12/12安培力及其應(yīng)用【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．知道安培力的定義及安培力大小的決定因素。2．知道左手定則，并會用它判定安培力的方向。3．會用F＝IlB計算B與I垂直情況下的安培力。4．知道電流計的基本構(gòu)造及其測電流大小和方向的基本原理?！緦W(xué)習(xí)重點】知道安培力的定義及安培力大小的決定因素；掌握左手定則，并會用它判定安培力的方向；掌握公式F＝IlB計算B與I垂直情況下的安培力?！緦W(xué)習(xí)難點】掌握左手定則，并會用它判定安培力的方向；掌握公式F＝IlB計算B與I垂直情況下的安培力?！緦W(xué)習(xí)過程】閱讀本節(jié)教材，回答第3頁“問題”并梳理必要知識點。教材P3問題提示：安培力的大小與磁感應(yīng)強度、通電電流的大小、通電導(dǎo)線的長短及通電導(dǎo)線的放置方式有關(guān)；安培力的方向可根據(jù)左手定則判斷。一、安培力1．定義：物理學(xué)中，將磁場對通電導(dǎo)線的作用力稱為安培力。2．方向：用左手定則判斷。判斷方法：伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿過手心，四指指向電流的方向，此時拇指所指的方向即為所受安培力的方向。3．大?。?）F＝eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(IlBB與I垂直,0B與I平行,IlBsinθB與I的夾角為θ))（2）在非勻強磁場中公式可用于很短的一段通電直導(dǎo)線。二、安培力的應(yīng)用1．安培力在生活中應(yīng)用：電動機、電流計等都是安培力的應(yīng)用。2．電流計工作原理：（1）構(gòu)造：如圖所示，圓柱形鐵芯固定于U形磁鐵兩極間，鐵芯外面套有纏繞著線圈并可轉(zhuǎn)動的鋁框，鋁框的轉(zhuǎn)軸上裝有指針和游絲。（2）原理：當(dāng)被測電流通入線圈時，線圈受安培力作用而轉(zhuǎn)動，線圈的轉(zhuǎn)動使游絲扭轉(zhuǎn)形變，從而對線圈的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生阻礙。當(dāng)安培力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動與游絲形變產(chǎn)生的阻礙達到平衡時，指針停留在某一刻度。電流越大，安培力就越大，指針偏轉(zhuǎn)角度就越大。三、基礎(chǔ)自測1．思考判斷（正確的打“√”，錯誤的打“×”）（1）安培力的方向可能與磁場方向垂直，也可能不垂直。（×）（2）通電導(dǎo)線在磁場中一定會受到安培力的作用。（×）（3）安培力的方向與導(dǎo)線方向一定垂直。（√）（4）通電導(dǎo)體在磁場中所受安培力F一定等于IlB。（×）（5）用磁電式電流表測量電流時，通電線圈的四條邊都受到安培力的作用。（×）2．下圖中分別標(biāo)明了通電直導(dǎo)線中電流I、勻強磁場的磁感應(yīng)強度B和電流所受安培力F的方向，其中正確的是（）ABCDA[伸開左手，四指指向電流方向，讓磁感線垂直穿過手心，拇指指向為安培力方向，故A中的安培力方向豎直向上，B中的安培力為零，C中安培力方向豎直向下，D中安培力方向垂直紙面向外，故A正確。]3．（多選）關(guān)于磁場對通電直導(dǎo)線的作用力的大小，下列說法中正確的是（）A．通電直導(dǎo)線跟磁場方向平行時作用力為零B．通電直導(dǎo)線跟磁場方向垂直時作用力最大C．作用力的大小跟導(dǎo)線與磁場方向的夾角無關(guān)D．通電直導(dǎo)線跟磁場方向斜交時肯定有作用力ABD[安培力既垂直于通電導(dǎo)線，又垂直于磁場。當(dāng)導(dǎo)線與磁場方向垂直時，安培力最大，當(dāng)導(dǎo)線與磁場方向平行時，安培力為零，選項A．B正確，選項C錯誤；通電直導(dǎo)線跟磁場方向斜交時，可將磁場沿平行于導(dǎo)線方向和垂直于導(dǎo)線方向進行分解，垂直于導(dǎo)線方向的磁場為有效磁場，安培力不為零，選項D正確。]