粒子从M至N运动过程有: 1 加速度 2 运动时间 3 由123得电场强度 则 4 (2)设vN与x成θ角 带电粒子到N点速度 5 (3)带电粒子在磁场中做圆周运动的轨迹如图所示.圆心在O′处.设半径为R.由几何关系知带电粒子过P点的速度方向与x成角.则OP=OM=L 则 6 由牛顿第二定律得: 7 由67解得: (4)粒子从M至N时间: 8 粒子在磁场中运动时间 9 粒子从P至M运动时间 10 从M点进入电场.经N.P回M所用时间 查看更多

 

题目列表(包括答案和解析)

如图所示,A为位于一定高度处的质量为m=1×10-5 kg带电荷量为q=+1×10-6 C的微粒,B为位于水平地面上的质量为M的用特殊材料制成的长方形空心盒子,盒子与地面间的动摩擦因数为μ=0.2,盒内存在着竖直向上的匀强电场,场强大小E=1×103 N/C,盒外存在着竖直向下的匀强电场,场强大小也为E=1×103 N/C,盒的上表面开有一系列略大于微粒的小孔,孔间距满足一定的关系,使得微粒进出盒子的过程中始终不与盒子接触。当微粒A以1 m/s的速度从孔1进入盒子的瞬间,盒子B恰以v1=0.4 m/s的速度向右滑行。设盒子足够长,取重力加速度g为10m/s2,不计微粒的重力,微粒恰能顺次从各个小孔进出盒子。试求:
(1)从微粒第一次进入盒子至盒子停止运动的过程中,盒子通过的总路程;
(2)微粒A从第一次进入盒子到第二次进入盒子所经历的时问;
(3)盒子上至少要开多少个小孔,才能保证微粒始终不与盒子接触。

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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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选做题:请从A、B和C三小题中选定两小题作答,并在答题卡上把所选题目对应字母后的方框涂满涂黑.如都作答,则按A、B两小题评分.
A.(选修模块3-3)B.(选修模块3-4)
(1)下列说法中正确的是______
A.照相机等的镜头涂有一层增透膜,其厚度应为入射光在真空中波长的
B.调谐是电磁波发射应该经历的过程,调制是电磁波接收应该经历的过程
C.把调准的摆钟,由北京移至赤道,这个钟将变慢,若要重新调准,应增加摆长
D.振动的频率越高,则波传播一个波长的距离所用的时间越短
E.地面上的我们会发现:竖直向上高速运行的球在水平方向变窄
F.变化的磁场必定产生变化的电场.
(2)如图所示,O点为振源,OP=s,t=0时刻O点由平衡位置开始振动,产生向右沿直线传播的简谐波.图乙为从t=0时刻开始描绘的P点的振动图象.下列判断中正确的是______
A.该波的频率为1/( t2-t1 )  B.该波波长为st1/( t2-t1 )  C.t=0时刻,振源O的振动方向沿y轴正方向
D.t=t2时刻,P点的振动方向沿y轴负方向
(3)一棱镜的截面为直角三角形ABC,∠A=30°,斜边AB=a.棱镜材料的折射率为n=.在此截面所在的平面内,一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜,求射出点的位置(不考虑光线沿原来路返回的情况).
C.(选修模块3-5)
(1)下列物理实验中,能说明粒子具有波动性的是______
A.通过研究金属的遏止电压与入射光频率的关系,证明爱因斯坦方程光电效应方程的正确性
B.通过测试多种物质对X射线的散射,发现散射射线中有波长变大的成分
C.通过电子双缝实验,发现电子的干涉现象  
D.利用晶体做电子束衍射实验,证实了电子的波动性
(2)氢原子的能级如图所示.有一群处于n=4能级的氢原子,这群氢原子能发出______种谱线,发出的光子照射某金属能产生光电效应现象,则该金属的逸出功应小于______eV.
(3)近年来,国际热核聚变实验堆计划取得了重大进展,它利用的核反应方程是21H+31H→42He+1n.若21H和31H迎面碰撞,初速度大小分别为v1、v221H、31H、42He、1n的质量分别为m1、m2、m3、m4,反应后42He的速度大小为v3,方向与21H的运动方向相同,求中子1n的速度 (选取m的运动方向为正方向,不计释放的光子的动量,不考虑相对论效应).

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选做题:请从A、B和C三小题中选定两小题作答,并在答题卡上把所选题目对应字母后的方框涂满涂黑.如都作答,则按A、B两小题评分.
A.(选修模块3-3)B.(选修模块3-4)
(1)下列说法中正确的是
DE
DE

A.照相机等的镜头涂有一层增透膜,其厚度应为入射光在真空中波长的
1
4

B.调谐是电磁波发射应该经历的过程,调制是电磁波接收应该经历的过程
C.把调准的摆钟,由北京移至赤道,这个钟将变慢,若要重新调准,应增加摆长
D.振动的频率越高,则波传播一个波长的距离所用的时间越短
E.地面上的我们会发现:竖直向上高速运行的球在水平方向变窄
F.变化的磁场必定产生变化的电场.
(2)如图所示,O点为振源,OP=s,t=0时刻O点由平衡位置开始振动,产生向右沿直线传播的简谐波.图乙为从t=0时刻开始描绘的P点的振动图象.下列判断中正确的是
AC
AC

