荒野雄狮工作室-------2016高考物理知识点之磁场.pdf

荒野雄狮工作室 高考物理知识点之磁场高考物理知识点之磁场 考试要点考试要点 基本概念基本概念 一 磁场和磁感线 三合一 1 磁场的来源 磁铁和电流 变化的电场 2 磁场的基本性质 对放入其中的磁铁和电流有力的作用 3 磁场的方向 矢量 方向的规定 磁针北极的受力方向 磁针静止时 N 极指向 4 磁感线 切线 磁针北极 磁场方向 5 典型磁场 磁铁 磁场和电 流 磁 场 安培定 则 右手 螺 旋 定 则 地球磁场通电直导线周围磁场通电环行导 荒野雄狮工作室 6 磁感线特点 客观不存在 外部 N 极出发到 S 内部 S 极到 N 极 闭合 不相 交 描述磁场的方向和强弱 二 磁通量 韦伯Wb标量 通过磁场中某一面积的磁感线的条数 称为磁通量 或磁通 二 磁通密度 磁感应强度 B特斯拉 T矢量 大小 通过垂直于磁感线方向的单位面积的磁感线的条数叫磁通密度 S B 1 T 1 Wb m 2 方向 B 的方向即为磁感线的切线方向 意义 1 描述磁场的方向和强弱 2 由场的本身性质决定 三 匀强磁场 1 定义 B 的大小和方向处处相同 磁感线平行 等距 同向 2 来源 距离很近的异名磁极之间 通电螺线管或条形磁铁的内部 边缘除外 四 了解一些磁场的强弱四 了解一些磁场的强弱 永磁铁 10 3 T 电机和变压器的铁芯中 0 8 1 4 T 超导材料的电流产生的磁场 1000T 地球表面附近 3 10 5 7 10 5 T 比较两个面的磁通的大小关系 如果将底面绕轴 L 旋转 则磁通量 如何变化 磁场对电流的作用 安培力 一 安培力的方向 磁场对电流的作用 安培力 一 安培力的方向 左手定则 伸开左手 使大拇指与四指在同一个平面内 并跟四 指垂直 让磁感线穿入手心 使四指指向电流的流向 这时大拇指的方向就是导线所受安培 力的方向 向里和向外的表示方法 类比射箭射箭 I F 力向外 B N S L 荒野雄狮工作室 规律 1 左手定则 2 F B F I F 垂直于 B 和 I 所决定的平面 但 B I 不一定垂直 规律 1 左手定则 2 F B F I F 垂直于 B 和 I 所决定的平面 但 B I 不一定垂直 安培力的大小与磁场的方向和电流的方向有关 两者夹角为 90 0时 力最大 夹角为 00时 力 0 猜想由 90 度到 0 度力的大小是怎样变化的 二 安培力的大小 二 安培力的大小 匀强磁场 当 B I 时 F B I L 在匀强磁场中 当通电导线与磁场方向垂直时 电流所受的安培力等于磁感应将 度 B 电流 I 和导线的长度 L 三者的乘积 在匀强磁场中 当通电导线与磁场方向垂直时 电流所受的安培力等于磁感应将 度 B 电流 I 和导线的长度 L 三者的乘积 在非匀强磁场中 公式 F BIL 近似适用于很短的一段通电导线 三 磁感应强度的另一种定义三 磁感应强度的另一种定义 匀强磁场 当 B I 时 IL F B 练习 有磁场就有安培力 磁场强的地方安培力一定大 磁感线越密的地方 安培力越大 判断安培力的方向 电流间的相互作用和等效长度 一 电流间的相互作用 电流间的相互作用和等效长度 一 电流间的相互作用 总结 通电导线有转向电流同向的趋势总结 通电导线有转向电流同向的趋势 力向外 不受力 B B F 同向吸引同向吸引 F 同向排斥同向排斥 F 转向同向 同 时靠近 转向同向 同 时靠近 荒野雄狮工作室 二 等效长度二 等效长度 推导 水平方向 向左 F1sin BIL1sin B I h 向右 F2sin BIL2sin B I h 水平方向平衡 竖直方向 左导F1cos BIL1cos 右导F2cos BIL2cos F B I L 推广 等效长度为导线两端连线的长度 一 洛伦兹力的方向 左手定则 四指指向正电荷的运动方向或负电荷运动的反方向 大拇指指向洛伦兹力的方向 f Bf v 等效长度为导线两端连线的长度 一 洛伦兹力的方向 左手定则 四指指向正电荷的运动方向或负电荷运动的反方向 大拇指指向洛伦兹力的方向 f Bf