物理：3[1].4《磁场对通电导线的作用力》课件(新人教版选修3-1)

第三章《磁场》第四节《磁场对通电导线的作用力》教学目标•（一）知识与技能•1、知道安培力，掌握左手定则•2、应用F=BILsinθ解答有关问题.•3、了解磁电式电流表的内部构造的原理。•（二）过程与方法•通过演示、分析、归纳、运用使学生理解安培力的方向和大小的计算。培养学生的间想像能力。•（三）情感态度与价值观•使学生学会由个别事物的个性来认识一般事物的共性的认识事物的一种重要的科学方法.并通过对磁电式电流表的内部构造的原理了解，感受物理知识之间的联系。•二、重点与难点：•重点：安培力的方向、大小。•难点：左手定则的运用。•三、教具：磁铁、电源、金属杆、导线、铁架台、滑动变阻器、多媒体。I仔细观察以下四个演示实验，考虑电流方向、磁场方向、导线所受安培力方向的关系：演示实验一：演示：通电导线在磁场中受到的力---安培力IBF一、安培力的方向II演示实验二：在演示实验一的基础上,保持磁极的位置（方向）不变，改变电流的方向：FIBI演示实验三：在演示实验一的基础上，保持电流的方向不变，对调磁极的位置（方向）：FIBII演示实验四：在演示实验一的基础上，同时改变电流的方向和对调磁极的位置（方向）：IBFIBIBIBIB一、安培力的方向左手定则伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一平面内;让磁感应线从掌心进入,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FFFF注意：安培力方向既与电流方向垂直又与磁场方向垂直，即安培力方向垂直于电流和磁场所在的平面一、安培力的方向BBIFBBIBFIBααBBIαBI判定以下通电导线所受安培力的方向30°FIIIBBBFFF问题：如图所示，两条平行的通电直导线之间会通过磁场发生相互作用用学过的知识画图分析判断同向电流相互吸引。反向电流相互排斥。结论:FFF同向电流F反向电流MNPQMNMNPQPQ（1）在匀强磁场中，在通电直导线与磁场方向垂直的情况下，导线所受安培力F等于磁感应强度B、电流I和导线的长度L三者的乘积。问题:如果既不平行也不垂直呢？二、安培力的大小即：F=ILB（2）平行时：F＝0BθIIB0o0F90OFIBL把磁感应强度B分解为两个分量：一个分量与导线垂直B1=Bsinθ另一分量与导线平行B2=Bcosθ平行于导线的分量B2不对通电导线产生作用力，通电导线所受作用力仅由B1决定即F=ILB1F=ILBsinθθB2B1二、安培力的大小将B1=Bsinθ代入得通电直导线与磁场方向不垂直的情况BθI公式：F=ILBsinθθ表示磁场方向与电流方向间的夹角在中学阶段，此公式仅适用于匀强磁场二、安培力的大小问题:若B与I不垂直时，F安与B和I方向关系？表示垂直于纸面向外安培力方向既与电流方向垂直又与磁场方向垂直，即垂直于电流和磁场所在的平面IBθB2B1BθI00.02NF水平向右0.02NF垂直导线斜向左上方例1：将长度为20cm、通有0.1A电流的直导线放入一匀强磁场中，电流与磁场的方向如图所示，已知磁感应强度为1T。试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向IBIB30°IBB30°I0.01NF垂直磁场向内例2、如图所示，导线abc为垂直折线,其中电流为I,ab=bc=L,导线拓在的平面与匀强磁场垂直,匀强磁场的磁感应强度为B,求导线abc所受安培力的大小和方向.cbaBILFabc2BILFabBILFbc小结：1、弯曲通电导体有效长度L为首尾相连有向线段沿垂直于磁场方向上的投影。abFbcF分析：2、匀强磁场垂直封闭通电导体平面，导体所受安培力的合力为零。BacbI例3：如图所示，直角三角形abc组成的导线框内通有电流I＝1A，并处在方向竖直向下的匀强磁场B＝2T中，ac=40cm，，求三角形框架各边所受的安培力。