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2019-2020年高中物理 3.4安培力的應(yīng)用學(xué)案 粵教版選修3-1 1．知道磁電式電流表的基本構(gòu)造以及運(yùn)用它測(cè)量電流的大小和方向的基本原理． 2．知道直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造以及它的基本工作原理． 3．知道直流電動(dòng)機(jī)和電流表的內(nèi)部磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)． 4．能準(zhǔn)確判定線圈各邊所受磁場(chǎng)力的方向 1．電磁炮利用安培力推動(dòng)通電導(dǎo)體平動(dòng)的，直流電動(dòng)機(jī)利用安培力使通電線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的． 2．直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：通過改變輸入電壓很容易調(diào)節(jié)它的轉(zhuǎn)速． 3．電流表是測(cè)量電流的電學(xué)儀器，實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常使用的電流表是磁電式電流表． 判斷通電導(dǎo)線或線圈在安培力作用下的運(yùn)動(dòng)方向，一般采用下列幾種方法： (1)電流元分析法． 把長(zhǎng)直電流等分為無數(shù)小段直線電流元，先用左手定則判斷出一小段電流元受到的安培力方向，再判斷整段電流所受的安培力合力的方向，從而確定導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)方向． (2)特殊位置分析法． 先分析通電導(dǎo)線上的某個(gè)特殊位置，判斷其安培力方向，從而確定運(yùn)動(dòng)方向． (3)等效分析法． 常把條形磁鐵等效為環(huán)形電流，也可把環(huán)形電流等效為小磁針，以及把通電螺線管等效成多個(gè)環(huán)形電流或條形磁鐵． (4)結(jié)論分析法． ①兩電流相互平行時(shí)無轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，同向電流相互吸引，反向電流相互排斥；②兩電流不平行時(shí)，有轉(zhuǎn)動(dòng)到相互平行且電流方向相同的趨勢(shì)． (5)轉(zhuǎn)換研究對(duì)象法：因?yàn)殡娏髦g，電流與磁體之間相互作用滿足牛頓第三定律，這樣，定性分析磁體在電流磁場(chǎng)作用下如何運(yùn)動(dòng)的問題，可先分析電流在磁體的磁場(chǎng)中所受到的安培力，然后由牛頓第三定律，再確定磁體所受電流作用力，從而確定磁體所受合力及運(yùn)動(dòng)方向． 　兩條導(dǎo)線相互垂直如圖所示，但相隔一段小距離，其中一條AB是固定的，另一條CD能自由活動(dòng)，當(dāng)直流電流按圖所示方向通入兩條導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線CD將(從紙外向紙內(nèi)看)(　　) A．順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)靠近導(dǎo)線AB B．逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)離開導(dǎo)線AB C．順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)離開導(dǎo)線AB D．逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)靠近導(dǎo)線AB 解析：本題可用下面兩種方法解答． (1)電流元受力分析法：把直線電流CD等效為CO、DO兩段電流元，AB電流的磁感線分布如圖所示，用左手定則判定可知導(dǎo)線CD將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)． (2)特殊值分析法：將導(dǎo)線CD轉(zhuǎn)過90的特殊位置，兩直線電流相互平行，方向相同相互吸引，可見CD將靠近AB，所以導(dǎo)線CD逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)要靠近導(dǎo)線AB.