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普通高中教科书
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选择性必修

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物理
第二册
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第二册
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上海科学技术出版社
定价：10.10元


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普通高中教科书
物理
选择性必修
第二册
上海科学技术出版社


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主　　编：蒋最敏 高 景本册主编：严 明编写人员： （以姓氏笔画为序）　　　　　王肇铭 严 明 李沐东 陈琪琪 赖佳颖
责任编辑：施 成 金波艳 李林高美术设计：房惠平
普通高中教科书　物理　选择性必修　第二册上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写
出 版 上海世纪出版（集团）有限公司　上海科学技术出版社　　　　 （上海市钦州南路71号　邮政编码200235）发 行　上海新华书店印 刷　当纳利（上海）信息技术有限公司版 次　2021年3月第1版印 次　2021年3月第1次开 本　890 毫米×1240 毫米　1/16印 张　8字 数　177千字书 号　ISBN 978
—7—5478—5295—·8/G1033定 价　10.10元
版权所有·未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分·违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：021
—64848025，邮箱：jc@sstp.cn全国物价举报电话：12315
  声明　按照《中华人民共和国著作权法》第二十三条有关规定，我们已尽量寻找原作者支付报酬。原作者如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。


目录 11
主　　编：蒋最敏 高 景本册主编：严 明编写人员： （以姓氏笔画为序）　　　　　王肇铭 严 明 李沐东 陈琪琪 赖佳颖
目
录
责任编辑：施 成 金波艳 李林高美术设计：房惠平
普通高中教科书　物理　选择性必修　第二册上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写
出 版 上海世纪出版（集团）有限公司　上海科学技术出版社　　　　 （上海市钦州南路71号　邮政编码200235）发 行　上海新华书店印 刷　当纳利（上海）信息技术有限公司版 次　2021年3月第1版印 次　2021年3月第1次开 本　890 毫米×1240 毫米　1/16印 张　8字 数　177千字书 号　ISBN 978
—7—5478—5295—·8/G1033定 价　10.10元
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—64848025，邮箱：jc@sstp.cn全国物价举报电话：12315
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22目录


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第一节
安培力
上海科技馆的智慧之光展区有一个叫做“电磁炮”的体验展品，如图5
—“所示。1炮弹”是一个金属球。当你按下按钮，“炮弹”就会从炮筒中射出，根据“炮弹”击中“目标靶”的情况在屏幕上显示你的得分。在学习必修课程时我们已经知道通电导体在磁场中会受外力的作用，“电磁炮”就是利用磁场对通电导体的作用力，从而沿导轨加速发射抛射体。
图5—1 “电磁炮”体验展品
 磁场对通电导体的作用
在蹄形磁体的两极之间放置一对平行导轨；导轨
两端接在电源上，在两导轨之间垂直于导轨放置一段电阻较小的导体棒。闭合开关，使导体棒通电，观察导体棒的运动情况（图5
图5—2 磁场中通电导体棒的运动情况
—2）。
我们会看到通有电流的导体棒立即沿着导轨加速运动起来，这说明通电导体在磁场中受到力的作用，安培首先通过实验总结出这个力的特点。人们把通电导体在磁场中受到的力称为安培力(Ampere’s force)。下面我们来仔细探究安培力的方向和 大小。
 安培力的方向
安培力的方向、磁场方向和电流方向三者之间有什么样的关系呢？


第一节 安培力3
继续使用如图5—所示的实验装置，自行设计探究方案。观察导体棒的运动情况2来确定安培力方向，填写数据记录表（表5
—1）。表中的方向用“向上”“向下”“向左”“向右”“垂直纸面向里”或“垂直纸面向外”来记录。
表5—1 数据记录表
实验序号磁场方向______方向______方向1234
从上述实验现象分析归纳出安培力的方向、磁场方向和电流方向三者间的关系是：
实验表明，安培力的方向既与磁场方向垂直，又与电流方向垂直。或者说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导体所在的平面。上述活动的实验结果与理论是一致的。磁场方向、电流方向和安培力方向这三者之间的关系可以用左手定则(left-hand rule)来判定。如图5
—手放入磁场中所示，伸开左手，让大拇指跟其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面里；把左3，让磁感线穿过掌心，使四指指向电流方向，这时大拇指所指的就是安培力的方向。如果调整图5
图5—3 左手定则
—2实验装置中蹄形磁体的方位，使其磁场方向与通电导体棒方向平行，我们可以观察到导体棒在磁场中不受安培力作用的情形。
 安培力的大小
安培力的大小与什么因素有关呢？


