1819第3章第4节 安培力的应用语文doc.docx
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1819第3章第4节安培力的应用语文doc
第四节 安培力的应用
学习目标
知识脉络(教师用书独具)
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.
[自主预习·探新知]
[知识梳理]
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341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.
图341
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上,被测电流经过这两个弹簧流入线圈.
2.原理:
如图342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.
图342
[基础自测]
1.思考判断
(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.( )
【答案】
(1)√
(2)× (3)√ (4)× (5)√
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
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感线方向,故只有选项C正确.]
3.(多选)要使一台直流电动机的转速增大一些,下面哪些方法可行( )
A.减小线圈的面积
B.增加线圈的匝数
C.将磁极对调
D.加大磁场的磁感应强度
BD [电动机的转速与所受安培力的力矩大小有关,对于相同的线圈,每边受到的安培力随I或B的增大而增大,而减小线圈面积时,安培力的力矩变小.故B、D都有可能增大转速.]
4.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( )
【导学号:
52592107】
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均不对.]
[合作探究·攻重难]
安培力的实际应用
1.直流电动机的结构及原理分析
如图343所示.
a b
c d
图343
(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θ,由相关的知识可以知道θ=
I,由此可以看出,偏转角度正比于电流.
图344
[针对训练]
1.(多选)关于直流电动机,下列说法正确的是( )
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
一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置,且两个线圈的圆心重合,如图345所示.当两线圈中通以图示方向的电流时,从左向右看,线圈L1将( )
图345
A.不动 B.顺时针转动
C.逆时针转动D.向纸面内平动
B [方法一(电流元法) 把线圈L1沿转动轴分成上下两部分,每一部分又可以看成无数段直线电流元,电流元处在L2产生的磁场中,根据安培定则可知各电流元所在处的磁场方向向上,由左手定则可得,上半部分电流元所受安培力均指向纸外,下半部分电流元所受安培力均指向纸内,因此从左向右看线圈L1将顺时针转动.
方法二(等效法) 把线圈L1等效为小磁针,该小磁针刚好处于环形电流I2的中心,通电后,小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向,由安培定则知I2产生的磁场方向在其中心处竖直向上,而L1等效成小磁针后转动前,N极指向纸内,因此小磁针的N极应由指向纸内转为向上,所以从左向右看,线圈L1将顺时针转动.
方法三(结论法) 环形电流I1、I2之间不平行,则必有相对转动,直到两环形电流同向平行为止,据此可得,从左向右看,线圈L1将顺时针转动.]
[针对训练]
3.如图346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.当线圈通以图示方向的电流时线圈将( )
图346
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.
如图347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θ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( )
图347
A.
tanθ,竖直向上
B.
tanθ,竖直向下
C.
sinθ,平行于悬线向下
D.
sinθ,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Fmin=mgsinθ,即IlBmin=mgsinθ,得Bmin=
sinθ,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
[针对训练]
4.如图348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θ.如果仅改变下列某一个条件,θ角的相应变化情况是( )
【导学号:
52592108】
图348
A.棒中的电流变大,θ角变大
B.两悬线等长变短,θ角变小
C.金属棒质量变大,θ角变大
D.磁感应强度变大,θ角变小
A [金属棒的受力情况如图所示,则有tanθ=
=
.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θ角会变大,选项A对,D错;两悬线等长变短对θ角没有影响,选项B错;当金属棒的质量变大时,θ角变小,选项C错.]
[当堂达标·固双基]
1.(多选)下列关于直流电动机的说法,正确的是( )
A.直流电动机是将电能转化为机械能的装置
B.直流电动机能把电能全部转化为动能
C.直流电动机是依靠磁场对电流的作用工作的
D.直流电动机工作时也会有发热现象,是电流的热效应
ACD [从能量角度来看直流电动机是把电能转化成机械能的装置.其工作原理是利用了磁场对电流的作用.但由于线圈有一定的电阻,直流电动机在工作过程中会产生一定的焦耳热.]
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( )
【导学号:
52592109】
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,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.如图349所示,在蹄形磁铁的上方放置一个可以自由运动的通电线圈abcd,最初线圈平面与蹄形磁铁处于同一竖直面内,则通电线圈运动的情况是( )
图349
A.ab边转向纸外,cd边转向纸里,同时向下运动
B.ab边转向纸里,cd边转向纸外,同时向下运动
C.ab边转向纸外,cd边转向纸里,同时向上运动
D.ab边转向纸里,cd边转向纸外,同时向上运动
B [在图示位置时,根据左手定则判断可知:
ad边左半边所受磁场力方向向里,右半边所受磁场力方向向外,则ab边转向纸里,cd边转向纸外,从图示位置转过90°时,根据左手定则判断可知:
ad边所受磁场力方向向下,所以线圈ab边转向纸里,cd边转向纸外,同时向下运动,故B正确,A、C、D错误.]
4.质量为m,长为L的金属棒ab用两根细金属丝悬挂在绝缘架MN下面,整个装置处在竖直方向的匀强磁场中,当金属棒通以由a向b的电流I后,将离开原位置向前偏转α角而重新平衡,如图3410.求磁感应强度B的方向和大小.
图3410
【解析】 根据题意对杆ab的受力图如下所示:
导体棒处于平衡状态,设绳子拉力为T,
在水平方向:
Tsinα-F安=0
在竖直方向:
Tcosα-mg=0
安培力为:
F安=BIL
联立解得:
B=
tanα
根据左手定则可知,磁场方向竖直向上.
【答案】
tanα 向上
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