2016-2017学年高中物理第3章磁场第3节探究安培力课件粤教版选修.ppt

知 识 点 一 知 识 点 二 学 业 分 层 测 评 知 识 点 三 第三节 探究安培力 学 习 目 标 知 识 脉 络 1. 知道安培力的概念，会用左手定则判断 安培力的方向，会用公式 F BIL 计算安 培力的大小 ( 重点、难点 ) 2 理解磁感应强度的定义，掌握磁感应 强度的方向，会用磁感应强度的定义式进 行有关的计算 ( 重点 ) 3 知道匀强磁场以及匀强磁场的磁感线 分布特点 ( 重点 ) 4 知道磁通量的概念，会根据公式 BS 计算磁通量 ( 重点、难点 ) 安 培 力 及 其 方 向 先填空 1 安培力： 磁场对 ______ 的作用力 2 安培力方向的判断 (1) 安培力的方向可用 ______ 定则判断 电流 左手 (2) 左手定则：伸开 __ ____ ，使大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一 个平面内把手放入磁场中，让磁感线 ______ 穿入手心，并使伸开的四指指向 ______ 的方向，那么，大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受 _______ _ 的方向 ( 如图 3 3 1) 左手 垂直 电流 安培力 图 3 3 1 再判断 1 安培力的方向一定与电流方向、磁场方向均垂直 ( ) 2 只有电流方向与磁场方向垂直时，通电导线才受安培力的作用 ( ) 后思考 试分析两通电直导线间安培力的方向 【提示】 根据左手定则可判断，当电流方向相同时，吸引；当电流方向 相反时，排斥 合作探讨 如图 3 3 2 所示，用一蹄形磁铁慢慢地接近发光的白炽灯泡， 可以看到灯丝颤抖起来 探讨 1 ： 安培力的方向与哪些因素有关？ 图 3 3 2 【提示】 安培力的方向与磁场的方向、电流的方向有关 探讨 2 ： 试分析灯丝 “ 颤抖 ” 的原因 【提示】 灯丝中通的是交流电，电流的方向周期性变化，灯丝所受安培 力的方向也周期性变化，因此灯丝出现 “ 颤抖 ” 现象 核心点击 1 安培力 F 、磁感应强度 B 、电流 I 三者的关系 (1) 已知 I 、 B 的方向，可唯一确定 F 的方向； ( 2) 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； (3) 已知 F 、 I 的方向时，磁感应强度 B 的方向不能唯一确定 2 安培定则 ( 右手螺旋定则 ) 与左手定则的比较 安培定则 ( 右手螺旋定则 ) 左手定则 作用 判断电流的磁场方向 判断电流在磁场中 的受力方向 具体 情况 直线电流 环形电流或通电螺线 管 电流在磁场中 应用 方法 拇指指向电流 的方向 四指弯曲的方向表示 电流的环绕方向 磁感线穿过手掌心， 四指指向电流的方 向 内容 结果 四指弯曲的方 向表示磁感线 的方向 拇指指向轴线上磁感 线的方向 拇指指向电流受到 的磁场力的方向 3. 安培力作用下导体运动方向的五种判断方法 电流 元法 把整段导线分为多段电流元，先用左手定则判断每段电流元所受 安培力的方向，然后判断整段导线所受安培力的方向，从而确定 导线运动方向 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 ) ，然后根据磁体间或电流间的作 用规律判断 特殊位 置法 通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置，判断其所受安培 力的方向，从而确定其运动方向 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；不平行的两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 受电流磁场的反作用力，从而确定磁体所受合力及其运动方向 1 一根容易变形的弹性导线，两端固定，导线中通有电流，方向 如图中箭头所示当没有磁场时，导线呈直线状态，当分别加上竖直 向上，水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时，描述导线状态的四 个图示中正确的是 ( ) 【解析】 根据左手定则可得只有 D 正确 【答案】 D 2. 