考点1. 解决电磁感应现象中力学问题的基本方法与技巧 剖析: 电磁感应中产生的感应电流在磁场中将受到安培力的作用.因此.电磁感应问题往往跟力学问题联系在一起.解决这类电磁感应中的力学问题.不仅要应用电磁学中的有关规律.如楞次定律.法拉第电磁感应定律.左右手定则.安培力的计算公式等.还要应用力学中的有关规律.如牛顿运动定律.动量定理.动能定理.动量守恒定律.机械能守恒定律等.要将电磁学和力学的知识综合起来应用. (1)基本方法 ①用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向, ②求出回路的电流强度, ③分析研究导体受力情况(包括安培力.用左手定则确定其方向), ④列平衡方程或动力学方程求解. (2)解决电磁感应现象中力学问题的技巧 ①因电磁感应中力和运动问题所给图形大多为立体空间分布图.故在受力分析时.应把立体图转化为平面图.使物体所受的各力尽可能在同一平面图内.以便正确对力进行分解与合成.利用物体的平衡条件和牛顿运动定律列式求解. ②对于非匀变速运动最值问题的分析.注意应用加速度为零.速度达到最值的特点. [例题1]如图10-3-1所示.两根足够长的直金属导轨MN.PQ平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上.两导轨间距为L0.M.P两点间接有阻值为R的电阻.一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上.并与导轨垂直.整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中.磁场方向垂直斜面向下.导轨和金属杆的电阻可忽略.让ab杆沿导轨由静止开始下滑.导轨和金属杆接触良好.不计它们之间的摩擦. (1)由b向a方向看到的装置如图所示.请在此图中画出ab杆下滑过程中某时刻的受力示意图, (2)在加速下滑过程中.当ab杆的速度大小为v时.求此时ab杆中的电流及其加速度的大小, (3)求在下滑过程中.ab杆可以达到的速度最大值. 解析:(1)如图10-3-2重力mg.竖直向下, 支持力N.垂直斜面向上, 安培力F.沿斜面向上 (2)当ab杆速度为v时.感应电动势E=BLv,此时电路电流 ab杆受到安培力 根据牛顿运动定律.有 (3)当时.ab杆达到最大速度vm [变式训练1].如图10-3-3甲所示的轮轴,它可以绕垂直于纸面的光滑固定水平轴O转动.轮上绕有轻质柔软细线,线的一端系一重物,另一端系一质量为的金属杆. 在竖直平面内有间距为L的足够长的平行金属导轨PO.EF,在QF之间连接有阻值为R的电阻,其余电阻不计.磁感应强度为B的匀强磁场与导轨平面垂直.开始时金属杆置于导轨下端,将重物由静止释放,重物最终能匀速下降.运动过程中金属杆始终与导轨垂直且接触良好,忽略所有摩擦. (1)若重物的质量为M,则重物匀速下降的速度为多大? (2)对一定的磁感应强度B,重物的质量M取不同的值,测出相应的重物做匀速运动时的速度,可得出实验图线.图乙中画出了磁感应强度分别为和时的两条实验图线,试根据实验结果计算与的比值. 解析:1)匀速下降时,金属杆匀速上升,回路中产生的感应电动势为: 则 对.整体有: 由以上式子解得: 得: 由图象可知: 所以解得: 考点2. 解决电磁感应现象中电路问题的基本方法与分析误区 剖析: 在电磁感应中.切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势.该导体或回路就相当于电源.将它们接上电容器.便可使电容器充电,将它们接上用电器.便可对用电器供电.在回路中形成电流. 因此.电磁感应问题往往跟电路问题联系在一起..解决电磁感应电路问题的关键是把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路. (1)基本方法 ①确定电源:先判断产生电磁感应现象的那一部分导体.该部分导体可视为等效电源. ②分析电路结构.画等效电路图. ③利用电路规律求解.主要有欧姆定律.串并联规律等. (2)常见的一些分析误区 ①不能正确分析感应电动势及感应电流的方向.因产生感应电动势那部分电路为电源部分.故该部分电路中的电流应为电源内部的电流.