因此正確答案是D. 答案：D ?練習(xí) 　如圖所示的彈性線圈AB，當(dāng)給它通電時(shí)下面判斷正確的是(D) A．當(dāng)電流從A向B通過時(shí)線圈長(zhǎng)度增加，當(dāng)電流反向時(shí)線圈長(zhǎng)度減小 B．當(dāng)電流從B向A通過時(shí)線圈長(zhǎng)度增加，當(dāng)電流反向時(shí)線圈長(zhǎng)度減小 C．不管電流方向如何，線圈長(zhǎng)度都不變 D．不管電流方向如何，線圈長(zhǎng)度都減小 解析：本題可用下面兩種方法解答． (1)等效分析法：通電彈性線圈由許多環(huán)形電流組成，把環(huán)形電流等效成條形磁鐵，當(dāng)電流從A向B通過線圈時(shí)條形磁鐵的極性如圖所示，各條形磁鐵相互吸引，即各線環(huán)相互吸引，可見線圈的長(zhǎng)度變短，當(dāng)電流從B向A通過線圈時(shí)條形磁鐵的極性與圖所示的相反，各條形磁鐵相互吸引，即各線環(huán)相互吸引，線圈的長(zhǎng)度仍然變短，所以D正確． (2)推論分析法：把環(huán)形電流看成無數(shù)小段的直線電流組成，當(dāng)電流從A向B通過線圈時(shí)各線環(huán)的電流方向如圖所示，各電流平行且同向，相互吸引，線圈長(zhǎng)度變短，當(dāng)電流從B向A通過線圈時(shí)各線環(huán)的電流方向與圖所示方向相反，但各電流仍平行且同向，相互吸引，線圈長(zhǎng)度仍變短，故D正確． 一、單項(xiàng)選擇題 1．如圖所示，在絕緣的水平面上等間距固定著三根相互平行的通電直導(dǎo)線a、b和c，各導(dǎo)線中的電流大小相同，其中a、c導(dǎo)線中的電流方向垂直紙面向外，b導(dǎo)線電流方向垂直紙面向內(nèi)．每根導(dǎo)線都受到另外兩根導(dǎo)線對(duì)它的安培力作用，則關(guān)于每根導(dǎo)線所受安培力的合力，以下說法中正確的是(B) A．導(dǎo)線a所受合力方向水平向右 B．導(dǎo)線c所受合力方向水平向右 C．導(dǎo)線c所受合力方向水平向左 D．導(dǎo)線b所受合力方向水平向左 解析：首先用安培定則判定導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)方向，要注意是合磁場(chǎng)的方向，然后用左手定則判定導(dǎo)線的受力方向．可以確定B是正確的． 2．在如圖所示電路中，電池均相同，當(dāng)電鍵S分別置于a、b兩處時(shí)，導(dǎo)線MM′與NN′之間的安培力的大小分別為fa、fb，判斷這兩段導(dǎo)線(D) A．fa＞fb，相互吸引 B．fa＞fb，相互排斥 C．fa＜fb，相互吸引 D．fa＜fb，相互排斥 解析：電鍵S分別置于a、b兩處時(shí)，電源分別為一節(jié)干電池、兩節(jié)干電池，而電路中燈泡電阻不變，則電路中電流Ia＜Ib，MM′和NN′處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Ba＜Bb，應(yīng)用安培力公式F＝BIL可知fa＜fb，又MM′和NN′電流方向相反，則相互排斥． 3．如下圖所示，一根通電的直導(dǎo)體棒放在傾斜的粗糙導(dǎo)軌上，且有圖示方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，處于靜止?fàn)顟B(tài)，若增大電流強(qiáng)度，導(dǎo)體棒仍靜止，則在電流增大到剛要運(yùn)動(dòng)的過程中，導(dǎo)體棒受到摩擦力的大小變化情況可能是(B) A．一直減小 B．先減小后增大 C．先增大后減小 D．始終不變 解析：由左手定則可判定安培力方向沿斜面向上，若開始時(shí)摩擦力方向沿斜面向下，則有F安＝mgsin θ＋f，而F安＝BIL，則f＝mgsin θ－F安，I增大，f減小；當(dāng)f減小到0后，F(xiàn)安＞mgsin θ，f反方向，I增大?f增大． 4．如圖所示，一段導(dǎo)線abcd位于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，且與磁場(chǎng)方向(垂直于紙面向里)垂直．線段ab、bc和cd的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)，且∠abc＝∠bcd＝135.