4
如图5—所示4，将线圈放入磁场中，使磁场和线圈相互垂直；线圈上端是测量安培力大小的力传感器，力传感器与线圈连接。由于在磁场中竖直两侧导线的安培力相互抵消，测量到的安培力是磁场中水平导线受到的安培力。利用电流传感器来测量线圈中电流的大小。把学生电源、滑动变阻器、电流传感器、开关和线圈连接成闭合电路。闭合开关，调节滑动变阻器阻值改变电路中的电流，得到电流与对应安培力的关系图线，如图5
图5—4 探究安培力的大小
—5所示，发现安培力大小与电流成正比。改变通电导线在磁场中的长度（实验时通过改变线圈的匝数来实现
），得到安培力大小与导线匝数关系的图线，如图5
—6所示，发现安培力大小与导线长度成 正比。
图5—5　安培力与电流的关系图5—6　安培力与导线长度（线圈匝数）的关系
科学家发现：在匀强磁场中，当通电导线与磁场方向垂直时，安培力F最大，其大小跟磁感应强度B、电流I和垂直于磁场方向的直导线的长度L都成正比。即
F = BIL
当导线的方向与磁感应强度B的方向平行时，导线受力为零。示例1　如图5
—长所示是电流天平原理示意图，使用电流天平可测量通电导线在磁场中所受安培力。7方形线圈abcd共绕15匝
，底边bc长5 cm挂，在等臂天平的左端，并


第一节 安培力5
使线圈的bc边水平地悬于某一匀强磁场中，线圈平面跟磁场垂直。先使天平保持平衡，然后在线圈内通入0.5 A的电流，天平失去平衡。设此时右盘上升，为使天平重新达到平衡，需在右端盘内再加入37.5 g砝码。求：（1）
线圈中电流的方向；（2）
匀强磁场的磁感应强度大小。 分析： n匝线圈通过电流I受到的安培力可以等效为单匝线圈通过nI大小的电流受到的安培力。解： （1） 线圈通电流后，ab边和cd边在磁场部分所受的安培力沿水平方向等值反向而彼此平衡；bc边所受安培力方向应竖直向下，才会导致右盘上升而使天平失去平衡，由左手定则可判断线圈中的电流方向是a→b→c→d。（2） 由于天平两臂等长
图5—7 电流天平原理示意图
，为使天平重新平衡， bc边n匝导线所受的安培力应该等于天平右端增加的砝码的重力。设bc边长为L，通过线圈的电流为I，匀强磁场的磁感应强度为B，天平右端增加的砝码质量为Δm，则有
nBIL = Δmg由此可得匀强磁场的磁感应强度
L 10 cm的两条平行导轨组成的平面与水平面夹角θ = = 30°，导轨两端M、N间接一电动势
示例2　如图5—8所示，相距
= 3 V、内阻= 0.5 Ω
E 的电源，垂直于导轨平面有一匀强磁场，将质量
= 10 g的金属棒垂直放在平行导轨上，金属棒恰能静止不动。若两导轨间金属棒的电阻
m
R Ω，试回答：1 = （1）
垂直于导轨平面的磁场方向是向上还是向下？（2） 磁
图5—8 磁场中静置于导轨上的导体棒
场的磁感应强度大小是多少？（导轨与金属棒接触良好，导轨与金属棒间摩擦力以及导轨电阻不计）分析：以平行导轨上的金属棒为研究对象进行受力分析。由闭合电路欧姆定律求电流，由力的平衡条件求安培力，由安培力公式求磁感应强度。解： （1） 以
金属棒为研究对象，金属棒在导轨上处于平衡状态，受到重力mg、弹力F
和安培力F的作用。因磁场垂直于导轨平面，电流垂直于导轨，安培力F的方向平行于导轨。再由力的平衡条件可知，安培力应平行于导轨向上，
N
图5—9 导体棒的受力图


6
如图5—所示。而电流方向已知，由左手定则可判断磁感应强度的方向应垂直于导轨平面向下。9（2） 由
于金属棒处于静止状态，则根据力的平衡条件，金属棒所受重力在斜面方向上的分力与安培力大小相等、方向相反，设通过金属棒的电流为I，则有mgsin θ = BIL在电源、导轨、金属棒构成的回路中，由闭合电路欧姆定律
，代入得磁感应强度
 安培力的应用
安培力在生产、生活等各方面都有广泛应用，通过如下几个实例可见一斑。
1. 磁电式电表
磁电式电表是指针式电表。无论是指针式电压表还是电流表或多用电表，原理都是利用磁场对通电小线圈的安培力使线圈偏转带动指针指示示数，从而达到测