而外电路中的电流方向仍是从高电势到低电势. ②应用欧姆定律分析求解电路时.不注意等效电源的内阻对电路的影响. ③对联接在电路中电表的读数不能正确进行分析.特别是并联在等效电源两端的电压表.其示数应该是外电压.而不是等效电源的电动势. [例题2]如图10-3-4所示.光滑的平行长直金属导轨置于水平面内.间距为L.导轨左端接有阻值为R的电阻.质量为m的导体棒垂直跨接在导轨上.导轨和导体棒的电阻均不计.且接触良好.在导轨平面上有一矩形区域内存在着竖直向下的匀强磁场.磁感应强度大小为B.开始时.导体棒静止于磁场区域的右端.当磁场以速度v1匀速向右移动时.导体棒随之开始运动.同时受到水平向左.大小为f的恒定阻力.并很快达到恒定速度.此时导体棒仍处于磁场区域内. (1)求导体棒所达到的恒定速度v2, (2)为使导体棒能随磁场运动.阻力最大不能超过多少? (3)导体棒以恒定速度运动时.单位时间内克服阻力所做的功和电路中消耗的电功率各为多大? (4)若t=0时磁场由静止开始水平向右做匀加速直线运动.经过较短时间后.导体棒也做匀加速直线运动.其v-t关系如图(b)所示.已知在时刻t导体棒瞬时速度大小为vt.求导体棒做匀加速直线运动时的加速度大小. 考点分析 本题考查了物体的平衡.安培力.感应电动势.电功率. 解题思路 (1)导体棒运动时.切割磁感线.产生感应电动势. E=BL(v1-v2).根据闭合电路欧姆定律有I=E/R.导体棒受到的安培力F=BIL=.速度恒定时有:=f.可得:. (2)假设导体棒不随磁场运动.产生的感应电动势为.此时阻力与安培力平衡.所以有. (3)P导体棒=Fv2=f.P电路=E2/R==. (4)因为-f=ma.导体棒要做匀加速运动.必有v1-v2为常数.设为Dv.a=.则-f=ma.可解得:a=. [变式训练2]半径为a的圆形区域内有均匀磁场.磁感强度为B=0.2T.磁场方向垂直纸面向里.半径为b的金属圆环与磁场同心地放置.磁场与环面垂直.其中a=0.4m.b=0.6m.金属环上分别接有灯L1.L2.两灯的电阻均为R =2Ω.一金属棒MN与金属环接触良好.棒上单位长度的电阻为1Ω.环的电阻忽略不计 (1)若棒以v0=5m/s的速率在环上向右匀速滑动.求棒滑过圆环直径OO′ 的瞬时MN中的电动势和流过灯L1的电流. (2)撤去中间的金属棒MN.将右面的半圆环OL2O′ 以OO′ 为轴向上翻转90º.若此时磁场随时间均匀变化.其变化率为ΔB/Δt=4T/s.求L1的功率. 解析:(1)棒滑过圆环直径OO′ 的瞬时.MN中的电动势 E1=B2a v=0.2×0.8×5=0.8V ① 等效电路如图(1)所示.流过灯L1的电流 I1=E1/R=0.8/2=0.4A ② (2)撤去中间的金属棒MN.将右面的半圆环OL2O′ 以OO′ 为轴向上翻转90º.半圆环OL1O′中产生感应电动势.相当于电源.灯L2为外电路.等效电路如图(2)所示.感应电动势 E2=ΔФ/Δt=0.5×πa2×ΔB/Δt=0.32V ③ L1的功率P1=(E­2/2)2/R=1.28×10-2W 考点3. 解决电磁感应现象中能量转化问题的基本方法与要点 剖析: 在物理学研究的问题中,能量是一个非常重要的课题,能量守恒是自然界的一个普遍的.重要的规律.在电磁感应现象中.由磁生电并不是创造了电能.而只是机械能转化为电能而已.在力学中就已经知道:功是能量转化的量度.那么在机械能转化为电能的电磁感应现象中.是什么力在做功呢?是安培力在做功.在电学中.安培力做正功.是将电能转化为机械能.安培力做负功.是将机械能转化为电能.必须明确发生电磁感应现象中.是安培力做功导致能量的转化. (1)基本方法 ①用法拉第电磁感应和楞次定律确定感应电动势的大小和方向. ②画出等效电路.求出回路中电阻消耗电功率表达式. ③分析导体机械能的变化.用能量守恒关系得到机械功率的改变与回路中电功率的改变所满足的方程.即能量守恒方程. (2)分析要点 分析过程中应当牢牢抓住能量守恒这一基本规律.即分析清楚有哪些力做功.就可知道有哪些形式的能量参与了相互转化.如有摩擦力做功.必然有内能出现,重力做功.就可能有机械能参与转化,安培力做负功就将其它形式能转化为电能.做正功将电能转化为其它形式的能,然后利用能量守恒列出方程求解. [例题3]如图10-3-6所示.空间等间距分布着水平方向的条形匀强磁场.竖直方向磁场区域足够长.