匀速运动的基本规律应用 [例7]一辆实验小车可沿水平地面上的长直轨道匀速向右运动.有一台发出细光束的激光器装在小转台M上.到轨道的距离MN为d=10m.如所示.转台匀速运动.使激光束在水平面内扫描.扫描一周的时间为T=60s.光束转动方向如图中箭头所示.当光束与MN的夹角为450时.光束正好射到小车上.如果再经过Δt=2.5s光速又射到小车上.问小车的速度为多少? 解析:在Δt内.光束转过角度Δα= Δt/T×3600=150根据题意.有两种可能.光束照到小车时.小车正在从左侧接近N点.第二种可能是小车正在从右侧远离N点. 接近N点时.在Δt内光束与MN夹角从450变为300.小车走过 Ll.速度应为:V1= L1/Δt=d(tg450-tg300)/Δt=1.7m/s. 远离 N点时.V2= L2/Δt= d(tg600一tg450)/Δt. V2=2.9m/s [例8]天文观测表明.几乎所有远处的恒星都在以各自的速度背离我们运动.离我们最远的星体.背离我们运动的速度越大.也就是说.宇宙在膨胀.不同星体的退行速度v和星体与我们的距离r成正比.即v=Hr.式中H为一常量.称为哈勃常数.已由天文观察测定. 为解释上述现象.有人提出一种理论.认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的.假设大爆炸后各星体即以不同的速度向外做匀速运动.并设想我们就位于其中心.则速度越大的星体现在离我们越远.这一结果与上述天文观测一致. 由上述理论和天文观测结果.可估算宇宙年龄t.其计算式为t= .根据近期观测.哈勃常数H=3×10-2m/(ly表示“光年 :光在一年中行进的距离).由此估算宇宙的年龄约为 Y. [解析]根据题目提供的宇宙大爆炸理论.认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的假设大爆炸后各星体即以不同的速度向外做匀速运动.并设想我们就位于中心.那么宇宙的年龄就是星体远离我们的运动时间. 解:星体远离我们的运动时间就是宇宙的年龄.由匀速运动公式可得:t=r/v.天文观察结果:v=Hr.所以t= [例9]如图所示.声源S和观察A都沿x轴正方向运动.相对于地面的速率分别为Vs和vA.空气中声音传播的速率为vP.设Vs<vP,v', vA<vP.空气相对于地面没有流动. (1)若声源相继发出两个声信号.时间间隔为Δt.请根据发出的这两个声信号从声源传播到观察者的过程.确定观察者接收到这两个声信号的时间间隔Δt/. 的结果.推导此情形下观察者接收到的声波频率与声源发出的声波频率间的关系式. 解析:(1)设t1.t2为声源发出两个信号的时刻.t1/.t2/为观察者接收到两个信号的时刻.则第一个信号经过时间(t1/-t1)被观察者A接收到.第二个信号经过时间(t2/-t2)被观察者A接收到.且 (t2-t1)=Δt.(t2/-t1/)=Δt/. 设声源发出第一个信号时.S.A两点间的距离为L.则两个声信号从声源传播到观察者的过程中.它们运动的距离关系如图所示.可得: VP(t1/-t1)=L+VA(t1/-t1). VP(t2/-t2)=L+VA(t2/-t1)-VSΔt. 由以上各式得 (2)设声源发出声波的振动周期为T.则由以上结论观察者接收到声波振动的周期/为.由此得观察者接收到的声波频率与声源发出的声波频率间的关系式 [例10]图为某郊区部分道路图.一歹徒在A地作案后乘车沿AD道路逃窜.警方同时接到报警信息.并立即由B地乘警车沿道路BE拦截.歹徒到达D点后沿DE道路逃窜.警车.恰好在E点追上了歹徒.已知警方与歹徒车辆行驶的速度均为 60 km/h. AC=4 km. BC= 6 km.DE=5 km.则歹徒从A地逃窜至E点被抓获共用时 A. 12min B. 10min C. 8min D. 6min [解析]∵两者速度相等.且运动时间相等.故s警=s歹 ∴BE=AD+DE.即=+DE.代入数据.解方程得 CD= 3 km t=s/v=10min 试题展示 查看更多

