磁场基本性质的应用 [例11]从太阳或其他星体上放射出的宇宙射线中含有高能带电粒子.若到达地球.对地球上的生命将带来危害.对于地磁场对宇宙射线有无阻挡作用的下列说法中.正确的是(B) A.地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在南北两极最强.赤道附近最弱 B.地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在赤道附近最强.南北两极最弱 C.地磁场对宇宙射线的阻挡作用各处相同 D.地磁场对宇宙射线无阻挡作用 解析:因在赤道附近带电粒子运动方向与地磁场近似垂直.而在两极趋于平行. [例12]超导是当今高科技的热点之一.当一块磁体靠近超导体时.超导体中会产生强大的电流.对磁体有排斥作用.这种排斥力可使磁体悬浮在空中.磁悬浮列车就采用了这项技术.磁体悬浮的原理是(D) ①超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相同. ②超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相反. ③超导体使磁体处于失重状态. ④超导体对磁体的磁力与磁体的重力相平衡. A.①③ B.①④ C.②③ D.②④ 解析:超导体中产生的是感应电流.根据楞次定律的“增反减同 原理.这个电流的磁场方向与原磁场方向相反.对磁体产生排斥作用力.这个力与磁体的重力达平衡. [例13].如图所示.用弯曲的导线环把一铜片和锌片相连装在一绝缘的浮标上.然后把浮标浸在盛有稀硫酸的容器中.设开始设置时.环平面处于东西方向上.放手后.环平面将最终静止在 方向上. 解析:在地表附近地磁场的方向是大致由南向北的.此题中由化学原理可推知在环中有环形电流由等效法可假定其为一个垂直于纸面的条形磁体.而条形磁体所受地磁场的力的方向是南北方向的. [例14]普通磁带录音机是用一个磁头来录音和放音的.磁头结构如图所示.在一个环形铁芯上绕一个线圈.铁芯有个缝隙.工作时磁带就贴着这个缝隙移动.录音时磁头线圈跟微音器相连.放音时.磁头线圈改为跟扬声器相连.磁带上涂有一层磁粉.磁粉能被磁化且留下剩磁.微音器的作用是把声音的变化转化为电流的变化,扬声器的作用是把电流的变化转化为声音的变化.根据学过的知识.把普通录音机录.放音的基本原理简明扼要地写下来. 解析:(1)录音原理:当由微音器把声音信号转化为电流信号后.电流信号流经线圈.在铁芯中产生随声音变化的磁场.磁带经过磁头时磁粉被不同程度地磁化.并留下剩磁.且剩磁的变化与声音的变化一致.这样.声音的变化就被记录成磁粉不同程度的变化. 即录音是利用电流的磁效应. (2)放音原理:各部分被不同程度磁化的磁带经过铁芯时.铁芯中形成变化的磁场.在线圈中激发出变化的感应电流.感应电流经过扬声器时.电流的变化被转化为声音的变化.这样.磁信号又被转化为声音信号而播放出来. 即放音过程是利用电磁感应原理. [例15]磁场具有能量.磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度.其值为B2/2μ,式中B是感应强度,μ是磁导率.在空气中μ为一已知常数.为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感应强度B.一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P.再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离△L.并测出拉力F.如图所示.因为F所做的功等于间隙中磁场的能量.所以由此可得磁感应强度B与F.A之间的关系为B= 解析:在用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离△L的过程中.拉力F可认为不变.因此F所做的功为:W=F△L. 以ω表示间隙中磁场的能量密度.则间隙中磁场的能量E=ωV=ωA△L 又题给条件ω=B2/2μ.故E=A△LB2/2μ. 因为F所做的功等于间隙中磁场的能量.即W=E.故有F△L= A△LB2/2μ 解得 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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霍尔效应是电磁基本现象之一,在现代汽车上广泛应用霍尔器件:ABS系统 中的速度传感器、汽车速度表等.如图1,在一矩形半导体薄片的P、Q间通入电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B,在M、N间出现电压UH,这个现象称为霍尔效应,UH称为霍尔电压,且满足UH=k
IB
d
,式中k为霍尔系数,由半导体材料的性质决定,d为薄片的厚度.利用霍尔效应可以测出磁场中某处的磁感应强度B.
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(1)为了便于改变电流方向作研究,设计如图2的测量电路,S1、S2均为单刀双掷开关,虚线框内为半导体薄片(未画出).为使电流从P端流入,Q端流出,应将S1掷向
 
(填“a”或“b”),S2掷向
 
(填“c”或“d”).
(2)已知某半导体薄片厚度d=0.40mm,霍尔系数为1.5×10-3V?m?A-1?T-1,保持待测磁场磁感应强度B不变,改变电流I的大小,测量相应的UH值,记录数据如表.
I(×10-3A) 3.0 6.0 9.0 12.0 15.0 18.0
UH(×10-3V) 1.1 1.9 3.4 4.5 6.2 6.8
根据表中数据在给定区域内图3中画出UH-I图线,利用图线求出待测磁场B为
 
T.
(3)利用上述方法,可以粗略测出磁场的分布.为了更精细测出磁场的分布,可采取的措施有
 

(A)选用厚度较薄的半导体薄片
(B)选用厚度较厚的半导体薄
(C)选用霍尔系数k大的半导体薄片
(D)增大电流强度I.

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