高中物理 第3章 打開(kāi)電磁學(xué)的大門 第1節(jié) 磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線教師用書 魯科版選修1-1

第1節(jié)磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線課標(biāo)解讀重點(diǎn)難點(diǎn)1.知道影響安培力大小和方向的因素，知道左手定則和安培力大小的計(jì)算公式能用左手定則判斷安培力的方向，能計(jì)算在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)安培力的大小2.了解線圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，以及磁電式儀表的工作原理3.知道電動(dòng)機(jī)的工作原理.1.安培力的計(jì)算，左手定則的應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)的原理(重點(diǎn))2.磁感應(yīng)強(qiáng)度的理解，左手定則的應(yīng)用(難點(diǎn))會(huì)動(dòng)的導(dǎo)線1.基本知識(shí)(1)安培力定義：通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的作用力方向：用左手定則判斷左手定則：伸開(kāi)左手，四指與拇指在同一平面內(nèi)并相互垂直，讓磁感線垂直穿過(guò)手心，四指指向電流的方向，則拇指所指的方向就是安培力的方向大小a因素：如圖311所示，通電導(dǎo)線所受的安培力的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小以及磁場(chǎng)中垂直磁場(chǎng)方向的導(dǎo)線長(zhǎng)度有關(guān)圖311b大小：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，安培力的大小等于電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)線長(zhǎng)度的乘積c公式表達(dá)：FBIl.(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度的兩種定義從磁感線角度定義為B.從力的角度定義為B.2思考判斷(1)當(dāng)通電直導(dǎo)線垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度方向時(shí)，安培力的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相同()(2)已知磁場(chǎng)方向和電流方向判定安培力的方向用左手，若已知磁場(chǎng)方向和安培力的方向，判定電流的方向用右手()(3)只要電流的方向不與磁場(chǎng)平行，電流就會(huì)受到安培力()3探究交流安培力的方向與通電直導(dǎo)線方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向有什么關(guān)系？【提示】與導(dǎo)線方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度方向都垂直會(huì)動(dòng)的線圈和電動(dòng)機(jī)1.基本知識(shí)(1)通電線圈在磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)：線圈與磁場(chǎng)平行放置，當(dāng)線圈通有電流時(shí)，與磁場(chǎng)垂直的兩個(gè)邊會(huì)受到安培力作用，根據(jù)左手定則判斷知，兩個(gè)力方向相反，使線圈繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)(2)利用線圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)的原理，人們制作了磁電式電流計(jì)，第一個(gè)磁電式電流計(jì)是安培制作的，由此實(shí)現(xiàn)了電流的定量測(cè)量(3)電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，直流電動(dòng)機(jī)還有換向器和電刷在線圈平面轉(zhuǎn)到與磁場(chǎng)方向垂直的位置時(shí)，換向器的每個(gè)半環(huán)互換連接的電刷，使電流的方向發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)了線圈的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)2探究交流在現(xiàn)代生活中，我們的身邊充滿著電器：洗衣機(jī)、電冰箱、錄音機(jī)、吹風(fēng)機(jī)等你知道這些電器工作時(shí)共同的特點(diǎn)是什么嗎？工作原理又是什么呢？【提示】這些電器工作時(shí)的共同特點(diǎn)是都要使用電動(dòng)機(jī)而電動(dòng)機(jī)的原理是通電線圈在磁場(chǎng)中受安培力作用旋轉(zhuǎn)，從而起到了電動(dòng)的作用.