2011高二物理：3.4_安培力的应用_课件(粤教版选修3-1)

即时突破， 即时应用 (即时突破，小试牛刀 即时突破 小试牛刀) 1．(单选 一单匝线圈 ． 单选 一单匝线圈abcd，面积为 ，通入电流 单选)一单匝线圈 ，面积为S， 所示． 为I，方向如图 －4－5所示．在磁感应强度为 的 ，方向如图3－ － 所示 在磁感应强度为B的 匀强磁场中，线圈平面与 成 角 匀强磁场中，线圈平面与B成θ角，此时线圈所受 磁力矩为( 磁力矩为 ) A．M＝BISsinθ，顺时针 ． ＝ ， B．M＝BISsinθ，逆时针 ． ＝ ， C．M＝BIScosθ，顺时针 ． ＝ ， D．M＝BIScosθ，逆时针 ． ＝ ， 图3－4－5 － －
均匀辐射分布的磁场 图3－4－2 － －
磁场对电流的作用力跟电流成____， 磁场对电流的作用力跟电流成 正比 ，因而线圈 中的电流越大，安培力产生的力矩也越大， 中的电流越大，安培力产生的力矩也越大，线圈 和指针偏转的角度也就越大．因此， 和指针偏转的角度也就越大．因此，根据指针偏 转角度的____，可以知道被测电流的强弱． 转角度的 大小 ，可以知道被测电流的强弱． 思考感悟 2．磁电式电流表中磁铁与铁芯之间的磁场是 ． 匀强磁场吗？ 匀强磁场吗？ 提示：不是． 提示：不是．
第四节 安培力的应用
课标定位 学习目标： 学习目标： 1.理解直流电动机的原理． 理解直流电动机的原理． 理解直流电动机的原理 2．理解磁电式电表的原理． ．理解磁电式电表的原理． 重点难点：直流电动机和磁电式电表的原理． 重点难点：直流电动机和磁电式电表的原理．
一、直流电动机 直流 1．电动机的分类：电动机有____电动机与 1．电动机的分类：电动机有____电动机与 交流 交流 ____电动机之分， ____电动机还可分为单相交 电动机之分， 电动机之分 电动机还可分为单相交 流电动机与三相交流电动机． 流电动机与三相交流电动机．
二、磁电式电表的原理 1．电流表中磁铁与铁芯之间的磁场是均匀辐向分 ． 布的 所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，不管线圈 所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心， 处于什么位置， 处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是 零度．该磁场并非匀强磁场， 零度．该磁场并非匀强磁场，但在以铁芯为中心的 圆圈上，各点的磁感应强度 的大小是相等的 的大小是相等的． 圆圈上，各点的磁感应强度B的大小是相等的．
图3－4－3 － － 4
图3－4－
1． ．由于 ad 边和 bc 边的电流方向相反，所以两边受 边的电流方向相反， 到的安培力等大反向． 由左手定则知 Fad 与 Fbc 总是 到的安培力等大反向． 在一条直线上， 在一条直线上，其大小为 Fad＝Fbc＝BI ad sinθ.可见 可见 线圈平面与磁场方向的夹角不同时，ad、 线圈平面与磁场方向的夹角不同时，ad、bc 两边受 到的安培力大小也不同． ＝ 当 F 到的安培力大小也不同． θ＝0 时， ad＝Fbc＝0； ； π 当＝θ＝2时，Fad＝Fbc＝BI ad . ＝
即时突破， 即时应用 (即时突破，小试牛刀 即时突破 小试牛刀) 2．(双选 关于磁电式电流表，下列说法中正确的 双选)关于磁电式电流表 ． 双选 关于磁电式电流表， ) 有( A．电流表的线圈处于匀强磁场中 ． B．电流表的线圈处于均匀辐向磁场中 ． C．电流表的线圈转动时，安培力不变 ．电流表的线圈转动时， D．电流表指针的偏转角与所测电流成正比 ． 解析： 解析：选BD.匀强磁场的磁感线是间隔相等的平行 匀强磁场的磁感线是间隔相等的平行 直线， 错 电流表的线圈转动时， 直线，A错；电流表的线圈转动时，所受安培力的 大小不变，方向变化，C错． 大小不变，方向变化， 错
