高中物理 第3章 打開電磁學的大門 第1節(jié) 磁場中的通電導線教師用書 魯科版選修1-1

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第1節(jié)磁場中的通電導線課標解讀重點難點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算公式能用左手定則判斷安培力的方向，能計算在勻強磁場中，當通電導線與磁場方向垂直時安培力的大小2.了解線圈在磁場中的運動情況，以及磁電式儀表的工作原理3.知道電動機的工作原理.1.安培力的計算，左手定則的應用，電動機的原理(重點)2.磁感應強度的理解，左手定則的應用(難點)會動的導線1.基本知識(1)安培力定義：通電導線在磁場中受到的作用力方向：用左手定則判斷左手定則：伸開左手，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，通電導線所受的安培力的大小與磁感應強度、電流大小以及磁場中垂直磁場方向的導線長度有關圖311b大?。涸趧驈姶艌鲋?，當通電導線與磁場方向垂直時，安培力的大小等于電流、磁感應強度和導線長度的乘積c公式表達：FBIl.(2)磁感應強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)當通電直導線垂直于磁感應強度方向時，安培力的方向和磁感應強度方向相同()(2)已知磁場方向和電流方向判定安培力的方向用左手，若已知磁場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平行，電流就會受到安培力()3探究交流安培力的方向與通電直導線方向、磁感應強度的方向有什么關系？【提示】與導線方向、磁感應強度方向都垂直會動的線圈和電動機1.基本知識(1)通電線圈在磁場中的轉動：線圈與磁場平行放置，當線圈通有電流時，與磁場垂直的兩個邊會受到安培力作用，根據(jù)左手定則判斷知，兩個力方向相反，使線圈繞中心軸轉動(2)利用線圈在磁場中受力轉動的原理，人們制作了磁電式電流計，第一個磁電式電流計是安培制作的，由此實現(xiàn)了電流的定量測量(3)電動機由轉子和定子構成，直流電動機還有換向器和電刷在線圈平面轉到與磁場方向垂直的位置時，換向器的每個半環(huán)互換連接的電刷，使電流的方向發(fā)生改變，從而實現(xiàn)了線圈的持續(xù)轉動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、電冰箱、錄音機、吹風機等你知道這些電器工作時共同的特點是什么嗎？工作原理又是什么呢？【提示】這些電器工作時的共同特點是都要使用電動機而電動機的原理是通電線圈在磁場中受安培力作用旋轉，從而起到了電動的作用.安培力方向的判定【問題導思】1安培力的方向與哪些因素有關？【提示】磁場的方向和電流的方向2安培力的方向與磁感應強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方向垂直又與電流方向垂直但磁場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和電流所決定的平面2當磁場方向、電流方向、安培力方向兩兩垂直時，只要已知其中任意兩個方向，就可以判斷第三者的方向3當不能確定磁場方向和電流方向垂直時，若已知磁場方向(或電流方向)與安培力的方向，電流方向(或磁場方向)不唯一安培定則反映的是電流方向與它產(chǎn)生的磁場方向之間的關系，而左手定則反映的是電流方向、磁場方向和安培力方向三者之間的關系，注意區(qū)分如圖所示，表示磁場對直線電流的作用，其中不正確的是() 【導學號：31870019】【解析】磁場對通電直導線的作用力既與導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的方向應向下，故C圖不正確故選C.【答案】C1下列圖示為通電直導線置于勻強磁場中的不同方式，其中導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方向平行故不受安培力，AC所示電流方向與磁場方向垂直，受安培力作用，AC正確【答案】AC安培力大小的計算【問題導思】1把一段通電導線放在磁場中，怎樣放受力最??？怎樣放受力最大？【提示】平行于磁場最小，垂直于磁場最大2安培力的大小與哪些因素有關？【提示】導線長度、電流的大小、磁感應強度、導線與磁場的夾角1若B與I(l)垂直時，F(xiàn)BIl，此時所受的安培力最大2若B與I(l)平行時，F(xiàn)0.3在計算安培力時，若放入磁場中的導線是彎曲導線，其安培力求解時應用其長度的有效值，即兩端點所連直線的長度如下圖312所示：圖312將長度為20 cm、通有0.1 A電流的直導線放入一勻強磁場中，電流與磁場的方向如圖313所示，已知磁感應強度為1 T試求出下列各圖中導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算公式得：(1)因為導線與磁感線平行，所以導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)垂直于導線斜向上，大小為FBIL10.120102 N0.02 N.