高中物理 第三章 磁场第四节 安培力的应用

高中物理 第三章 磁场第四节 安培力的应用

第四节　安培力的应用 ‎ 问题探究 如图‎3-4-1‎，把一个可绕固定转轴OO′转动的线圈abcd放入匀强磁场中，线圈平面平行于磁场方向.给线圈通以如图方向的恒定电流后，线圈将如何运动？ 图‎3-4-1‎ 解析：通电导体在磁场中要受到安培力作用.ab边和cd边中电流方向和磁场方向平行.因此这两边不受磁场力.由左手定则可知，ac边所受安培力的方向指向纸内；bd边所受安培力的方向指向纸外.因此，线圈受这两边力矩的作用，绕OO′轴转动. 答案：绕OO′轴转动. 自学导引 ‎1.电流表是测量_______________的电学仪器，我们在实验时经常使用的电流表是_______________电流表. 答案：电流　磁电式 ‎2.电动机有_______________与_______________，直流电动机的突出优点就是通过改变_______________很容易调节它的转速，而交流电动机的调速不太方便. 答案：直流电动机　交流电动机　输入电压 ‎3.交流电动机可分为_______________与_______________. 答案：单相交流电动机　三相交流电动机 ‎4.不论是电动机，还是磁电式电流表，都是磁场中的线圈受到安培力作用而旋转起来的.线圈所在的磁场是______________________分布的，这样做的目的是_____________________.‎ 答案：均匀辐射　保证通电线圈不管转到什么角度，线圈的平面都跟磁感线平行 ‎5.对于磁电式电流表，我们根据指针偏转角度的大小可以知道被测电流的强弱，这是因为磁场对电流的作用力跟电流成______________，因而线圈中的电流越大，安培力的转动作用也______________，线圈和指针偏转的角度也就______________. 答案：正比　越大　越大 ‎6.磁电式仪表的优点是______________，可以测出______________的电流；缺点是______________，允许通过的______________，如果通过的电流______________，很容易把它______________，我们在使用时应该注意. 答案：灵敏度高　很弱　绕制线圈的导线很细　电流很弱　超过允许值　烧坏 疑难剖析 磁电式仪表的工作原理 ‎【例1】 如图‎3-4-2‎是电流表内部构造图，其转动部分由圆柱形铁芯、铝框、线圈、轴和螺旋弹簧组成.试说明铁芯、铝框和螺旋弹簧的作用各是什么？ ‎ ‎ 图‎3-4-2‎ 解析：铁芯的作用是和蹄形磁铁一起形成辐轴状磁场，因而使线圈所受的安培力矩M=NBIS不受偏转角度的影响；铝框的作用是在线框转动时起电磁阻尼作用；螺旋弹簧的作用是产生和线圈的电磁力矩平衡的弹力矩，和胡克定律类似，弹力大小和转动角度成正比，因此弹力矩也和转动角度成正比，有kα=NBIS，I∝α.可见这种磁电式电表的刻度是均匀的. 电动机原理 ‎【例2】 如图‎3-4-3‎所示，把一个可以绕水平轴转动的铝盘放在蹄形磁铁之间，盘的下边缘浸在导电液体中.把转轴和导电液体分别接到直流电源的两极上，铝盘就会转动起来.为什么?用什么方法可以改变铝盘的转动方向? 图‎3-4-3‎ 解析：由于铝盘是良好的导体，我们可以把铝盘看成是由许多条金属棒拼合而成（可以与自行车轮胎上的辐条类比）.接通电源后，电流从铝盘中心O处流向盘与导电液的接触处，从导电液中的引出导线流出，而这股电流恰好处在一个与电流垂直的磁场中，由左手定则可以判断出它受到一个与盘面平行的安培力作用，这个力对转轴的力矩不为零，所以在通电后铝盘开始转动起来.如果对铝盘通以一恒定的电流，则铝盘就会不停地转动下去，当阻力的力矩与安培力力矩相等时铝盘就匀速转动.由安培定则不难看出，要改变铝盘的转动方向，我们可以改变电流方向或是改变磁场的方向. 关于安培力的综合计算 ‎【例3】 如图‎3-4-4‎所示，光滑导轨与水平面成α角，导轨宽L.匀强磁场磁感应强度为B.金属杆长也为L，质量为m，水平放在导轨上.当回路总电流为I1时，金属杆正好能静止.求： 图‎3-4-4‎ ‎(1)B至少多大？这时B的方向如何？ ‎(2)若保持B的大小不变而将B的方向改为竖直向上，应把回路总电流I2调到多大才能使金属杆保持静止？ 图‎3-4-5‎ 解答：如图‎3-4-5‎，画出金属杆的截面图.由三角形定则得，只有当安培力方向沿导轨平面向上时安培力才最小，B也最小.根据左手定则，这时B应垂直于导轨平面向上，大小满足：BI‎1L=mgsinα，B=mgsinα/I‎1L. 当B的方向改为竖直向上时，这时安培力的方向变为水平向右，沿导轨方向合力为零，得BI2Lcosα=mgsinα，I2=I1/cosα. 温馨提示：在解这类题时必须画出截面图，只有在截面图上才能正确表示各力的准确方向，从而弄清各矢量方向间的关系. 拓展迁移 测磁场的磁感应强度 ‎1.在赤道上，地磁场可看成是沿南北方向的匀强磁场.若赤道上有一根沿东西方向放置的导线，长‎20 m，通有‎30 A的电流.测得导线所受安培力为0.03 N，赤道上地磁场的磁感应强度为多大？ 答案：0.50×10-4T ‎2.还有其他方法测磁感应强度吗？ 答案：其实还有很多方法测量磁场的磁感应强度. 我们知道，磁场具有能量，磁场中单位体积具有的能量叫能量密度，其值为，式中B是磁感应强度，μ是磁导率，在空气中μ为一已知常数.为了近似测得条形磁铁极端附近的磁感应强度B，我们可以用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离Δl，并测出拉力F，因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可测出磁感应强度.该实验利用功能原理对磁场进行测量.‎