1、第四节安培力的应用学习目标1.掌握通电导体在磁场中受安培力作用而运动的规律(重点)2.了解直流电动机的原理理解通电线圈在磁场中受安培力作用而转动的规律(重点、难点)3.了解磁电式电表的构造及原理一、直流电动机1分类：电动机有直流电动机和交流电动机，交流电动机又分为单相和三相交流电动机2原理：如图所示，当电流通过线圈时，右边线框受到的安培力方向向下，左边线框受到向上的安培力，在安培力作用下线框转动起来二、磁电式电表1装置：磁电式电流表是在强蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以转动的铝框，在铝框上绕有线圈铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧
2、上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈2.原理：如图所示，当电流通过线圈时，线圈上跟铁芯轴线平行的两边受到安培力产生力矩，使线圈发生转动同时由于螺旋弹簧被扭转，产生一个阻碍线圈转动的力矩，最终达到平衡线圈转动的角度由指针显示出来，根据电流与偏角关系，可以得出电流的强弱1正误判断(1)电动机是利用安培力使线圈转动的()(2)电动机工作时，将其他形式的能转化为电能()(3)电动机的转速可通过改变输入电压调节()(4)磁电式电表只能测定电流的大小，不能确定被测电流的方向()(5)磁电式电表的线圈受到的安培力始终与线圈平面垂直()2要改变直流电动机的转动方向，可行方法有()A适当减小电流强度B适当减弱磁场
3、C改变线圈中的电流方向或把磁铁两极对调D改变线圈中的电流方向的同时对调磁铁两极C线圈的转动方向跟通入的电流方向和磁场方向有关，而与电流强弱、磁场强弱无关，但不可同时改变电流方向和磁场方向，故只有选项C正确3电流表中蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的，下列说法正确的是()A目的是使线圈平面始终与磁感线平行B目的是让磁铁和铁芯间形成匀强磁场C离转轴越远，越靠近磁极，因此磁感应强度越大D目的是使线圈平面始终与磁感线垂直A辐射磁场的目的是使线圈平行于磁感线，线框在转动中安培力大小不变，A正确，D错误；辐射磁场各处磁感应强度方向不同，距离轴线越远磁场越弱，则B、C错误安培力的实际应用1.直流电动机的
4、结构及原理分析如图所示abcd(1)当线圈由位置d经位置a运动到位置b时，图中左边受力方向向上，右边受力方向向下，使线圈顺时针转动；当线圈在位置b时，由于惯性继续转动；(2)当线圈由位置b经位置c运动到位置d时，由于电流换向，图中左边受力方向向上，右边受力方向向下，使线圈继续顺时针转动；当线圈在位置d时，由于惯性继续转动；然后，线圈重复以上过程转动下去2磁电式电流表的原理分析(1)偏转原理(2)偏转角度设线圈所在处的磁场的磁感应强度为B，线框边长为L，宽度为d，匝数为n，通入电流为I时，转过的角度为，由相关的知识可以知道I，由此可以看出，偏转角度正比于电流1(多选)关于直流电动机，下列说法正确
5、的是()A直流电动机的工作原理是磁场对电流的作用B直流电动机正常工作时将电能转化为磁场能C直流电动机的换向器是两个彼此绝缘的半铜环组成的D电源的正负极和磁场的方向都改变，直流电动机的转动方向也改变AC直流电动机是因为受安培力而转动，故A正确；其正常工作时要消耗电能输出机械能，故B错误；为了保证直流电动机中的线圈在一周之内的转动过程中，线圈中的电流正好换向，必须有一个改变电流方向的装置换向器，它必须由两部分组成且彼此绝缘，能随线圈一起转动，C正确；直流电动机的转动方向由电流方向和磁场方向共同决定，因此如果两方向同时改变其转动方向不变，D错误2所谓电流表的灵敏度，是指在通入相同电流的情况下，指针偏
6、转角度的大小偏角越大，灵敏度越高下列方法不能提高磁电式电流表灵敏度的方法有()A增强永久磁铁的磁性B增大螺旋弹簧的劲度系数C增大线圈的面积D增加线圈的匝数B通电线圈在磁场中转动时，螺旋弹簧变形，反抗线圈的转动电流越大，安培力就越大，螺旋弹簧的形变也就越大要提高电流表的灵敏度，就要在通入相同电流时，让指针的偏转角度增大所以要减小螺旋弹簧的劲度系数，同时使安培力变大，即增加磁感应强度、增大线圈面积和增加线圈的匝数安培力作用下导体的运动问题1.判断导体在磁场中运动情况的常规思路：不管是电流还是磁体，对通电导体的作用都是通过磁场来实现的，因此，此类问题可按下面步骤进行分析：(1)确定导体所在位置的磁场
