资源简介

1.2　安培力的应用
学习目标
通过任务及其活动,了解直流电动机、电磁炮、磁电式电表等器件的工作原理,知道安培力在生活、生产和科研中具有广泛的应用。(物理观念、科学思维、科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考:如图,在竖直向下的匀强磁场中,两根光滑平行金属轨道MN、PQ固定在水平面内,电阻不计。轨道端点M、P间接有直流电源,内阻为r,电阻为R的金属棒ab垂直于MN、PQ放在轨道上,与轨道接触良好。
(1)接通开关S后,金属棒受到的安培力朝哪个方向
(2)若金属棒向右运动(速度平行于MN),通过滑轮匀速提升重物,则金属棒的安培力F与重物的重力G的大小关系是怎样的 该装置的能量转化情况是怎样的
(3)生活中用类似原理制作的机械有哪些 请列举一例。


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)两根通电导线在同一匀强磁场中,若导线长度相同,电流大小相等,则所受安培力大小相等,方向相同。 (　　)
(2)对于磁电式电流表,指针稳定后,线圈受到的螺旋弹簧的阻力与线圈受到的安培力方向是相反的。 (　　)
(3)对于磁电式电流表,通电线圈中的电流越大,电流表指针偏转角度也越大。 (　　)
(4)电动机正常工作时,它受到的安培力方向与其运动方向相反。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　直流电动机
　　生活中不少设备装配了直流电动机。你知道直流电动机的工作原理吗
1.直流电动机的结构可简化为如图所示,当线圈位于如图所示的四种状态时,所受安培力情况如何
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


3.从能量的角度看,电动机是将什么能转化成什么能的装置。


　　直流电动机
(1)直流电动机是利用①　　工作的,当直流电动机通电后,安培力的方向与其转动方向相②　　,安培力做③　　功,将④　　能转化为⑤　　能。
(2)在直流电动机中有一个⑥　　,通过它实现电流方向周期性的转换,使得线圈受到的安培力的力矩始终朝某个方向,从而推动线圈朝一个方向持续转动。
应用　“简易电动机”的原理分析
如图1所示,一个“简易电动机”由一节5号干电池、一块吸附在电池的负极的圆柱形强磁铁构成,将一段裸铜导线弯成图中所示形状的线框,线框上端的弯折位置与正极良好接触,下面弯曲的两端与磁铁表面保持良好接触,放手后线框就会转动起来。该“简易电动机”的原理图如图2所示,关于该“简易电动机”,下列说法正确的是 (　　)
A.从上往下看,该“简易电动机”逆时针旋转
B.电池消耗的电能全部转化为线框的动能
C.线框①、②两部分导线电阻在电路中是串联关系
D.电动机的工作原理是通电导线在磁场中受安培力的作用
任务2　电磁炮
　　电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。如图所示,某款电磁炮的轨道长为10 m,宽为2 m。若发射质量为100 g的炮弹,炮弹从轨道左端以初速度为零开始加速,当回路中的电流恒为100 A时,最大速度可达2 km/s,假设轨道间磁场为匀强磁场,不计空气及摩擦阻力。
1.当平行轨道通有如图所示的电流时,轨道间的磁场方向是怎样的


2.情境中电磁炮的加速度大小为多少


3.轨道间的磁感应强度的大小为多少

　　一个简单的电磁轨道炮发射的基本原理图如图所示,其中两条平行的金属导轨A和B充当传统火炮的炮管,弹丸放置在两导轨间,它与两导轨间接触良好且摩擦很小。当两导轨接入电源时,强大的电流I从导轨A流入,经弹丸从另一导轨B流回,两导轨中的强电流在两导轨间产生强磁场,磁场方向⑦　　。利用左手定则可以判定,弹丸受到的安培力方向水平⑧　　,它将在导轨上以很大的加速度做加速运动,最终高速发射出去。
应用　探究影响电磁炮最大动能的因素
电磁炮是一种新式武器,其工作原理如图所示。当水平放置的两光滑平行导轨接入电源时,强电流从一导轨流出,经滑块(炮弹)从另一导轨流回时,在两导轨平面间产生强磁场,磁感应强度大小与电流成正比。通有电流的炮弹在安培力的作用下加速一段距离后,会以很大的动能射出。关于电磁炮,下列说法正确的是(不考虑滑块移动产生的电动势) (　　)
A.当平行导轨通有如图所示的电流时,炮弹受到的安培力向左
B.当回路中电流一定时,炮弹将做匀加速直线运动
C.若只将电流增大到原来的2倍,则炮弹射出的动能也会增大到原来的2倍
D.若只将导轨长度增大到原来的2倍,则炮弹射出的动能会增大到原来的4倍
任务3　磁电式电流表
　　图1是几种常见的磁电式电表,虽然它们外观不同,用途相差也很大,但它们的核心结构都相似,如图2所示。
图1
图2
1.磁电式电流表的原理是什么 如何判断电流大小与方向