用两根细线把两个完全相同的圆形导线环悬挂起来，让二者等 高平行放置，如图 3 3 3 所示当二导线环中通入方向相同的电流 I 1 、 I 2 时，则有 ( ) 【 导学号： 30800034 】 A 两导线环相互吸引 B 两导线环相互排斥 C 两导线环无相互作用力 D 两导线环先吸引后排斥 图 3 3 3 【解析】 通电的导线环周围能够产生磁场，磁场的基本性质是对放入其 中的磁体或电流产生力的作用由于导线环中通入的电流方向相同，二者同位 置处的电流方向完全相同，相当于通入同向电流的直导线，据同向电流相互吸 引的规律，判知两导线环应相互吸引，故 A 正确 【答案】 A 3 如图 3 3 4 所示，在南北方向安放的长直导线的 正上方用细线悬挂一条形小磁铁，当导线中通入图示的 电流 I 后，下列说法正确的是 ( ) A 磁铁 N 极向里转，悬线所受的拉力小于磁铁所 受的重力 B 磁铁 N 极向外转，悬线所受的拉力小于磁铁所受的重力 C 磁铁 N 极向里转，悬线所受的拉力大于磁铁所受的重力 D 磁铁 N 极向外转，悬线所受的拉力大于磁铁所受的重力 图 3 3 4 【解析】 由条形磁铁的磁场分布，并由左手定则，可知导线左半部分受 到安培力方向垂直纸面向外，右半部分安培力方向垂直纸面向里，由牛顿第三 定律得磁铁左半部分受到安培力方向垂直纸面向里，右半部分安培力方向垂直 纸面向外，因此条形磁铁 N 极向里转当转过 90 时导线受力竖直向上，则磁铁 受力竖直向下，导致悬线所受的拉力大于磁铁所受的重力，故 C 正确 【答案】 C 左手定则应用的两个要点 (1) 安培力的方向既垂直于电流的方向，又垂直于磁场的方 向，所以应用左手定则时，必须使拇指指向与四指指向和磁场方 向均垂直 (2) 由于电流方向和磁场方向不一定垂直，所以磁场方向不 一定垂直穿入手掌，可能与四指方向成某一夹角，但四指一定要 指向电流方向 安 培 力 的 大 小 及 磁 感 应 强 度 先填空 1 安培力大小 通电导线在同一磁场中受到的安培力大小与 _________ 的乘积成正比，表达 式为 F BIL . 2 磁感应强度 (1) 定义：当通电导线与磁场方向 ______ 时，通电导线所受的安培力 F 跟电 流 I 和导线长度 L 的乘积 IL 的 ______ I和 L 垂直 比值 (2) 公式： B ______ . (3) 单位： _ _______ ，简称 ____ ，符号 ____ . (4) 方向：某处的磁感应强度方向为该处的 ____________ (5) 与磁感线的关系 磁感应强度和磁感线是一致的，磁感线上每一点的切线方向与该点磁感应 强度方向一致，磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小，这样就可从磁 感线 的分布情况形象地看出磁感应强度的方向和大小 3 匀强磁场 磁场的某一区域里，磁感应强度的大小和方向处处相同，这个区域的磁场 叫做匀强磁场 F IL 特斯拉 特 T 磁场方向 再判断 1 匀强磁场是磁感应强度大小和方向处处相同的磁场 ( ) 2 匀强磁场中磁感线是互相平行的直线 ( ) 3 无论何种情况，电流受的安培力大小均为 F BIL .( ) 后思考 若通电导线在某处所受安培力为零，该处磁感应强度一定为零吗？ 【提示】 不一定安培力的大小不仅与电流大小和磁感应强度大小有关， 还与 B 、 I 之间的夹角有关当导线与磁场方向平行时，即使 B 、 I 都不为零，安 培力仍等于零 合作探讨 如图 3 3 5 所示，一根质量为 m 的金属棒 MN ，两端用细 软导线连接后悬于 a 、 b 两点，棒的中端处于方向垂直于纸面 向里的匀强磁场中，电流方向如图所示，悬线上的拉力为 F . 探讨 1 ： 若使悬线上的拉力 F 变为零，可以采取什么方法？ 图 3 3 5 【提示】 适当增大磁感应强度或电流 探讨 2 ： 若使悬线上的拉力 F 变大，可以采取什么方法？ 【提示】 减小磁感应强度或电流，使磁感应强度方向反向，或者使电流 方向反向 核心点击 1 对磁感应度的理解 (1) 在定义式 B F IL 中， 通电导线必须垂直于磁场方向放置因为磁场中某点 通电导线受力的大小，除和磁场强弱有关以外，还和导线的方向有关导线放 入磁场中的方向不同，所受磁场力也不相同通电导线受力为零的地方，磁感 应强度 B 的大小不一定为零，这可能是电流方向与 B 的方向在一条直线上的原 因造成的 (2) 磁感应强度 B 的大小只决定于磁场本身的性质，与 F 、 I 、 L 无关 (3) 磁感应强度的方向是磁场中小磁针静止时 N 极所指的方向，其大小根据 电流元受力来计算通电导线受力的方向不是磁感应强度的方向，二者互相垂 直 (4) 磁感应强度的定义式也适用于非匀强磁 场，这时 L 应很短， IL 称为 “ 电 流元 ” ，相当于静电场中的 “ 试探电荷 ” (5) 我们要找的是磁场中某一点磁感应强度的大小，因此要把电流元放入磁 场中某一点，这就要求电流元要足够短 (6) 磁感应强度 B 与电场强度 E 的比较 磁感应强度 B 电场强度 E 物理意义 描述磁场的性质 描述电场的性质 共同点 都是用比值法进行定义的 定 义 式 特点 B F IL ，通电导线与 B 垂直， B 与 F 、 I 、 L 无关 E F q E 与 F 、 q 无关 共同点 矢量，都遵从矢量合成法则 方 向 不同点 小磁针 N 极的受力方向，表 示磁场方向 放入该点的正电荷的受力方 向，表示电场方向 2. 