安培力方向的判定【問(wèn)題導(dǎo)思】1安培力的方向與哪些因素有關(guān)？【提示】磁場(chǎng)的方向和電流的方向2安培力的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向一定垂直嗎？【提示】一定垂直1安培力的方向既與磁場(chǎng)方向垂直又與電流方向垂直但磁場(chǎng)方向與電流方向不一定垂直，由此可知安培力的方向總是垂直于磁場(chǎng)和電流所決定的平面2當(dāng)磁場(chǎng)方向、電流方向、安培力方向兩兩垂直時(shí)，只要已知其中任意兩個(gè)方向，就可以判斷第三者的方向3當(dāng)不能確定磁場(chǎng)方向和電流方向垂直時(shí)，若已知磁場(chǎng)方向(或電流方向)與安培力的方向，電流方向(或磁場(chǎng)方向)不唯一安培定則反映的是電流方向與它產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向之間的關(guān)系，而左手定則反映的是電流方向、磁場(chǎng)方向和安培力方向三者之間的關(guān)系，注意區(qū)分如圖所示，表示磁場(chǎng)對(duì)直線電流的作用，其中不正確的是() 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：31870019】【解析】磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)線的作用力既與導(dǎo)線垂直又與磁感線垂直，用左手定則判斷可知，A、B、D圖均正確，C圖中安培力F的方向應(yīng)向下，故C圖不正確故選C.【答案】C1下列圖示為通電直導(dǎo)線置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的不同方式，其中導(dǎo)線能受到安培力作用的是()【解析】由于BD所示的電流方向與磁場(chǎng)方向平行故不受安培力，AC所示電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，受安培力作用，AC正確【答案】AC安培力大小的計(jì)算【問(wèn)題導(dǎo)思】1把一段通電導(dǎo)線放在磁場(chǎng)中，怎樣放受力最小？怎樣放受力最大？【提示】平行于磁場(chǎng)最小，垂直于磁場(chǎng)最大2安培力的大小與哪些因素有關(guān)？【提示】導(dǎo)線長(zhǎng)度、電流的大小、磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)線與磁場(chǎng)的夾角1若B與I(l)垂直時(shí)，F(xiàn)BIl，此時(shí)所受的安培力最大2若B與I(l)平行時(shí)，F(xiàn)0.3在計(jì)算安培力時(shí)，若放入磁場(chǎng)中的導(dǎo)線是彎曲導(dǎo)線，其安培力求解時(shí)應(yīng)用其長(zhǎng)度的有效值，即兩端點(diǎn)所連直線的長(zhǎng)度如下圖312所示：圖312將長(zhǎng)度為20 cm、通有0.1 A電流的直導(dǎo)線放入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，電流與磁場(chǎng)的方向如圖313所示，已知磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T試求出下列各圖中導(dǎo)線所受安培力的大小和方向圖313【解析】由左手定則和安培力的計(jì)算公式得：(1)因?yàn)閷?dǎo)線與磁感線平行，所以導(dǎo)線受到的安培力為零；(2)由左手定則知，安培力方向垂直于導(dǎo)線水平向右，大小為FBIL10.120102 N0.02 N；(3)由左手定則知，安培力的方向在紙面內(nèi)垂直于導(dǎo)線斜向上，大小為FBIL10.120102 N0.02 N.【答案】見(jiàn)解析2如圖314所示，通電直導(dǎo)線置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直若僅將導(dǎo)線中的電流增大為原來(lái)的2倍，則導(dǎo)線所受安培力的大小將() 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：31870020】圖314A減小為原來(lái)的B減小為原來(lái)的C增大為原來(lái)的2倍D增大為原來(lái)的4倍【答案】C探究電動(dòng)機(jī)的工作原理【問(wèn)題導(dǎo)思】1電動(dòng)機(jī)是靠什么動(dòng)力工作的？【提示】安培力2電動(dòng)機(jī)工作時(shí)是靠什么來(lái)改變通入線圈中電流方向的？