高中物理 第三章 磁場(chǎng) 第4節(jié) 安培力的應(yīng)用課件 粵教版選修31.pptVIP

第四節(jié)安培力的應(yīng)用 1 直流電動(dòng)機(jī)功能 電動(dòng)機(jī)是利用 使通電線圈轉(zhuǎn)動(dòng) 將電能轉(zhuǎn)化為 的重要裝置 2 電動(dòng)機(jī)分類 電動(dòng)機(jī)有 電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī) 交流電動(dòng)機(jī)又分為 和三相交流電動(dòng)機(jī) 3 磁電式電流表基本組成部分 磁鐵和放在磁鐵兩極之間的 安培力 機(jī)械能 直流 單相交流電動(dòng)機(jī) 線圈 4 電表工作原理 如圖3 4 1所示 磁場(chǎng)的方向總沿著 均勻輻射地分布 在距軸線等距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小總是 的 保證b的大小不發(fā)生變化 且安培力的方向與線圈垂直 圖3 4 1 徑向 相等 5 電流表中蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場(chǎng)是均勻地輻向分布 當(dāng)線圈中通入恒定電流時(shí) 線圈將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng) 電流表的指針也隨著偏轉(zhuǎn) 最后停在某一偏角位置上 則在偏轉(zhuǎn)過程中隨著偏 轉(zhuǎn)角度的增大 a 線圈所受安培力的力矩逐漸增大b 線圈所受安培力的力矩逐漸減小c 線圈所受安培力的力矩不變d 以上說法都不對(duì)解析 因線圈無論轉(zhuǎn)到哪個(gè)位置 線圈平面總是與該位置處的磁場(chǎng)平行 故安培力的力矩不變 c 知識(shí)點(diǎn)1直流電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)是利用安培力使通電線圈轉(zhuǎn)動(dòng) 將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要裝置 電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī) 交流電動(dòng)機(jī)又分為單相交流電動(dòng)機(jī)和三相交流電動(dòng)機(jī) 觀察圖3 4 2 討論 圖3 4 2 1 直流電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng) 安培力在其中起到什么作 用 答案 通電后 線圈在磁場(chǎng)中受到安培力作用 安培力有 力矩 使得線圈開始轉(zhuǎn)動(dòng) 2 假如直流電動(dòng)機(jī)通電前 線圈剛好與磁場(chǎng)垂直 即位于圖乙和圖丁所示的位置 通電后 電動(dòng)機(jī)能否正常工作 力矩為零 線圈不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng) 答案 通過改變電流的大小可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 答案 若線圈在通電前位于圖中乙和丁位置 則通電后磁 3 如何調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 1 直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造 如圖3 4 2所示 圖3 4 2 2 工作原理 如圖3 4 2甲 當(dāng)電流通過線圈時(shí) 右邊線框受到的安培力方向向下 左邊線框受到的安培力方向向上 在安培力的作用下線框轉(zhuǎn)動(dòng)起來 3 調(diào)速辦法 直流電動(dòng)機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)是可以通過改變電流 大小調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速 而交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速比較復(fù)雜 a f不變 m變大b f不變 m變小c f變大 m變大d f變小 m變小圖3 4 3 例1 如圖3 4 3所示 矩形線圈abcd可繞對(duì)稱軸oo 轉(zhuǎn)動(dòng) 開始時(shí)線圈面與磁場(chǎng)方向平行 