对安培力大小的理解 (1) 对公式 F ILB 的理解 适用条件：直线电流 I 垂直于磁感应强度 B 时，方有 F ILB 公式中的 L 指的是导线的 “ 有效长度 ” ，在 B I 的前提下，弯曲导线的 有效长度等于连接两端点直线的长度，如图 3 3 6. 图 3 3 6 (2) 同样情况下，通电导线与磁场方向垂直时，它所受的安培力最大；导线 与磁场方向平行时，它不受安培力；导线与磁场方向斜交时，它所受的 安培力 介于 0 和最大值之间 (3) 在非匀强磁场中，只要通电直导线 L 所在位置的各点 B 矢量相等 ( 包括大 小和方向 ) ，则导线所受安培力也能用上述公式计算 (4) 当电流同时受到几个安培力时，则电流所受的安培力为这几个安培力的 矢量和 4 ( 多选 ) 由磁感应强度的定义式 B F IL 可知 ( ) A 磁感应强度 B 与磁场力 F 成正比，与电流元 IL 成反比 B 同一段通电导线垂直于磁场放在不同磁场中，所受的磁场力 F 与磁感应 强度 B 成正比 C 公式 B F IL 只适用于匀强磁场 D 只要满足 L 很短， I 很小的条件， B F IL 对任何磁场都适用 【解析】 某点的磁感应强度的大小和方向由磁场本身的性质决定，磁感 应强度的大小与磁场中放不放通电导线、放什么样的通电导线及与通电导线所 通入的电流大小、通电导线所受的磁场力的大小都没有关系，所以不能认为 B 与 F 成正比、 B 与 IL 成反比，故 A 错由 B F IL 得到 F BIL ，在 IL 相同时， F 与 B 成正比，故 B 正确磁感应强度的定义式，对任何磁场都适用，故 C 错 D 正确 【答案】 BD 5 在磁场中有一小段长为 L 、通有电流 I 的导线，关于导线所在处的磁感 应强度，以下说法中正确的是 ( ) 【 导学号： 30800035 】 A 若该导线所受磁场力为零，则该处磁感应强度一定为零 B 若该导线所受磁场力不为零，则该处磁感应强度一定为 F IL C 若该导线所受磁场力不为零，则磁场力方向即为该处的磁感应强度方向 D 若该导线与磁感应强度方向垂直，则用 F IL 来定义该处的磁感应强度 【解析】 通电导线和磁场方向平行时，通电导体不受磁场力，故磁场力 为零，磁感应强度不一定为零 ， A 错误；用 B F IL 定义磁感应强度，通电导体一 定要和磁场方向垂直，故 B 错误， D 正确；通电导线受磁场力的方向不代表磁 感应强度的方向， C 错误 【答案】 D 6 如图 3 3 7 ，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 ( 垂直于纸面向里 ) 垂直线段 ab 、 bc 和 cd 的长度均为 L ，且 abc bcd 135 . 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为 ( ) 图 3 3 7 A 方向沿纸面向上，大小为 ( 2 1) ILB B 方向沿纸面向上，大小为 ( 2 1) ILB C 方向沿纸面向下，大小为 ( 2 1) ILB D 方向沿纸面向下，大小为 ( 2 1) ILB 【解析】 导线段 abcd 的有效长度为线段 ad ，由几何知识知 L ad ( 2 1) L ， 故线段 abcd 所受的合力大小 F IL ad B ( 2 1) ILB ，导线有效长度的电流方向 为 a d ，据左手定则可以确定导线所受合力方向沿纸面向上，故 A 项正确 【答案】 A 1 比值定义法是物理学中常用的方法，用这种方法定义的 物理量的公式适用于任何情况，但该物理量大小并非由公式中对 应的量决定 2 在公式 B F IL 中，不能理解为 B 与 F 成正比，与 IL 成反 比 B 只由磁场本身决定 3 B F IL 只用于电流与磁场垂直情况 磁 通 量 先填空 1 概念 (1) 定义：在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面 S ，则 ____ __ ________ 与面积 S 的乘积，叫做穿过这个平面的磁通量 (2) 公式： ____ . (3) 单位：韦伯，简称韦，符号 W b.1 W b 1 T m 2 . 