磁感应强度B=1T.每一条形磁场区域的宽度及相邻条形磁场区域的间距均为d=0.5m.现有一边长l=0.2m.质量m=0.1kg.电阻R=0.1Ω的正方形线框MNOP以v0=7m/s的初速从左侧磁场边缘水平进入磁场.求 (1)线框MN边刚进入磁场时受到安培力的大小F. (2)线框从开始进入磁场到竖直下落的过程中产生的焦耳热Q. (3)线框能穿过的完整条形磁场区域的个数n. 解析:(1)线框MN边刚开始进入磁场区域时.感应电动势.感应电流 .安培力 .联立解得 N. (2)设线框竖直下落时.线框下落了H.速度为.根据能量守恒定律有: .根据自由落体规律有:.解得J. (3)只有在线框进入和穿出条形磁场区域时.才产生感应电动势.线框部分进入磁场区域时.感应电动势.感应电流.安培力.解得.在时间内由动量定理得.求和.解得 .穿过条形磁场区域的个数为.解得.可穿过4个完整条形磁场区域. 答案:(1)N 4个 点拔:在电磁感应中应用动量定理时.若安培力为变力作用.则可以利用平均值的方法分析求解.也可以应用数学知识中的求和进行求解.对于电磁感应中能量的转化问题.则通常采用能量. [变式训练3]如图10-3-7所示.平行金属导轨与水平面成θ角.导轨与固定电阻R1和R2相连.匀强磁场垂直穿过导轨平面.有一导体棒ab.质量为m.导体棒的电阻与固定电阻R1和R2的阻值均相等.与导轨之间的动摩擦因数为μ.导体棒ab沿导轨向上滑动.当上滑的速度为v时.受到安培力的大小为F.此时 A.电阻R1消耗的热功率为Fv/3 B.电阻 R.消耗的热功率为 Fv/6 C.整个装置因摩擦而消耗的热功率为μmgvcosθ D.整个装置消耗的机械功率为(F+μmgcosθ)v 解析:由法拉第电磁感应定律得 E=BLv.回路总电流 I=E/1.5R.安培力 F=BIL.所以电阻 R1 的功率 P1=(0.5I)2 R=Fv/6. B 选项正确.由于摩擦力 f=μmgcosθ.故因摩擦而消耗的热功率为 μmgvcosθ.整个装置消耗的机械功率为(F+μmgcosθ)v.答案:BCD 考点4. 解决电磁感应现象中图像问题的基本方法与要点 剖析: 电磁感应中常涉及磁感应强度B.磁通量Φ.感应电动势E和感应电流I随时间t变化的图像.即B-t图像.Φ-t图像.E-t 图像和I-t图像等.对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况还常涉及感应电动势E和感应电流I随线圈位移x变化的图像.即E-x图像和I-x图像. (1)基本方法 ①看清横.纵坐标表示的物理量. ②理解图像的物理意义. ③画出对应的物理图像(常常采用分段法.数学法来处理). (2)分析要点 ①定性或定量地表示出所研究问题的函数关系. ②注意横.纵坐标表达的物理理.以及各物理量的单位. ③注意在图象中E.I.B等物理量的方向是通过正负值来反映.故确定大小变化的同时.还应确定方向的变化情况. [例题4]矩形导线框abcd固定在匀强磁场中.磁感线的方向与导线框所在平面垂直.规定磁场的正方向垂直低面向里.磁感应强度B随时间变化的规律如图所示.若规定顺时针方向为感应电流I的正方向.下列各图中正确的是( ) 解析:0-1s内B垂直纸面向里均匀增大.则由楞次定律及法拉第电磁感应定律可得线圈中产生恒定的感应电流.方向为逆时针方向.排除A.C选项,2s-3s内.B垂直纸面向外均匀增大.同理可得线圈中产生的感应电流方向为顺时针方向.排除B选项.D正确. 点拨:电磁感应图象问题是近几年高考的热点.特别是电流随时间变化和电压随时间变化的最多.复习时要加强这方面的训练. [变式训练4]如图10-3-8所示.平行于y轴的导体棒以速度v向右匀速直线运动.经过半径为R.磁感应强度为B的圆形匀强磁场区域.导体棒中的感应电动势ε与导体棒位置x关系的图像是(A) 解析:在x=R左侧.设导体棒与圆的交点和圆心的连线与x轴正方向成θ角.则导体棒切割有效长度L=2Rsinθ.电动势与有效长度成正比.故在x=R左侧.电动势与x的关系为正弦图像关系.由对称性可知在x=R右侧与左侧的图像对称. 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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