四、合作探究考點1：安培力的方向（教師用書獨具）教材P3“迷你實驗室”答案提示：安培力方向與電流方向、磁感應(yīng)強度的方向都垂直，即垂直于電流方向、磁感應(yīng)強度方向決定的平面。教材P4“迷你實驗室”答案提示：反向電流相互排斥，同向電流相互吸引，因為其中一個電流放置于另一個電流的磁場中，可用左手定則判斷。情境引入，助學(xué)助教：用兩根細銅絲把一根直導(dǎo)線懸掛起來，放入蹄形磁鐵形成的磁場中。當(dāng)導(dǎo)線中通以電流時，你能看到通電導(dǎo)線在磁場中朝一個方向擺動，這個實驗現(xiàn)象說明了什么？改變電池的正負極接線柱或?qū)⒋盆F的N極、S極交換位置，閉合開關(guān)，你能看到通電導(dǎo)線的擺動方向發(fā)生改變，這個實驗現(xiàn)象說明了什么？提示：說明磁場對通電導(dǎo)線有力的作用。磁場中導(dǎo)線所受安培力的方向與磁場方向和電流方向都有關(guān)。安培力的方向：不管電流方向與磁場方向是否垂直，安培力的方向總是垂直于磁場方向和電流方向所決定的平面，即總有F⊥I和F⊥B．（1）已知I、B的方向，可用左手定則唯一確定F的方向。（2）已知F、B的方向，當(dāng)導(dǎo)線的位置確定時，可唯一確定I的方向。（3）已知F、I的方向，B的方向不能唯一確定。1．安培定則（右手螺旋定則）與左手定則的區(qū)別安培定則（右手螺旋定則）左手定則用途判斷電流的磁場方向判斷電流在磁場中的受力方向適用對象直線電流環(huán)形電流或通電螺線管電流在磁場中應(yīng)用方法拇指指向電流的方向四指彎曲的方向表示電流的環(huán)繞方向磁感線穿過手掌心，四指指向電流的方向結(jié)果四指彎曲的方向表示磁感線的方向拇指指向軸線上磁感線的方向拇指指向電流受到的磁場力的方向【例1】畫出圖中通電直導(dǎo)線A受到的安培力的方向。（1）（2）（3）（4）[解析]（1）中電流與磁場垂直，由左手定則可判斷出A所受安培力方向如圖甲所示。（2）中條形磁鐵在A處的磁場分布如圖乙所示，由左手定則可判斷A受到的安培力的方向如圖乙所示。（3）中由安培定則可判斷出電流A處磁場方向如圖丙所示，由左手定則可判斷出A受到的安培力方向如圖丙所示。（4）中由安培定則可判斷出電流A處磁場如圖丁所示，由左手定則可判斷出A受到的安培力方向如圖丁所示。[答案]（1）（2）（3）（4）規(guī)律方法判斷安培力方向常見的兩類問題eq\o([跟進訓(xùn)練])1．請畫出如圖所示的甲、乙、丙三種情況下，導(dǎo)線受到的安培力的方向。[解析]畫出甲、乙、丙三種情況的側(cè)面圖，利用左手定則判定出在甲、乙、丙三種情況下，導(dǎo)線所受安培力的方向如圖所示。[答案]見解析考點2：安培力的大小情境引入，助學(xué)助教：（1）用兩根細銅絲把一根直導(dǎo)線懸掛起來，放入蹄形磁鐵形成的磁場中。把一節(jié)電池換成三節(jié)，其他條件不變，觀察更換電池后通電導(dǎo)線擺動的幅度變大，說明什么？把蹄形磁鐵更換成磁性更強的磁鐵，其他條件不變，比較得出，更換磁鐵后導(dǎo)線擺動的幅度變大，又說明什么？（2）如圖所示，當(dāng)電流與磁場方向夾θ角時，安培力的大小怎樣表示？提示：（1）當(dāng)其他因素不變時，電流增大，安培力增大。當(dāng)其他因素不變時，磁感應(yīng)強度變大，安培力增大。（2）如圖所示，可以把磁感應(yīng)強度矢量分解為兩個分量：與電流方向垂直的分量B1＝Bsinθ，與電流方向平行的分量B2＝Bcosθ，平行于導(dǎo)線的分量B2對通電導(dǎo)線沒有作用力，通電導(dǎo)線所受的作用力F僅由B1決定，即F＝IlB1，故F＝IlBsinθ（θ為B與I的夾角）。1．對安培力F＝IlBsinθ的理解（1）B對放入的通電導(dǎo)線來說是外磁場的磁感應(yīng)強度，不必考慮導(dǎo)線自身產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的影響。（2）l是有效長度，勻強磁場中彎曲導(dǎo)線的有效長度l，等于連接兩端點直線的長度（如圖）；相應(yīng)的電流沿l由始端流向末端。2．F＝IlBsinθ的適用條件導(dǎo)線所處的磁場應(yīng)為勻強磁場；在非勻強磁場中，公式僅適用于很短的通電導(dǎo)線。3．電流在磁場中的受力特點電荷在電場中一定會受到電場力作用，但是電流在磁場中不一定受安培力作用。