第四節(jié) 安培力的應(yīng)用
[學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求]
物理觀念:1.知道直流電動(dòng)機(jī)、磁電式電表的基本構(gòu)造及工作原理.2.進(jìn)一步熟練掌握安培力公式及方向的判斷.
科學(xué)思維:會(huì)用電流元法、特殊位置法、等效法、結(jié)論法、轉(zhuǎn)化法分析導(dǎo)體在安培力作用下的運(yùn)動(dòng)和平衡問(wèn)題.
一、直流電動(dòng)機(jī)
1.定義: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.
2.分類: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).
3.原理:如圖1所示,當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí),右邊線框受到的安培力方向向下,左邊線框受到向上的安培力,在安培力作用下線框轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái).
圖1
4.直流電動(dòng)機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)改變輸入電壓調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速,而交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速就不太方便.
二、磁電式電表
1.構(gòu)造:磁電式電流表是在強(qiáng)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)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁框,在鋁框上繞有線圈,鋁框的轉(zhuǎn)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(guò)這兩個(gè)彈簧流入線圈.
2.原理:通電線圈在磁場(chǎng)中受到安培力而偏轉(zhuǎn).線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大,被測(cè)電流就越大.
3.特點(diǎn):如圖2所示,蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場(chǎng)是均勻輻射分布的,通電線圈不管轉(zhuǎn)到什么角度,線圈的平面都跟磁感線平行.當(dāng)電流通過(guò)線圈的時(shí)候,線圈上跟鐵芯軸線平行的兩邊受到的安培力產(chǎn)生力矩,使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng).同時(shí),螺旋彈簧被扭轉(zhuǎn),產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩,其大小隨線圈轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增大而增大.直至上述兩個(gè)力矩相平衡時(shí),線圈才會(huì)停下來(lái).
圖2
判斷下列說(shuō)法的正誤.
(1)當(dāng)電動(dòng)機(jī)線圈與磁場(chǎng)垂直時(shí),磁通量最大.(√)
(2)直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)改變輸入電壓很容易調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,交流電動(dòng)機(jī)不容易調(diào)速.(√)
(3)磁電式電表內(nèi)的磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng).(×)
(4)磁電式電流表表盤的刻度是均勻的.(√)
(5)磁電式電表指針的偏轉(zhuǎn)是由于線框受安培力的作用.(√)
(6)對(duì)于磁電式電表,指針?lè)(wěn)定后,線圈受到螺旋彈簧的阻力與線圈受到的安培力方向是相反的.(√)
一、安培力的實(shí)際應(yīng)用
例1 如圖3甲是磁電式電流表的結(jié)構(gòu)示意圖,蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場(chǎng)均勻輻向分布,如圖乙所示,邊長(zhǎng)為L的正方形線圈中通以電流I,線圈中的某一條a導(dǎo)線電流方向垂直紙面向外,b導(dǎo)線電流方向垂直紙面向里,a、b兩條導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B,則( )
圖3
A.該磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng)
B.該線圈的磁通量為BL2
C.a導(dǎo)線受到的安培力方向向下
D.b導(dǎo)線受到的安培力大小為BIL
答案 D
解析 勻強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)該是一系列平行的磁感線,方向相同,該磁場(chǎng)明顯不是勻強(qiáng)磁場(chǎng),故A錯(cuò)誤;線圈與磁感線平行,故磁通量為零,故B錯(cuò)誤;a導(dǎo)線電流方向垂直紙面向外,磁場(chǎng)方向向右,根據(jù)左手定則,安培力方向向上,故C錯(cuò)誤;導(dǎo)線b始終與磁感線垂直,故受到的安培力大小一直為ILB,故D正確.