【提示】換向器1工作原理給線圈通入方向合適的電流，可以使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，電動(dòng)機(jī)是利用安培力來(lái)工作的2組成定子和轉(zhuǎn)子 (1)定子是電動(dòng)機(jī)中固定不動(dòng)的部分，可以是線圈，也可以是磁體(2)轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)動(dòng)的部分直流電動(dòng)機(jī)中還有電刷和換向器，可以將電流持續(xù)地提供給線圈并適時(shí)地改變流入線圈的電流方向，它們能使轉(zhuǎn)子按一個(gè)方向持續(xù)地旋轉(zhuǎn)如圖315所示，在水平向右的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，放有矩形線框abcd，線框可繞其中心軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)，若線框中通入圖中所示電流試判斷此時(shí)線框的轉(zhuǎn)動(dòng)方向(從上向下看)圖315【解析】根據(jù)左手定則，讓磁感線穿入手心，四指指向電流方向則大拇指所指的方向即通電導(dǎo)線所受安培力方向由此可判斷此時(shí)：ab邊受安培力方向垂直紙面向里，dc邊受安培力方向垂直紙面向外，而ad邊和bc邊此時(shí)不受安培力作用，因此線框ab邊向里轉(zhuǎn)，cd邊向外轉(zhuǎn)，即從上向下看線框順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)【答案】從上向下看線框順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)3如圖316所示，O為圓心，是半徑分別為ON、OM的同心圓弧，在O處垂直紙面有一載流直導(dǎo)線，電流方向垂直紙面向外用一根導(dǎo)線圍成如圖中KLMN所示的回路，當(dāng)回路中沿圖示方向通過(guò)電流時(shí)(電源未在圖中畫出)，此時(shí)回路()圖316A將向左平動(dòng)B將向右平動(dòng)C將在紙面內(nèi)繞通過(guò)O點(diǎn)并垂直紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)DKL邊垂直紙面向外運(yùn)動(dòng)，MN邊垂直紙面向里運(yùn)動(dòng)【解析】電流I1在空間形成的磁場(chǎng)是以電流I1為圓心的一系列同心圓，其中四邊形線框的KN邊和LM邊均與磁場(chǎng)方向平行不受力作用由左手定則可判斷KL邊所受安培力垂直紙面向外，MN邊所受安培力垂直于紙面向里，故D項(xiàng)正確【答案】D【備課資源】(教師用書獨(dú)具)磁懸浮列車磁懸浮列車分為常導(dǎo)型和超導(dǎo)型兩大類常導(dǎo)型也稱常導(dǎo)磁吸型，以德國(guó)高速常導(dǎo)磁懸浮列車transrapid為代表，它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理將列車懸起，懸浮的氣隙較小，一般為10毫米左右列車速度可達(dá)每小時(shí)400500千米，適合于城市間的長(zhǎng)距離快速運(yùn)輸超導(dǎo)型磁懸浮列車也稱超導(dǎo)磁斥型，它是利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，列車運(yùn)行時(shí)與布置在地面上的線圈相互作用，產(chǎn)生電動(dòng)斥力將列車懸起，懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右，速度可達(dá)每小時(shí)500千米以上.1下列說(shuō)法正確的是()A如果通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中某處不受安培力，則該處不存在磁場(chǎng)B即使通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中某處不受安培力作用，該處也可能存在磁場(chǎng)C通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受安培力大的位置磁場(chǎng)強(qiáng)D磁場(chǎng)越強(qiáng)的位置，通電導(dǎo)線受到的安培力越大【解析】當(dāng)通電導(dǎo)線平行磁場(chǎng)放置時(shí)，不受安培力的作用，故B正確，A錯(cuò)誤安培力的大小與通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度、電流的大小、磁場(chǎng)的強(qiáng)弱以及電流與磁場(chǎng)間的夾角有關(guān)系，故C、D均錯(cuò)誤所以正確選項(xiàng)為B.【答案】B2.如圖317所示，金屬棒MN放置在處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的兩條平行金屬導(dǎo)軌上，與金屬導(dǎo)軌組成閉合回路當(dāng)回路通有電流(電流方向如圖中所示)時(shí)，關(guān)于金屬棒受到安培力F的方向和大小，下列說(shuō)法中正確的有()AF方向向右BF方向向左C增大電流強(qiáng)度，F(xiàn)增大D增大磁感應(yīng)強(qiáng)度，F(xiàn)減小圖317【解析】由左手定則知A項(xiàng)對(duì)，由公式FBIL可知C項(xiàng)正確【答案】AC3在地球赤道上空，沿東西方向水平放置一根通以由西向東的直線電流，則此導(dǎo)線() 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：31870021】A受到豎直向上的安培力B受到豎直向下的安培力C受到由南向北的安培力D受到由西向東的安培力【解析】地球赤道上空地磁場(chǎng)的方向由南向北，根據(jù)左手定則知A對(duì)【答案】A4如圖318所示，一根長(zhǎng)為L(zhǎng)、質(zhì)量為m的導(dǎo)線AB，用軟導(dǎo)線懸掛在方向水平向里的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，現(xiàn)要使懸線張力為零，則AB導(dǎo)線通電方向怎樣？