高三物理最新教案基本概念安培力教案 精品.docx

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高三物理最新教案基本概念安培力教案精品

磁场

§1基本概念安培力（教案2课时）

一、复习要点

1．掌握电流的磁场、安培定则；了解磁性材料，分子电流假说

2．掌握磁感应强度，磁感线，知道地磁场的特点

3．掌握磁场对通电直导线的作用，安培力，左手定则

4．了解磁电式电表的工作原理

5．能够分析计算通电直导线在复合场中的平衡和运动问题。

二、难点剖析

基本概念

1．磁场的产生

⑴磁极周围有磁场。

⑵电流周围有磁场（奥斯特）。

安培提出分子电流假说（又叫磁性起源假说），认为磁极的磁场和电流的磁场都是由电荷的运动产生的。

（但这并不等于说所有磁场都是由运动电荷产生的，因为麦克斯韦发现变化的电场也能产生磁场。

）

⑶变化的电场在周围空间产生磁场。

2．磁场的基本性质

磁场对放入其中的磁极和电流有磁场力的作用（对磁极一定有力的作用；对电流只是可能有力的作用，当电流和磁感线平行时不受磁场力作用）。

这一点应该跟电场的基本性质相比较。

3．磁场力的方向的判定

磁极和电流之间的相互作用力（包括磁极与磁极、电流与电流、磁极与电流），都是运动电荷之间通过磁场发生的相互作用。

因此在分析磁极和电流间的各种相互作用力的方向时，不要再沿用初中学过的“同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引”的结论（该结论只有在一个磁体在另一个磁体外部时才正确），而应该用更加普遍适用的：

“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”，或用左手定则判定。

4．磁感线

⑴用来形象地描述磁场中各点的磁场方向和强弱的曲线。

磁感线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向，也就是在该点小磁针静止时N极的指向。

磁感线的疏密表示磁场的强弱。

⑵磁感线是封闭曲线（和静电场的电场线不同）。

⑶要熟记常见的几种磁场的磁感线：

⑷安培定则（右手螺旋定则）：

对直导线，四指指磁感线方向；对环行电流，大拇指指中心轴线上的磁感线方向；对长直螺线管大拇指指螺线管内部的磁感线方向。

5．磁感应强度

（条件是匀强磁场中，或ΔL很小，并且L⊥B）。

磁感应强度是矢量。

单位是特斯拉，符号为T，1T=1N/（Am）=1kg/（As2）

6．磁通量

如果在磁感应强度为B的匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，其面积为S，则定义B与S的乘积为穿过这个面的磁通量，用Φ表示。

Φ是标量，但是有方向（进该面或出该面）。

单位为韦伯，符号为Wb。

1Wb=1Tm2=1Vs=1kgm2/（As2）。

可以认为穿过某个面的磁感线条数就是磁通量。

在匀强磁场磁感线垂直于平面的情况下，B=Φ/S，所以磁感应强度又叫磁通密度。

在匀强磁场中，当B与S的夹角为α时，有Φ=BSsinα。

安培力（磁场对电流的作用力）

1．安培力方向的判定

⑴用左手定则。

⑵用“同性相斥，异性相吸”（只适用于磁铁之间或磁体位于螺线管外部时）。

⑶用“同向电流相吸，反向电流相斥”（反映了磁现象的电本质）。

可以把条形磁铁等效为长直螺线管（不要把长直螺线管等效为条形磁铁）。

2．安培力大小的计算

F=BLIsinα（α为B、L间的夹角）高中只要求会计算α=0（不受安培力）和α=90°两种情况。

与地磁场有关的电磁现象综合问题

1.地磁场中安培力的讨论

2.地磁场中的电磁感应现象

3.如何测地磁场磁感应强度的大小和方向

地磁场的磁感线在北半球朝向偏北并倾斜指向地面，在南半球朝向偏北并倾斜指向天空，且磁倾角的大小随纬度的变化而变化.若测出地磁场磁感应强度的水平分量和竖直分量，即可测出磁感应强度的大小和方向.