oa30NFbc0cos0.430.69abacacabFFBILBILNNab垂直纸面向内,cd垂直纸面向外分析：三、磁电式电流表1、构造：蹄形磁铁、线圈、螺旋弹簧、刻度盘、指针、极靴（软铁制成）、圆柱形铁芯（软铁制成）。铁芯、线圈和指针是一个整体可以转动。.2、磁场特点：磁场是均匀辐向分布在以铁芯为中心的圆周上，各点的磁感应强度大小是相等，方向不同。属于非匀强磁场线圈平面与磁感线总平行.3、原理跟轴平行的通电线圈两边受到安培力与磁场方向垂直，安培力矩使线圈转动时，螺旋弹簧力矩阻碍线圈转动。当阻碍线圈转动的力矩与安培力矩平衡时，有NBIS=Kθ，θ与I成正比，表盘刻度是均匀。【说明】当电流方向改变时，安培力的方向也改变，指针的偏转方向也改变，可确定电流的方向。例：（2010理科综合）23题电流表读数0.660mAF例1、在图中，匀强磁场磁感应强度为B，有一段长L，通有电流为I的直导线ab，电流方向从a到b，则导线所受磁场力大小和方向如何？并将立体图改画为平面受力图。ααBαbazxyBOBabαFBααBFαBxy题型一、左手定则的应用方法：从导线截面将立体图转化为的平面受力图例2、如下图所示，把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面，当线圈内通入如图方向的电流后判断线圈如何运动？解析：(1)电流元法：可以把圆形线圈分成很多小段，每一小段可以看作一段直线电流，取其中的上下两小段分析。NSNSBB截面受安培力如图，根据对称性，线圈所受安培力的合力水平向左，故线圈向磁铁运动。题型二、安培力作用下的动态分析SN等效分析法：a.环形电流可等效为小磁针。NSNSb.也可将条形磁铁等效为环形电流方向如图,由同向平行电流相互吸引。则磁铁和线圈相互吸引，线圈将向磁铁运动。同步2-1、把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁磁极的正上方，导线可以自由转动，当导线通入图示方向电流I时，导线的运动情况是(从上往下看)A.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IF(2)特殊位置法：把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置后再判断安培力方向，从而确定运动方向．答案为C.逆时针方向转动，同时下降解析：(1)电流元法：即把整段电流等效为多段直线电流元，先用左手定则判断出每小段电流元所受安培力的方向，从而判断整段电流所受合力方向，最后确定运动方向．FIF同步2-2、两条导线互相垂直，但相隔一小段距离，其中ab固定，cd可以自由活动，当通以如图所示电流后，cd导线将（）abcdD解析：先画ab电流磁场，再判断cd左右两边受安培力如图。A.顺时针方向转动，同时靠近abB.逆时针方向转动，同时离开abC.顺时针方向转动，同时离开abD.逆时针方向转动，同时靠近abFFI推论分析法：FF’同向电流相互吸引。小结：安培力作用下动态分析方法(1)电流元法：(2)特殊位置法：(3)等效法：(4)推论法：①两电流相互平行时无转动趋势，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥；②两电流不平行时，有转动到相互平行且电流方向相同的趋势．NSIFBF’例、如图所示，条形磁铁静止在水平面上，右上方有一固定通电直导线方向垂直纸面向外，讨论：磁铁是否受地面摩擦力？支持力是否等于重力？题型三、安培力作用下物体的平衡方法小结：转换研究对象法fFNmg解析：f=FX’方向水平向左，FN=mg+FY’例3.如图所示，在与水平方向成60°角的光滑金属导轨间连一电源，在相距1m的平行导轨上放一重为3N的金属棒ab，棒上通以3A的电流，磁场方向竖直向上，这时棒恰好静止，求：(1)匀强磁场的磁感应强度；(2)ab棒对导轨的压力.题型三、安培力作用下物体的平衡解析：(1)棒ab的受力如图，mg与BIL的合力与FN是一对平衡力，(2)ab棒对导轨的压力支持力N大小相等6cosNmgFN图8-1-14FN33mgBTIL即BIL=mgtanθ，解得：多变:若要使B的取值最小,其方向应如何调整?