2.观察电流表的刻度是否均匀,极靴之间的磁场是匀强磁场吗


　　磁电式电流表
(1)原理:安培力的大小与⑨　　的关系。
(2)构造:磁铁、⑩　　、极靴、　　、　　和指针。
(3)优缺点:磁电式电流表的优点是　　高;缺点是允许通过的电流很　　。
(4)刻度:线圈无论转到什么位置,它的平面都跟磁感线　　,所以表盘的刻度是　　的。
应用　探究磁电式电流表的工作原理
磁电式电流表的结构示意图如图1所示,它的优点是灵敏度很高,可以测出很弱的电流,蹄形磁铁和铁芯间的磁场如图2所示,线圈中a导线电流方向垂直纸面向里,b导线电流方向垂直纸面向外。下列说法正确的是 (　　)
图1
图2
A.蹄形磁铁和铁芯间的磁场是匀强磁场
B.线圈转动时,螺旋弹簧被扭动以阻碍线圈转动
C.当线圈转到如图2所示的位置时,b端受到的安培力方向向上
D.线圈转动时所受安培力的方向不变
通电线圈为何转动 如何转动
归纳总结 磁电式仪表的三点 1.特点:极靴与铁质圆柱间的磁场沿半径方向,线圈无论转到什么位置,它的平面都与磁感线平行,且线圈左、右两边所在处的磁感应强度大小相等。 2.优点:灵敏度高,可以测出很弱的电流。 3.缺点:线圈的导线很细,允许通过的电流很弱。
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)(多选)电动机的工作示意图如图所示。若电动机电路两端电压为10 V,额定功率为200 W,A、B为线圈上的两点。下列说法正确的是 (　　)
A.在额定功率下运行时,电动机电路中的电流大小为20 A
B.电刷a接入电路正极,电刷b接入电路负极
C.A点与B点间电流方向在不断变化
D.直流电源可以驱动该电动机正常工作
2.(任务2)某实验小组的同学模拟了电磁炮的发射,电磁炮的简易图如图所示,整个装置处在竖直向下的匀强磁场中,当导体棒中通有图示方向的恒定电流时,导体棒所受的安培力为重力的2.25倍,导体棒在轨道上的位移x=0.1 m 时的速度v=2 m/s,重力加速度g=10 m/s2。下列说法正确的是 (　　)
A.导体棒的运动时间为0.2 s
B.导体棒与导轨之间的动摩擦因数μ=0.25
C.若仅使导体棒的位移加倍,则导体棒的速度加倍
D.若仅将电流增大到原来的4倍,则导体棒的位移为1 m,其速度为4 m/s
3.(任务3)(多选)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。下列方法可提高磁电式电流表灵敏度的是(　　)
A.增强永久磁铁的磁性
B.增大螺旋弹簧的劲度系数
C.减少线圈的匝数
D.增加线圈的匝数
答案与解析
自主预习·悟新知
思考:(1)平行于MN向右。
(2) F=G;电源提供的电能,一部分转化为电源内阻和金属棒上产生的焦耳热,另一部分转化为金属棒和重物的机械能。
(3)直流电动机。
判断　(1)×　(2)√　(3)√　(4)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.图1与图3,线圈的左边受到的安培力方向向上,右边受到安培力方向向下,前、后两边不受安培力;图2与图4,线圈的上、下两边不受安培力,前、后两边受到的安培力与转轴平行,且等大反向。
2.通过换向器实现电流方向周期性的转换,使得线圈受到的安培力的力矩始终朝某个方向,从而推动线圈朝一个方向持续转动。
3.电动机是将电能转化成机械能的装置。
知识生成　①安培力　②同　③正　④电　⑤机械　⑥换向器
应用探究
例1　D　【解析】线框的上下两条边受到安培力的作用而发生转动,根据左手定则可以判断从上往下看,线框将顺时针转动,A项错误;电池消耗的电能一部分转化为线框发热产生的内能,另一部分转化为线框的动能,B项错误;线框①、②两部分导线电阻在电路中是并联关系,C项错误;电动机的工作原理是通电导线在磁场中受安培力的作用,D项正确。
