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- 2021-06-01 发布
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第
4
节 通电导线在磁场中受到的力
1
.
安培力
通电导线在
___________
中受的力.
2
.
决定安培力方向的因素
(1)___________
方向;
(2)___________
方向.
课前教材预案
要点一 安培力的方向
磁场
磁场
电流
3
.
左手定则
如图所示,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;让磁感线从
___________
进入,并使四指指向
______________
,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.
4
.
安培力的特点
与电流方向、磁感应强度的方向都
_________
,即安培力
F
___________
于
B
和
I
决定的平面
.
掌心
电流的方向
垂直
垂直
同一通电导线,按不同方式放在同一磁场中,受力情况不同.
1
.如图甲所示,通电导线与磁场方向垂直,此时安培力最大,
F
=
____________.
2
.如图乙所示,通电导线与磁场方向平行,此时安培力最小,
F
=
__________.
要点二 安培力的大小
ILB
0
3
.如图丙所示,通电导线与磁场方向成
θ
角,可以把磁感应强度
B
分解为与导线垂直的分量
B
⊥
和与导线平行的分量
B
∥
,如图丁所示.则有
B
⊥
=
B
sin
θ
,
B
∥
=
B
cos
θ
,其中
B
∥
不产生安培力,导线受的安培力只是
B
⊥
产生的,因此又得到
F
=
_________________
,这是一般情况下安培力的表达式.
ILB
sin
θ
1
.原理:通电线圈在磁场中受到
____________
而偏转,线圈偏转的角度越大,被测电流就
___________
,根据线圈
______________
,可以知道被测电流的方向.
2
.构造:
___________
、
___________
、线圈、螺旋弹簧、指针、极靴.
要点三 磁电式电流表
安培力
越大
偏转的方向
磁铁
软铁
3
.特点:两极间的极靴及极靴中间的铁质圆柱使极靴与圆柱间的磁场都沿
___________
方向,保持线圈转动时,电流所受安培力的大小不受磁场影响,电流所受安培力的方向总与线圈平面垂直.线圈平面都与磁场方向
___________
,故表盘刻度均匀,如图所示.
半径
平行
1
.
安培力方向的判断
(1)
不管电流方向与磁场方向是否垂直,安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面,即总有
F
⊥
I
和
F
⊥
B
.
在判断安培力方向时首先确定磁场和电流所确定的平面,从而判断出安培力的方向在哪一条直线上,然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向.但应注意,当电流方向与磁场方向在同一直线上时,电流不再受安培力作用.
课堂深度拓展
考点一 安培力的方向
(2)
已知
I
、
B
的方向,可唯一确定
F
的方向;已知
F
、
B
的方向,且导线的位置确定时,可唯一确定
I
的方向;已知
F
、
I
的方向时,磁感应强度
B
的方向不能唯一确定.
(3)
注意区别安培力的方向和电场力的方向与场的方向的关系.安培力的方向总是与磁场的方向垂直,而电场力的方向与电场的方向平行.
2
.
安培力作用下通电导体的运动方向判断
电流元法
把整段弯曲导线分为多段直线电流元,先用左手定则判断每段电流元受力的方向,然后判断整段导线所受合力的方向,从而确定导线运动方向或运动趋势的方向
特殊位
置法
通电导线处于某个便于分析的特殊位置时,判断其所受安培力的方向,从而确定其运动方向或运动趋势方向
等效法
环形电流可等效成小磁针,通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流,反过来等效也成立,等效后再确定相互作用情况
结论法
两平行直线电流在相互作用过程中,无转动趋势,同向电流互相吸引,反向电流互相排斥;两不平行的直线电流相互作用时,有转到平行且电流方向相同的趋势
转换研
究对象法
定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动或运动趋势的问题,可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力,然后由牛顿第三定律,确定磁体所受电流磁场的作用力,从而确定磁体所受合力及运动方向或运动趋势方向
安培定则与左手定则的应用条件
【例题
1
】
如图所示,把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁的两极的正上方,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
(
从上向下看
)(
)
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
思维导引:
本题可以利用电流元法和特殊位置法判断,应注意掌握.
答案
A
解析
分别分析
N
、
S
极上方导线受力可知导线顺时针方向转动.用导线转过
90°
的特殊位置来分析,根据左手定则判得安培力的方向向下,故导线在顺时针转动的同时向下移动,选项
A
正确.
【变式
1
】
如图所示,把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁铁的
N
极附近,磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面.当线圈内通入图示方向的电流后,线圈如何运动?
解析
把环形电流等效为一个小磁针,如图所示,由磁极间相互作用特点可知线圈将向左运动.
答案
线圈将向左运动
1
.
磁场方向与电流方向垂直
无论直导线还是弯曲导线,公式
F
=
ILB
中的“
L
”
均为“有效长度”,“有效长度”指连接两端点线段的长度
(
如图所示
)
;相应的电流沿
L
由始端流向末端.
考点二 安培力大小的计算
2
.
磁场方向和电流方向成
θ
角
如图所示,可以将磁感应强度
B
正交分解成
B
⊥
=
B
sin
θ
和
B
∥
=
B
cos
θ
,而
B
∥
对电流没有作用力,则
F
=
ILB
⊥
=
ILB
sin
θ
,即
F
=
ILB
sin
θ
.
正确理解公式
F
=
IBL
sin
θ
(1)
公式
F
=
ILB
sin
θ
中
θ
是
B
和
I
方向的夹角,不能盲目应用题目中所给的夹角,要根据具体情况进行分析.