7、分布情况(2)结合左手定则判断导体所受安培力的方向(3)由导体的受力情况判定导体的运动方向2判断安培力作用下导体运动方向的五种常用方法电流元法把整段导线分为多段电流元，先用左手定则判断每段电流元受力的方向，然后判断整段导线所受合力的方向，从而确定导线运动方向等效法环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流，反过来等效也成立特殊位置法通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置，然后判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向结论法两平行直线电流在相互作用过程中，无转动趋势，同向电流互相吸引，反向电流互相排斥；两不平行的直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势转换研究
8、对象法定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的反作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向【例1】如图所示，两个完全相同、所在平面互相垂直的导体圆环P、Q中间用绝缘细线连接，通过另一绝缘细线悬挂在天花板上，当P、Q中同时通有图示方向的恒定电流时，关于两线圈的转动(从上向下看)以及细线中张力的变化，下列说法正确的是()AP顺时针转动，Q逆时针转动，转动时P与天花板连接的细线张力不变BP逆时针转动，Q顺时针转动，转动时两细线张力均不变CP、Q均不动，P与天花板连接的细线和与Q连接的细线张力均增大DP不动，Q逆时针转动，
9、转动时P、Q间细线张力不变A根据安培定则，P产生的磁场的方向N极垂直于纸面向外，Q产生的磁场方向水平向右，根据同名磁极相互排斥的特点，P将顺时针转动，Q逆时针转动；转动后相互靠近两点处的电流的方向相同，所以两个线圈相互吸引，连接P、Q的细线张力减小，整体分析受力知P与天花板连接的细线张力始终等于二者重力，不变故A正确，B、C、D错误不管是通电导体还是磁体，对另一通电导体的作用都是通过磁场来实现的，因此必须先画出导体所在位置的磁感线方向，然后用左手定则判断导体所受安培力的方向，进而再判断将要发生的运动3如图所示，把轻质导线圈用细线挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈中心，且在线圈平面内当线圈通以
10、图示方向的电流时线圈将()A发生转动，同时靠近磁铁B发生转动，同时远离磁铁C不发生转动，只靠近磁铁D不发生转动，只远离磁铁A由右手螺旋定则可知，线圈向外一面为S极，因为异名磁极相互吸引，因此从上往下看，线圈做顺时针方向转动，同时靠近磁铁，故A正确，B、C、D错误安培力作用下导体的平衡1.解题步骤(1)明确研究对象(2)先把立体图改画成平面图，并将题中的角度、电流的方向、磁场的方向标注在图上(3)正确受力分析(包括安培力)，然后根据平衡条件：F合0列方程求解2分析求解安培力时需要注意的问题(1)首先画出通电导体所在处的磁感线的方向，再根据左手定则判断安培力的方向(2)安培力大小与导体放置的角度有
11、关，但一般情况下只要求导体与磁场垂直的情况，其中L为导体垂直于磁场方向的长度，为有效长度【例2】如图所示，用两根轻细金属丝将质量为m、长为l的金属棒ab悬挂在c、d两处，置于匀强磁场内，当棒中通以从a到b的电流I后，两悬线偏离竖直方向角而处于平衡状态为了使棒平衡在该位置上，所需的磁场的最小磁感应强度的大小、方向为()Atan ，竖直向上 Btan ，竖直向下Csin ，平行于悬线向下 Dsin ，平行于悬线向上D要求所加磁场的磁感应强度最小，应使棒平衡时所受的安培力有最小值由于棒的重力恒定，悬线拉力的方向不变，由画出的力的三角形可知，安培力的最小值为Fminmgsin ，即IlBminmgsi