電流是多大？圖318【解析】要使懸線張力為零，AB導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力必須向上，由左手定則可判斷電流的方向是AB.設(shè)懸線張力剛好為零，由二力平衡得BILmg所以I.【答案】電流方向：AB學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)測(cè)評(píng)(八)(建議用時(shí)：45分鐘)1關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度，下列說(shuō)法中正確的是() 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：31870022】A由B可知，B與F成正比，與Il成反比B由B可知，一小段通電導(dǎo)線在某處不受磁場(chǎng)力，則說(shuō)明該處一定無(wú)磁場(chǎng)C通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力越大，說(shuō)明磁場(chǎng)越強(qiáng)D磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是小磁針北極受力的方向【解析】磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是客現(xiàn)存在的，與是否放通電導(dǎo)線，通電導(dǎo)線受力的大小無(wú)關(guān)，所以選項(xiàng)A、C均錯(cuò)當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)電流無(wú)作用力，但磁場(chǎng)卻存在，所以選項(xiàng)B錯(cuò)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是小磁針靜止時(shí)N極的指向，而不是通電導(dǎo)線的受力方向【答案】D2在如圖中，標(biāo)出了磁場(chǎng)B的方向、通電直導(dǎo)線中電流I的方向，以及通電直導(dǎo)線所受磁場(chǎng)力F的方向，其中正確的是()【解析】由左手定則判斷可知C正確【答案】C3各地地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度(水平分量)Bx有所不同，可以在相關(guān)手冊(cè)上查到下表給出我國(guó)幾個(gè)城市的Bx值.地名北京廣州上海武漢Bx/104 T0.2890.3750.3330.343現(xiàn)將同一根通電直導(dǎo)線分別在以上四地豎直放置，則使導(dǎo)線受磁場(chǎng)力最大的是()A北京B廣州C上海 D武漢【解析】由安培力公式FBIL可知，同一根通電直導(dǎo)線豎直放置時(shí)，地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量Bx越大，導(dǎo)線所受安培力越大，故導(dǎo)線在廣州所受磁場(chǎng)力最大，B正確【答案】B4如圖319所示，條形磁鐵放在水平桌面上，在其正中央的上方固定一根長(zhǎng)直導(dǎo)線，導(dǎo)線與磁鐵垂直，給導(dǎo)線通以垂直紙面向里的電流，用FN表示磁鐵對(duì)桌面的壓力，用F表示桌面對(duì)磁鐵的摩擦力，導(dǎo)線中通電后與通電前相比較()圖319AFN減小，F(xiàn)0BFN減小，F(xiàn)0CFN增大，F(xiàn)0 DFN增大，F(xiàn)0【解析】如圖所示，畫出一條通過(guò)電流I處的磁感線，電流I處的磁場(chǎng)方向水平向左由左手定則知電流I受安培力方向豎直向上，根據(jù)牛頓第三定律知，電流對(duì)磁鐵的作用力方向豎直向下，所以磁鐵對(duì)桌面壓力增大由于磁鐵沒(méi)有相對(duì)于桌面的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，故桌面對(duì)磁鐵無(wú)摩擦力作用【答案】C5關(guān)于磁電式電流計(jì)，下列說(shuō)法正確的是()A電流計(jì)的工作原理是安培力對(duì)通電線框的轉(zhuǎn)動(dòng)作用B電流計(jì)的工作原理是安培力對(duì)通電線框的加速作用C電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的角度與所通電流的大小成正比D電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的角度與所通電流的大小成反比【解析】電流計(jì)的工作原理是通電線圈在磁場(chǎng)中受到安培力的作用，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)電流越大，線框受到的安培力越大，指針偏轉(zhuǎn)角度越大，故A、C正確，B、D不正確【答案】AC6通電矩形導(dǎo)線框abcd與無(wú)限長