當(dāng)電流方向與磁場方向平行時，電流不受安培力作用。4．當(dāng)電流同時受到幾個安培力時，則電流所受的安培力為這幾個安培力的矢量和?！纠?】如圖所示，在勻強磁場中放有下列各種形狀的通電導(dǎo)線，電流均為I，磁感應(yīng)強度均為B，求各導(dǎo)線所受到的安培力的大小。ABCDE[解析]A圖中，F(xiàn)＝IlBcosα，這時不能死記公式而錯寫成F＝IlBsinα。要理解公式本質(zhì)是有效長度或有效磁場，正確分解。B圖中，B⊥I，導(dǎo)線再怎么放，也在紙平面內(nèi)，故F＝IlB。C圖是兩段導(dǎo)線組成的折線abc，整體受力實質(zhì)上是兩部分直導(dǎo)線分別受力的矢量和，其有效長度為ac，故F＝eq\r(2)IlB。D圖中，從a→b的半圓形電流，分析圓弧上對稱的每一小段電流，受力抵消合并后，其有效長度為ab，故F＝2IRB．E圖中，F(xiàn)＝0。[答案]A：IlBcosαB：IlBC：eq\r(2)IlBD：2IRBE：0規(guī)律方法：應(yīng)用安培力公式F＝BIlsinθ解題的技巧（1）公式F＝IlBsinθ中θ是B和I方向的夾角，不能盲目應(yīng)用題目中所給的夾角，要根據(jù)具體情況進行分析。（2）公式F＝IBlsinθ中的lsinθ也可以理解為垂直于磁場方向的“有效長度”。eq\o([跟進訓(xùn)練])2．長度為L、通有電流為I的直導(dǎo)線放入一勻強磁場中，電流方向與磁場方向如圖所示，已知磁感應(yīng)強度為B，對于下列各圖中，導(dǎo)線所受安培力的方向如何？大小是多大？ABCD[解析]A圖中，由左手定則可判斷出導(dǎo)線所受力的方向為垂直紙面向外，因?qū)Ь€不和磁場垂直，故將導(dǎo)線投影到垂直磁場方向上，導(dǎo)線所受力大小為F＝BILcosθ；B圖中，由左手定則可判斷出導(dǎo)線所受力的方向為垂直導(dǎo)線斜向左上方，因?qū)Ь€和磁場方向垂直，導(dǎo)線所受力大小為F＝BIL；C圖中，由左手定則可判斷出導(dǎo)線所受力的方向為垂直導(dǎo)線斜向左上方，因?qū)Ь€和磁場方向垂直，故導(dǎo)線所受力大小為F＝BIL；D圖中，由左手定則可判斷出導(dǎo)線所受力的方向為水平向右，導(dǎo)線所受力大小為F＝BIL。[答案]垂直紙面向外，BILcosθ；垂直導(dǎo)線斜向左上方，BIL；垂直導(dǎo)線斜向左上方，BIL；水平向右，BIL考點3：安培力作用下導(dǎo)體的運動問題情境引入，助學(xué)助教：如圖所示，在玻璃皿的中心放一個圓柱形電極，沿邊緣內(nèi)壁放一個圓環(huán)形電極，將兩電極接在電池的兩極上，然后在玻璃皿中放入鹽水，把玻璃皿放入蹄形磁鐵的磁場中，N極在下，S極在上，通電后鹽水就會旋轉(zhuǎn)起來。通電后的鹽水為什么會旋轉(zhuǎn)起來？提示：接通電源后，鹽水中有指向圓心的電流，根據(jù)左手定則，半徑方向上的電流將受到安培力使得鹽水逆時針（自上向下看去）轉(zhuǎn)動。分析導(dǎo)體在磁場中運動的常用方法：電流元法把整段導(dǎo)線分為多段電流元，先用左手定則判斷每段電流元所受安培力的方向，然后判斷整段導(dǎo)線所受安培力的方向，從而確定導(dǎo)線運動方向。等效法環(huán)形電流可等效成小磁針，通電螺線管可以等效成條形磁鐵或多個環(huán)形電流（反過來等效也成立），然后根據(jù)磁體間或電流間的作用規(guī)律判斷。特殊位置法通過轉(zhuǎn)動通電導(dǎo)線到某個便于分析的特殊位置，判斷其所受安培力的方向，從而確定其運動方向。結(jié)論法兩平行直線電流在相互作用過程中，無轉(zhuǎn)動趨勢，同向電流互相吸引，反向電流互相排斥；不平行的兩直線電流相互作用時，有轉(zhuǎn)到平行且電流方向相同的趨勢。轉(zhuǎn)換研究對象法定性分析磁體在電流磁場作用下如何運動的問題，可先分析電流在磁體磁場中所受的安培力，然后由牛頓第三定律，確定磁體所受電流磁場的反作用力，從而確定磁體所受合力及其運動方向?！纠?】一個可以自由運動的線圈L1和一個固定的線圈L2互相絕緣垂直放置，且兩個線圈的圓心重合。當(dāng)兩線圈通以如圖所示的電流時，從左向右看，則線圈L1將（）A．不動B．順時針轉(zhuǎn)動C．逆時針轉(zhuǎn)動D．