按圖示方向通以電流i 線圈從圖示位置開始轉(zhuǎn)過90 的過程中 ab邊所受磁場(chǎng)力 f和線圈所受磁場(chǎng)力矩m的變化情況是 m 2 nf cos nbi ab ad cos nbiscos 解析 ab邊和cd邊始終與磁場(chǎng)方向垂直 所受磁場(chǎng)力始 終為最大值 保持不變 n匝線圈受到的磁力矩為 ad 2 可知 隨著 不斷增大 磁力矩不斷變小 答案 b 觸類旁通 1 如圖3 4 4中甲 乙 丙所示 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 有三 個(gè)通電線圈如圖中所示位置 則 圖3 4 4a 三個(gè)線圈都可以繞oo 軸轉(zhuǎn)動(dòng)b 只有乙中的線圈可以繞oo 軸轉(zhuǎn)動(dòng)c 只有甲 乙中的線圈可以繞oo 軸轉(zhuǎn)動(dòng)d 只有乙 丙中的線圈可以繞oo 軸轉(zhuǎn)動(dòng) 解析 只有線圈中兩條對(duì)邊所受安培力對(duì)oo 軸的合力 矩不為零 才能使線圈繞oo 軸轉(zhuǎn)動(dòng) 答案 b 知識(shí)點(diǎn)2磁電式電表 我們知道 電流表表盤上的刻度是均勻的 那就是說 當(dāng)電流通過線圈 導(dǎo)線受到安培力作用轉(zhuǎn)動(dòng)的角度必須與電流的大小成正比 若是線圈處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 一旦線圈轉(zhuǎn)動(dòng) 磁力矩隨即改變 那么怎樣的設(shè)計(jì)才能使得電流表滿足上述條件呢 答案 詳見電流表的工作原理 1 電流表是測(cè)量電流的電學(xué)儀器 實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常使用的電流表是磁電式電流表 2 磁電式電表結(jié)構(gòu) 電流表的構(gòu)造如圖3 4 5所示 在一個(gè)磁性很強(qiáng)的蹄形磁鐵的兩極間有一個(gè)固定的圓柱形鐵芯 鐵芯外面套有一個(gè)可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁框 鋁框上繞有線圈 鋁框的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有兩個(gè)螺旋彈簧和一個(gè)指針 線圈的兩端分別接在這兩個(gè)螺旋彈簧上 被測(cè)電流經(jīng)過這 兩個(gè)彈簧流入線圈 圖3 4 5 3 電流表的工作原理 如圖3 4 6所示 磁場(chǎng)的方向總沿著徑向均勻輻射地分布 在距軸線等距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小總是相等的 保證b的大小不發(fā)生變化 且安培力的方向與線圈垂直 當(dāng)電流通過線圈時(shí) 導(dǎo)線受到安培力的作用 使線圈轉(zhuǎn)動(dòng) 同時(shí)螺旋彈簧被扭轉(zhuǎn) 反抗線圈的轉(zhuǎn)動(dòng) 電流越大 安培力就越大 螺旋彈簧的形變也就越大 i與指針偏角 成正比 表盤刻度均勻 指針轉(zhuǎn)過的角度反映電流的大小 圖3 4 6 3 最終線圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)m m 即 1 當(dāng)線圈中有電流通過時(shí) 磁力矩使線圈轉(zhuǎn)動(dòng) m nisb n為線圈匝數(shù) s為線圈面積 2 線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 螺旋彈簧被扭轉(zhuǎn) 扭轉(zhuǎn)力矩阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng) 螺旋彈簧的扭轉(zhuǎn)形變產(chǎn)生的彈力力矩與扭轉(zhuǎn)角度成正比 即m k nbsk i 所以 i 4 所以從線圈偏轉(zhuǎn)的角度就能判斷通過電流的大小 4 優(yōu) 缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高 能測(cè)出很弱的電流 缺點(diǎn)是線圈的導(dǎo)線很細(xì) 允許通過的電流很弱 例2 雙選 下列有關(guān)磁電式電流表的說法中正確的是 a 電流表的工作原理是安培力對(duì)通電導(dǎo)線的加速作用b 電流表的工作原理是安培力對(duì)通電線框的轉(zhuǎn)動(dòng)作用c 