 

题目列表(包括答案和解析)

第十部分 磁场

第一讲 基本知识介绍

《磁场》部分在奥赛考刚中的考点很少,和高考要求的区别不是很大,只是在两处有深化:a、电流的磁场引进定量计算;b、对带电粒子在复合场中的运动进行了更深入的分析。

一、磁场与安培力

1、磁场

a、永磁体、电流磁场→磁现象的电本质

b、磁感强度、磁通量

c、稳恒电流的磁场

*毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart law):对于电流强度为I 、长度为dI的导体元段,在距离为r的点激发的“元磁感应强度”为dB 。矢量式d= k,(d表示导体元段的方向沿电流的方向、为导体元段到考查点的方向矢量);或用大小关系式dB = k结合安培定则寻求方向亦可。其中 k = 1.0×10?7N/A2 。应用毕萨定律再结合矢量叠加原理,可以求解任何形状导线在任何位置激发的磁感强度。

毕萨定律应用在“无限长”直导线的结论:B = 2k 

*毕萨定律应用在环形电流垂直中心轴线上的结论:B = 2πkI 

*毕萨定律应用在“无限长”螺线管内部的结论:B = 2πknI 。其中n为单位长度螺线管的匝数。

2、安培力

a、对直导体,矢量式为 = I;或表达为大小关系式 F = BILsinθ再结合“左手定则”解决方向问题(θ为B与L的夹角)。

b、弯曲导体的安培力

⑴整体合力

折线导体所受安培力的合力等于连接始末端连线导体(电流不变)的的安培力。

证明:参照图9-1,令MN段导体的安培力F1与NO段导体的安培力F2的合力为F,则F的大小为

F = 

  = BI

  = BI

关于F的方向,由于ΔFF2P∽ΔMNO,可以证明图9-1中的两个灰色三角形相似,这也就证明了F是垂直MO的,再由于ΔPMO是等腰三角形(这个证明很容易),故F在MO上的垂足就是MO的中点了。

证毕。

由于连续弯曲的导体可以看成是无穷多元段直线导体的折合,所以,关于折线导体整体合力的结论也适用于弯曲导体。(说明:这个结论只适用于匀强磁场。)

⑵导体的内张力

弯曲导体在平衡或加速的情形下,均会出现内张力,具体分析时,可将导体在被考查点切断,再将被切断的某一部分隔离,列平衡方程或动力学方程求解。

c、匀强磁场对线圈的转矩

如图9-2所示,当一个矩形线圈(线圈面积为S、通以恒定电流I)放入匀强磁场中,且磁场B的方向平行线圈平面时,线圈受安培力将转动(并自动选择垂直B的中心轴OO′,因为质心无加速度),此瞬时的力矩为

M = BIS

几种情形的讨论——

⑴增加匝数至N ,则 M = NBIS ;

⑵转轴平移,结论不变(证明从略);

⑶线圈形状改变,结论不变(证明从略);

*⑷磁场平行线圈平面相对原磁场方向旋转α角,则M = BIScosα ,如图9-3;

证明:当α = 90°时,显然M = 0 ,而磁场是可以分解的,只有垂直转轴的的分量Bcosα才能产生力矩…

⑸磁场B垂直OO′轴相对线圈平面旋转β角,则M = BIScosβ ,如图9-4。

证明:当β = 90°时,显然M = 0 ,而磁场是可以分解的,只有平行线圈平面的的分量Bcosβ才能产生力矩…

说明:在默认的情况下,讨论线圈的转矩时,认为线圈的转轴垂直磁场。如果没有人为设定,而是让安培力自行选定转轴,这时的力矩称为力偶矩。

二、洛仑兹力

1、概念与规律

a、 = q,或展开为f = qvBsinθ再结合左、右手定则确定方向(其中θ为的夹角)。安培力是大量带电粒子所受洛仑兹力的宏观体现。

b、能量性质

由于总垂直确定的平面,故总垂直 ,只能起到改变速度方向的作用。结论:洛仑兹力可对带电粒子形成冲量,却不可能做功。或:洛仑兹力可使带电粒子的动量发生改变却不能使其动能发生改变。

问题:安培力可以做功,为什么洛仑兹力不能做功?

