高中物理 第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 第1节 探究磁场对电流的作用知识导航素材 鲁科版选修3-1（通用）

高中物理 第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 第1节 探究磁场对电流的作用知识导航素材 鲁科版选修3-1（通用）

第1节 探究磁场对电流的作用 ‎ 思维激活 ‎1.在现代生活中，我们的身边有很多电器，洗衣机、电冰箱、录音机、吹风机等等使我们的生活丰富多彩，你知道这些电器工作时共同的特点是什么吗？它们产生的原理又是什么呢？‎ ‎2.电流的磁效应是哪位科学家发现的？这一发现又有什么实际意义？‎ 答案：1.提示：这些电器工作时的共同特点是都要使用电动机.而电动机的原理是通电线圈在磁场中受安培力作用旋转，从而起到了电动的作用.‎ ‎2.提示：丹麦物理学家奥斯特发现了电流能产生磁场.这一发现有重大的科学价值和历史意义，为电的应用开辟了新的领域，也由此开创了电磁学的新时代.‎ 自主整理 ‎1.科学探究——安培力 物理学上把磁场对_________的作用力叫安培力，研究表明，在匀强磁场中，当通电导线与磁场_________时，通电导线所受的安培力最大，等于_________、_________和_________的乘积，F=_________.‎ 左手定则判断安培力的方向：伸开左手，让拇指与其余四指垂直，并与手掌在一个平面内，让__________垂直穿过手心，四指指向__________方向，那么，拇指所指方向即为__________在磁场中的受力方向.‎ ‎2.安培力就在你身边 电流表、_________等都是安培力的应用.‎ 答案：1.电流 垂直 磁感应强度B 电流I 导线长度l IlB 磁感线 电流 通电导线 ‎2.电动机 高手笔记 ‎1.对安培力公式的认识 在匀强磁场中，当通电导线与磁场方向垂直时，通电导线所受的安培力F最大，等于磁感应强度B、电流I和导线长度l的乘积，即F=IBl.‎ 所以在使用该公式时，B与I的方向需垂直.同时由左手定则可得，I、B、l三者两两垂直.‎ 若电流与磁场平行，电流受的安培力为零或不受安培力的作用，F=0.‎ 在非匀强磁场中，上述公式可近似用于很短的一段通电导线.因为导线很短时，可近似认为各点的磁感应强度相等.‎ ‎2.当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向及大小 当电流方向跟磁场方向不垂直时，安培力的方向仍垂直于电流与磁场所决定的平面，所以仍可用左手定则来判定安培力的方向，只是磁感线不再垂直穿过手心，而是斜穿过手心.这时安培力的大小F=BIlsinθ，式中θ是B与I的夹角.‎ 名师解惑 ‎1.当导线方向与磁场方向有一个夹角θ时，安培力的大小如何计算？‎ 剖析:如图，可以把磁感应强度矢量分解为两个分量：‎ 与电流方向平行的分量B1=Bcosθ和与电流方向垂直的分量B2=Bsinθ.‎ 因为B1对电流没有作用力，因此电流所受的作用力F完全由B2决定，即F=ILB2，由此可得F=ILBsinθ.‎ 上式表明：安培力F的大小等于电流I、磁场中的导线长度L、磁感应强度B以及I和B之间夹角θ的正弦值的乘积.‎ 当通电导线的方向和磁场方向平行(θ=0°或θ=180°)时，安培力最小，等于零；当θ=90°时，安培力最大.‎ ‎2.安培力与库仑力的区别 剖析:库仑力是电荷在电场中所受的力，电荷在电场中某一点受到的库仑力是一定的，方向与该点的电场方向要么相同，要么相反.安培力是电流在磁场中所受的力，电流在磁场中某处受到的磁场力，与电流在磁场中放置的方向有关，电流方向与磁场方向平行时，电流受的安培力最小，等于零；电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于BIL.一般情况下的安培力大于零，小于BIL，方向均与磁场方向垂直.‎ ‎3.判断通电导线或线圈在安培力作用下的运动常采用的方法有哪些？‎ 剖析:常采用的方法主要有等效分析法和特殊位置分析法.‎ ‎(1)等效分析法：环形电流可等效为小磁针，条形磁铁或小磁针也可等效为环形电流，通电螺线管可等效为多个环形电流或条形磁铁.例如：如图(1)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时，判断线圈如何运动.