電流表的指針的偏轉(zhuǎn)角度與所通電流成正比d 電流表的指針的偏轉(zhuǎn)角度與所通電流成反比解析 磁場(chǎng)是均勻輻向分布的 安培力對(duì)線框起轉(zhuǎn)動(dòng)作用 故a錯(cuò)誤 b正確 當(dāng)線框所受安培力的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與彈簧產(chǎn)生的阻力力矩相等時(shí) 指針有確定讀數(shù) 轉(zhuǎn)動(dòng)角度與電流成正比關(guān)系 c正確 d錯(cuò)誤 答案 bc 觸類旁通 2 雙選 關(guān)于磁電式電流表內(nèi)的磁鐵和鐵芯間的矩形線圈 與該磁場(chǎng)的關(guān)系 下列說法中正確的有 a 通電線圈旋轉(zhuǎn)的角度不同 它所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小也不同b 不管通電線圈轉(zhuǎn)到什么位置 它所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小都相等c 通電線圈旋轉(zhuǎn)的角度不同 它的平面與磁感線的夾角也不同d 不管通電線圈轉(zhuǎn)到什么位置 它的平面都與磁感線相平行 bd 關(guān)于安培力的綜合計(jì)算 1 有安培力參與的物體平衡 也是利用物體的平衡條件解 題 其中安培力是眾多力中的一個(gè) 2 與閉合電路歐姆定律相結(jié)合的題目 主要應(yīng)用 1 閉合電路歐姆定律 2 安培力求解公式f bil 3 物體平衡條件 3 在安培力作用下物體平衡的求解步驟和共點(diǎn)力平衡相似 一般也是先進(jìn)行受力分析 再根據(jù)共點(diǎn)力的平衡條件列出平衡方程 其中重要的是在受力分析過程中不要漏掉了安培力 4 安培力作為通電導(dǎo)體所受的外力參與受力分析 產(chǎn)生了通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的平衡 加速及做功問題 這類問題與力學(xué)知識(shí)的聯(lián)系很緊密 解題時(shí)把安培力等同于重力 彈力 摩擦力等性質(zhì)力 對(duì)物體進(jìn)行受力分析時(shí) 注意安培力大小和方向的確定 求解時(shí)注意運(yùn)用力學(xué)中靜力學(xué) 動(dòng)力學(xué)及功和能等有關(guān)知識(shí) 5 為方便對(duì)問題的分析和便于列方程 在受力分析時(shí)先將立體圖畫成截面圖 即畫成俯視圖 剖面圖等 立體圖向截面圖轉(zhuǎn)化的過程中應(yīng)注意擺正空間位置 先選好觀察的方向 再確定截面的方向 例3 如圖3 4 7所示 兩平行光滑導(dǎo)軌相距為l 20cm 金屬棒mn的質(zhì)量為m 10g 電阻r 8 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度b 0 8t 方向豎直向下 電源電動(dòng)勢(shì)e 10v 內(nèi)阻r 1 當(dāng)開關(guān)s閉合時(shí) mn恰好靜止 求變阻器r1的取值為多少 設(shè) 45 取g 10m s2 圖3 4 7 由閉合電路歐姆定律得i r r 7 解 mn受力分析如圖3 4 8所示 因mn平衡 所以有mgsin bilcos er r1 r 由 并代入數(shù)據(jù)得r1 blemgtan 圖3 4 8 方向垂直紙面向外 導(dǎo)線用平行于斜面的輕繩拴住不動(dòng) 整個(gè)裝置放在磁感應(yīng)強(qiáng)度每秒增加0 4t 方向豎直向上的磁場(chǎng)中 設(shè)t 0 b 0 則需要多長(zhǎng)時(shí)間斜面對(duì)導(dǎo)線的支持力為零 取g 10m s2 圖3 4 9 長(zhǎng)為0 4m 質(zhì)量為6 10 2 觸類旁通 3 如圖3 4 9所示 在傾角為37 的光滑斜面上有一根 kg的通電直導(dǎo)線 電流i 1a f安 b t 2t 解 支持力為0時(shí)導(dǎo)線的受力如圖8所示 由平衡條件得 mgtan37 6 10 2 100 75 n 0 8n 由f安 bil得 f安il 0 81 0 4 圖8 由b 0 4t得t b0 4t s 20 4 s 5s 4 如圖3 4 10所示 長(zhǎng)為l 質(zhì)量為m的金屬桿ab 被兩根豎直的金屬絲靜止吊起 金屬桿ab處在方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 當(dāng)金屬桿中通有方向a