A.该波的频率为1/( t2-t1 )  B.该波波长为st1/( t2-t1 )  C.t=0时刻,振源O的振动方向沿y轴正方向
D.t=t2时刻,P点的振动方向沿y轴负方向
(3)一棱镜的截面为直角三角形ABC,∠A=30°,斜边AB=a.棱镜材料的折射率为n=
2
.在此截面所在的平面内,一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜,求射出点的位置(不考虑光线沿原来路返回的情况).
C.(选修模块3-5)
(1)下列物理实验中,能说明粒子具有波动性的是
CD
CD

A.通过研究金属的遏止电压与入射光频率的关系,证明爱因斯坦方程光电效应方程的正确性
B.通过测试多种物质对X射线的散射,发现散射射线中有波长变大的成分
C.通过电子双缝实验,发现电子的干涉现象  
D.利用晶体做电子束衍射实验,证实了电子的波动性
(2)氢原子的能级如图所示.有一群处于n=4能级的氢原子,这群氢原子能发出
6
6
种谱线,发出的光子照射某金属能产生光电效应现象,则该金属的逸出功应小于
12.75
12.75
eV.
(3)近年来,国际热核聚变实验堆计划取得了重大进展,它利用的核反应方程是21H+31H→42He+10n.若21H和31H迎面碰撞,初速度大小分别为v1、v221H、31H、42He、10n的质量分别为m1、m2、m3、m4,反应后42He的速度大小为v3,方向与21H的运动方向相同,求中子10n的速度 (选取m的运动方向为正方向,不计释放的光子的动量,不考虑相对论效应).

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(选做题)(请从A、B和C三小题中选定两小题作答,并在答题卡相应的答题区域内作答,如都作答则按A、B两小题评分)
A.(选修模块3-3)
如图所示,某种自动洗衣机进水时,洗衣机缸内水位升高,与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气,通过压力传感器感知管中的空气压力,从而控制进水量.
(1)当洗衣缸内水位缓慢升高时,设细管内空气温度不变,
则被封闭的空气
AD
AD

A.分子间的引力和斥力都增大
B.分子的热运动加剧
C.分子的平均动能增大
D.体积变小,压强变大
(2)若密闭的空气可视为理想气体,在上述(1)中空气体积变化的过程中,外界对空气做了
0.6J的功,则空气
放出
放出
(选填“吸收”或“放出”)了
0.6
0.6
J的热量;当洗完衣服缸内
水位迅速降低时,则空气的内能
减小
减小
(选填“增加”或“减小”).
(3)若密闭的空气体积V=1L,密度ρ=1.29kg/m3,平均摩尔质量M=0.029kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1,试估算该气体分子的总个数(结果保留一位有效数字).
B.(选修模块3-4)
(1)下列说法正确的是
BC
BC

A.光的偏振现象说明光是纵波
B.全息照相利用了激光相干性好的特性
C.光导纤维传播光信号利用了光的全反射原理
D.光的双缝干涉实验中,若仅将入射光从红光改为紫光,则相邻亮条纹间距一定变大
(2)如图1所示是一列沿x轴正方向传播的简谐横波在t=0时刻的波形图,波的传播速度v=2m/s,试回答下列问题:
①x=4m处质点的振动函数表达式y=
-5sinπt
-5sinπt
cm;
②x=5m处质点在0~4.5s内通过的路程s=
45
45
cm.
(3)如图2所示,直角三角形ABC为一三棱镜的横截面,
∠A=30°.一束单色光从空气射向BC上的E点,并
偏折到AB上的F点,光线EF平行于底边AC.已
知入射方向与BC的夹角为θ=30°.试通过计算判断光在F点能否发生全反射.
C.(选修模块3-5)
(1)如图所示,小车与木箱紧挨着静放在光滑的水平冰面上,现有一男孩站在小车上用力向右迅速推出木箱,关于上述过程,下列说法中正确的是
C
C

A.男孩和木箱组成的系统动量守恒
B.小车与木箱组成的系统动量守恒
C.男孩、小车与木箱三者组成的系统动量守恒
D.木箱的动量增量与男孩、小车的总动量增量相同
(2)若氢原子的基态能量为E(E<0 ),各个定态的能量值为En=E/n2(n=1,2,3…),则为使一处于基态的氢原子核外电子脱离原子核的束缚,所需的最小能量为
-E
-E
;若有一群处于n=2能级的氢原子,发生跃迁时释放的光子照射某金属能产生光电效应现象,则该金属的逸出功至多为
-
3
4
E
-
3
4
E
(结果均用字母表示).
(3)在某些恒星内,3个α粒子可以结合成一个612C核,已知612C核的质量为1.99502×10-26kg,α粒子的质量为6.64672×10-27kg,真空中的光速c=3×108m/s,计算这个反应中所释放的核能(结果保留一位有效数字).

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同步练习册答案