(zhǎng)通電直導(dǎo)線MN在同一平面內(nèi)，ab與MN平行，電流方向如圖3110所示關(guān)于MN的磁場(chǎng)對(duì)線框的作用，下列敘述正確的是()圖3110A線框有兩條邊所受的安培力方向相同B線框有兩條邊所受的安培力大小相同C線框所受安培力的合力朝左Dcd邊不受安培力的作用【解析】先判定導(dǎo)線框所在處的磁場(chǎng)方向垂直紙面向里如圖所示，且離導(dǎo)線MN越近，磁場(chǎng)越強(qiáng)；越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)越弱，由此可判定bc邊和ad邊所受安培力大小相等，方向相反，ab邊所受安培力比cd邊大，即Fab>Fcd，方向相反，由此可判定線框所受安培力的合力向左故B、C選項(xiàng)正確【答案】BC7有一小段通電導(dǎo)線，長(zhǎng)為1 cm，電流為5 A，把它置于磁場(chǎng)中某點(diǎn)，受到的磁場(chǎng)力為0.1 N，則該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定是()AB2 T BB2 TCB2 T D以上情況都有可能【解析】如果通電導(dǎo)線是垂直磁場(chǎng)方向放置的，此時(shí)所受磁場(chǎng)力最大，F(xiàn)0.1 N，則該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B T2 T如果通電導(dǎo)線不是垂直磁場(chǎng)方向放置的，則受到的磁場(chǎng)力小于垂直放置時(shí)受的力，垂直放置時(shí)受力將大于0.1 N，由定義式可知，B將大于2 T應(yīng)選C.【答案】C8如圖3111所示，一導(dǎo)體棒放置在處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的兩條平行金屬導(dǎo)軌上，并與金屬導(dǎo)軌組成閉合回路當(dāng)回路中通有電流時(shí)，導(dǎo)體棒受到安培力作用要使安培力增大，可采用的方法有()圖3111A增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B減小磁感應(yīng)強(qiáng)度C增大電流D減小電流【解析】由FBILsin 知，安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流I和導(dǎo)體與磁場(chǎng)方向的夾角有關(guān)，且隨B、I的增大而增大【答案】AC9在等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)a、b、c處，各有一條長(zhǎng)直導(dǎo)線垂直穿過(guò)紙面，導(dǎo)線中通有大小相等的恒定電流，方向如圖3112所示過(guò)c點(diǎn)的導(dǎo)線所受安培力的方向()圖3112A與ab邊平行，豎直向上B與ab邊平行，豎直向下C與ab邊垂直，指向左邊D與ab邊垂直，指向右邊【解析】根據(jù)同向電流相互吸引知，c處電流受a、b電流的安培力分別沿ca和cb方向，這兩個(gè)力大小相等，故c處導(dǎo)線受這兩個(gè)安培力的合力向左與ab垂直【答案】C10節(jié)日里，大街小巷，彩燈閃爍，很是好看某校學(xué)生王亮學(xué)習(xí)了安培力后，與興趣小組成員制作了彩燈閃爍裝置把一根柔軟的螺旋彈簧豎直懸掛起來(lái)，使它的下端剛好跟杯里的水銀面接觸，并使它與小彩燈泡、電池、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線組成如圖3113所示電路閉合開(kāi)關(guān)后，彩燈不停地閃爍起來(lái)請(qǐng)你分析一下彩燈的閃爍原理圖3113【解析】閉合開(kāi)關(guān)后，彈簧通電彩燈亮，彈簧可看作多個(gè)同向電流圓線圈，每個(gè)圓線圈受其他線圈的安培力，相互吸引而縱向收縮、變短，下端離開(kāi)水銀面而斷電，彩燈不亮安培力消失，在重力作用下，彈簧下端又接觸水銀面通電，彩燈再亮，彈簧再收縮，如此反復(fù)下去彩燈就能不停地閃爍起來(lái)【答案】見(jiàn)解析11在磁感應(yīng)強(qiáng)度是4.0102 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)里，有一條與磁場(chǎng)方向垂直，長(zhǎng)8 cm的通電導(dǎo)線ab(如圖3114所示)，通電導(dǎo)線ab所受的安培力是1.0102 N，方向垂直紙面指向外，求導(dǎo)線中電流的大小和方向圖3114【解析】根據(jù)左手定則，可以判斷導(dǎo)線中的電流的方向由b指向a.利用安培力的計(jì)算公式可得：I A3.1 A.【答案】I3.1 A方向由b指向a12在赤道上，地磁場(chǎng)可看成是沿南北方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小是0.50104T.如果赤道上有一根沿東西方向的直導(dǎo)線，長(zhǎng)為100 m，載有從東向西的電流50 A，地磁場(chǎng)對(duì)這根導(dǎo)線的作用力有多大？方向如何？【解析】因電流和磁場(chǎng)方向垂直，所以FBIL0.5010450100 N0.25 N由左手定則知安培力方向向下【答案】0.25 N方向向下