(2)
公式
F
=
IBL
sin
θ
中的
L
sin
θ
也可以理解为垂直于磁场方向的
“
有效长度
”.
(3)
公式
F
=
BIL
或
F
=
BIL
sin
θ
仅适用于
L
所在处的磁场为匀强磁场,在非匀强磁场中,公式仅适用于很短的通电导线,即为直线电流元.
【例题
2
】
质量为
m
=
0.02 kg
的通电细杆
ab
置于倾角为
θ
=
37°
的平行放置的导轨上,导轨的宽度
d
=
0.2 m
,杆
ab
与导轨间的动摩擦因数
μ
=
0.4
,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,磁感应强度
B
=
2 T
的匀强磁场与导轨平面垂直且方向向下,如图所示.现调节滑动变阻器的滑动触头,试求出为使杆
ab
静止不动,通过杆
ab
的电流范围为多少?
思维导引:
(1)
必须先将立体图转换为平面图,然后对杆受力分析,要注意安培力方向的确定,最后根据平衡条件或杆的运动状态列出方程.
(2)
注意静摩擦力可能有不同的方向,因而求解结果是一个范围.
解析
杆
ab
中的电流为
a
到
b
,所受的安培力方向平行于导轨向上.当电流较大时,杆有向上的运动趋势,所受静摩擦力向下;当静摩擦力达到最大时,安培力为最大值
F
1
,此时通过
ab
的电流最大为
I
max
;同理,当电流最小时,应该是杆受向上的最大静摩擦力,此时的安培力为最小值
F
2
,电流为
I
min
.
正确地画出两种情况下的受力图,由平衡条件列方程求解.
如图甲所示,有
F
1
-
mg
sin
θ
-
F
f
1
=
0
,
F
N
-
mg
cos
θ
=
0
,
F
f
1
=
μF
N
,
F
1
=
BI
max
d
,
解得
I
max
=
0.46 A
.
如图乙所示,有
F
2
+
F
f
2
-
mg
sin
θ
=
0
,
F
N
-
mg
cos
θ
=
0
,
F
f
2
=
μF
N
,
F
2
=
BI
min
d
,
解得
I
min
=
0.14 A
.
所以通过杆
ab
的电流范围是
0.14 A
≤
I
≤
0.46 A
.
答案
0.14 A≤
I
≤0.46 A
D
考点三 安培力作用下的平衡问题
正确处理平衡问题
(1)
选定研究对象,分析物体的受力情况.
(2)
变三维为二维,画出平面受力分析图,判断安培力方向时切忌跟着感觉,一定要用左手定则来判断,注意
F
安
⊥
B
,
F
安
⊥
I
.
(3)
根据平衡条件列方程,要注意安培力大小的计算.
思维导引:
对
C
进行受力分析,其受到的水平方向的静摩擦力与
A
、
B
对其的安培力平衡,求安培力必须求出
A
、
B
产生的磁场在
C
处的叠加场.
答案
AD
【变式
3
】
质量为
m
的导体棒
MN
静止于宽度为
L
的水平轨道上,通过
MN
的电流为
I
,匀强磁场的磁感应强度为
B
,方向与导轨平面成
θ
角斜向下,如图所示,重力加速度为
g
,求棒
MN
所受的支持力和摩擦力.
解析
导体棒静止时受力如图所示.
由平衡条件知
F
N
=
mg
+
F
cos
θ
,
F
f
=
F
sin
θ
,
安培力
F
=
ILB
,
所以支持力
F
N
=
ILB
cos
θ
+
mg
,方向竖直向上;
摩擦力
F
f
=
ILB
sin
θ
,方向水平向左.
答案
ILB
cos
θ
+
mg
,竖直向上
ILB
sin
θ
,水平向左
1
.把一通电直导线放在磁场中,它受到安培力的作用,则
(
)
A
.安培力的方向一定和磁场方向垂直,同时一定和电流方向垂直
B
.安培力的方向一定和磁场方向垂直,但不一定和电流方向垂直
课末随堂演练
C
.安培力的方向一定和电流方向垂直,但不一定和磁场方向垂直
D
.安培力方向、磁场方向、电流方向三者一定相互垂直
答案
A
解析
安培力的方向一定和磁场方向垂直,同时一定和电流方向垂直,但是磁场和电流的方向不一定垂直,安培力是垂直于磁场和电流决定的平面,选项
A
正确.
C
解析
“
V
”
形导线通入电流
I
时,每条边受到的安培力大小均为
BIl
,方向分别垂直于导线斜向上,再由平行四边形定则可得其合力
F
=
BIl
,选项
C
正确.
BC
4
.
如图所示,两平行金属导轨间的距离
L
=
0.4 m
,金属导轨所在的平面与水平面夹角
θ
=
37°
,在导轨所在平面内,分布着磁感应强度
B
=
0.5 T
、方向垂直于导轨所在平面的匀强磁场.金属导轨的一端接有电动势
E
=
4.5 V
、内阻
r
=
0.5 Ω
的直流电源.现把一个质量
m
=
0.04 kg
的导体棒
ab
放在金属导轨上,导体棒恰好静止.导体棒与金属导轨垂直且接触良好,导体棒与金属导轨接触的两点间的电阻
R
0
=
2.5 Ω
,金属导轨电阻不计,
g
取
10 m/s
2
.
已知
sin 37°
=
0.6
,
cos 37°
=
0.8
,求:
(1)
通过导体棒的电流;
(2)
导体棒受到的安培力大小;
(3)
导体棒受到的摩擦力大小.
答案
(1)1.5 A
(2)0.3 N
(3)0.06 N
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