并求出最小值.图8-1-14FNB方法小结：利用力的三角形法则求临界问题。同步3-1、如图所示，在倾角为θ的光滑斜面上，垂直纸面水平放置一根长为L、质量为m的通电直导线，电流方向垂直纸面向里，欲使导线静止在斜面上，外加磁场，磁感应强度的大小和方向可以是()A.B=mgsinθ/IL，方向垂直斜面向上B.B=mgtan/IL，方向竖直向上C.B=mg/IL，方向水平向左D.B=mgcosθ/IL，方向水平向左θIABC题型三、安培力作用下物体的平衡mgθBFNB题型四、安培力与电学、力学综合【例4】如图所示，质量为m的铜棒搭在U形导线框右端，棒长和框宽均为L，磁感应强度为B的匀强磁场方向竖直向下。电键闭合后，在磁场力作用下铜棒被平抛出去，下落h后的水平位移为s。求闭合电键后通过铜棒的电荷量Q。Bhs02sgvsth由平抛规律初速度，:2msgQBLh解得解：闭合电键后的极短时间内，铜棒受向右的冲量BILΔt=mv0，即：BLQ=mv0，同步4-1、如图甲所示，质量为m=50g，长l=10cm的铜棒，用长度亦为l的两根轻软导线水平悬吊在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度B=0.5T。未通电时，轻线在竖直方向，通入恒定电流后，棒向外偏转的最大角度θ＝37°，求此棒中恒定电流的大小。同学甲的解法如下：对铜棒受力分析，通电时导线向外偏转，说明安培力方向垂直电流和磁场方向向外，受力如图乙所示（侧视图）。当最大偏转角θ＝37°时，棒受力平衡，有：tanFBIlmgmg030.0510tan3747.50.50.1mgIABl得同学乙的解法如下：铜棒向外偏转过程中，导线拉力不做功，如图丙所示。001Fsin37sin37FWFSBIll做功为：2(1cos37)GWmgSmgl重力做功为：020(sin37)(1cos37)0BIlmgl由动能定理得：ABlmglI56.5950)6.0(1.05.0)8.01(1005.037sin)37cos1(2020请你对同学甲和乙的解答以说理的方式作出评价；若你两者都不支持，则给出你认为正确的解答。解：甲同学的错误原因：认为物体速度为零时，一定处于平衡状态，或者认为偏角最大的是平衡位置。乙同学的错误原因，将安培力表示0sin37FFBIl导致做功出错。正解如下：铜棒向外偏转过程中，导线拉力不做功，如图丙所示。01Fsin37FWFSBIll安培力做功为：2(1cos37)GWmgSmgl重力做功为：200sin37(1cos37)0BIlmgl由动能定理得：ABlmglI33.33106.01.05.0)8.01(1005.037sin)37cos1(00题型四、安培力与电学、力学综合P5410、12【例5】安培秤如图所示，它的一臂下面挂有一个矩形线圈，线圈共有N匝，它的下部悬在均匀磁场B内，下边一段长为L，它与B垂直。当线圈的导线中通有电流I时，调节砝码使两臂达到平衡；然后使电流反向，这时需要在一臂上加质量为m的砝码，才能使两臂再达到平衡。求磁感应强度B的大小。2FNBLImg安解析：根据天平的原理得出安培力22mgBNLI磁感应强度五、联系实际问题同步5-1、在原子反应堆中抽动液态金属时，由于不允许转动机械部分和液态金属接触，常使用一种电磁泵.如图1—34—13所示是这种电磁泵的结构示意图，图中A是导管的一段，垂直于匀强磁场放置，导管内充满液态金属.当电流I垂直于导管和磁场方向穿过液态金属时，液态金属即被驱动，并保持匀速运动.若导管内截面宽为a，高为b，磁场区域中的液体通过的电流为I，磁感应强度为B.求：（1）电流I的方向；（2）驱动力对液体造成的压强差..五、联系实际问题解：（1）电流方向由下而上（2）把液体看成由许多横切液片组成，因通电而受到安培力作用，液体匀速流动时驱动力跟液体两端的压力差相等，即F=Δp·S，Δp=F/S=IbB/ab=IB/a五、联系实际问题同步5-2、已知北京地区地磁场