三、典型例题

【例1】磁场对电流的作用力大小为F＝BIL（注意：

L为有效长度，电流与磁场方向应　　　　　　　）．F的方向可用　　　　　定则来判定．

试判断下列通电导线的受力方向．

　　×　×　×　×　　　　．　．　．　．

　　×　×　×　×　　　　．　．　．　．

　　×　×　×　×　　　　．　．　．　．

　　×　×　×　×　　　　．　．　．　．

试分别判断下列导线的电流方向或磁场方向或受力方向．

【例2】

如图所示，可以自由移动的竖直导线中通有向下的电流，不计通电导线的重力，仅在磁场力作用下，导线将如何移动？

解：

先画出导线所在处的磁感线，上下两部分导线所受安培力的方向相反，使导线从左向右看顺时针转动；同时又受到竖直向上的磁场的作用而向右移动（不要说成先转90°后平移）。

分析的关键是画出相关的磁感线。

【例3】条形磁铁放在粗糙水平面上，正中的正上方有一导线，通有图示方向的电流后，磁铁对水平面的压力将会＿＿＿（增大、减小还是不变？

）。

水平面对磁铁的摩擦力大小为＿＿＿。

解：

本题有多种分析方法。

⑴画出通电导线中电流的磁场中通过两极的那条磁感线（如图中粗虚线所示），可看出两极受的磁场力的合力竖直向上。

磁铁对水平面的压力减小，但不受摩擦力。

⑵画出条形磁铁的磁感线中通过通电导线的那一条（如图中细虚线所示），可看出导线受到的安培力竖直向下，因此条形磁铁受的反作用力竖直向上。

⑶把条形磁铁等效为通电螺线管，上方的电流是向里的，与通电导线中的电流是同向电流，所以互相吸引。

【例4】如图在条形磁铁N极附近悬挂一个线圈，当线圈中通有逆时针方向的电流时，线圈将向哪个方向偏转？

解：

用“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”最简单：

条形磁铁的等效螺线管的电流在正面是向下的，与线圈中的电流方向相反，互相排斥，而左边的线圈匝数多所以线圈向右偏转。

（本题如果用“同名磁极相斥，异名磁极相吸”将出现判断错误，因为那只适用于线圈位于磁铁外部的情况。

）

【例5】电视机显象管的偏转线圈示意图如右，即时电流方向如图所示。

该时刻由里向外射出的电子流将向哪个方向偏转？

解：

画出偏转线圈内侧的电流，是左半线圈靠电子流的一侧为向里，右半线圈靠电子流的一侧为向外。

电子流的等效电流方向是向里的，根据“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”，可判定电子流向左偏转。

（本题用其它方法判断也行，但不如这个方法简洁）。

【例6】如图所示，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：

⑴B至少多大？

这时B的方向如何？

⑵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？

解：

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。

（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）。

【例7】如图所示，质量为m的铜棒搭在U形导线框右端，棒长和框宽均为L，磁感应强度为B的匀强磁场方向竖直向下。

电键闭合后，在磁场力作用下铜棒被平抛出去，下落h后的水平位移为s。

求闭合电键后通过铜棒的电荷量Q。

解：

闭合电键后的极短时间内，铜棒受安培力向右的冲量FΔt=mv0而被平抛出去，其中F=BIL，而瞬时电流和时间的乘积等于电荷量Q=IΔt，由平抛规律可算铜棒离开导线框时的初速度

，最终可得

。

【例8】如图所示，半径为R、单位长度电阻为

的均匀导体环固定在水平面上，圆环中心为O，匀强磁场垂直于水平面方向向下，磁感应强度为B。

平行于直径MON的导体杆，沿垂直于杆的方向向右运动。

杆的电阻可以忽略不计，杆于圆环接触良好。

某时刻，杆的位置如图，∠aOb=2θ，速度为v，求此时刻作用在杆上的安培力的大小。

解：

ab段切割磁感线产生的感应电动势为E=vB2Rsinθ，以a、b为端点的两个弧上的电阻分别为2

R（π-θ）和2

Rθ，回路的总电阻为

，总电流为I=E/r，安培力F=IB2Rsinθ，由以上各式解得：

。

【例9】如图所示，两根平行金属导轨间的距离为0.4m，导轨平面与水平面的夹角为37°，磁感应强度为0.5T的匀强磁场垂直于导轨平面斜向上，两根电阻均为1Ω、重均为0.1N的金属杆ab、cd水平地放在导轨上，杆与导轨间的动摩擦因数为0.3，导轨的电阻可以忽略.为使ab杆能静止在导轨上，必须使cd杆以多大的速率沿斜面向上运动?

解：

设必须使cd杆以v沿斜面向上运动，则有cd杆切割磁场线，将产生感应电动势E=Blv

在两杆和轨道的闭合回路中产生电流I=

ab杆受到沿斜面向上的安培力F安＝Bil

ab杆静止时，受力分析如图

根据平衡条件，应有Gsinθ一μGcosθ≤F安≤Gsinθ+μGcosθ

联立以上各式，将数值代人，可解得1.8m/s≤v≤4.2m/s

【例10】如图所示是一个可以用来测量磁感应强度的装置：

一长方体绝缘容器内部高为L，厚为d，左右两管等高处装有两根完全相同的开口向上的管子a、b，上、下两侧装有电极C（正极）和D（负极）并经开关S与电源连接，容器中注满能导电的液体，液体的密度为ρ；将容器置于一匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里，当开关断开时，竖直管子a、b中的液面高度相同，开关S闭合后，a、b管中液面将出现高度差。