【答案】見解析2如圖314所示，通電直導線置于勻強磁場中，導線與磁場方向垂直若僅將導線中的電流增大為原來的2倍，則導線所受安培力的大小將() 【導學號：31870020】圖314A減小為原來的B減小為原來的C增大為原來的2倍D增大為原來的4倍【答案】C探究電動機的工作原理【問題導思】1電動機是靠什么動力工作的？【提示】安培力2電動機工作時是靠什么來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，可以使線圈轉動起來，電動機是利用安培力來工作的2組成定子和轉子 (1)定子是電動機中固定不動的部分，可以是線圈，也可以是磁體(2)轉子是電動機中轉動的部分直流電動機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地改變流入線圈的電流方向，它們能使轉子按一個方向持續(xù)地旋轉如圖315所示，在水平向右的勻強磁場中，放有矩形線框abcd，線框可繞其中心軸線自由轉動，若線框中通入圖中所示電流試判斷此時線框的轉動方向(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線所受安培力方向由此可判斷此時：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邊此時不受安培力作用，因此線框ab邊向里轉，cd邊向外轉，即從上向下看線框順時針轉動【答案】從上向下看線框順時針轉動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線，電流方向垂直紙面向外用一根導線圍成如圖中KLMN所示的回路，當回路中沿圖示方向通過電流時(電源未在圖中畫出)，此時回路()圖316A將向左平動B將向右平動C將在紙面內(nèi)繞通過O點并垂直紙面的軸轉動DKL邊垂直紙面向外運動，MN邊垂直紙面向里運動【解析】電流I1在空間形成的磁場是以電流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項正確【答案】D【備課資源】(教師用書獨具)磁懸浮列車磁懸浮列車分為常導型和超導型兩大類常導型也稱常導磁吸型，以德國高速常導磁懸浮列車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每小時400500千米，適合于城市間的長距離快速運輸超導型磁懸浮列車也稱超導磁斥型，它是利用超導磁體產(chǎn)生的強磁場，列車運行時與布置在地面上的線圈相互作用，產(chǎn)生電動斥力將列車懸起，懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右，速度可達每小時500千米以上.1下列說法正確的是()A如果通電導線在磁場中某處不受安培力，則該處不存在磁場B即使通電導線在磁場中某處不受安培力作用，該處也可能存在磁場C通電導線在磁場中受安培力大的位置磁場強D磁場越強的位置，通電導線受到的安培力越大【解析】當通電導線平行磁場放置時，不受安培力的作用，故B正確，A錯誤安培力的大小與通電導線的長度、電流的大小、磁場的強弱以及電流與磁場間的夾角有關系，故C、D均錯誤所以正確選項為B.【答案】B2.如圖317所示，金屬棒MN放置在處于勻強磁場中的兩條平行金屬導軌上，與金屬導軌組成閉合回路當回路通有電流(電流方向如圖中所示)時，關于金屬棒受到安培力F的方向和大小，下列說法中正確的有()AF方向向右BF方向向左C增大電流強度，F(xiàn)增大D增大磁感應強度，F(xiàn)減小圖317【解析】由左手定則知A項對，由公式FBIL可知C項正確【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，則此導線() 【導學號：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的方向由南向北，根據(jù)左手定則知A對【答案】A4如圖318所示，一根長為L、質(zhì)量為m的導線AB，用軟導線懸掛在方向水平向里的磁感應強度為B的勻強磁場中，現(xiàn)要使懸線張力為零，則AB導線通電方向怎樣？電流是多大？圖318【解析】要使懸線張力為零，AB導線受到的磁場力必須向上，由左手定則可判斷電流的方向是AB.設懸線張力剛好為零，由二力平衡得BILmg所以I.【答案】電流方向：AB學業(yè)達標測評(八)(建議用時：45分鐘)1關于磁感應強度，下列說法中正確的是() 【導學號：31870022】A由B可知，B與F成正比，與Il成反比B由B可知，一小段通電導線在某處不受磁場力，則說明該處一定無磁場C通電導線在磁場中受力越大，說明磁場越強D磁感應強度的方向就是小磁針北極受力的方向【解析】磁場中某點的磁感應強度B是客現(xiàn)存在的，與是否放通電導線，通電導線受力的大小無關，所以選項A、C均錯當電流方向與磁場方向平行時，磁場對電流無作用力，但磁場卻存在，所以選項B錯磁感應強度的方向就是小磁針靜止時N極的指向，而不是通電導線的受力方向【答案】D2在如圖中，標出了磁場B的方向、通電直導線中電流I的方向，以及通電直導線所受磁場力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各地地磁場磁感應強度(水平分量)Bx有所不同，可以在相關手冊上查到下表給出我國幾個城市的Bx值.