向紙面內(nèi)平動B[方法一：直線電流元分析法把線圈L1沿轉(zhuǎn)動軸分成上下兩部分，每一部分又可以看成無數(shù)直流電流元，電流元處在L2產(chǎn)生的磁場中，據(jù)安培定則可知各電流元所在處磁場向上。由左手定則可得，上部電流元所受安培力均指向紙外，下部電流元所受安培力均指向紙內(nèi)，因此從左向右看線圈L1順時針轉(zhuǎn)動。方法二：等效分析法把線圈L1等效為小磁針，該小磁針剛好處于環(huán)形電流I2的中心，通電后，小磁針的N極應(yīng)指向該點環(huán)形電流I2的磁場方向，由安培定則知L2產(chǎn)生的磁場方向在其中心豎直向上，而L1等效成小磁針后，在轉(zhuǎn)動之前，N極指向紙內(nèi)，因此應(yīng)由向紙內(nèi)轉(zhuǎn)為向上，所以從左向右看，線圈L1順時針轉(zhuǎn)動。方法三：利用結(jié)論法環(huán)形電流I1．I2之間不平行，則必有相對轉(zhuǎn)動，直到兩環(huán)形電流同向平行為止，據(jù)此可得從左向右看，線圈L1順時針轉(zhuǎn)動。]規(guī)律方法：判斷導(dǎo)體在磁場中運動情況的常規(guī)思路。不管是電流還是磁體，對通電導(dǎo)體的作用都是通過磁場來實現(xiàn)的，因此，此類問題可按下面步驟進行分析：（1）確定導(dǎo)體所在位置的磁場分布情況。（2）結(jié)合左手定則判斷導(dǎo)體所受安培力的方向。（3）由導(dǎo)體的受力情況判定導(dǎo)體的運動狀態(tài)。eq\o([跟進訓(xùn)練])3．如圖所示，把一重力不計的通電直導(dǎo)線水平放在蹄形磁鐵磁極的正上方，導(dǎo)線可以自由轉(zhuǎn)動，當(dāng)導(dǎo)線通入圖示方向電流I時，導(dǎo)線的運動情況是（從上往下看）（）A．順時針方向轉(zhuǎn)動，同時下降B．順時針方向轉(zhuǎn)動，同時上升C．逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時下降D．逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時上升A[（1）電流元法：把直線電流等效為AO、OB兩段電流，由左手定則可以判斷出AO段受力方向垂直紙面向外，OB段受力方向垂直紙面向內(nèi)，因此，從上向下看AB將以中心O為軸順時針轉(zhuǎn)動。（2）特殊位置法：用導(dǎo)線轉(zhuǎn)過90°的特殊位置來分析，根據(jù)左手定則判得安培力的方向向下，故導(dǎo)線在順時針轉(zhuǎn)動的同時向下運動。]【課堂小結(jié)】1．物理觀念：安培力。2．科學(xué)思維：左手定則、安培力大小F＝IlB。3．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：電流計的原理及使用?！井?dāng)堂小測】1．（多選）關(guān)于磁電式電流表內(nèi)的磁鐵和鐵芯之間的均勻輻向分布的磁場，下列說法正確的是（）A．該磁場的磁感應(yīng)強度大小處處相等，方向相同B．該磁場的磁感應(yīng)強度的方向處處相同，大小不等C．使線圈平面始終與磁感線平行D．該磁場中距軸線等距離處的磁感應(yīng)強度大小都相等CD[磁電式電流表內(nèi)的磁鐵和鐵芯之間均勻輻向分布的磁場，使線圈平面始終與磁感線平行，C正確；該磁場中距軸線等距離處的磁感應(yīng)強度大小處處相等，但方向不同，A、B錯誤，D正確。]2．一根容易形變的彈性導(dǎo)線，兩端固定。導(dǎo)線中通有電流，方向如圖中箭頭所示。當(dāng)沒有磁場時，導(dǎo)線呈直線狀態(tài)；當(dāng)分別加上方向豎直向上、水平向右或垂直于紙面向外的勻強磁場時，描述導(dǎo)線狀態(tài)的四個圖示中正確的是（）ABCDD[勻強磁場豎直向上與導(dǎo)線平行，導(dǎo)線受到的安培力為零，A錯；勻強磁場水平向右，根據(jù)左手定則可知導(dǎo)線受到安培力向里，B錯；勻強磁場垂直紙面向外，由左手定則可知導(dǎo)線受到安培力水平向右，C錯，D對。]3．如圖所示，兩個完全相同的線圈套在一水平光滑絕緣圓柱上，但能自由移動，若兩線圈內(nèi)通以大小不等的同向電流，則它們的運動情況是（