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1.2 安培力的应用
新粤教版（2019）高中物理选择性必修第二册 第一章
新课引入
电流天平
磁电式电表
直流电动机
安培力在生活、生产和科研中有着广泛的应用
对于较难直接测量的安培力和磁感应强度，人们同样运用等效替代法，结合安培力的相关知识和现代电子技术，设计出了如图所示的电流天平．
普通天平是应用杠杆原理把被测物与已知质量的砝码进行力学平衡，利用等效替代法测量出被测物体的质量．
电流天平
电流天平
问题1：线圈所受安培力的方向是怎样的？大小怎样表示？
如图所示是等臂电流天平的原理图。在天平的右端挂一矩形线圈，设线圈匝数为n ，底边cd长L，放在待测匀强磁场中，线圈平面与磁场垂直，磁场方向垂直于纸面向里。
（1）设磁感应强度为B ，当线圈中通入如图所示方向的电流I 时，在天平左、右两边加上质量分别为m1、m2的砝码使天平平衡；
问题2：根据共点力平衡知识，天平平衡时，应满足什么样的关系？
电流天平
方向：竖直向上
大小：F安=nBIL
如图所示是等臂电流天平的原理图。在天平的右端挂一矩形线圈，设线圈匝数为n ，底边cd长L，放在待测匀强磁场中，线圈平面与磁场垂直，磁场方向垂直于纸面向里。
电流天平
问题1：此时，线圈所受安培力的方向又是怎样的？大小怎样表示？
问题2：根据共点力平衡知识，此时，又应满足什么样的关系？
（2）保持线圈中电流的大小不变，使电流方向反向，通过在天平左盘加上质量m为的砝码使天平再次平衡。
方向：竖直向下
大小：F安=nBIL
电流天平常用于实验室中测量两平行通电导体之间的相互作用力和磁感应强度。
电流天平
综合以上两式
可得磁感应强度测量值:
如果把上述情境中的线圈换成如图所示的四种不同形状的线圈，其中通电线圈匝数相同，变成MN相等，将它们分别挂在天平的右臂下方。线圈中通有大小相同的电流，天平处于平衡状态。若磁场发生微小变化，哪一种天平最容易失去平衡？由此说明了什么？
M
M
M
M
N
N
N
N
(a)
(b)
(c)
(d)
如图所示是磁电式电表内部结构示意图。
主要部件：蹄形磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧等
蹄形磁铁与铁芯间的磁场可看做是均匀辐射分布的，无论通电线圈转到什么位置，线圈的平面总与磁场方向平行。
【思考问题】
（1）线圈的转动是怎样产生的？
（2）线圈为什么不能一直转动下去？
电流通过线圈时，线圈左右两边受到的安培力的方向相反
磁场力矩与游丝的反作用力矩相等时，电表指针渐渐停下来
磁电式电表
（3）为什么指针偏转角度的大小可以说明被测电流的强弱？
电流越大，安培力越大，螺旋弹簧的形变也就越大。
（4）能否通过电表指针的偏转方向判断通过电表电流的方向？
电流方向改变，安培力的方向随之改变，电表指针偏转的方向也随之改变。
磁电式电表
蹄形磁铁与铁芯间的磁场可看做是均匀辐射分布的，无论通电线圈转到什么位置，线圈的平面总与磁场方向平行。
（5）磁电式电流电流刻度为什么是均匀的？
电流强度与指针偏转角度成正比
（6）磁电式电表的优点有哪些？
（7）磁电式电表的缺点有哪些？
（8）使用磁电式电表来测量较大的电流时，应当怎样做？
磁电式电表
蹄形磁铁与铁芯间的磁场可看做是均匀辐射分布的，无论通电线圈转到什么位置，线圈的平面总与磁场方向平行。
若要利用磁电式电表测量较大的电流值，需要根据电表改装方法扩大其量程。
磁电式电表灵敏度高，能够测出很弱的电流
缺点是线圈的导线很细，只允许通过很弱的电流。
【课堂练习】磁电式电表的灵敏度较高，如果仅通过较小的电流就能使磁电式电表指针有显著的偏转，我们就认为该电表有较高的灵敏度。试根据磁电式电表的设计原理，简要列举提高磁电式电表灵敏度的办法，并说明相应的理由。
方法一：增加线圈匝数
方法二：增强电流计中永久磁
铁的磁感应强度
方法三：换用弹性较小的游丝