流經(jīng)導(dǎo)線的電流為I，方向如圖中箭頭所示．導(dǎo)線段abcd所受磁場(chǎng)的合力(A) A．方向沿紙面向上，大小為(＋1)ILB B．方向沿紙面向上，大小為(－1)ILB C．方向沿紙面向下，大小為(＋1)ILB D．方向沿紙面向下，大小為(－1)ILB 解析：將導(dǎo)線分為三段直導(dǎo)線，根據(jù)左手定則分別判斷出安培力的大小，根據(jù)F＝BIL計(jì)算出安培力的大小，再求合力．導(dǎo)線所受合力F＝BIL＋2BILsin 45＝(＋1)ILB. 二、不定項(xiàng)選擇題 5．一條形磁鐵放在水平桌面上，它的上方靠S極一側(cè)吊掛一根與它垂直的導(dǎo)電棒，圖中只畫出此棒的截面圖，并標(biāo)出此棒中的電流是流向紙內(nèi)的，在通電的一瞬間可能產(chǎn)生的情況是(AD) A．磁鐵對(duì)桌面的壓力減小 B．磁鐵對(duì)桌面的壓力增大 C．磁鐵受到向右的摩擦力　 D．磁鐵受到向左的摩擦力 解析：如圖所示．導(dǎo)體棒通電后，由左手定則，導(dǎo)體棒受到斜向左下方的安培力，由牛頓第三定律可得，磁鐵受到導(dǎo)體棒的作用力應(yīng)斜向右上方，所以在通電的一瞬間，磁鐵對(duì)桌面的壓力減小，磁鐵受到向左的摩擦力，因此A、D正確． 6．如圖所示，一金屬直桿MN兩端接有導(dǎo)線，懸掛于線圈上方，MN與線圈軸線均處于豎直平面內(nèi)，為使MN垂直于紙面向外運(yùn)動(dòng)，則(AB) A．將a、c端接在電源正極，b、d端接在電源負(fù)極 B．將b、d端接在電源正極，a、c端接在電源負(fù)極 C．將a、d端接在電源正極，b、c端接在電源負(fù)極 D．將b、c端接在電源正極，a、d端接在電源負(fù)極 三、非選擇題(按題目要求作答．解答題應(yīng)寫出必要的文字說明、方程和重要演算步驟，答案中必須明確寫出數(shù)值和單位) 7．如圖(a)所示，傾角為α、相距為L(zhǎng)的光滑導(dǎo)軌與一穩(wěn)恒電源連接，導(dǎo)軌處于垂直于導(dǎo)軌形成的斜面向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一質(zhì)量為m的金屬棒與導(dǎo)軌接觸良好后恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)．圖(b)為金屬棒與斜面的切面圖，重力加速度取g. (1)試在圖(b)中作出金屬棒受力示意圖； (2)計(jì)算流過金屬棒的電流． 解析：(1)金屬棒所受的力的示意圖如圖所示： (2)根據(jù)安培力的公式，有：F安＝BIL.① 根據(jù)力的平衡條件，有：F安＝mgsin α. ② ①②兩式聯(lián)立得：I＝. 答案：(1)見解析圖　(2) 8．如圖所示，在傾角為37的光滑斜面上有一根長(zhǎng)為0.4 m，質(zhì)量為610－2 kg的通電直導(dǎo)線，電流強(qiáng)度I＝1 A，方向垂直于紙面向外，導(dǎo)線用平行于斜面的輕繩拴住不動(dòng)，整個(gè)裝置放在磁感應(yīng)強(qiáng)度每秒增加0.4 T，方向豎直向上的磁場(chǎng)中．設(shè)t＝0時(shí)，B＝0，則需要多長(zhǎng)時(shí)間，斜面對(duì)導(dǎo)線的支持力為零？(g取10 m/s2) 解析：斜面對(duì)導(dǎo)線的支持力為零時(shí)導(dǎo)線的受力如圖所示 由平衡條件得：FTcos 37＝F，① FTsin 37＝mg，② 由①②解得：F＝， 代入數(shù)值得：F＝0.8 N， 由F＝BIL得：B＝＝ T＝2 T. B與t的變化關(guān)系為B＝0.4 t，所以t＝5 s. 答案：5 s 9．如圖，水平放置的光滑的金屬導(dǎo)軌M、N，平行地置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，間距為d，磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度大小為B，方向與導(dǎo)軌平面夾為α ，金屬棒ab的質(zhì)量為m，放在導(dǎo)軌上且與導(dǎo)軌垂直．電源電動(dòng)勢(shì)為E，定值電阻為R，其余部分電阻不 計(jì)．則當(dāng)電鍵閉合的瞬間，棒ab的加速度為多大？ 解析：畫出導(dǎo)體棒ab受力的截面圖 如圖所示導(dǎo)體棒ab所受安培力：F＝BIL. 由牛頓第二定律得：Fsin α＝ma，導(dǎo)體棒ab中的電流：I＝，得a＝. 答案：