若当开关S闭合后，a、b管中液面将出现高度差为h，电路中电流表的读数为I，求磁感应强度B的大小。

解析：

开关S闭合后，导电液体中有电流由C流到D，

根据左手定则可知导电液体要受到向右的安培力F作用，

在液体中产生附加压强P，这样a、b管中液面将出现高

度差。

在液体中产生附加压强P为

所以磁感应强度B的大小为：

【例11】安培秤如图所示，它的一臂下面挂有一个矩形线圈，线圈共有N匝，它的下部悬在均匀磁场B内，下边一段长为L，它与B垂直。

当线圈的导线中通有电流I时，调节砝码使两臂达到平衡；然后使电流反向，这时需要在一臂上加质量为m的砝码，才能使两臂再达到平衡。

求磁感应强度B的大小。

解析：

根据天平的原理很容易得出安培力F=

，

所以F=NBLI=

因此磁感应强度B=

。

【例12】已知北京地区地磁场的水平分量为3.0×10－5T.若北京市一高层建筑安装了高100m的金属杆作为避雷针，在某次雷雨天气中，某一时刻的放电电流为105A，此时金属杆所受培力的方向和大小如何？

分析：

首先要搞清放电电流的方向.因为地球带有负电荷，雷雨放电时，是地球所带电荷通过金属杆向上运动，即电流方向向下.

对于这类问题，都可采用如下方法确定空间的方向：

面向北方而立，则空间水平磁场均为“×”；自己右手边为东方，左手边为西方，背后为南方，如图2所示.由左手定则判定电流所受磁场力向右（即指向东方），大小为

F＝BIl＝3.0×10－5×105×100＝300（N）.

.