如图3－ － 所示 所示， 如图 －4－2所示，蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均 匀辐射分布的，通电线圈不管转到什么角度， 匀辐射分布的，通电线圈不管转到什么角度，线圈 的平面都跟磁感线平行．当电流通过线圈的时候， 的平面都跟磁感线平行．当电流通过线圈的时候， 线圈上跟铁芯轴线平行的两边受到的安培力产生力 使线圈发生转动．同时，螺旋弹簧被扭转， 矩，使线圈发生转动．同时，螺旋弹簧被扭转，产 生一个阻碍线圈转动的力矩， 生一个阻碍线圈转动的力矩，其大小随线圈转动角 度的增大而增大．直至上述两个力矩相____时 平衡 度的增大而增大．直至上述两个力矩相____时，线 圈才会停下来． 圈才会停下来．
2． ． 由于 ab 和 cd 两边中的电流方向始终与磁场垂直， 两边中的电流方向始终与磁场垂直， 所以 ab 和 cd 两边所受安培力不因线圈与磁场的夹 角的变化而不同， 角的变化而不同，即 Fab＝Fcd＝BI ab . ad ·cosθ 3． 安培力的力矩： M＝ ． 安培力的力矩： ＝BI ab × 2 ×2＝BIScosθ， ＝ ， 为线圈所围的面积． 其中 S 为线圈所围的面积．若线圈为 n 匝，则 M＝ ＝ nBIScosθ.正是安培力的力矩才使线圈发生了转动． 正是安培力的力矩才使线圈发生了转动． 正是安培力的力矩才使线圈发生了转动
例1
精讲精析】 原来天平平衡， 【精讲精析】 原来天平平衡，左边砝码的重力等 于线圈的重力与安培力的合力．当电流反向时， 于线圈的重力与安培力的合力．当电流反向时，左 盘还要加砝码才能平衡，说明后来的安培力向下， 盘还要加砝码才能平衡，说明后来的安培力向下， 则原来的安培力方向应向上． 则原来的安培力方向应向上． 电流反向前， 电流反向前，G 线圈－F＝G 砝① ＝ 电流反向后， 电流反向后，G 线圈＋F＝G 砝＋∆mg② ＝ ② F＝nBIL③ ＝ ③ ①②③联立解得 由①②③联立解得 ∆mg 0.036×10 B＝ ＝2nIL＝2×10×0.2×0.2 T＝0.45 T. ＝ 答案】 【答案】 0.45 T 方法总结】 【方法总结】 正确分析受力是解决此类问题 的关键． 的关键．
由M1＝M2可得 NBIS＝kθ，θ＝·I. ＝ ， ＝ 从公式中可以看出： 从公式中可以看出： (1)对于同一电流表 、B、S和k为不变量，所 对于同一电流表N、 、 和 为不变量 为不变量， 对于同一电流表 以θ∝I，可见θ与I一一对应，从而用指针的偏 ∝ ，可见 与 一一对应， 一一对应 角来测量电流强度I的值； 角来测量电流强度 的值； 的值 (2)因为 ∝I，θ随I的变化是线性的，所以表盘 因为θ∝ ， 随 的变化是线性的 的变化是线性的， 因为 的刻度是均匀的． 的刻度是均匀的．
图3－4－6 － －
由于线圈由N匝串联而成， 由于线圈由 匝串联而成，所以线框所受力矩应 匝串联而成 为M1＝NBIS，电流表内的弹簧产生一个阻碍线圈 ， 偏转的力矩，已知弹簧产生的弹性力矩 偏转的力矩，已知弹簧产生的弹性力矩M2与指针 的偏转角度θ成正比 成正比， kθ，(其中 其中k由弹簧 的偏转角度θ成正比，即M2＝kθ，(其中k由弹簧 决定)当 线圈就停在某一偏角θ上 决定 当M1＝M2时，线圈就停在某一偏角 上，固 定在转轴上的指针也转过同样的偏角θ， 定在转轴上的指针也转过同样的偏角 ，并指示刻 度盘上的某一刻度， 度盘上的某一刻度，从刻度的指示数就可以测得 电流强度． 电流强度．
2．直流电动机的结构及原理(如图 －4－1)： ．直流电动机的结构及原理 如图 如图3－ － ：
图3－4－1 － －
(1)当线圈由位置丁经位置甲运动到位置乙时，图中 当线圈由位置丁经位置甲运动到位置乙时， 当线圈由位置丁经位置甲运动到位置乙时 左边受力方向____ 右边受力方向____ 左边受力方向 向上 ，右边受力方向向下 ，使线圈 顺时针转动；当线圈在位置乙时不受力， 顺时针转动；当线圈在位置乙时不受力，由于惯性 继续转动． 继续转动． (2)当线圈由位置乙经位置丙运动到位置丁时，由于 当线圈由位置乙经位置丙运动到位置丁时， 当线圈由位置乙经位置丙运动到位置丁时 电流换向，图中左边受力方向____ 电流换向，图中左边受力方向向上 ，右边受力方 向下 使线圈继续顺时针转动； 向____ ，使线圈继续顺时针转动；当线圈在位置 丁时不受力，由于惯性继续转动；然后， 丁时不受力，由于惯性继续转动；然后，线圈重复 以上过程转动下去． 以上过程转动下去． 3．直流电动机的优点：通过改变输入电压很容易 ．直流电动机的优点： 调节它的____ 调节它的 转速 ，而__________的调速就不太方 交流电动机 的调速就不太方 便．
