高三上册物理 磁场对通电导线的作用力 逐字稿-2,454字
师:同学们,今天我们复习磁场对通电导线的作用力。请看这幅图,前一节我们在匀强磁场中,当(B)和(l)垂直的特殊情形下,探究过相关关系,得出(F = ILB),并由此定义了磁感应强度。今天再次探讨这个实验,是想了解(B)、(F)、电流(I)的方向之间存在什么规律。
实验中,给导线通电,电流向外时,棒向右跑;改变电流方向向里,棒向左跑。那么(F)方向与电流流向、磁感应强度的方向到底有什么规律呢?物理学家发现可以用左手定则来判定。
大家把左手伸出来,让磁感线穿过手掌心,大拇指与四个手指垂直。四个手指指向电流方向,大拇指所指方向就是通电导线在磁场中受力的方向。这就是左手定则,体现了(F)、(I)、(B)方向的对应关系。
前面讲过(B)与棒(l)垂直的特例,此时(F)垂直于(B)、(l)构成的平面,(F)大小是(ILB)。实际中,棒(l)不一定与(B)垂直,比如存在任意夹角(\theta)。我们把(B)分成垂直和平行的两个分矢量,平行分量对导线没有作用力,产生作用力的是垂直分量。
大家再把左手伸出来,让垂直分量的磁感线穿过掌心,四个手指指向电流方向,大拇指所指就是力的方向。此时,导线受到的力依然与(B)、(l)构成的平面垂直,不过安培力大小的表达式要多一项(\sin\theta),即(F = ILB\sin\theta)。
下面看一个具体问题,有(a)、(b)、(c)组成的闭合回路固定在匀强磁场里。问(AB)受力情况,大家伸出左手判断一下。再看(BC),它平行于磁场,不受力。(CA)这一段与(B)有夹角,其受力等效于(AB)的对应长度在磁场中的受力,方向相反。(AB)受力向里,(AC)受力向外。请大家再想想这三段导线的受力情况。
接下来看磁电式电表,它的刻度是均匀分布的。其内部关键结构有圆柱形铁心,外面缠绕着匝线圈,两端还有螺旋形弹簧。给线圈一端通电会有什么结果呢?线圈是矩形线框,电流一进一出。大家伸手用左手定则判断一下,让磁感应线穿过手掌心,四个手指指向电流方向,大拇指所指就是安培力方向。
可以看到,这样的两个力会使线圈产生转动效果。而两个螺旋弹簧的作用是,线圈转动时,弹簧产生反向力矩,最后在某位置达到平衡。这里的磁感应线不是穿过圆心到对面,且磁场不是匀强磁场,但电流驱动线圈转动时,各处磁场大小一样,方向都与导线垂直。根据两个力矩相等,可发现偏转角度(\theta)与电流成正比,所以电表刻度盘是均匀分布的,这就是磁电式电表的原理。
下面看具体题目。一个磁铁和一个通电圆环,环中电流顺时针方向,从上往下看,通电圆环等效为小磁针(NS)。由此可知,(S)极被磁铁吸引,(N)极被排斥,圆环逆时针转动且靠近磁铁,答案是(C)。
再看第二题,题目问纵向、横向的相互作用情况。思考一下,平行导线通同向电流和反向电流时相互作用如何?同学们不能凭感觉,要用右手判断一根导线通电在周围产生的磁场,再用左手判断另一根导线在该磁场中的受力方向。可以得出,同向电流相互吸引,反向电流相互排斥。