根据安培定则，可将环形等效为一个小磁针，其右端为N极，如图(2)所示，由此可判断线圈将被磁铁吸引向左运动.‎ ‎(2)特殊位置分析法：根据通电导体在特殊位置所受安培力的方向，判断其运动方向，然后推广到一般位置.例如：如图(3)所示，把一通电直导线放在蹄形磁铁磁极的正上方，导线可以自由移动，当导线中通过如图所示方向的电流I时，试判断导线的运动情况.‎ ‎①根据图(3)所示的导线所处的特殊位置判断其转动情况.将导线AB从N、S极的中间O分成两段，AO、BO段所处的磁场方向如图(4)所示，由左手定则可得AO段受安培力方向垂直于纸面向外，BO段受安培力的方向垂直于纸面向里，可见从上向下看，导线AB将绕O点逆时针转动.‎ ‎②再根据导线转过90°时的特殊位置判断其上下运动情况.如图(5)所示，导线AB此时受安培力方向竖直向下，导线将向下运动.‎ ‎③由上述两个特殊位置的判断可知，导线的实际运动是在安培力作用下使AB逆时针转动的同时还要向下运动.‎ 讲练互动 ‎【例1】 如图所示，其中A、B图已知电流方向及其所受磁场力的方向，试判断并在图中标出磁场方向.C、D图已知磁场方向及其他对电流作用力的方向，试判断电流方向或电源的正负极并在图中标出.‎ 解析：由左手定则判断：A图磁场方向垂直纸面向外；B图磁场方向在纸面内垂直F向下；C、D图电流方向均垂直于纸面向里.‎ 答案：见解析.‎ 绿色通道 根据左手定则，电流在磁场中受力方向既要与磁感线垂直，又要与导线中的电流垂直，且垂直于磁感线与电流所决定的平面.‎ 变式训练 ‎1.下图中的通电导线在磁场中的受力分析正确的是…( )‎ 解析：由左手定则判断A中导线受向下的力；B中导线不受力；C中导线受垂直导线斜向下方的力.所以C正确.‎ 答案：C ‎【例2】 如图，条形磁铁平放于水平桌面上，在它的正中央上方固定一根直导线，导线与纸面垂直，现给导线中通以垂直于纸面向里的电流，则下列说法正确的是( )‎ A.磁铁对桌面的压力减小 B.磁铁对桌面的压力增大 C.磁铁对桌面的压力不变 D.以上说法都不可能 解析：通电导线置于条形磁铁上方，使通电导线置于磁场中，如图(1)所示，由左手定则判断通电导线受到向下的安培力作用，同时由牛顿第三定律可知，力的作用是相互的，磁铁对通电导线有向下作用的同时，通电导线对磁铁有反作用力，作用在磁铁上，方向向上，如图(2)所示，对磁铁作受力分析，由于磁铁始终静止，无通电导线时，FN=mg，有通电导线时FN=mg-F′，磁铁对桌面压力减小，A对.‎ ‎(1)‎ ‎(2)‎ 答案：A 绿色通道 解决此类问题时，先分析导线的受力，再分析磁铁的受力.‎ 黑色陷阱 此题很多同学可能会出现下面的错误解法：由于磁铁吸引导线而使磁铁对桌面有压力，选B.出现这样错误的原因是——在选择研究对象时出现问题.磁铁和电流之间有力的作用，但不一定是吸引力，具体情况要根据左手定则判断；再者也没有用牛顿第三定律来分析导线对磁铁的反作用力是向上的，应该减小了磁铁对桌面的压力.‎ 变式训练 ‎2.若将上题中的导线换成与磁铁平行的，如下图所示,导线会怎样运动，磁铁的受力又如何呢？‎ 解析：(1)根据题图所示的导线所处的特殊位置判断其转动情况.将导线从N、S极的中间O分成两段，两段所处的磁场方向如图(1)所示，由左手定则可得左半段受安培力方向垂直于纸面向外，右半段受安培力的方向垂直纸面向里，可见从上向下看，导线将绕中点逆时针转动.‎ ‎ ‎ ‎(1) (2)‎ ‎(2)再根据导线转过90°时的特殊位置判断其上下运动情况.同例2.‎ ‎(3)由上述两个特殊位置的判断可知，导线的实际运动是在安培力作用下使AB逆时针转动的同时还要向下运动,而磁铁对桌面的压力仍然减小.‎ 答案：AB逆时针转动的同时还要向下运动,而磁铁对桌面的压力仍然减小.‎ 体验探究 问题1:你知道当拿一块蹄形磁铁慢慢靠近发光的白炽灯时会有什么现象产生吗？做一下这个实验，思考产生这种现象的原因是什么?‎ 导思:磁铁靠近发光的灯丝，灯丝中有电流通过，当通电导线周围有磁场时，导线会受到安培力的作用，从而不断地振动起来.‎ 探究:灯丝便会颤动起来,原来灯丝中通入的是交流电，大小和方向随时间做周期性变化，当磁铁靠近时，通电的灯丝就受到变化的安培力作用，因此灯丝会振动起来.‎ 电流表的构造 问题2：自制电流计.‎ 导思:准备器材，塑料瓶(或圆柱状的软木塞)，漆包线，U形磁铁，螺旋弹簧，支架等.‎ 探究:用塑料瓶作架绕制线圈，两边用图钉制作转轴，架在支架上，并放在U形磁铁的两极间，用一牙签当作指针，通电后看能否转动.‎