方法四：增大线圈面积
生活中装配了直流电动机的设备
原理：利用安培力使通电线圈转动
能量转化：电能转化成机械能
直流电动机
如图所示是直流电动机的内部结构示意图。
主要部件：蹄形磁铁、线圈、电刷和换向器
（1）当线圈位于如图所示的四种状态时，所受安培力的情况如何？
(a)
换向
换向
（2）直流电动机的线圈是如何实现连续不停地朝一个方向转动的？
换向器的作用：改变线圈中电流流入的方向，保证线圈沿同一方向持续转动下去。
（3）直流电动机的优点是什么？
直流电动机的优点是只需改变输入电流的大小，就能够直接调节电动机的转速，而输人电流的大小是较容易改变的，因此，直流电动机常被应用于需要调速的设备。
安培力的应用
电流天平：用于实验室中测量两平行通电导体
之间的相互作用力和磁感应强度
磁电式电表：
直流电动机：
电磁炮：
利用线圈在磁场中受到安培力，测量电流大小
利用电磁系统中磁场产生的安培力来对金属炮弹进行加速
将直流电能转换为机械能的电动机
小 结
电磁炮
电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器，利用电磁系统中磁场产生的安培力来对金属炮弹进行加速。
练习
１．电磁炮是一种新式兵器，其主要原理如图所示．某电磁炮能够把m=2.2g的弹体（包括金属杆ＣＤ的质量）加速到v=10km/s．若轨道宽L=2m，长s=100m，通过的电流为I=10A，忽略轨道摩擦．
（１）轨道间所加的匀强磁场的磁感应强度为多少？
（２）电磁炮的最大功率为多少
（2)磁场力的最大功率 P=Fv=1.1x103x10x103W=1. 1x107W.
解：（1)在导轨通有电流I时，弹体作为导体受到磁场施加的安培力 F=BIL
设弹体的加速度的大小为a,则有 F=ma
弹体在两导轨间做初速度为0的匀加速运动，因而v2=2as,
联立以上各式，代入数据，可得 F=1.1×103N,B=55T.
①按照实验电路图连接电路．
②保持开关Ｓ断开，在托盘内加入适量细沙，使Ｄ处于平衡状态． 然后用天平称出细沙质量m1．
③闭合开关Ｓ，调节电阻Ｒ的值使电流大小适当，在托盘内重新加入适量细沙，使Ｄ重新处于平衡状态． 然后读出电流表的示数Ｉ，并用天平测量此时细沙的质量ｍ２ ．
2．如图所示是一种测量磁感应强度的实验方案． 虚线框内存在一个与纸面垂直的匀强磁场． Ｄ为位于纸面内的金属框，Ｅ 为直流电源，Ｒ 为电阻箱，Ａ为电流表，Ｓ为开关，此外还有细沙、天平、刻度尺和若干轻质导线．
（１）用笔画线代替导线，在图中画线完成实验电路图．
（２）补充完成下列实验步骤．
（３）用测量的物理量和重力加速度ｇ表示磁感应强度Ｂ的大小，则Ｂ＝ ．
（４）判定磁感应强度方向的方法：
若 （填两次实验细沙质量的关系），磁感应强度方向垂直纸面向外． 反之，磁感应强度方向垂直纸面向里．
④用刻度尺测量 ．
金属框D的底边长度L
3． 某电子天平原理如图所示，Ｅ形磁铁的两侧为Ｎ极，中心为Ｓ极，两极间磁感应强度的大小均为Ｂ，磁极宽度均为Ｌ． 忽略边缘效应，一正方形线圈套于中心磁极，其骨架与秤盘连为一体，线圈两端Ｃ、Ｄ与外电路连接． 当质量为ｍ的重物放在秤盘上时，弹簧被压缩，秤盘和线圈一起向下运动（骨架与磁极不接触），随后外电路对线圈供电，秤盘和线圈恢复到未放重物时的位置并静止． 此时根据对应的供电电流Ｉ，可确定重物的质量． 已知线圈匝数为ｎ，线圈电阻为Ｒ，重力加速度为ｇ．
（１）供电电流Ｉ是从Ｃ端，还是从Ｄ端流入？
（２）求重物质量与电流的关系
练习
（2)由于两极间的磁感应强度大小均为B,磁极宽度均为L,线圈匝数为n,左右两侧受力相等，得
解：（1)秤盘和线圈向上恢复到未放重物时的位置并静止，说明这个过程托盘和线圈受到的安培力的方向向上，由左手定则即可判断出电流的方向是逆时针方向（从上向下看），因此供电电流I从由D端流人。

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