v 4 q v B 三者有一个或三个 反向 则 f 变向 若有两个 反向 则 f 反向不变 4 q v B 三者有一个或三个 反向 则 f 变向 若有两个 反向 则 f 反向不变 L NS ad bc L2 L1 向上看 a b v F F v v 力向里 荒野雄狮工作室 1 电荷静止 f 0 2 v B f 0 3 v B f 最大 二 洛伦兹力的大小二 洛伦兹力的大小 已知 I B 匀强 导线截面积 s 电荷电量 q 电荷定向移动速率 v 单位体积内电荷数 n 导线长度 L 有 nqsvI BILF 三 洛伦兹力不做功三 洛伦兹力不做功 1 判断三种粒子电荷的正负 2 三个完全相同的金属带电球 同一高度 同时下落 1 落地速度 V1 V3 V2 2 下落时间t1 t2 t3 四 带 电 粒 子 的 圆 周 运 动 1 运动状态 四 带 电 粒 子 的 圆 周 运 动 1 运动状态 v 匀强 B 忽略重力 f v 洛伦兹力不做功 速率不变 f q v B 充当向心力 2 轨道半径和周期2 轨道半径和周期 半径半径 qB mv r r mv qvB 2 周期周期 qB m T qB mv r v r T 22 vqvBf nsL F fB条件 v F e H 4 2 f 2eBv E B AB 匀速圆周运动匀速圆周运动 荒野雄狮工作室 周期与速率无关 对于确定的磁场 周期取决于荷质比 五 电流表构造五 电流表构造 蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地福向分布的 2 铝框上绕有线囵 铝框转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针 六 安培分子电流假说六 安培分子电流假说 导体中的电流是由大量的自由电子的定向移动而形成的 而电 流的周国又有磁场 所以电流的磁场应该是由于电荷的运动产生的 那么 磁铁的磁场是否 也是由电荷的运动产生的呢 安培提出在磁铁中分子 原于存在着一种环形电流一一分子电流 分子电流使每个物质 微粒都成为微小的磁体 磁铁的分子电流的取向大致相同时 对外显磁性 磁铁的分子电流取向杂乱无章时 对外不 显磁性 近代的原子结构理论证实了分子电流的存在 根据物质的微观结构理论 微粒原子由原子核和核外电子组成 原子核带正电 核外电子带 负电 电子在库仑力的作用下 绕核高速旋转 形成分子电流 可见 磁铁和电流的磁场本 质上都是运动电荷产生的 三种场力的特点三种场力的特点 1 重力的特点 其大小为 mg 方向竖直向下 做功与路径无关 与带电粒子的质量及起 讫点的高度差有关 2 电场力的特点 大小为 qE 方向与 E 的方向及电荷的种类有关 做功与路径无关 与带 电粒子的带电量及起 终点的电势差有关 3 洛伦兹力的特点 大小与带电粒子的速度 磁感应强度 带电量及速度与磁感应强度间 的夹角有关 方向垂直于 B 和 V 决定的平面 无论带电粒子在磁场中做什么运动 洛伦兹力 都不做功 一 速度选择器的原理一 速度选择器的原理 1 原理图 V f F U 加速电场 带电粒子束 V 偏转电场 E 偏转磁场 B q S2S1 荒野雄狮工作室 2 带电粒子的受力特点 电场力 F 与洛仑兹力 f 方向相反 3 带电粒子匀速通过速度选择器的条件 带电粒子匀速通过速度选择器是指粒子从 S1水平 射入 沿直线匀速通过叠加场区 并从 S2水平射出 从力的角度看 电场力 F 与洛仑兹力 f 平衡 即BqVqE 推出 B E V 二 质谱仪 分离同位素测定荷质比的仪器二 质谱仪 分离同位素测定荷质比的仪器 经速度选择器的各种带电粒子 射入偏转磁场 B 不同 电性 不同荷质比的粒子就会沉积在不同的地方 由 qE qvB R v mBqv 2 s 2R 联立 得不同粒子的荷质比 即与沉积处离出口的距离 s 成反比 三 磁流体发电机三 磁流体发电机 磁流体发电 高速的等离子流射入平行板中间的 匀强磁场区域 在洛仑兹力作用下使正 负电荷分 别聚集在 A B 两板 于是在板间形成电场 