地名北京廣州上海武漢Bx/104 T0.2890.3750.3330.343現(xiàn)將同一根通電直導線分別在以上四地豎直放置，則使導線受磁場力最大的是()A北京B廣州C上海 D武漢【解析】由安培力公式FBIL可知，同一根通電直導線豎直放置時，地磁場磁感應強度水平分量Bx越大，導線所受安培力越大，故導線在廣州所受磁場力最大，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直導線，導線與磁鐵垂直，給導線通以垂直紙面向里的電流，用FN表示磁鐵對桌面的壓力，用F表示桌面對磁鐵的摩擦力，導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，畫出一條通過電流I處的磁感線，電流I處的磁場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，電流對磁鐵的作用力方向豎直向下，所以磁鐵對桌面壓力增大由于磁鐵沒有相對于桌面的運動趨勢，故桌面對磁鐵無摩擦力作用【答案】C5關于磁電式電流計，下列說法正確的是()A電流計的工作原理是安培力對通電線框的轉動作用B電流計的工作原理是安培力對通電線框的加速作用C電流計指針偏轉的角度與所通電流的大小成正比D電流計指針偏轉的角度與所通電流的大小成反比【解析】電流計的工作原理是通電線圈在磁場中受到安培力的作用，并產(chǎn)生轉動電流越大，線框受到的安培力越大，指針偏轉角度越大，故A、C正確，B、D不正確【答案】AC6通電矩形導線框abcd與無限長通電直導線MN在同一平面內(nèi)，ab與MN平行，電流方向如圖3110所示關于MN的磁場對線框的作用，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】先判定導線框所在處的磁場方向垂直紙面向里如圖所示，且離導線MN越近，磁場越強；越遠，磁場越弱，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FabFcd，方向相反，由此可判定線框所受安培力的合力向左故B、C選項正確【答案】BC7有一小段通電導線，長為1 cm，電流為5 A，把它置于磁場中某點，受到的磁場力為0.1 N，則該點的磁感應強度B一定是()AB2 T BB2 TCB2 T D以上情況都有可能【解析】如果通電導線是垂直磁場方向放置的，此時所受磁場力最大，F(xiàn)0.1 N，則該點磁感應強度為B T2 T如果通電導線不是垂直磁場方向放置的，則受到的磁場力小于垂直放置時受的力，垂直放置時受力將大于0.1 N，由定義式可知，B將大于2 T應選C.【答案】C8如圖3111所示，一導體棒放置在處于勻強磁場中的兩條平行金屬導軌上，并與金屬導軌組成閉合回路當回路中通有電流時，導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增大磁感應強度B減小磁感應強度C增大電流D減小電流【解析】由FBILsin 知，安培力大小與磁感應強度B、電流I和導體與磁場方向的夾角有關，且隨B、I的增大而增大【答案】AC9在等邊三角形的三個頂點a、b、c處，各有一條長直導線垂直穿過紙面，導線中通有大小相等的恒定電流，方向如圖3112所示過c點的導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，這兩個力大小相等，故c處導線受這兩個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，很是好看某校學生王亮學習了安培力后，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，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、開關、導線組成如圖3113所示電路閉合開關后，彩燈不停地閃爍起來請你分析一下彩燈的閃爍原理圖3113【解析】閉合開關后，彈簧通電彩燈亮，彈簧可看作多個同向電流圓線圈，每個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，如此反復下去彩燈就能不停地閃爍起來【答案】見解析11在磁感應強度是4.0102 T的勻強磁場里，有一條與磁場方向垂直，長8 cm的通電導線ab(如圖3114所示)，通電導線ab所受的安培力是1.0102 N，方向垂直紙面指向外，求導線中電流的大小和方向圖3114【解析】根據(jù)左手定則，可以判斷導線中的電流的方向由b指向a.利用安培力的計算公式可得：I A3.1 A.【答案】I3.1 A方向由b指向a12在赤道上，地磁場可看成是沿南北方向的勻強磁場，磁感應強度的大小是0.50104T.如果赤道上有一根沿東西方向的直導線，長為100 m，載有從東向西的電流50 A，地磁場對這根導線的作用力有多大？方向如何？【解析】因電流和磁場方向垂直，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