解说:应该注意“安培力是大量带电粒子所受洛仑兹力的宏观体现”这句话的确切含义——“宏观体现”和“完全相等”是有区别的。我们可以分两种情形看这个问题:(1)导体静止时,所有粒子的洛仑兹力的合力等于安培力(这个证明从略);(2)导体运动时,粒子参与的是沿导体棒的运动v1和导体运动v2的合运动,其合速度为v ,这时的洛仑兹力f垂直v而安培力垂直导体棒,它们是不可能相等的,只能说安培力是洛仑兹力的分力f1 = qv1B的合力(见图9-5)。

很显然,f1的合力(安培力)做正功,而f不做功(或者说f1的正功和f2的负功的代数和为零)。(事实上,由于电子定向移动速率v1在10?5m/s数量级,而v2一般都在10?2m/s数量级以上,致使f1只是f的一个极小分量。)

☆如果从能量的角度看这个问题,当导体棒放在光滑的导轨上时(参看图9-6),导体棒必获得动能,这个动能是怎么转化来的呢?

若先将导体棒卡住,回路中形成稳恒的电流,电流的功转化为回路的焦耳热。而将导体棒释放后,导体棒受安培力加速,将形成感应电动势(反电动势)。动力学分析可知,导体棒的最后稳定状态是匀速运动(感应电动势等于电源电动势,回路电流为零)。由于达到稳定速度前的回路电流是逐渐减小的,故在相同时间内发的焦耳热将比导体棒被卡住时少。所以,导体棒动能的增加是以回路焦耳热的减少为代价的。

2、仅受洛仑兹力的带电粒子运动

a、时,匀速圆周运动,半径r =  ,周期T = 

b、成一般夹角θ时,做等螺距螺旋运动,半径r =  ,螺距d = 

这个结论的证明一般是将分解…(过程从略)。

☆但也有一个问题,如果将分解(成垂直速度分量B2和平行速度分量B1 ,如图9-7所示),粒子的运动情形似乎就不一样了——在垂直B2的平面内做圆周运动?

其实,在图9-7中,B1平行v只是一种暂时的现象,一旦受B2的洛仑兹力作用,v改变方向后就不再平行B1了。当B1施加了洛仑兹力后,粒子的“圆周运动”就无法达成了。(而在分解v的处理中,这种局面是不会出现的。)

3、磁聚焦

a、结构:见图9-8,K和G分别为阴极和控制极,A为阳极加共轴限制膜片,螺线管提供匀强磁场。

b、原理:由于控制极和共轴膜片的存在,电子进磁场的发散角极小,即速度和磁场的夹角θ极小,各粒子做螺旋运动时可以认为螺距彼此相等(半径可以不等),故所有粒子会“聚焦”在荧光屏上的P点。

4、回旋加速器

a、结构&原理(注意加速时间应忽略)

b、磁场与交变电场频率的关系

因回旋周期T和交变电场周期T′必相等,故 =

c、最大速度 vmax = = 2πRf

5、质谱仪

速度选择器&粒子圆周运动,和高考要求相同。

第二讲 典型例题解析

一、磁场与安培力的计算

【例题1】两根无限长的平行直导线a、b相距40cm,通过电流的大小都是3.0A,方向相反。试求位于两根导线之间且在两导线所在平面内的、与a导线相距10cm的P点的磁感强度。

【解说】这是一个关于毕萨定律的简单应用。解题过程从略。

【答案】大小为8.0×10?6T ,方向在图9-9中垂直纸面向外。

【例题2】半径为R ,通有电流I的圆形线圈,放在磁感强度大小为B 、方向垂直线圈平面的匀强磁场中,求由于安培力而引起的线圈内张力。

【解说】本题有两种解法。

方法一:隔离一小段弧,对应圆心角θ ,则弧长L = θR 。因为θ 

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