用同一方法可判断如下问题：

一条长2m的导线水平放在赤道上空，通以自西向东的电流，它所受地磁场的磁场力方向如何？

同步练习

一、选择题

1．下列说法中正确的是（）

A．磁感线可以表示磁场的方向和强弱

B．磁感线从磁体的N极出发，终止于磁体的S极

C．磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场

D．放入通电螺线管内的小磁针，根据异名磁极相吸的原则，小磁针的N极一定指向通

电螺线管的S极

2．关于磁感应强度，下列说法中错误的是（）

A．由B=

可知，B与F成正比，与IL成反比

B．由B=

可知，一小段通电导体在某处不受磁场力，说明此处一定无磁场

C．通电导线在磁场中受力越大，说明磁场越强

D．磁感应强度的方向就是该处电流受力方向

3．一束电子流沿x轴正方向高速运动，如图所示，则电子流产生的磁场在z轴上的点P

处的方向是（）

A．沿y轴正方向

B．沿y轴负方向

C．沿z轴正方向

D．沿z轴负方向

4．在地球赤道上空有一小磁针处于水平静止状态，突然发现

小磁针N极向东偏转，由此可知（）

A．一定是小磁针正东方向上有一条形磁铁的N极靠近小磁针

B．一定是小磁针正东方向上有一条形磁铁的S极靠近小磁针

C．可能是小磁针正上方有电子流自南向北水平通过

D．可能是小磁针正上方有电子流自北向南水平通过

5．两根长直通电导线互相平行，电流方向相同.它们的截面处于一个等边三角形ABC的

A和B处.如图所示，两通电导线在C处的磁场的磁感应强度的值都是B，则C处磁

场的总磁感应强度是（）

A．2BB．B

C．0D．

B

6．磁铁在高温下或者受到敲击时会失去磁性，根据安培的分子

电流假说，其原因是（）

A．分子电流消失

B．分子电流的取向变得大致相同

C．分子电流的取向变得杂乱

D．分子电流的强度减弱

7．根据安培假说的思想，认为磁场是由于电荷运动产生的，这种思想对于地磁场也适

用，而目前在地球上并没有发现相对于地球定向移动的电荷，那么由此判断，地球

应该（）

A．带负电B．带正电C．不带电D．无法确定

8．关于垂直于磁场方向的通电直导线所受磁场作用力的方向，正确的说法是

A．跟电流方向垂直，跟磁场方向平行

B．跟磁场方向垂直，跟电流方向平行

C．既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直

D．既不跟磁场方向垂直，又不跟电流方向垂直

9．如图所示，直导线处于足够大的匀强磁场中，与磁感线成θ=30°角，导线中通过的

电流为I，为了增大导线所受的磁场力，可采取下列四种办法，其中不正确的是（）

A．增大电流I

B．增加直导线的长度

C．使导线在纸面内顺时针转30°

D．使导线在纸面内逆时针转60°

10．如图所示，线圈abcd边长分别为L1、L2，通过的电流

为I，当线圈绕OO′轴转过θ角时（）

A．通过线圈的磁通量是BL1L2cosθ

B．ab边受安培力大小为BIL1cosθ

C．ad边受的安培力大小为BIL2cosθ

D．线圈受的磁力矩为BIL1L2cosθ

11．如图所示，一金属直杆MN两端接有导线，悬挂于线圈

上方，MN与线圈轴线均处于竖直平面内，为使MN垂

直纸面向外运动，可以（）

A．将a、c端接在电源正极，b、d端接在电源负极

B．将b、d端接在电源正极，a、c端接在电源负极

C．将a、d端接在电源正极，b、c端接在电源负极

D．将a、c端接在交流电源的一端，b、d接在交流电源的另一

端

12．（2000年上海高考试题）如图所示，两根平行放置的长直

导线a和b载有大小相同、方向相反的电流，a受到的磁

场力大小为F1，当加入一与导线所在平面垂直的匀强磁场后，a受

到的磁场力大小变为F2，则此时b受到的磁场力大小变为（）

A．F2B．F1－F2

C．F1＋F2D．2F1－F2

13．如图所示，条形磁铁放在水平桌面上，在其正中央的上方固定一

根长直导线，导线与磁铁垂直，给导线通以垂直纸面向外的电流，则（）

A．磁铁对桌面压力减小，不受桌面的摩擦力作用

B．磁铁对桌面的压力减小，受到桌面的摩擦力作用

C．磁铁对桌面的压力增大，不受桌面的摩擦力作用

D．磁铁对桌面的压力增大，受到桌面的摩擦力作用

二、填充题

14．长为L，重为G的均匀金属棒一端用细线悬挂，一端搁在

桌面上与桌面夹角为α，现垂直细线和棒所在平面加一个磁感应强度为B的匀强磁

场，当棒通入如图所示方向的电流时，细线中正好无拉力.则电流的大小为______A．

15．电磁炮是一种理想的兵器，它的主要原理如图所示，1982年澳大利亚国立大学制成了能把2.2g的弹体（包括金属杆EF的质量）加速到10km/s的电磁炮（常规炮弹速度大小约为2km/s），若轨道宽2m，长为100m，通过的电流为10A，则轨道间所加匀强磁场的磁感应强度为_______T，磁场力的最大功率P=_______W（轨道摩擦不计）.

三、计算题

16．如图所示，在两根劲度系数都为k的相同的轻质弹簧下悬挂有一根导体棒ab，导体棒置于水平方向的匀强磁场中，且与磁场垂直.磁场方向垂直纸面向里，当导体棒中通以自左向右的恒定电流时，两弹簧各伸长了Δl1；若只将电流反向而保持其他条件不变，则两弹簧各伸长了Δl2，求：

（1）导体棒通电后受到的磁场力的大小?

（2）若导体棒中无电流，则每根弹簧的伸长量为多少?

17．如图所示，在倾角为30°的光滑斜面上垂直纸面放

置一根长为L，质量为m的通电直导体棒，棒内电

流大小为I，方向垂直纸面向外.以水平向右为x轴

正方向，竖直向上为y轴正方向建立直角坐标系.

（1）若加一方向垂直斜面向上的匀强磁场，使导体

棒在斜面上保持静止，求磁场的磁感应强度多大？

（2）若加一方向垂直水平面向上的匀强磁场使导体

棒在斜面上静止，该磁场的磁感应强度多大.

18．在原子反应堆中抽动液态金属时，由于不允许转动机械部分和液态金属接触，常使用一种电磁泵.如图1—34—13所示是这种电磁泵的结构示意图，图中A是导管的一段，垂直于匀强磁场放置，导管内充满液态金属.当电流I垂直于导管和磁场方向穿过液态金属时，液态金属即被驱动，并保持匀速运动.若导管内截面宽为a，高为b，磁场区域中的液体通过的电流为I，磁感应强度为B．求：

（1）电流I的方向；

（2）驱动力对液体造成的压强差.

参考答案

1．AC2．ABCD3．A4．C5．D6．C7．A8．C9．C10．D

11．ABD可先由安培定则判定磁场方向，再由左手定则判定通电导线的受力方向.

12．A

13．A变换研究对象，根据磁感线分布及左手定则，先分析通电长直导线受力情况，

再由牛顿第三定律分析磁铁和桌面之间的作用

14．Gcosα/BL

15．55，1.1×10716．

（1）k（Δl2-Δl1）

（2）

（Δl1+Δl2）

17．

（1）

（2）

18．

（1）电流方向由下而上

（2）把液体看成由许多横切液片组成，因通电而受到安培力作用，液体匀速流动时驱动力跟液体两端的压力差相等，即F=Δp·S，Δp=F/S=IbB/ab=IB/A．