通电导体在安培力作用下的平衡 如图3－ － 是一种测定磁感应强度 的装置， 是一种测定磁感应强度B的装置 如图 －4－7是一种测定磁感应强度 的装置， 在天平的一端挂个矩形线圈， 在天平的一端挂个矩形线圈，它的底边放在待测的 匀强磁场中，磁场方向与线圈平面垂直， 匀强磁场中，磁场方向与线圈平面垂直，线圈匝数 n＝10，底边长 ＝20 cm.当线圈通 当线圈通0.2 A电流时， 电流时， ＝ ，底边长L＝ 当线圈通 电流时 天平达到平衡，然后保持电流大小不变， 天平达到平衡，然后保持电流大小不变，使电流反 此时发现天平左盘再加入∆m＝36 g的砝码才 向，此时发现天平左盘再加入 ＝ 的砝码才 能使天平平衡．求磁感应强度B的大小 的大小． 取 能使天平平衡．求磁感应强度 的大小．(g取10 m/s2) 图3－4－7 － －
2．电流表的工作原理 ． 如图3－ － 矩形线框两条边所受安培力大小相等 矩形线框两条边所受安培力大小相等， 如图 －4－6矩形线框两条边所受安培力大小相等， 方向相反，大小为F＝ 方向相反，大小为 ＝BIL，但两力不在一条直线上， ，但两力不在一条直线上， 两个力形成一对力偶，设两力间距为d， 两个力形成一对力偶，设两力间距为 ，则安培力 其中S为线圈面积 矩M＝F·d＝BIL·d＝BIS(其中 为线圈面积 ． ＝ ＝ ＝ 其中 为线圈面积)．
解析： 选 由左手定则可判知线框左边 解析： D.由左手定则可判知线框左边 ab 所受安培 力竖直向下， 所受的安培力竖直向上， 力竖直向下，右边 cd 所受的安培力竖直向上，而 bc 边所受安培力相互抵消， 边和 ad 边所受安培力相互抵消， 所以通电线圈在匀 bc 强磁场中所受的总力矩， 强磁场中所受的总力矩， 即磁力矩 M＝BI ab · 2 cosθ ＝ ad bc ＋BI cd · 2 cosθ＝2BI ab · 2 cosθ＝BIScosθ. ＝ ＝ 边的受力， 根据 ab 边和 cd 边的受力，可以肯定通电线圈将沿 逆时针方向转动，所以磁力矩方向为逆时针方向， 逆时针方向转动，所以磁力矩方向为逆时针方向， 是正确的． 故选项 D 是正确的．
一、直流电动机的原理 如图3－ － 所示 矩形线圈abcd的转轴 所示， 的转轴OO′垂直 如图 －4－3所示，矩形线圈 的转轴 垂直 于匀强磁场B的方向 的方向， 于匀强磁场 的方向，且线圈平面与磁场方向的夹 角为θ.为了便于分析通入恒定电流 为了便于分析通入恒定电流I时各边的受力情 角为 为了便于分析通入恒定电流 时各边的受力情 况，首先将立体空间图转化为平面图，即顺着转轴 首先将立体空间图转化为平面图， OO′看线圈所看到的结果如图 －4－4所示，ad与磁 看线圈所看到的结果如图3－ － 所示 所示， 与磁 看线圈所看到的结果如图 场方向的夹角就是线圈平面与磁场方向的夹角． 场方向的夹角就是线圈平面与磁场方向的夹角．
思考感悟 1．在开关闭合前，能否让线圈停在上图中的乙、 ．在开关闭合前，能否让线圈停在上图中的乙、 丁两图所示的位置上？ 丁两图所示的位置上？ 提示：不能． 提示：不能．
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二、磁电式电表 1．电流表是测量____的电学仪器，我们在实验时 ．电流表是测量电流 的电学仪器 的电学仪器， 经常使用的电流表是______电流表． 经常使用的电流表是 磁电式 电流表． 电流表 2．在磁电式电流表中， 2．在磁电式电流表中，强蹄形磁铁的两极间有一 个固定的圆柱形铁芯， 个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个转动的铝 框，在铝框上绕有线圈．铝框的转轴上装有两个螺 在铝框上绕有线圈． 旋弹簧和一个指针， 旋弹簧和一个指针，线圈的两端分别接在这两个螺 旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈． 旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈．