长为L，质量为m，水平放在导轨上当回路中通过电流时，金属杆正好能静止求：电流的大小为多大？磁感应强度的方向如何？图8解析在解这类题时必需画出截面图，只有在截面图上才能正确表示各力的精确方向，从而弄清各矢量方向间的关系由于B垂直轨道面，又金属杆处于静止状态，所以F必沿斜面对上，由左手定则知，B垂直导轨面对上画出金属杆的截面图如图所示，依据左手定则，这时B应垂直于导轨面对上，大小满足BILmgsin ，Imgsin /BL.答案mgsin /BL方向垂直导轨面对上方法点拨在实际分析中，安培力、电流方向以及磁场方向构成一个空间直角坐标系，在空间推断安培力的方向有很大的难度，所以在推断一些简洁的安培力方向时都会选择画侧视图的方法，这样使得难以理解的空间作图转化成易于理解的平面作图1(安培力的方向)把一小段通电直导线放入磁场中，导线受到安培力的作用，关于安培力的方向，下列说法中正确的是()A安培力的方向确定跟磁感应强度的方向相同B安培力的方向确定跟磁感应强度的方向垂直，但不愿定跟电流方向垂直C安培力的方向确定跟电流方向垂直，但不愿定跟磁感应强度方向垂直D安培力的方向既跟磁感应强度方向垂直，又跟电流方向垂直答案D解析安培力的方向既垂直于磁场方向，又垂直于电流方向，即垂直于磁场与电流所打算的平面，但电流方向与磁场方向不愿定垂直2. (安培力的方向判定)如图9所示，两条导线相互垂直，但相隔一段距离其中AB固定，CD能自由活动，当直线电流按图示方向通入两条导线时，导线CD将(从纸外向纸里看)()图9A顺时针方向转动同时靠近导线ABB逆时针方向转动同时离开导线ABC顺时针方向转动同时离开导线ABD逆时针方向转动同时靠近导线AB答案D解析据电流元分析法，把电流CD等效成CO、OD两段电流由安培定则画出CO、OD所在位置的AB电流的磁场，由左手定则可推断CO、OD受力如图甲所示，可见导线CD逆时针转动由特殊位置分析法，让CD逆时针转动90，如图乙，并画出CD此时位置AB电流的磁感线分布，据左手定则可推断CD受力垂直于纸面对里，可见导线CD靠近导线AB.3. (安培力大小的计算及方向推断)把长L0.15 m的导体棒置于磁感应强度B1.0102 T的匀强磁场中，使导体棒和磁场方向垂直，如图10所示，若导体棒中的电流I2.0 A，方向向左，则导体棒受到的安培力大小F_ N，安培力的方向为竖直向_(选填“上”或“下”)图10答案3103下解析由安培力公式得：FBIL1.01022.00.15 N3103 N，由左手定则可判定，安培力方向竖直向下4.(通电导体的综合受力分析问题)一根长L0.2 m的金属棒放在倾角37的光滑斜面上，并通过I5 A的电流，方向如图11所示，整个装置放在磁感应强度B0.6 T竖直向上的匀强磁场中，金属棒恰能静止在斜面上，则该棒的重力为多少？(sin 370.6)图11答案0.8 N解析从侧面对棒受力分析如图，安培力的方向由左手定则判出为水平向右，FILB50.20.6 N0.6 N.由平衡条件得重力mg0.8 N.题组一对安培力方向的判定1如图所示的匀强磁场中，已经标出了电流I和磁场B以及磁场对电流作用力F三者的方向，其中正确的是()答案C2关于通电导线所受安培力F的方向、磁感应强度B的方向和电流I的方向之间的关系，下列说法正确的是()AF、B、I三者必需保持相互垂直BF必需垂直B、I，但B、I可以不相互垂直CB必需垂直F、I，但F、I可以不相互垂直DI必需垂直F、B，但F、B可以不相互垂直答案B解析安培力F总是与磁感应强度B和电流I打算的平面垂直，但B与I(即导线)可以垂直，也可以不垂直，通电导线受安培力时，力F与磁场及导线都是垂直的，故A、C、D均错，B正确3.如图1所示，固定不动的绝缘直导线mn和可以自由移动的矩形线框abcd位于同一平面内，mn与ad、bc边平行且离ad边较近当导线mn中通以向上的电流，线框中通以顺时针方向的电流时，线框的运动状况是()图1A向左运动B向右运动C以mn为轴转动 D静止不动答案B解析线框中通有电流，ad和bc两导线同时受到通电导线mn的作用力，故可知B选项正确4如图2所示，电磁炮是由电源、金属轨道、炮弹和电磁铁组成当电源接通后，磁场对流过炮弹的电流产生力的作用，使炮弹获得极大的放射速度下列各俯视图中正确表示磁场B方向的是()图2答案B5.如图3所示，有一通电直导线放在蹄形电磁铁的正上方，导线可以自由移动，当电磁铁线圈与直导线中通以图示的电流时，有关直导线运动状况的说法中正确的是(从上往下看)()图3A顺时针方向转动，同时下降B顺时针方向转动，同时上升C逆时针方向转动，同时下降D逆时针方向转动，同时上升答案C解析在导线两侧取两小段，左边一小段所受的安培力方向垂直纸面对外，右侧一小段所受安培力的方向垂直纸面对里，从上往下看，知导线逆时针转动，当转动90度时，导线所受的安培力方向向下，所以导线的运动状况为逆时针转动，同时下降故C正确，A、B、D错误6.通有电流的导线L1、L2处在同一平面(纸面)内，L1是固定的，L2可绕垂直纸面的固定转轴O转动(O为L2的中心)，各自的电流方向如图4所示下列哪种状况将会发生()图4A因L2不受磁场力的作用，故L2不动B因L2上、下两部分所受的磁场力平衡，故L2不动CL2绕轴O按顺时针方向转动DL2绕轴O按逆时针方向转动答案D解析由右手螺旋定则可知导线L1的上方的磁场的方向为垂直纸面对外，且离导线L1的距离越远的地方，磁场越弱，导线L2上的每一小部分受到的安培力方向水平向右，由于O点的下方磁场较强，则安培力较大，因此L2绕轴O按逆时针方向转动，D选项对题组二对安培力公式FBILsin 的理解7.如图5所示，磁场方向竖直向下，通电直导线ab由水平位置1绕a点在竖直平面内转到位置2，通电导线所受安培力是()图5A数值变大，方向不变B数值变小，方向不变C数值不变，方向转变D数值、方向均转变答案B解析安培力FBIL，电流不变，垂直直导线的有效长度减小，安培力减小，安培力的方向总是垂直B、I所构成的平面，所以安培力的方向不变，B对，故选B.8如图6，一段导线abcd位于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，且与磁场方向(垂直于纸面对里)垂直线段ab、bc和cd的长度均为L，且abcbcd135.流经导线的电流为I，方向如图中箭头所示导线段abcd所受到的磁场的作用力的合力()图6A方向沿纸面对上，大小为(1)ILBB方向沿纸面对上，大小为(1)ILBC方向沿纸面对下，大小为(1)ILBD方向沿纸面对下，大小为(1)ILB答案A解析将导线分为三段直导线，依据左手定则分别推断出各段所受安培力的方向，依据FILB计算出安培力的大小，再求合力导线所受合力F合ILB2BILsin 45(1)ILB，方向沿纸面对上9如图7所示，倾斜导轨宽为L，与水平面成角，处在方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中，金属杆ab水平放在导轨上当回路电流强度为I时，金属杆ab所受安培力F()图7A方向垂直ab杆沿斜面对上B方向垂直ab杆水平向右CFBILcos DFBILsin 答案B解析由题图知电流方向由ba且与磁场方向垂直，依据左手定则可知安培力水平向右，由安培力计算公式可得FBIL，故选B.题组三通电导体受安培力作用的综合问题分析10如图8所示，一根有质量的金属棒MN，两端用细软导线连接后悬于a、b两点，棒的中部处于方向垂直纸面对里的匀强磁场中，棒中通有电流，方向从M流向N，此时悬线上有拉力，为了使拉力等于零，可以()图8A适当减小磁感应强度B使磁场反向C适当增大电流D使电流反向答案C解析首先对MN进行受力分析：其受竖直向下的重力G、受两根软导线的竖直向上的拉力和安培力当其处于平衡状态时：2FBILmg，重力mg恒定不变，欲使拉力F减小到0，应增大安培力BIL，所以可增大磁场的磁感应强度B或增大通过金属棒中的电流I，或二者同时增大，只有C项正确11.如图9所示，一条形磁铁放在水平桌面上，在条形磁铁的左上方固定一根与磁铁垂直的长直导线，当导线中通以图示方向的电流时(磁铁始终未动)()图9A磁铁对桌面的压力减小，且受到向左的摩擦力作用B磁铁对桌面的压力减小，且受到向右的摩擦力作用C磁铁对桌面的压力增大，且受到向左的摩擦力作用D磁铁对桌面的压力增大，且受到向右的摩擦力作用答案C解析依据左手定则知导线受磁铁的作用力斜向左上方，故由牛顿第三定律知，导线对磁铁的反作用力应斜向右下方，则一方面使磁铁对桌面的压力增大，一方面使磁铁产生向右的运动趋势，从而受到向左的摩擦力作用12.如图10所示，用两根轻细悬线将质量为m、长为l的金属棒ab悬挂在c、d两处，置于匀强磁场内当棒中通以从a到b的电流I后，两悬线偏离竖直方向角而处于平衡状态为了使棒平衡在该位置上，所需的磁场的最小磁感应强度的大小、方向为()图10A.tan ，竖直向上B.tan ，竖直向下C.sin ，平行悬线向下D.sin ，平行悬线向上答案D解析要求所加磁场的磁感应强度最小，应使棒平衡时所受的安培力有最小值由于棒的重力恒定，悬线拉力的方向不变，由画出的力的三角形可知，安培力的最小值为Fminmgsin ，即IlBminmgsin ，得Bminsin ，方向应平行于悬线向上故选D.13.水平面上有电阻不计的U形导轨NMPQ，它们之间的宽度为L，M和P之间接入电动势为E的电源(不计内阻)现垂直于导轨搁一根质量为m、电阻为R的金属棒ab，并加一个范围较大的匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向与水平面夹角为且指向右上方，如图11所示，问：图11(1)当ab棒静止时，受到的支持力和摩擦力各为多少？(2)若B的大小和方向均能转变，则要使ab棒所受支持力为零，B的大小至少为多少？此时B的方向如何？答案(1)mg(2)方向水平向右解析从b向a看侧视图如图所示(1)水平方向：FfF安sin 竖直方向：FNF安cos mg又F安BILBL联立得：FNmg，Ff.(2)要使ab棒受支持力为零，且让磁场最小，可知安培力竖直向上，则有F安mgBmin，依据左手定则判定磁场方向水平向右14.如图12所示，在与水平方向夹角为60的光滑金属导轨间有一电源，在相距1 m的平行导轨上放一质量为m0.3 kg的金属棒ab，通以从ba、I3 A的电流，磁场方向竖直向上，这时金属棒恰好静止求：图12(1)匀强磁场磁感应强度的大小；(2)ab棒对导轨的压力(g10 m/s2)答案(1)1.73 T(2)6 N，方向垂直斜面对下解析金属棒ab中电流方向由ba，它所受安培力方向水平向右，它还受竖直向下的重力，垂直斜面斜向上的支持力，三力合力为零，由此可以求出安培力，从而求出磁感应强度B的大小，再求出ab棒对导轨的压力(1)ab棒静止，受力状况如图所示，沿斜面方向受力平衡，则mgsin 60BILcos 60B T1.73 T.(2)ab棒对导轨的压力为：FNFN N6 N，方向垂直斜面对下