12、n ，得Bminsin ，方向应平行于悬线向上故选D.解决安培力作用下的受力平衡问题，受力分析是关键，解题时应先画出受力分析图，必要时要把立体图转换成平面图.例如：立体图平面图训练角度1.安培力作用下导体的平衡问题4.(多选)如图所示，通电导体棒静止于水平导轨上，棒的质量为m，长为L，通过的电流大小为I且垂直纸面向里，匀强磁场的磁感应强度B的方向与导轨平面成角，则导体棒受到的()A安培力大小为BILB安培力大小为BILsin C摩擦力大小为BILcos D支持力大小为mgBILcos AD导体棒受力如图所示：由于导体棒与磁场垂直，故安培力大小FABIL.根据平衡条件得：FfFAsin ，mgF
13、Acos FN解得FfBILsin ，FNmgBILcos .故A、D正确，B、C错误训练角度2.与安培力相关的综合问题5.如图所示，水平放置的两导轨P、Q间的距离L0.5 m，垂直于导轨平面的竖直向上的匀强磁场的磁感应强度B2 T，垂直于导轨放置的ab棒的质量m1 kg，系在ab棒中点的水平绳跨过定滑轮与重量G3 N的物块相连已知ab棒与导轨间的动摩擦因数0.2，电源的电动势E10 V、内阻r0.1 ，导轨的电阻及ab棒的电阻均不计要想ab棒处于静止状态，R应在哪个范围内取值？(g取10 m/s2)解析依据物体的平衡条件可得，ab棒恰不向右滑动时：GmgBI1L0ab棒恰不向左滑动时：Gmg
14、BI2L0依据闭合电路欧姆定律可得I1，I2由以上各式代入数据可解得R19.9 ，R21.9 所以R的取值范围为1.9 R9.9 .答案1.9 R9.9 课 堂 小 结知 识 脉 络1.无论是直流电动机还是交流电动机，原理均为电流通过线圈时受到安培力作用，线圈在安培力作用下转动起来2当通电线圈所受安培力的力矩与螺旋弹簧的力矩平衡时，磁电式电流表指针偏过一个角度，且此角度与电流大小成正比3判断通电导体在安培力作用下的运动时，要注意分析导体所在处磁场的分布情况1(多选)关于磁电式电流表内的磁铁和铁芯之间的均匀辐向分布的磁场，下列说法正确的是()A该磁场的磁感应强度的大小处处相等，方向相同B该磁场的
15、磁感应强度的方向处处相同，大小不等C使线圈平面始终与磁感线平行D该磁场中距轴线等距离处的磁感应强度的大小都相等CD磁电式电流表内的磁铁和铁芯之间均匀辐向分布的磁场，使线圈平面始终与磁感线平行，故C项正确该磁场中距轴线等距离处的磁感应强度的大小处处相等，但方向不同，故A、B错误，D项正确2(多选)一只电流表，发现读数偏小，为纠正这一偏差，可行的措施是()A减少表头线圈的匝数B减小永久磁铁的磁性C增加分流电阻的阻值D增加表头线圈的匝数CD电流大小一定的情况下，线圈匝数越多，磁感应强度越大，安培力越大，偏转角度越大，所以A、B错误，D正确电流表表头和分流电阻并联，在总电流一定的情况下，欲使读数增大，
16、必须增大通过表头的电流，根据并联电路的电阻之比等于电流的反比，表头电阻不变，增加分流电阻的阻值，可使线圈中电流增大，C正确3中国科技馆“探索与发现”展厅有一个展品名为“伸缩的线圈”，如图所示，该展品是将软导线绕制成“软螺线管”套在铁棒上，通电时，“软螺线管”的长度会发生变化现仅改变电流的方向，比较两次通电时线圈的状态，下列说法正确的是()A线圈由伸长状态变为压缩状态B线圈由压缩状态变为伸长状态C线圈仍是伸长状态D线圈仍是压缩状态D当该“软螺线管”通电时，所有各匝螺线管的电流的方向都是相同的，根据同向电流相互吸引可知，各匝螺线管之间的作用力为吸引力，所以线圈一定处于压缩状态；当改变该“软螺线管”内电流的方向时，各匝螺线管的电流的方向仍然都是相同的，所以线圈仍然处于压缩状态故A、B、C错误，D正确4.如图所示，金属棒MN两端由等长的轻质细线水平悬挂，处于竖直向上的匀强磁场中，棒中通以由M向N的电流，平衡时两悬线与竖直方向夹角均为.如果仅改变下列某一个条件，角的相应变化情况是()A棒中的电流变大，角变大B两悬线等长变短，角变小C金属棒质量变大，角变大D磁感应强度变大，角变小A金属棒的受力情况如图所示，则有tan .当棒中的电流I变大或者磁感应强度B变大时，因为重力不变，所以角会变大，选项A对，D错；两悬线等长变短对角没有影响，选项B错；当金属棒的质量变大时，角变小，选项C错