任务2
问题引领
1.回路中电流方向为逆时针方向,则根据安培定则可知,磁场方向是竖直向上的。
2.最大速度v=2 km/s,加速距离x=10 m,由速度和位移关系可知v2=2ax,解得加速度大小a=2×105 m/s2。
3.由牛顿第二定律可得F=ma,又F=BIl,a=2×105 m/s2,联立解得B=100 T。
知识生成　⑦竖直向上　⑧向右
应用探究
例2　B　【解析】当平行导轨通有题图所示的电流时,根据安培定则可知导轨间的磁场方向竖直向上,再又左手定则可知,炮弹受到的安培力向右,A项错误;当回路中电流一定时,根据牛顿第二定律可得F安=BIL=ma,解得炮弹加速度a=,所以炮弹将做匀加速直线运动,B项正确;若只将电流增大到原来的2倍,磁感应强度也变为原来的2倍,则安培力增大到原来的4倍,根据动能定理F安x=Ek-0,可得炮弹射出时的动能会增大到原来的4倍,C项错误;若只将导轨长度x增大到原来的2倍,根据动能定理F安x=Ek-0,可得炮弹射出时的动能会增大到原来的2倍,D项错误。
任务3
问题引领
1.通电线圈在磁场中受安培力作用而发生转动。线圈转动时,螺旋弹簧变形,以反抗线圈的转动。电流越大,安培力就越大,螺旋弹簧的形变程度越大,线圈偏转的角度就越大,达到平衡时静止下来,所以根据安装在线圈上的指针偏转的角度可以判断电流的大小。根据指针偏转的方向,可以知道被测电流的方向。
2.
电流表的刻度是均匀的。如图所示,极靴之间的磁场是辐射状的,不是匀强磁场,但是线圈转动到任何一个位置,两边位置所在的地方磁感应强度的大小都相等,方向都与线圈平面平行,所以线圈两边受到的安培力大小总是跟电流成正比的。
知识生成　⑨电流　⑩线圈　螺旋弹簧　软铁　灵敏度　小　平行　均匀
应用探究
例3　【答案】B
【提示】通电线圈在磁场中受到安培力的作用,安培力使得线圈转动。图2中左边导线所受安培力方向向上,右边导线所受安培力方向向下,线圈将沿顺时针方向转动。
【解析】蹄形磁铁和铁芯间的磁场是辐向磁场,不是匀强磁场,A项错误;线圈转动时,会使螺旋弹簧扭动,从而产生一个阻碍线圈转动的力,B项正确;当线圈转动到如图2所示的位置时,a端所受到的安培力方向向上,b端所受到的安培力方向向下,使线圈顺时针转动,C项错误;线圈转动时所受安培力的方向与线圈所在位置的磁感线垂直,时刻在变化,D项错误。
随堂检测·精评价
1.ACD　【解析】电动机的电功率表达式为P=UI,代入题中数据可得200 W=10 V×I,解得I=20 A,A项正确;磁场方向在磁体外部由N极指向S极,由电动机运转方向可知,AB段受力方向向上,再由左手定则可知,电流方向由A指向B,故b为正极,a为负极,B项错误;电动机转过180°后两半铜环所接电刷互换,A、B间电流方向改变,依次类推可知,A点与B点间电流方向不断改变,C项正确;直流电源可以驱动该电动机正常工作,D项正确。
2.B　【解析】导体棒做匀加速直线运动,有x=t,得t=0.1 s,A项错误;导体棒运动的加速度a==20 m/s2,根据牛顿第二定律有2.25mg-μmg=ma,解得μ=0.25,B项正确;根据速度位移公式v2=2ax,若仅使导体棒的位移加倍,则导体棒的速度为倍,C项错误;若仅将电流增大到原来的4倍,则安培力增大到原来的4倍,有4×2.25mg-μmg=ma',v'2=2a'x',解得v'=5m/s,D项错误。
3.AD　【解析】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,就要在通入相同的电流时,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,即增强永久磁铁的磁性和增加线圈的匝数,故A、D两项正确。

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