当板间 电场对电荷的作用力等于电荷所受的洛仑兹力时 两 板间形成一定的电势差 合上电键 S 后 就能对负 载供电 由 qvB qE 和 U Ed 得两板间的电势差 电源 电动势 为 U vBd 即决定于两板间距 板间磁 感强度和入射离子的速度 四 电磁流量计四 电磁流量计 如图所示为电磁流量计的示意图 直径为 d 的非磁性材料制成的圆形导管内 有可以导电的 液体流动 磁感应强度为 B 的匀强磁场垂直液体流动方向而穿过一段圆形管道 若测得管壁 内 a b 两点的电势差为 U 试求管中液体的流量 Q 为多少 m 3 s 解qVB d U q VdQ 2 4 1 得 B dU Q 4 d b a 导电 液体 荒野雄狮工作室 五 霍尔效应五 霍尔效应 如图所示 厚度为 h 宽度为 d 的导体板放在垂直 于它的磁感应强度为 B 的匀强磁场中 当电流通过 导体板时 在导体板的上侧面 A 和下侧面 A 会产生 电势差 这种现象称为霍尔效应 实验表明 当磁 场不太强时 电势差 U 电流 I 的 B 的关系为 d IB KU 式中的比例系数 K 称为霍尔系数 霍尔效应可解释如下 外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧 在导体板的 另一侧会出现多余的正电荷 从而形成横向电场 横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反 的静电力 当静电力与洛仑兹力达到平衡时 导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差 六 测定电子的比荷六 测定电子的比荷 在实验中 汤姆生采用了如图所示的阴 极射线管 从电子枪 C 出来的电子经过 A B 间的电场加速后 水平射入长度为 L 的 D E 平行板间 接着在荧光屏 F 中 心出现荧光斑 若在 D E 间加上方向向 下 场强为 E 的匀强电场 电子将向上 偏转 如果再利用通电线圈在 D E 电场 区加上一垂直纸面的磁感应强度为 B 的 匀强磁场 图中未画出 荧光斑恰好回到荧光屏中心 接着再去掉电场 电子向下偏转 偏 转角为 七 回旋加速器七 回旋加速器 1 有关物理学史知识和回旋加速器的基本结构和原理 1932 年美国物理学家应用了带电粒子在磁场中运动的特点发明了回旋加速器 其原理如图 所示 A0处带正电的粒子源发出带正电的粒子以速度v0垂直进入匀强磁场 在磁场中匀速转 动半个周期 到达A1时 在A1A1 处造成向上的电场 粒子被加速 速率由 v0增加到v1 然 后粒子以v1在磁场中匀速转动半个周期 到达A2 时 在 A2 A2处造成向下的电场 粒子又一 次被加速 速率由v1增加到v2 如此继续下去 每当粒子经过A A 的交界面时都是它被加 速 从而速度不断地增加 带电粒子在磁场中作匀速圆周运动的周期为 qB T 2 为达到 不断加速的目的 只要在A A 上加上周期也为 T的交变电压就可以了 即T电 qB T 2 实际应用中 回旋加速是用两个 D 形金属盒做外壳 两个 D 形金属盒分别充当交流电源的两极 同时金 属盒对带电粒子可起到静电屏蔽作用 金属盒可以 屏蔽外界电场 盒内电场很弱 这样才能保证粒子 h d B I A A 阴 极 阴 极 C A B D E F 荒野雄狮工作室 在盒内只受磁场力作用而做匀速圆周运动 2 带电粒子在 D 形金属盒内运动的轨道半径是不等距分布的 设粒子的质量为m 电荷量为q 两D形金属盒间的加速电压为U 匀强磁场的磁感应强度 为B 粒子第一次进入D形金属盒 被电场加速 1 次 以后每次进入D形金属盒 都要被 电场加速 2 次 粒子第n次进入D形金属盒 时 已经被加速 2n 1 次 由动能定理得 2n 1 qU Mv n 2 第n次进入D形金属盒 后 由牛顿第二定律得qvnB m n n r v 2 由 两式得 n qB qUn m 12 2 同理可得第n 1 次进入D形金属盒 时的轨道半径rn 1 qB qUn m 12 2 所以带电粒子在D形金属盒