磁感应强度 B BS 2 意义： 磁通量的多少表示穿过这一面积的磁感线 ________ 3 磁通密度： 由 BS 知 B S . 磁感应强度在数值上等于穿过垂直于磁感 应强度的 ____________ 上的 ________ 条数 单位面积 磁通量 再判断 1 磁感应强度越大穿过单位面积的磁通量也越大 ( ) 2 磁通量不仅有大小而且有方向，所以是矢量 ( ) 3 将一平面置于匀强场中的任何位置，穿过该平面的磁通量总相等 ( ) 后思考 若通过某面积的磁通量等于零，则该处一定无磁场，你认为对吗？ 【提示】 不对磁通量除与磁感应强度、面积有关外，还与环面和磁场 夹角有关，当环面与磁场平行时，磁通量为零，但仍能存在磁场 合作探讨 如图 3 3 8 所示，匀强磁场 B 0 竖直向下，且与平面 BC FE 垂直，已知平面 BC FE 的面积为 S . 探讨 1 ： 平面 BC FE 的磁通量是多大？ 图 3 3 8 【提示】 B 0 S . 探讨 2 ： 平面 AB C D 的磁通量是多大？ 【提示】 B 0 S . 探讨 3 ： 平面 AEFD 的磁通量是多大？ 【提示】 0. 核心点击 1 磁通量的定义 公式 BS 中的 B 应是匀强磁场的磁感应强度， S 是与磁场方向垂直的面 积，因此可以理解为 BS . 如果平面与磁场方向不垂直，应把面积 S 投影到与 磁场垂直的方向上，求出投影面积 S ，代入到 BS 中计算，应避免硬套公式 BS sin 或 BS cos . 2 磁通量的变化 一般有下列三种情况： (1) 磁感应强度 B 不变，有效面积 S 变化，则 t 0 B S . (2) 磁感应强度 B 变化，磁感线穿过的有效面积 S 不变，则穿过回路中的磁 通量的变化是： t 0 B S . (3) 磁感应强度 B 和回路面 积 S 同时发生变化的情况，则 t 0 . 7 如图 3 3 9 所示，半径为 R 的圆形线圈共有 n 匝，其中心位置 处半径为 r 的虚线范围内有匀强磁场，磁场方向垂直线圈平面若磁感 应强度为 B ，则穿过线圈的磁通量为 ( ) 图 3 3 9 A BR 2 B Br 2 C n BR 2 D n Br 2 【解析】 磁通量与线圈匝数无 关，且磁感线穿过的面积为 r 2 ，而并非 R 2 ， 故 B 项对 【答案】 B 8 如图 3 3 10 所示，在条形磁铁中部垂直套有 A 、 B 两个圆环，设通过线 圈 A 、 B 的磁通量为 A 、 B ，则 ( ) A A B B A B D 无法判断 图 3 3 10 【解析】 在条形磁铁的周围，磁感线是从 N 极出发，经外空间磁场由 S 极进入磁铁内部在磁铁内部的磁感线从 S 极指向 N 极，又因磁感线是闭合的 平滑曲线，所以条形磁铁内外磁感线条数一样多，从 下向上穿过 A 、 B 环的磁感 线条数一样多，而从上向下穿过 A 环的磁感线多于 B 环，则从下向上穿过 A 环 的净磁感线条数小于 B 环，所以通过 B 环的磁通量大于通过 A 环的磁通量 【答案】 B 9 如图 3 3 1 1 所示，框架面积为 S ，框架平面与磁感应 强度为 B 的匀强磁场方向垂直，则穿过平面的磁通量为多少？ 若使框架绕 OO 轴转过 60 角，则穿过线框平面的磁通量为 多少？若从初始位置转过 90 角，则穿过线框平面的磁通量为 多少？若从初始位置转过 180 角，则穿过线框平面的磁通量变化为多少？ 【 导 学号： 30800036 】 图 3 3 1 1 【解析】 在图示位置时，磁感线与线框平面垂直， BS . 当框架绕 OO 轴转过 60 时可以将原图改画成从上面向下看的俯视图，如图 所示 BS BS cos 60 1 2 BS . 转过 90 时，线框由磁感线垂直穿过变为平行， 0. 线框转过 180 时，磁感线仍然垂直穿过线框，只不过穿过方向改变了 因而 1 BS ， 2 BS ， 2 1 2 BS . 即磁通量变化了 2 BS . 【答案】 BS 12 BS 0 2 BS 有关磁通量的四点提醒 (1) 平面 S 与磁场方向不垂直时，要把面积 S 投影到与磁场 垂直的方向上，即求出有效面积 (2) 可以把磁通量理解为穿过面积 S 的磁感线的净条数相 反方向穿过面积 S 的磁感线可以互相抵消 (3) 当磁感应强度和回路面积同时发生变化时， t 0 ，而不能用 B S 计算 (4) 磁通量有正负，但其正负不表示大小，也不表示方向， 仅是为了计算方便而引入的 。